JP2013134244A - 計量器用無線通信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 トランス等の電源回路が機器内部に不要で、回路基板内における絶縁距離を確保する必要も無い、小型で高精度に時刻を計時する計量器用無線通信機を提供する。
【解決手段】 無線通信機１のセンサ８は、電力量計２へ商用電源を供給する電力供給線５ａと確実に電磁結合する。波形整形回路９ａは、センサ８から出力される磁界検出信号を高インピーダンスの増幅回路によって波形整形し、ローパスフィルタ９ｂへ出力する。ローパスフィルタ９ｂは波形整形回路９ａによって波形整形された信号の中から商用周波数成分を抽出し、クロックパルス化回路９ｃへ出力する。クロックパルス化回路９ｃは、ローパスフィルタ９ｂによって抽出された商用周波数成分から計時パルスを生成する。電力量計２はこのような計時パルス生成手段９によって生成された計時パルスを用いて、時刻に基づく動作を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、計量器で計量されたデータを無線通信する、計量器に付属する計量器用無線通信機に関するものである。

従来、計量器で計量されたデータを通信するのに、計量器の一種である電力量計では電力線通信（ＰＬＣ）方式が使用されることがある。配電系統に設置されて商用電源の供給を受ける電力量計は、時刻の計時に商用電源周波数に同期した計時パルスを用いる。商用電源の周波数は正確に制御されているため、商用電源から生成される計時パルスを用いることで、簡便に精度の良いクロックを得ることが出来る。一方、計量器で計量されたデータを通信するのに、無線通信方式を採用し、商用電源が供給されない無線通信機で通信を行う場合、計時パルスは水晶振動子の出力波形から生成される。

また、従来、商用電源から計時パルスを得る技術として、特許文献１に開示された時計がある。この時計は、我々の居住する空間内に誘起されている商用電源の放射電磁界を鉄心入りコイルによって検出する。鉄心入りコイルによって検出された商用電源周波数の交流信号は増幅回路によって増幅され、計時回路に入力されて分周される。デジタル表示器はこの分周信号によって駆動され、時間を表示する。

特開平１０−２８２２６９号公報

しかしながら、無線通信方式で計量データを通信する上記従来の無線通信機は、時刻の計時精度が水晶振動子の発振周波数精度に依存し、商用電源周波数を用いる場合に比べて劣る。これを避けるため、無線通信機を商用電源に接続すると、無線通信機内部にトランス等の電源回路が新たに必要になり、また、回路基板内における絶縁距離を確保する必要が生じ、その結果装置が大型化してしまう。

また、特許文献１に開示されている時計は、居住空間内に誘起されている商用電源の放射電磁界を利用するが、高圧送電線下や電力線近傍以外では商用電源の電磁波は極めて小さい。このため、このような微弱な電磁波を検出するのには、少なくとも電源トランス以上の大型の鉄心入りコイルが必要とされる。また、居住空間内における商用電源周波数成分の電磁波は、数多くある電力線からの電磁波や、反射波といった自然発生的に位相差を持つ、様々な発生源からの電磁波の合成である。このため、居住空間内から高精度の商用電源周波数波形を検出するのは困難である。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
商用電源が供給される計量器に付属され、計量器で計量されたデータを無線通信する商用電源が供給されない計量器用無線通信機において、
商用電源を計量器へ供給する電力供給線に発生する電界または磁界の少なくとも一方を検出するセンサと、
センサによって検出された電界または磁界の少なくとも一方の検出信号から商用電源周波数の計時パルスを生成する計時パルス生成手段とを備え、
計時パルス生成手段によって生成された計時パルスを用いて時刻を計時することを特徴とする。

この構成によれば、センサは、居住空間内における商用電源周波数成分の微弱な電磁波を検出する場合と異なり、計量器へ商用電源を供給する電力供給線と確実に電磁結合する。このため、センサは、大型の鉄心入りコイル等を必要とすること無く、しかも、雑音となる他の電磁波からの干渉を抑えて、商用電源の電界または磁界の少なくとも一方を電力供給線から確実に検出することが出来る。従って、高精度の商用電源周波数波形が得られ、計時パルス生成手段は、この波形を基に商用電源周波数の計時パルスを高精度に生成することが出来る。この結果、トランス等の電源回路が機器内部に不要で、回路基板内における絶縁距離を確保する必要も無い、小型で高精度に時刻を計時する計量器用無線通信機が提供される。

