JP2014157068A - 電力計測通信装置及び電力計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力線以外に通信線路や絶縁手段を必要せず小型化、低コスト化が実現可能な電力計測通信装置、及びそれを備えた電力計測システムを実現することを目的とする。
【解決手段】計測対象機器１０に接続された電力線５の電圧値と電流値を測定して電力値を演算し、演算された電力値を管理装置へ電力線通信する電力計測通信装置において、電力線５のうちの１つの電力線５Ｂをグランド電位とし、電圧測定部２１は、１つの電力線５Ｂと他の電力線５Ａとの電位差を前記電力線の電圧として測定し、通信部は、電力値を電力線通信するために変復調する電力線通信変復調部２６と、変復調された電力値が入力される被絶縁のカプラ回路２９と、を含み、カプラ回路２９は、他の電力線５Ａを介して外部装置と電力線通信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、機器の電力を計測して外部に送信可能な電力計測通信装置と、それを備えた電力計測システムに関する。

近年、省エネルギーが重要視されているが、消費電力を抑えるためには、どの機器でどれだけの電力を消費しているかを把握・監視し、対策を行う必要がある。そして、機器の電力消費を把握するには計測装置が必要となる。
従来、電力の計測装置として、電力計測機能と通信機能を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の計測装置はオフィスや家庭に設置されるもので、複数の情報通信機器又は家庭電化製品を接続可能な電源タップを内蔵している。
電源タップに接続された機器によって消費される消費電力を電力測定機能部によって測定し、その積算値を、通信機能を使用して管理用コンピュータに定期的に送信することにより、オフィスや家庭における消費電力量を把握することが出来る。

ところで、かかる従来の消費電力計測装置における電力測定機能部では、計測装置を絶縁するために、電圧検出回路変圧器（トランス）を用いたものが一般的であった。しかし、変圧器は一般的に高価であるため、電力計測装置のコストを上げる要因となる。
特許文献２には、消費電力の測定対象となる機器に組み込まれる電力計測装置が開示されている。測定された電力値は機器に通信され、機器はそれ自身の消費電力を検出することが可能となる。
すなわち、特許文献２の電力計測装置は、計測対象の機器に接続された電力線の電圧を測定する電圧測定部と、同機器に接続された電力線の電流を測定する電流測定部と、電圧と電流の値から電力値を演算する演算部と、絶縁手段を用いて電力値を測定対象の機器の制御部へ通信する通信部と、を備えた電力計測装置が開示されている。
この電力計測装置では、機器に接続される電力線のうちの１つの電力線をグランド電位とし、電圧計測部においてはグランド電位の電力線と他の電力線との間の電位差を計測することにより、機器の消費電力を計測する。
この特許文献２の電力計測装置では、変圧器等の高価な部品を用いる必要が無く、電圧検出部の構成を簡単化し、装置を小型化、低コスト化することが出来る。

上記の特許文献２に開示の電力計測装置では、測定対象機器に消費電力の情報を送信することで、対象機器ごとで消費電力を行う一助とすることが可能である。
しかしながら、上記したように、家庭やオフィス全体の省電力化を行うためには、全体の電力を管理する管理装置（管理コンピュータやサーバなどが相当）に各機器の電力情報を通信しなければならず、特許文献２には、外部に情報通信する手段を備えていない。
また、特許文献１の構成では、測定した電力値を通信する通信機能を有しているが、特許文献２において機器の制御部への通信手段を外部への通信手段として拡張した場合、電力線以外に通信線路や絶縁手段が必要となり、システムとして小型化、低コスト化が実現出来ない、という問題がある。
上記の現状を鑑みて、本発明は、測定対象機器に供給される電力値の測定（電力計測機能）と、測定した電力値の外部装置への通信（電力線通信機能）を、電力計測通信装置やシステムを大型化・高コスト化することなく実現可能な電力計測通信装置、及びそれを備えた電力計測システムを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、機器に供給される電圧を測定する電圧測定部と、前記機器に供給される電流を測定する電流測定部と、前記電圧及び前記電流の値から前記機器に供給される電力値を演算する演算部と、前記電力値を電力線通信により外部装置に送信する通信部と、を備えた電力計測通信装置において、前記機器が接続される電力線のうち１つの電力線を当該電力計測通信装置のグランド電位とし、前記電圧測定部は、前記１つの電力線と前記機器が接続される他の電力線との電位差を測定し、前記通信部は、前記電力値を変調して通信信号を生成する通信信号生成部と、生成した前記通信信号を前記他の電力線に印加するカプラ回路と、を少なくとも含む電力計測通信装置を特徴とする。

