JP2015023505A

JP2015023505A - Ｐｌｃ信号中継システム

Info

Publication number: JP2015023505A
Application number: JP2013151863A
Authority: JP
Inventors: 都築　伸二; Shinji Tsuzuki; 伸二都築
Original assignee: Ehime University NUC
Current assignee: Ehime University NUC
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-02
Also published as: WO2015012230A1; TW201526565A

Abstract

【課題】ＰＬＣ信号の減衰を極力抑え、安定した電力線通信を行うことが可能なＰＬＣ信号中継システムを提供する。
【解決手段】本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムは、大地と静電結合したバイパス線４０と、支線１６とキャパシティブ結合又はインダクティブ結合により結合する支線カプラ３４と、バイパス線４０とインダクティブ結合により結合するバイパス線カプラ３２とを有し、支線１６とバイパス線４０との間でＰＬＣ信号を伝送するバイパス装置３１と、を備え、ＰＬＣ信号が、バイパス線４０と大地とにより形成された閉ループ回路４２上を流れることで、電力線網１０上に設置された信号減衰機器１１，１２を迂回して通信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力線を介して通信を行う電力線通信（ＰＬＣ：Power-Line
Communication）に関し、特に、電力線通信において信号を中継するシステムに関する。

電力線通信は、既存の電力線網を利用して高速なネットワークが構築できるため、近年注目されており、既に広く普及している。例えば、下記特許文献１〜３に開示された電力線通信システムが知られている。

電力線通信では、単相3線式等の電力線網において、Ｌ（Live）線とＮ（Neutral）線との間にＰＬＣ信号を電圧印加し、往路・帰路ともにメタル線を用いる2線式のキャパシティブカプラ方式が一般に採用されている。

特開２０１０−６３０７７号公報特開２０１０−６２８８７号公報特開２０１０−１０９７８０号公報

しかし、キャパシティブカプラ方式のＰＬＣでは、フロア毎に分電盤が設置された大型のビルにおいてフロア間で通信を行う場合、ＰＬＣ信号が、分電盤に電力を供給している配電盤や、さらにはその先に接続されているトランスを経由することになるため、伝送距離が遠くなり、その分信号が減衰してしまう。

また、配電盤や分電盤を通過する際にも信号が大きく減衰するため、従来のＰＬＣシステムでは、信号電圧を増幅するための中継装置を、配電盤や分電盤に配置する必要があった。中継装置の設置にあたっては、盤内から給電するためのコンセント工事、中継装置自身を設置するための工事が必要なり、コストがかかると共に、また、これらの工事を行うために一時的にビルの停電させる場合もある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ビル等に設置されてフロア間で電力線通信を行う場合であっても、ＰＬＣ信号の減衰を極力抑え、安定した電力線通信を行うことが可能なＰＬＣ信号中継システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るＰＬＣ信号中継システムは、電力線網を利用して、前記電力線網の支線に設置されたＰＬＣモデム間で通信を行う電力線通信システムにおいて、前記電力線網上の信号減衰機器を迂回して通信を行うためのＰＬＣ信号中継システムであって、大地と静電結合したバイパス線と、前記支線とキャパシティブ結合又はインダクティブ結合により結合する支線カプラと、前記バイパス線とインダクティブ結合により結合するバイパス線カプラとを有し、前記支線と前記バイパス線との間でＰＬＣ信号を伝送するバイパス装置と、を備え、前記ＰＬＣ信号が、前記バイパス線と大地とにより形成された閉ループ回路上を流れることを特徴とする。

本発明に係るＰＬＣ信号中継システムによれば、大型ビルのフロア間で電力線通信を行う場合であっても、大地との閉ループ回路を用いることによって、従来と比べてＰＬＣ信号の減衰を抑えることが可能となるため、安定した電力通信を実現することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るＰＬＣシステムの構成を模式的に示す図である。図２は、本発明の実施形態に係るインダクティブカプラの等価回路である。図３は、本発明の実施形態に係るインダクティブカプラの設置状態を模式的に示す図である図４は、キャパシティブカプラを用いたＰＬＣシステムの回路を模式的に示す図である。図５は、インダクティブカプラを用いたＰＬＣシステムの回路を模式的に示す図である。図６は、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを用いた電力線通信の実験結果を示す図である。図７は、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを用いた電力線通信の実験結果を示す図である。図８は、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを用いた電力線通信の実験結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電力線通信システム（以下、「ＰＬＣシステム」とする）について説明する。図１は、本実施形態に係るＰＬＣシステムの構成を模式的に示す図である。本実施形態では、図１に示すように、フロア毎に分電盤１２が設置されているような大型のビル３のフロア間（１階と３階）で電力線通信を行う際に本発明を適用したケースについて説明する。