また、本発明は、センサが、電力供給線と電気的に絶縁分離され、計量器用無線通信機を収納する筐体の中または外に設置されることを特徴とする。

この構成によれば、センサが電力供給線と電気的に絶縁分離されるため、無線通信機は電力供給線に生じる落雷等の悪影響を受けない。また、センサが無線通信機を収納する筐体の中に設置されることで、無線通信機の取り扱いが容易になる。また、センサが無線通信機を収納する筐体の外に設置されることで、センサを電力供給線に更に近付けることが出来、電力供給線との電磁結合をより強めてより確実に商用電源周波数を得ることが出来る。

また、本発明は、計量器が、電力量計であり、電力供給線に接続された電線から商用電源の供給を受けて電力量を計量する電力量計量部を備え、
センサが、電線に発生する磁界を検出することを特徴とする。

電力量計の負荷側には負荷量に応じた負荷電流が流れ、負荷電流の大きさは絶えず変化する。しかし、電力量を計量する電力量計量部はその電力消費が安定しており、電力量計量部に商用電源を供給する電線には電力量計量部を駆動する駆動電流が安定して流れる。このため、上記の構成によれば、センサは、電線に安定して流れる駆動電流が形成する安定した磁界を検出することになり、的確に商用電源周波数波形を検出することが出来る。

また、本発明は、センサが、電線の一部に形成されたコイルに発生する磁界を検出することを特徴とする。

この構成によれば、駆動電流によって電線に形成される磁界は、電線の一部に形成されたコイルにより大きくなる。このため、センサはコイルにより大きくされた磁界を検出することになるので、効率的に商用電源の磁界を検出することが可能になり、より的確に商用電源周波数波形を検出することが出来る。

また、本発明は、センサが、電力供給線にかかる商用電源電圧をコンデンサで分圧して商用電源の電界を検出することを特徴とする。

この構成によれば、センサは、空間を伝搬する商用電源の電磁波を検出するのではなく、電力供給線にかかる商用電源電圧を分圧するコンデンサから直に、商用電源の電界を検出する。このため、空間を伝搬する雑音電磁波からの干渉を受けること無く、確実かつ正確に商用電源周波数波形を検出することが出来る。

本発明によれば、上記のように、トランス等の電源回路が機器内部に不要で、回路基板内における絶縁距離を確保する必要も無い、小型で高精度に時刻を計時する計量器用無線通信機が提供される。

本発明の一実施の形態による電力量計内無線通信機の概略構成図である。 （ａ）は図１に示す無線通信機内の計時パルス生成手段の構成を示すブロック図、（ｂ）は従来の電力量計における計時パルス生成手段の構成を示すブロック図である。 図１に示す無線通信機を構成するセンサの変形例を示し、（ａ）は電力供給線に近接して設置されるセンサの変形例、（ｂ）は電力供給線に接続して設置されるセンサの変形例を示す図である。 図１に示す無線通信機が付属する電力量計を用いた自動検針（ＡＭＲ）のシステム構成図である。 ＡＭＲとホームエネルギーマネジメントシステム（ＨＥＭＳ）との連携例を示すブロック図である。 図５に示すＡＭＲとＨＥＭＳとの連携例における各信号のタイミングチャート図である。