上記のように構成したので、測定対象機器に供給される（機器で消費される）電力値の測定（電力計測機能）と、測定した電力値の外部装置への通信（電力線通信機能）を、電力計測通信装置やシステムを大型化・高コスト化することなく実現することが出来る。

本実施形態に係る電力計測システムの構成を例示する図。 第１の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図。 変調方式による伝送誤り率とＳ／Ｎ比の関係を示す図。 第２の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図。 第３の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図。 第４の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図。 第５の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る電力計測システムの構成を例示する図である。
図１に示すシステム１は、家庭やオフィス全体の省電力化を行うために、システム全体の電力を管理する管理装置５０（管理コンピュータやサーバなどが相当）に各機器１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ・・・）の電力情報６０、６１・・・を電力線通信によって供給し、管理装置５０において各機器の消費電力の監視や制御・管理を行うシステムである。

図１において、複数の機器は電源供給口（例えばコンセント）６（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ・・・）に接続されて、電力線５（５Ａ、５Ｂ）と接続される。
機器１０と、その機器１０の消費電力を測定する電力計測通信装置２０が一組となっている。
第１の機器１０Ａの消費電力は第１の電力計測通信装置２０Ａにより測定される。また、第２の機器１０Ｂの消費電力は第２の電力計測通信装置２０Ｂにより測定される。さらに、第３の機器１０Ｃの消費電力は第３の電力計測通信装置２０Ｃにより測定される。
さらに、図１では、機器１０と電力計測通信装置２０の組が３組、電源供給口６（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ）に接続されており、電力計測通信装置２０は、測定した機器１０の消費電力を電力線通信によって管理装置５０に送信可能となっている。
なお、図１においては管理装置５０に接続される機器及び電力計測通信装置が３組示されているが、これに限らず、１組や２組、あるいは３組よりも多くても構わない。

システム全体の電力を管理する管理装置５０は、管理装置５０を制御する管理用制御部５１と、電力計測通信装置２０Ａと電力線通信を行う管理用通信部５２と、測定結果等を表示する表示部５４と、システム１の外部と通信するための外部通信部５３と、を備えている。
測定された第１の機器１０Ａの電力値は電力線通信機能により管理用通信部５２へ供給される。同様に第２の機器１０Ｂや第３の機器１０Ｃの消費電力も管理用制御部５１に入力される。

管理用制御部５１は、各電力計測通信装置２０から入力された各機器の消費電力や全体の消費電力を表示部５４に表示する。また、入力された各機器の消費電力に従って、使用者に機器の消費電力を下げる指示を表示部５４に表示する。
また、消費電力情報は外部通信部５３を介してインターネットなど外部の機器と接続して、例えば管理会社などに通知される。
図１では電力線５は２本で示されており、単相２線式交流電力線やＤＣ給電による直流電力線が対象となる。また、３相電力線のように３線以上の電力線でもかまわない。
また、接続される機器が電池システムの場合は消費電力以外に、電池から供給される電力が測定されることも考えられる。

図２は、第１の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図である。
電力計測通信装置２０は、電圧測定部２１、電流測定部２２、Ａ／Ｄ変換部２３、演算部２４、装置２０の全体制御を行う制御部２５、電力線通信変復調部２６、Ａ／Ｄ変換部２７、Ｄ／Ａ変換部２８、カプラ回路２９、各処理部に電源を供給する内部電源部３０、を備えている。
なお、電力線通信変復調部２６、Ａ／Ｄ変換部２７、Ｄ／Ａ変換部２８、カプラ回路２９は、演算部２４で演算された電力値を機器外部の管理装置５０へ電力線通信するための通信部を構成している。
また、電力計測通信装置２０のグランドＧＮＤは、機器１０に接続される電力線のうちの１本、例えば電力線５Ｂ（中性線）に接続されている。すなわち、機器１０に接続される電力線のうち１つの電力線５Ｂがグランド電位となっている。

電圧測定回路（電圧測定部）２１は、計測対象の機器１０に接続された電力線５の電圧（計測対象の機器に供給される電圧）を測定する。この電圧測定回路２１はトランスを持たず、抵抗分圧回路で構成される。電力計測通信装置２０のグランド電位を、電力線のうちの１つの電力線の電位に合わせていることで、トランス等の高価な部品が必要なくなっている。
電圧測定回路２１は、電力計測通信装置２０のグランド電位に接続された中性線５Ｂと、他の電力線５Ａとの間の電位差を測定し、後段のＡ／Ｄ変換部２３に適した入力レベルに変換するため抵抗分圧（スケーリング）する。
なお、図２に示す本実施形態では電力線が２本の場合を示しているが、多相のような３本以上の電力線でも同様である。