ＰＬＣシステム５は、ビル３の各フロアに電力を供給するために設置されている電力線網１０と、電力線網１０において電力線通信を行うための電力線通信機器であるＰＬＣモデム２０と、ＰＣＬ信号中継システム３０とを備えている。

電力線網１０は、他のビルに設置された配電盤１１と、ビル３の各フロアに設置された分電盤１２と、配電盤１１と分電盤１２とをつなぐ電力ケーブルである幹線１４と、各フロアに設置された電力ケーブルである支線１６と、支線１６の先に設置された電源コンセント１８とを備えている。幹線１４は、ビル３内のフロア間を縦方向につなぐためのフロア間配線である縦線１５を有している。

ＰＬＣモデム２０は、電源コンセント１８に接続されて使用され、電力線網１０を利用して、複数のＰＬＣモデム２０間で通信を行うことができる。図１では、３階にＰＬＣモデム２０Ａが設置され、１階にＰＬＣモデム２０Ｂが設置されている。ＰＬＣモデム２０は、一般に用いられているキャパシティブカプラ方式のＰＬＣモデムである。

図１では、３階に設置されたＰＬＣモデム２０Ａが送信機、１階に設置されたＰＬＣモデム２０Ｂが受信器となっているが、二つのＰＬＣモデム２０の構成は同じであり、１階のＰＬＣモデム２０Ｂが送信機、３階のＰＬＣモデム２０Ａが受信器としても機能する。

ＰＬＣ信号中継システム３０は、ＰＬＣ信号を減衰させる信号減衰機器である分電盤１２や配電盤１１を迂回してＰＬＣモデム２０間で電力線通信を行わせるための中継システムである。

図１に示すように、ＰＬＣ信号中継システム３０は、３階に設置された第一バイパス装置３１Ａと、１階に設置された第二バイパス装置３１Ｂと、第一バイパス装置３１Ａと第二バイパス装置３１Ｂとの間を接続するバイパス線４０とを備えている。後述するように、本実施形態では、電力線網１０の縦線１５のＬ1線及びＬ2線をバイパス線４０として兼用している。

バイパス装置３１は、信号減衰機器として作用する分電盤１２の一次側においてバイパス線４０に結合するバイパス線カプラであるインダクティブカプラ３２と、分電盤１２の二次側において支線１６に結合する支線カプラとしての機能を有する中継器３３とを備えており、分電盤１２をバイパスして、フロアの支線１６と縦線１５とを直接接続し、ＰＬＣ信号の伝送を行う。

インダクティブカプラ３２は、非接触式のフェライトクランプであり、インダクティブ結合によりバイパス線４０と結合している。図２は、インダクティブカプラ３２の等価回路を示す図である。

図２において、Ｌ1は励磁インダクタンス、Ｃs＝Ｃs1＋Ｃs2は総浮遊容量、Ｌlは漏れインダクタンス、ｒ1は１次巻線抵抗、ｒ2は２次巻線抵抗、Ｒiは鉄損抵抗である。また、図中右側が一次側（縦線１５側）であり、図中左側が二次側（支線１６側）である。

インダクティブカプラ３２は、トランス機能を備えており、二次側の巻き線数を変更することで、巻き線比を変更し、インピーダンス整合を行うことが可能である。

図３は、インダクティブカプラの設置状態を示す図である。ここで、本実施形態に係る電力線網１０は、単相３線式であり、幹線１４を構成する電力ケーブルは、Ｎ（Neutral）線と、Ｌ（Live）1線と、Ｌ2線との3線から構成されており、本実施形態では、Ｌ1線及びＬ2線をバイパス線４０として使用している。

図３に示すように、インダクティブカプラ３２は、Ｌ1線及びＬ2線の双方をクランプしており、図３（ａ）は、単一のフェライトクランプでＬ1線とＬ2線の両方を一緒にクランプさせた状態を示し、図２（ｂ）は、直列に接続された2つのフェライトクランプでＬ1線とＬ2線をそれぞれにクランプさせた状態を示している。図２（ａ）の構成、図２（ｂ）の構成のどちらを採用しても同等の作用効果が得られるため、フェライトクランプのサイズや縦線１５のサイズに応じて、適宜所望の構成を採用すれば良い。