次に、本発明による計量器用無線通信機を電力量計用無線通信機に適用した一実施の形態について説明する。

図１は本実施の形態による電力量計内無線通信機の概略構成図である。

無線通信機１は電力量計２に内蔵されて電力量計２に付属する。電力量計２の電源側端子１Ｓ，２Ｓ，３Ｓには電力供給線３ａ，３ｂ，３ｃが接続され、電力量計２にはこの電力供給線３ａ，３ｂ，３ｃを介して商用電源が供給される。また、電力量計２の負荷側端子１Ｌ，２Ｌ，３Ｌには電力供給線４ａ，４ｂ，４ｃが接続され、図示しない負荷機器にはこの電力供給線４ａ，４ｂ，４ｃを介して電力が供給される。電源側端子１Ｓ，２Ｓ，３Ｓおよび負荷側端子１Ｌ，２Ｌ，３Ｌは電力量計２の内部で電力供給線５ａ，５ｂ，５ｃによって相互に接続される。

電力量計２は電力量計量部６を備える。電力量計量部６は、電力供給線５ａ，５ｂ，５ｃに接続された電線７ａ，７ｂ，７ｃから商用電源の供給を受け、電力供給線４ａ，４ｂ，４ｃに接続された負荷機器で消費される電力量を計量する。電力量計量部６は計量した電力量データを無線通信機１へ出力する。無線通信機１には商用電源が供給されておらず、電池が内蔵されている。無線通信機１はこの内蔵電池を駆動源として動作し、電力量計量部６で計量された電力量データを外部と無線通信する。本実施の形態では、無線通信機１には、無線通信機１を収納する筐体の外に高インピーダンスのコイルＬからなるセンサ８が設置されている。センサ８は、電力供給線５ａと電気的に絶縁分離されて電力供給線５ａに近接して設置され、電力供給線５ａに生じる商用電源の磁界を検出する。また、無線通信機１には、センサ８によって検出された磁界の検出信号から商用電源周波数の計時パルスを生成する計時パルス生成手段９が備えられている。

図２（ａ）はこの計時パルス生成手段９の構成を示すブロック図である。計時パルス生成手段９は、波形整形回路９ａ、ローパスフィルタ（Ｌ．Ｐ．Ｆ）９ｂおよびクロックパルス化回路９ｃから構成される。波形整形回路９ａは、センサ８から出力される磁界検出信号を高インピーダンスの増幅回路によって波形整形し、ローパスフィルタ９ｂへ出力する。ローパスフィルタ９ｂは波形整形回路９ａによって波形整形された信号の中から商用周波数成分を抽出し、クロックパルス化回路９ｃへ出力する。クロックパルス化回路９ｃは、コンパレータ等を用いて、ローパスフィルタ９ｂによって抽出された商用電源周波数成分から計時パルスを生成する。電力量計２はこのような計時パルス生成手段９によって生成された計時パルスを用いて、時刻に基づく動作を行う。

図２（ｂ）はＰＬＣ方式で計量データを通信する従来の電力量計における計時パルス生成手段の構成を示すブロック図である。従来は、電力量計の商用周波数電源１１を降圧回路１２によって降圧し、降圧した商用周波数電圧信号から、クロックパルス化回路１３によって計時パルスを生成していた。

このような本実施の形態による電力量計用無線通信機１によれば、センサ８は、居住空間内における商用電源周波数成分の微弱な電磁波を検出する従来の場合と異なり、電力量計２へ商用電源を供給する電力供給線５ａと確実に電磁結合する。このため、センサ８は、特許文献１に開示された時計に用いられるような大型の鉄心入りコイル等を必要とすること無く、しかも、雑音となる他の電磁波からの干渉を抑えて、商用電源の磁界を電力供給線５ａから確実に検出することが出来る。従って、波形整形回路９ａによって高精度の商用電源周波数波形が得られ、クロックパルス化回路９ｃは、この波形を基に商用電源周波数の計時パルスを高精度に生成することが出来る。この結果、トランス等の電源回路が機器内部に不要で、回路基板内における絶縁距離を確保する必要も無い、小型で高精度に時刻を計時する電力量計用無線通信機１が提供される。

また、本実施の形態では、センサ８が電力供給線５ａと電気的に絶縁分離されるため、無線通信機１は電力供給線５ａに生じる落雷等の悪影響を受けない。また、センサ８が無線通信機１を収納する筐体の外に設置されることで、センサ８を電力供給線５ａに更に近付けることが出来、電力供給線５ａとの電磁結合をより強めてより確実に商用電源周波数を得ることが出来る。