電流測定回路（電流測定部）２２は、計測対象の機器１０に接続された電力線５の電流（計測対象の機器に供給される電流）を測定する。
電流測定回路２２は、電力線５Ｂ（中性線）に接続されているシャント抵抗７の両端電圧を測定可能に構成されており、中性線５Ｂに挿入されたシャント抵抗７の両端電圧を増幅して後段のＡ／Ｄ変換部２３に適した入力レベルに変換する。
電圧測定回路２１、電流測定回路２２の後段に接続されるＡ／Ｄ変換部２３は、電圧測定回路２１、電流測定回路２２から入力される電圧と電流の測定値のアナログ出力を夫々デジタイズする。

Ａ／Ｄ変換部２３のさらに後段に接続される演算部２４は、Ａ／Ｄ変換部２３から得られる電圧計測結果と電流計測結果のデジタル値を用いて、機器１０に入力される電力などの演算を行う。
演算部２４による演算結果である電力値は制御部２５に入力され、後段の電力線通信機能により電力計測システム１に接続されている管理用制御部５１へ電力線５を通して通信される。

上記したように、電力計測通信装置２０の電力線通信機能は電力線通信変復調部２６、Ａ／Ｄ変換部２７、Ｄ／Ａ変換部２８、カプラ回路２９で構成されている。
まず、制御部２５からの電力値は、通信データとして電力線通信変復調部２６で電力線通信信号に変調される。すなわち、電力線通信変復調部２６は、通信信号を生成する通信信号生成部である言える。
電力線通信変復調部２６における変調方式は２５６ＱＡＭ（２５６Quadrature Amplitude Modulation）、６４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、ＱＰＳＫ、ＢＰＳＫなどが採用され、必要な伝送レートと電力線通信による伝送誤り率により決められる。
なお、電力線通信変復調部２６にはアップコンバージョン・ダウンコンバージョン機能を含んでも良い。

電力線通信変復調部２６の出力は後段のＤ／Ａ変換部２８でアナログ信号に変換され、カプラ回路２９を通して電力線５Ａに通信信号が印加される。
電力線通信変復調部２６は、制御部２５から入力される電力値などのデータをベースバンド信号に変調し、ベースバンド信号を高周波信号の周波数にアップコンバージョン（周波数変換）することで高周波通信信号とする。
電力線通信変復調部２６で変調された高周波通信信号データはＤ／Ａ変換部２８でアナログ信号に変換される。

変換された高周波通信信号はカプラ回路２９に入力される。カプラ回路２９は送信アンプ、電力線の高電圧をカットするコンデンサ、送信インピーダンスとなる抵抗から構成される。高周波通信信号は送信アンプで増幅され、電力線の高電圧をカットするコンデンサを通して電力線に印加される。
電力線を介して伝送される通信信号である高周波信通信号の周波数はベースバンド信号と局部発振信号により決定される。
送信の場合はアップコンバージョンにより、局部発振信号周波数を搬送波周波数として、ベースバンド信号を変調した高周波通信信号が通信信号となる。

一般に通信品質を向上させるためには通信信号のＳ／Ｎ比を大きくすることが必要となるが、電力線通信においては、一般的に低い周波数のノイズが大きいため、数百ｋＨｚの周波数を使用して通信を行う。
なお、電力線通信変復調部２６で行われる変調方式では波形にデータ（ビット）を割り付けて伝送するが、変調方式により伝送誤り率とＳ／Ｎ比の関係が決まってくる。

図３は、変調方式による伝送誤り率とＳ／Ｎ比の関係を示す図である。
例えば、伝送誤り率を１０^−５に設定すれば、２５６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、１６ＱＡＭ、ＱＰＳＫ、ＢＰＳＫではＳ／Ｎ比がそれぞれ約３２ｄＢ、約２６ｄＢ、約２０ｄＢ、約１４ｄＢ、約１０ｄＢであることが必要となる。一方それぞれの方式で割付可能なビットは、それぞれ８ビット、６ビット、４ビット、２ビット、１ビットとなる。
図３より高いＳ／Ｎ比が確保できる場合ほどビット割り付けが大きい変調方式を選択できる。言い換えれば、同じ伝送誤り率でも高い伝送レートを実現できることが分かる。
一般に伝送誤り率を１０^−５から１０^−７程度にすることによって、例えば、伝送速度が１００ｋｂｐｓであれば、確率的に１秒に１回誤りが発生することになり、誤りが発生した伝送フレームを再送することにより、何ら問題なく安定した通信が可能になる。
図２に戻り、上記のように電力計測通信装置２０のグランドＧＮＤは電力線５の１本、例えば電力線５Ｂ（中性線）に接続されており、他の一本の電力線５Ａにカプラ回路２９によって通信信号が印加される。