このように、インダクティブカプラ３２によりＬ1線とＬ2線の両方をクランプすると、バイパス線４０上をコモンモードでＰＬＣ信号が伝送されることになり、商用電源に重畳されたディファレンシャルモードノイズを抑圧し、また、磁気飽和によるインダクタンスの低下を防ぐことができる。

中継器３３は、キャパシティブ結合により支線１６に結合し、支線カプラであるキャパシティブカプラ３４と、ＰＬＣ信号に対してインピーダンス整合を行うための変圧器であるトランス３８とを備えている。

キャパシティブカプラ３４は、支線１６の電源コンセント１８に接続されるコンセントプラグ３５と、二つのコンデンサ３６を備えており、コンセントプラグ３５を電源コンセント１８に差し込むことで、キャパシティブカプラ３４は支線１６とキャパシティブ結合される。トランス３８は、一次側と二次側との巻き線比を調整可能な構成であり、巻き線比を調整することで、インピーダンス整合を行うことができる。

なお、キャパシティブカプラ３４の構成は、ＰＬＣモデム２０のキャパシティブ結合部と同様の構成であり、市販のＰＬＣモデムをそのまま若しくは若干の変更を加えて中継器３３として使用することも可能である。

以上、ＰＬＣシステム５の構成について説明したが、続いて、ＰＬＣシステム５での作用について説明する。まず、図４及び図５を参照しながら、電力線通信の態様について説明する。図４は、キャパシティブカプラを用いたＰＬＣシステム（キャパシティブカプラ方式）の回路を模式的に示す図、図５は、インダクティブカプラを用いたＰＬＣシステム（インダクティブカプラ方式）の回路を模式的に示す図である。

図４に示すように、キャパシティブカプラによりＰＬＣモデムを電力ケーブルとキャパシティブ結合した場合には、各ＰＬＣモデムは、Ｌ線とＮ線との二箇所で電力ケーブルに接続され、Ｌ線と、Ｎ線と、一対のＰＬＣモデムとにより、ＰＬＣ信号の電流が流れる閉ループ回路が形成される。このようなキャパシティブカプラ方式では、閉ループ回路上に家電製品等の低入力インピーダンス機器５０が設置されている場合に、低入力インピーダンス機器５０によってＰＬＣ信号が吸収され、ＰＬＣ信号が減衰してしまう（図４参照）。

一方、図５に示すように、インダクティブカプラによりＰＬＣモデムを電力ケーブルとインダクティブ結合した場合には、各ＰＬＣモデムは、それぞれ往路線となるＬ線と一箇所で結合され、Ｌ線（往路線）と、Ｎ線（帰路線）と、各ＰＬＣモデムの外側に位置する両側二つの低入力インピーダンス機器５０とにより、ＰＬＣ信号の電流が流れる閉ループ回路が形成される。

よって、低入力インピーダンス機器５０によって閉ループ回路が形成される場合には、インダクティブカプラ方式のほうが有用であるが、このような閉ループ回路が存在する場合は限定的である。そのため、インダクティブカプラ方式において、閉ループ回路の帰路線としてＮ線を用いる場合には、Ｌ1線及びＬ2線とＮ線間のインピーダンスを小さくするためのコンデンサを低インピーダンス機器５０の替わりに挿入するなどの工事を別途行う必要があり、手間とコストがかかる。このため、インダクティブカプラ方式は一般的には普及していない。

そして、本実施形態では、図１に示すように、第一バイパス装置３１Ａ及び第二バイパス装置３１Ｂを往路線としてのバイパス線４０（縦線１５のＬ1線及びＬ2線）にそれぞれインダクティブ結合すると共に、帰路線４３として大地を用いてループ回路を形成するようにした。図１では、閉ループ回路４２を点線で示し、縦線１５と大地とが静電結合していることで形成される帰路線４３を一点鎖線で示している。

このように、帰路線として大地を用いることができるのは、バイパス線４０としての縦線１５のＬ1線及びＬ2線が大地と良好に静電結合しているからである。通常のビル等の建物に設置された電線であって、ある程度の長さを有する電線は大地と良好に静電結合されていることが知られており、通常のビル等の建物であれば、バイパス線４０として縦線１５を用いて、本発明を適用することが可能である。