なお、上記の実施形態では、センサ８をコイルＬで構成して電力供給線５ａに近接して設置した場合について説明した。しかし、センサ８はコイルＬに限定される必要は無く、電力供給線５ａに発生する電界または磁界の少なくとも一方を検出すればよく、図３（ａ）に示す高インピーダンスのコンデンサＣや、コイルＬとコンデンサＣとの複合素子Ｆでアンテナのように構成するようにしてもよい。センサ８は、コンデンサＣによって構成された場合には商用電源の電界を検出し、複合素子Ｆで構成された場合には商用電源の電磁界を検出する。この場合、計時パルス生成手段９は、センサ８によって検出された電界または磁界の少なくとも一方の検出信号から、商用電源周波数の計時パルスを生成する。

また、上記の実施形態では、センサ８を無線通信機１を収納する筐体の外に設置した場合について説明した。しかし、センサ８は無線通信機１を収納する筐体の中に設置するように構成してもよい。この構成によれば、センサ８が無線通信機１を収納する筐体の中に設置されることで、無線通信機１の取り扱いが容易になる。

また、上記の実施形態では、センサ８を電力供給線５ａに近接して設置した場合について説明した。しかし、センサ８は、図３（ｂ）に示すように、電力供給線５ａと接地線１０との間にかかる商用電源電圧をコンデンサＣ１，Ｃ２で分圧して、コンデンサＣ２で降圧した商用電源の電界を検出するように構成してもよい。この場合、センサ８はコンデンサＣ１，Ｃ２から構成され、コンデンサＣ２の両端は無線通信機１から出る信号線に接続される。この構成によれば、センサ８は、空間を伝搬する商用電源の電磁波を検出するのではなく、電力供給線５ａにかかる商用電源電圧を分圧するコンデンサＣ２から直に、商用電源の電界を検出する。このため、空間を伝搬する雑音電磁波からの干渉を受けること無く、確実かつ正確に商用電源周波数波形を検出することが出来る。

また、上記の実施形態および変形例では、電力供給線５ａの周りに設置されたコンデンサＣまたはコイルＬによって形成される電界または磁界を検出する場合について説明した。しかし、電力供給線５ｂ，５ｃの周りに設置されたコンデンサＣまたはコイルＬによって形成される電界または磁界を検出するように構成してもよい。

また、電力供給線５ａ，５ｂ，５ｃでなく、電力量計量部６へ商用電源を供給する電線７ａ，７ｂ，７ｃに発生する磁界を検出するように構成してもよい。電力量計２の負荷側の電力供給線４ａ，４ｂ，４ｃには負荷量に応じた負荷電流が流れ、負荷電流の大きさは絶えず変化する。しかし、電力量を計量して表示する電力量計量部６はその電力消費が安定しており、電力量計量部６に商用電源を供給する電線７ａ，７ｂ，７ｃには電力量計量部６を駆動する駆動電流が安定して流れる。このため、上記の構成によれば、センサ８は、電線７ａ，７ｂ，７ｃに安定して流れる駆動電流が形成する安定した磁界を検出することになり、的確に商用電源周波数波形を検出することが出来る。

また、電線７ａ，７ｂ，７ｃに発生する磁界を検出する上記の構成において、センサ８が、電線７ａ，７ｂ，７ｃの一部に形成されたコイルに発生する磁界を検出するように構成してもよい。この場合、センサ８は、電線７ａ，７ｂ，７ｃの一部に形成されたコイルに電磁結合するコイルなどで構成される。この構成によれば、駆動電流によって電線７ａ，７ｂ，７ｃに形成される磁界は、電線７ａ，７ｂ，７ｃの一部に形成されたコイルにより大きくなる。このため、センサ８はこのコイルにより大きくされた磁界を検出することになるので、効率的に商用電源の磁界を検出することが可能になり、より的確に商用電源周波数波形を検出することが出来る。