通常カプラ回路は、トランス（変圧器）を使用して、電力線信号を発生する電力線通信変復調部、Ａ／Ｄ変換部、Ｄ／Ａ変換部と、電力線５とを絶縁しなければならない。
しかし、上記のように電力計測通信装置２０のグランドＧＮＤが電力線の１本（中性線）５Ｂに接続されているため、電力線５Ａに通信信号が印加を印加するカプラ回路２９は非絶縁とすることが出来る。

ところで、測定された機器１０の電力値は電力線通信機能により電力線を通信路として管理用通信部５２へ通信する場合には送信機能しか必要が無いが、一般的にデータのやり取りを行うためにはプロトコルが必要となる。
よって、プロトコルを構成するためには受信機能が必要となる。そのため、受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２７、電力線通信信号をデータに復調する機能が電力線通信変復調部２６に必要である。

受信動作は、電力線５Ａに印加された高周波通信信号はカプラ回路２９を通してＡ／Ｄ変換部２７に接続され、Ａ／Ｄ変換部２７でデジタル値に変換される。
通信信号のデジタル信号はダウンコンバージョン（周波数変換）され、高周波信号の周波数からベースバンド周波数へ変換される。ベースバンド周波数に変換されたベースバンド信号データは復調動作によりデジタルデータとなる。デジタルデータは制御部に入力され、受信データに対応する制御を行う。
なお、計測対象の機器１０は、機器１０の動作を制御する機器制御部１１と、機器１０を動作させるために必要な直流電力を作る機器電源部１２を備えている。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図である。
なお、第１の実施形態に係る電力計測通信装置と共通の構成には、同一の符号を付して詳細な説明は省略している。
図４に示す第２の実施形態では、第１の実施形態（図２）における電力演算を行う演算部２４の機能と、電力線通信変復調部２６の変復調機能を一つのＤＳＰ演算処理部（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）３１に組み込まれている組み込みプログラムによる処理（ソフトウェア処理）によって実現する。

電力演算処理や変復調処理は、積和演算に代表される信号処理演算を実施することであり、ＤＳＰ部３１を構成するＤＳＰは信号処理演算に特化したプロセッサである。
ＤＳＰ３１によって、電力演算処理を実施する電力演算プログラム３１ａと変復調処理を実施する電力線通信変復調プログラム３１ｂを実行することで、一つのＤＳＰ３１で両機能を実現することが出来る。
そのため、上述の第１の実施形態のように、電力演算処理、電力線通信変復調処理を、個別の回路（ハードウェア）によって実現する場合に比べて、装置の小型化、低コスト化を実現することが出来る。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図である。
なお、第２の実施形態に係る電力計測通信装置と共通の構成には、同一の符号を付して詳細な説明は省略している。
図５に示す第３の実施形態は、図４に示す上記の第２の実施形態と同様に、電力演算処理、電力線通信変復調処理を、ＤＳＰ３１によるプログラム処理によって実行している。
本実施形態ではさらに、電力測定機能を実現する電圧測定回路２１及び電流測定回路２２のアナログ出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部２３と、電力線通信機能を実現する、電力線に印加された高周波通信信号のカプラ回路２９のアナログ信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部２７（図２、図４）を共用している。
Ａ／Ｄ変換部２３はマルチプレクサ機能により多チャンネル入力を可能とするため、一つのＡ／Ｄ変換部２３で電圧測定回路２１及び電流測定回路２２のアナログ出力、電力線通信信号のカプラ回路２９のアナログ出力を時分割でデジタル変換する。
かかる構成を備えたことによって、本実施形態によれば、別々の機能を実現するためにＡ／Ｄ変換部２３を複数備える場合に比べて、装置の小型化、低コスト化が実現できる。