ＰＬＣシステム５において、ＰＬＣモデム２０ＡからＰＬＣモデム２０Ｂへと信号を送る際には、まず、ＰＬＣモデム２０Ａから電源コンセント１８を介して３階の支線１６に注入されたＰＬＣ信号が、支線カプラであるキャパシティブカプラ３４Ａによって、キャパシティブ結合により第一バイパス装置３１Ａへと抽出される。抽出されたＰＬＣ信号は、トランス３８Ａによりインピーダンス整合された後、バイパス線カプラであるインダクティブカプラ３２Ａによって、インダクティブ結合によりバイパス線４０へと注入される。

往路線としてのバイパス線４０に注入されたＰＬＣ信号の電流は、バイパス線４０と良好に静電結合した大地を経由して戻ってくるように閉ループ回路４２を流れ、バイパス線カプラであるインダクティブカプラ３２Ｂによって、インダクティブ結合により第二バイパス装置３１Ｂへと抽出される。抽出されたＰＬＣ信号は、トランス３８Ｂによってインピーダンス整合された後、支線カプラであるキャパシティブカプラ３４Ｂによって、キャパシティブ結合により１階の支線１６へと注入され、ＰＬＣモデム２０Ｂに受信される。

なお、本実施形態では、バイパス線４０として、縦線１５のＬ1線及びＬ2線を使用しているが、大地と良好に静電結合して、帰路線としての大地と共に閉ループ回路を形成する往路線（1線）として機能する電線であれば、適宜他の電線をバイパス線４０として使用することができ、例えば、縦線１５のＮ線を使用しても良い。また、ディファレンシャルモードノイズを抑圧できる等の効果を得ることはできないが、Ｌ1単線やＬ2単線のみをバイパス線４０として使用しても良い。

さらに、本発明は、各フロアに分電盤１２が設置されているビルにおける電力線通信に有用であるが、このようなビルにおいては、各フロアを縦断するように縦方向に設置された縦線として、グランド線やＬＡＮケーブル等も設置されており、バイパス線４０として、これらの縦線を用いることもできる。

続いて、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムの効果について、図６〜８を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを用いた電力線通信の実験結果を示す図である。本実験では、受信側ＰＬＣモデムを１階に固定し、送信側ＰＬＣモデムを１階、４階、５階、７階で移動しながら、それぞれの伝達関数を計測した。また、電力線通信で使用する周波数は、kHz帯（100〜450kHz）とした。

同図において、横軸が通信の周波数帯域、縦軸が伝達関数を示しており、送信側ＰＬＣモデムを７階に設置したときの伝達関数を実線、同じく５階に設置したときの伝達関数を破線、同じく４階に設置したときの伝達関数を一点鎖線、同じく１階に設置したときの伝達関数を二点鎖線で示している。

本実験によれば、多少の誤差はあるが、送信側ＰＬＣモデムが受信側ＰＬＣモデムと異なる階（４，５，７階）に設置され、ＰＬＣ信号中継システムを経由して通信が行われている場合でも、同じ階（１階）に設置され、支線のみを介して直接通信が行われる場合とほぼ同様の減衰特性を示しており、-30〜-35dB程度の減衰量となっている。

本発明者らの別の実験によれば、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを用いることなく、配電盤や分電盤を経由した場合のＰＬＣでは、同条件で-60〜-80dB程度の減衰量となっているため、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを採用することで、減衰量を30〜50dB程度向上させることができると考えられる。

図７及び図８は、本実施形態に係るＰＬＣ信号中継システムを用いた電力線通信の実験結果を示す図であり、図６の実験とは異なる構造の６階建てビルにおける結果を示している。図７は、バイパス線として電力線網の幹線（CVTケーブル）を用いた場合、図８は、バイパス線としてグランド線（14sqのIV線）を用いた場合の実験結果を示している。

また、これらの実験では、送信側ＰＬＣモデムが５階で受信側ＰＬＣモデムが２階に設置されたケース１、送信側ＰＬＣモデムが６階で受信側ＰＬＣモデムが３階に設置されたケース２、送信側ＰＬＣモデムが６階で受信側ＰＬＣモデムが２階に設置されたケース３、送信側ＰＬＣモデム及び受信側ＰＬＣモデムの双方が５階に設置されたケース４の4つのケースについて実験を行った。また、電力線通信で使用する周波数は、kHz帯（100〜450kHz）とした。