また、上記の実施形態では、無線通信機１が電力量計２に内蔵されて電力量計２に付属する場合について説明した。しかし、無線通信機１は、電力量計２の外部に設置されて電力量計２に付属するように構成してもよい。この場合、センサ８は、外部の電力供給線３ａ，３ｂ，３ｃの周りに設置されたコンデンサＣまたはコイルＬによって形成される電界または磁界を検出することが出来る。また、電力供給線３ａ，３ｂ，３ｃと接地線１０との間にかかる商用電源電圧をコンデンサＣ１，Ｃ２で分圧して、コンデンサＣ２で降圧した商用電源の電界を検出することも出来る。

上述した無線通信機１が付属する電力量計２を用いた自動検針（ＡＭＲ：Automatic Meter Reading）は、例えば図４に示すシステムによって行われる。

このシステムでは、１台の集線装置２１に各住宅３１ａ、３１ｂ、…に設置された数百台の電力量計２が接続され、マルチホップ伝送によって電力量の計量データが集計される。多数の電力量計２の端末で構成されたこのようなネットワークで、無線通信機１の無線通信によってデータ伝送を行う場合、混信を避けるため、キャリアセンスにより使用チャネル（ｃｈ）の空きを確認した後で計量データを送信するが、隠れ端末問題やキャリアセンス時間の長期化といった問題が依然として残される。これらの問題を解決するため、ポーリングによる発信端末の指定、データ発信時刻の割り当てといった方法が考えられるが、前者の発信端末の指定は通信トラフィックの増大につながるため、後者のデータ発信時刻を割り当てる方法が望ましいと思われる。しかし、この方法を用いる場合、全ての電力量計２における無線通信機１の時刻が同期していないと、意図せぬ通信の衝突が発生し、時分割の効果が得られない。

図５は、上述のＡＭＲとホームエネルギーマネジメントシステム（ＨＥＭＳ：Home Energy Management System）との連携例を示すブロック図である。なお、同図において図４と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

ＨＥＭＳでは、住宅３１におけるエネルギー消費機器であるエアコン・照明等３２や、ＴＶ・冷蔵庫等３３、太陽電池（ＰＶ）３４、電気自動車（ＥＶ）３５といった複数の機器を宅内センサーネットワークでつなぎ、制御装置３６で自動制御する。また、各機器の使用電力量や、各機器の動作を計測して宅内表示器３７に表示する。電力量計２はＡＭＲが実施されていない時間帯に積算電力量や使用電力量を宅内表示器３７や制御装置３６へ伝送する。その際、ＡＭＲのような３０分間隔の情報伝送ではリアルタイム性が欠如する。例えば、エアコン・照明等３２を停止しても、宅内表示器３７における使用電力表示が直ぐには減らない。このため、ＨＥＭＳでは、数秒間隔での情報伝送となる。ＨＥＭＳ制御用の信号伝送はこの情報伝送の間に行わなければならず、短時間に的確に伝送を行うために、機器間の正確な時刻同期が、無線通信機１内の上述した計時パルス生成手段９で生成される計時パルスに基づいて行われる。

図６はＡＭＲとＨＥＭＳとの上記連携例における各信号のタイミングチャート図である。

同図（ａ）〜（ｃ）は、各住宅３１ａ、３１ｂ、…、３１ｈ毎の電力量計２で行われる信号伝送タイミングを示している。同図（ｄ）は、ＡＭＲが行われる時間帯およびＨＥＭＳが行われる時間帯を示している。同図（ｅ）はＨＥＭＳ時間帯における各住宅３１内の信号伝送タイミングを示している。同図（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＡＭＲ時間帯における信号伝送では、各電力量計２は、キャリアセンスＣにより使用ｃｈの空きを確認してから、自分のデータＤを伝送する。また、同図（ｅ）に示すように、ＨＥＭＳ時間帯では、住宅３１内の制御装置３６は、電力量計２から数秒間隔Ｔで電力量データＤを受信する。ＨＥＭＳ制御用の制御データＳはこの数秒間隔Ｔの情報伝送の間に行われる。