［第４の実施形態］
図６は、本発明の第４の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図である。
なお、第１の実施形態に係る電力計測通信装置と共通の構成には、同一の符号を付して詳細な説明は省略している。
図６に示す第４の実施形態では、第１の実施形態の構成を基本として、電流検出回路２２において、シャント抵抗を使用する代わりにカレントトランス８を使用する。カレントトランスを使用しても同様の効果を得ることが出来る。また、カレントトランス８の代わりに磁気センサーなどの素子を使用しても同様の効果を得ることが出来る。もちろん、シャント抵抗の代わりにカレントトランスを用いることは、第２、第３の実施形態、下記の第５の実施形態にも適用可能である。

［第５の実施形態］
図７は、本発明の第５の実施形態に係る電力計測通信装置の詳細な構成を例示する図である。
なお、第１の実施形態に係る電力計測通信装置と共通の構成には、同一の符号を付して詳細な説明は省略している。
図７に示す第５の実施形態では、電力計測通信装置２０は、対象の機器１０における機器制御部１１と通信することで電力情報を対象の機器１０に送信する。

また、電力線通信で受信した電力計測システム１の管理装置５０（管理用制御部５１）からの指示を対象の機器１０に送信することが可能となる。
電力計測通信装置２０の制御部２５から出力されたデータは、機器１０の通信部１３に入力され、フォトカプラに代表される絶縁手段３２を介して機器１０の通信部１３に通信データが入力される。
機器１０の通信部１３からの通信データにより、機器１０の制御部（機器制御部）１１は必要な動作を実行する。
例えば、取得した電力値を記述していないユーザインターフェース部へ出力して消費電力を表示し、ユーザーの省エネ意識を向上させることも可能である。また、電力計測システム１の管理用制御部５１から全体の電力を表示する指示を受けた場合、同様に記述していないユーザインターフェース部へ出力して電力計測システム１の消費電力を表示し、ユーザーの省エネ意識を向上させることも可能である。

１ 電力計測システム、５（５Ａ、５Ｂ） 電力線、６ 電源供給口、７ シャント抵抗、８ カレントトランス、１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ） 機器、１１ 機器制御部、１２ 機器電源部、１３ 通信部、２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ） 電力計測通信装置、２１ 電流測定回路、２２ 電圧測定回路、２３ Ａ／Ｄ変換部、２４ 演算部、２５ 制御部、２６ 電力線通信変復調部、２７ Ａ／Ｄ変換部、２８ Ｄ／Ａ変換部、２９ カプラ回路、３１ ＤＳＰ部、３１ａ 電力演算プログラム、３１ｂ 電力線通信変復調プログラム、３２ 絶縁手段、５０ 管理装置、５１ 管理用制御部、５２ 管理用通信部、５３ 外部通信部、５４ 表示部、ＧＮＤ グランド

特開２０００−２１４１８６公報 特開２０１０−２６１８５２公報

Claims (9)

1. 機器に供給される電圧を測定する電圧測定部と、前記機器に供給される電流を測定する電流測定部と、前記電圧及び前記電流の値から前記機器に供給される電力値を演算する演算部と、前記電力値を電力線通信により外部装置に送信する通信部と、を備えた電力計測通信装置において、
   前記機器が接続される電力線のうち１つの電力線を当該電力計測通信装置のグランド電位とし、
   前記電圧測定部は、前記１つの電力線と前記機器が接続される他の電力線との電位差を測定し、
   前記通信部は、前記電力値を変調して通信信号を生成する通信信号生成部と、生成した前記通信信号を前記他の電力線に印加するカプラ回路と、を少なくとも含むことを特徴とする電力計測通信装置。
2. 前記カプラ回路は非絶縁であることを特徴とする請求項１に記載の電力計測通信装置。
3. 前記演算部と前記通信信号生成部を、単一のＤＳＰ部によるソフトウェア処理で実現したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力計測通信装置。
4. 前記電圧測定部で測定された電圧と前記電流測定値で測定された電流をデジタイズし、且つ前記通信信号生成部で生成された電力値をデジタイズする、単一のＡ／Ｄ変換部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力計測通信装置。
5. 前記電流測定部は、前記１つの電力線に挿入したシャント抵抗の両端電圧を測定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電力計測通信装置。
6. 前記電流測定部は、カレントトランスによって前記他の電力線の電流を測定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電力計測通信装置。
7. 前記電流測定部は、磁気センサーによって前記他の電力線の電流を測定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電力計測通信装置。
8. 前記機器へ前記電力値を通信するための機器通信部と、絶縁手段と、を備え、前記機器と絶縁しながら通信することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の電力計測通信装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の電力計測通信装置と、当該電力計測通信部と電力線通信が可能な管理装置と、を備えたことを特徴とする電力計測システム。

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