図７及び図８において、横軸が通信の周波数帯域、縦軸が伝達関数を示しており、ケース１の伝達関数を実線、ケース２の伝達関数を破線、ケース３の伝達関数を一点鎖線、ケース４の伝達関数を二点鎖線で示している。

図７及び図８においても、多少の誤差はあるが、ＰＬＣ信号中継システムを経由して通信が行われているケース１〜３でも、同じ階に送信機と受信器が設置され、支線のみを介して直接通信が行われるケース４とほぼ同様の減衰特性を示しており、-20〜-35程度の減衰量となっている。これらの結果は、ＰＬＣ信号中継システムを採用することで、フロア間の通信においてＰＬＣ信号の減衰を大きく抑えることができることを示している。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、大型のビルでのフロア間における電力線通信など、通常であれば、信号減衰量の大きな分電盤や配電盤を経由して長距離の通信となるような場合でも、分電盤等を迂回して短距離での電力線通信を可能とし、ＰＬＣ信号の減衰を大きく抑えて、良好な電力線通信を実現することができる。また、ＰＬＣ信号中継システムを構成する部材が、全て受動素子であり、省エネルギーで運用することができる。

また、本実施形態によれば、バイパス線カプラであるインダクティブカプラ３２としてクランプ式のカプラを採用しており、既存のバイパス線４０（縦線１５等）にそのままクランプさせるだけで設置することができるため、停電を伴う中継器の設置等の作業が不要であり、既存の電力線網１０に対して、簡単な作業で低コストにＰＬＣ信号中継システムを設置することが可能である。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、kHz帯のＰＬＣに対して本発明を適用した場合について説明したが、MHz帯のＰＬＣであっても本発明を適用できるのは言うまでもない。

また、上記実施形態では、フロア間通信において、双方のフロアにバイパス装置をそれぞれ設置しているが、一方のフロアにバイパス装置を設置するだけも良い。この場合でも、バイパス装置が設置されたフロアの分電盤をバイパスすることで、その分、ＰＬＣ信号の減衰を抑えることができる。

また、上記実施形態では、支線カプラとして、支線とキャパシティブ結合するキャパシティブカプラを使用しているが、バイパス線カプラと同様に、支線カプラとしてもインダクティブカプラを採用するようにしても良い。

３ビル
５ＰＬＣシステム
１０電力線網
１１配電盤
１２分電盤
１４幹線
１５縦線
１６支線
１８電源コンセント
２０ＰＬＣモデム
３０ＰＬＣ信号中継システム
３１バイパス装置
３２インダクティブカプラ
３３中継器
３４キャパシティブカプラ
３５コンセントプラグ
３６コンデンサ
３８トランス
４０バイパス線
４２閉ループ回路
４３帰路線
５０低入力インピーダンス機器

Claims

電力線網を利用して、前記電力線網の支線に設置されたＰＬＣモデム間で通信を行う電力線通信システムにおいて、前記電力線網上の信号減衰機器を迂回して通信を行うためのＰＬＣ信号中継システムであって、
大地と静電結合したバイパス線と、
前記支線とキャパシティブ結合又はインダクティブ結合により結合する支線カプラと、前記バイパス線とインダクティブ結合により結合するバイパス線カプラとを有し、前記支線と前記バイパス線との間でＰＬＣ信号を伝送するバイパス装置と、を備え、
前記ＰＬＣ信号が、前記バイパス線と大地とにより形成された閉ループ回路上を流れることを特徴とするＰＬＣ信号中継システム。
前記バイパス装置として、第一の支線と前記バイパス線との間でＰＬＣ信号を伝送する第一のバイパス装置と、第二の支線と前記バイパス線との間でＰＬＣ信号を伝送する第二のバイパス装置と、を備えることを特徴とする請求項１記載のＰＬＣ信号中継システム。
前記バイパス線カプラは、クランプ式であることを特徴とする請求項１又は２記載のＰＬＣ信号中継システム。
前記バイパス線は、前記電力線網の幹線を構成するＬ1線及びＬ2線であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のＰＬＣ信号中継システム。
前記バイパス装置は、インピーダンス整合を行うためのトランス機能を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のＰＬＣ信号中継システム。