ここで、例えば、住宅３１ａ内の電力量計２は、自分のＡＭＲを実施した後、ＨＥＭＳに移行してもよいように思える。しかし、他のＡＭＲ通信と衝突する可能性があるため、ＨＥＭＳ用通信に移行できない。このため、ＡＭＲ実施中はＨＥＭＳへの情報提供が出来ないことになり、上述のリアルタイム性の欠如が生じる。これを回避するために、ＡＭＲとＨＥＭＳ使用ｃｈの分離や、ＡＭＲの時分割、複数ｃｈの使用による時間短縮といった方法が考えられる。これらはｃｈ変更のタイミング（ｃｈ制御）や時分割制御によりやはり時刻同期が必要になる。本実施形態の電力量計２によれば、上記のように、無線通信機１内の上述した計時パルス生成手段９で生成される計時パルスに基づいて、正確な時刻同期を行える。

無線ネットワークの時刻同期方法としては、サーバーとクライアント間の伝送時間を考慮した同期方法であるＮＴＰ（Network Time Protocol）が一般的であるが、これには時刻同期のとれた複数のサーバーが必要になり、また、ＡＭＲのような無線センサネットワークでは送信のタイミングを予め正確に決定することが出来ないため、ある程度の誤差が生じる。現在、精度を向上した時刻同期方法として、時刻のブロードキャストと隣接端末間での時刻補正により時刻同期を得るＲＢＳ（Reference Broadcast Synchronization）などの方法が提案されている。ＲＢＳはμ秒オーダーの同期精度が期待できる方法であるが、大規模ネットワークでは補正のための通信トラフィックが無視できないという短所もある。現在のところ、電力量計の設置時に稼働中の隣接電力量計をサーバーと考えたＮＴＰを実施し、高精度のクロックでこれを維持するという方法が通信トラフィックを抑えた実現可能な方法として提案できるが、将来的な情報トラフィックの増加に伴い、ＲＢＳの精度が要求される可能性もある。

以上のように、今後のＡＭＲの拡大や、ＡＭＲとＨＥＭＳの連携が進むに連れ、高精度の時刻同期とその維持がシステム品質の向上に必要不可欠となる。これには各々の機器が正確な計時パルスを利用できる環境が必要となる。このため、正確な計時パルスを提供することが出来る本発明は、システム品質の向上に資することになる。

１…無線通信機
２…電力量計
３ａ，３ｂ，３ｃ、４ａ，４ｂ，４ｃ、５ａ，５ｂ，５ｃ…電力供給線
６…電力量計量部
７ａ，７ｂ，７ｃ…電線
８…センサ
９…計時パルス生成手段
９ａ…波形整形回路
９ｂ…ローパスフィルタ（Ｌ．Ｐ．Ｆ）
９ｃ…クロックパルス化回路

Claims (5)

1. 商用電源が供給される計量器に付属され、前記計量器で計量されたデータを無線通信する商用電源が供給されない計量器用無線通信機において、
   商用電源を前記計量器へ供給する電力供給線に発生する電界または磁界の少なくとも一方を検出するセンサと、
   前記センサによって検出された電界または磁界の少なくとも一方の検出信号から商用電源周波数の計時パルスを生成する計時パルス生成手段とを備え、
   前記計時パルス生成手段によって生成された計時パルスを用いて時刻を計時することを特徴とする計量器用無線通信機。
2. 前記センサは、前記電力供給線と電気的に絶縁分離され、前記計量器用無線通信機を収納する筐体の中または外に設置されることを特徴とする請求項１に記載の計量器用無線通信機。
3. 前記計量器は、電力量計であり、前記電力供給線に接続された電線から商用電源の供給を受けて電力量を計量する電力量計量部を備え、
   前記センサは、前記電線に発生する磁界を検出することを特徴とする請求項２に記載の計量器用無線通信機。
4. 前記センサは、前記電線の一部に形成されたコイルに発生する磁界を検出することを特徴とする請求項３に記載の計量器用無線通信機。
5. 前記センサは、前記電力供給線にかかる商用電源電圧をコンデンサで分圧して商用電源の電界を検出することを特徴とする請求項１に記載の計量器用無線通信機。

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