JP5657312B2

JP5657312B2 - 電力線搬送波送受信装置

Info

Publication number: JP5657312B2
Application number: JP2010194158A
Authority: JP
Inventors: 秀樹大澤
Original assignee: 一般財団法人東北電気保安協会
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP2012054683A

Description

本発明は、電力線を用いた情報伝達を行うに際して、従来の電力線通信方式（以下「ＰＬＣ方式」という）を用いた場合の雑音の問題点を解決し、搬送波の伝送障害を減少させ得る装置を得ることを目的とする。

電力線を介した通信は、低圧配電線などの電力線を伝送路として通信を行うもので、既設の電力線を利用出来るため、専用通信線が不要という利点を持っている。ところが、前記ＰＬＣ方式の通信装置を用いたときには、電路ノイズの増加や、負荷の増大などに伴って、搬送波の伝送が不可能になり、装置が使用不能となる等の事例が増大している。

前述したような電力線を用いた際に、発生する雑音などの問題を解決するための手段として、例えば、特開２００９−１７４４１号公報等に開示されているように、雑音の多い電力線を第２候補として自動的に選択することを意図した例が提案されている。前記文献に開示されている例では、電力線のみでなしに、電話線などの任意の電線を用いることができるもので、電力線の他に、雑音の少ない任意の通信線を選択して接続し、情報の送受信を可能としている。

特開２００９−１７４４１号公報

前記公知例の通信方法においては、送信装置の送信部に切り替えスイッチのような回線選択手段を設けておき、通信を行うときには優先的に電力線以外の配線を選択するように、送信経路を選択する順位を指定している。そして、最も通信速度の速い媒体を選ぶこと、および、電力線を第２番目の媒体とすることで、通信時には、ノイズの少ない良好な通信品質を確保できるようにしている。

ところが、通信する媒体を電力線以外には得られないという、送信の条件が限定される通信環境のもとでは、専ら電力線に頼って通信せざるを得ないものである。しかしながら、限定された条件のもとでも、送受信される情報に入り込むノイズを少なくして、良好な通信品質を確保できるようにすることは、当然の要求である。

本発明は、電力線を用いた情報伝達方法（以下「本方式」という)によって、通信を行う際でも、従来のＰＬＣ方式の雑音の問題点を抜本的に解決できて、搬送波の伝送障害を飛躍的に減少させることが可能な通信方法を提供することを目的としている。

そのために、例えば、電源周波数の高調波に一致しない８７５Ｈｚ（５０Ｈｚ系統）などの搬送波を用い、ＡＳＫ（振幅変移変調）、ＰＳＫ（位相変移変調）などの変調方式を用い、デジタル信号伝達を行う等の手段を選択的に用いて、通信品質の良好な送受信を確保できる装置を、容易に得ることを可能にしようとしているのである。

本発明は、低圧電路の末端の責任分界柱などに設置された、デマンド監視装置などの装置から、前記低圧電路を通じて電気室などに設けられた警報表示器へ向けて、単方向の信号伝達を行う電力線搬送波送受信装置に関するものであって、２線式低圧電路の変圧器から離れた一端に、電源周波数及び電源周波数の高調波に一致しない周波数の搬送波電流を注入して情報を送信する情報送信装置を接続し、前記低圧電路の変圧器に近接する側の端部に情報受信装置を接続して設け、前記２線式低圧電路は電気室に設けられた変圧器に接続され、前記変圧器巻線を通じて前記低圧電路の他端の低圧電路を経由し、前記情報送信装置の他端の端子に流入するループ回路を形成して、前記搬送波電流が前記ループ回路を循環する状態で、前記情報受信装置との間での情報の伝達を行う装置として構成し、前記情報受信装置においては、前記低圧電路に注入された前記搬送波電流を、前記変圧器の付近に設置した搬送波検出用変流器により直接受信し、前記受信した搬送波電流を電圧変換して搬送波電圧の情報として利用する、単方向の信号伝達を行うことを特徴とする。

また、本発明は、前記搬送波検出用変流器よりも前記変圧器に近い部分に、前記２線式低圧電路に並列に前記搬送波電流の周波数に共振する並列共振回路を設け、前記並列共振回路を通すことにより、前記変圧器巻線両端子間の合成インピーダンスを低減して、前記搬送波送出電流を増加させて、大きな受信信号を得られるように構成することを特徴とする。

前述したように、搬送波受信部での信号回路を構成したことによって、送信情報に多少のノイズがあっても、予め定めた搬送波周波数成分のみに限定して使用して、情報の検出が可能となり、信号の送受信を良好な状態で行うことができる。
また、本方式では、搬送波異常を減少させることができるという利点があるもので、搬送波送出部が送り出した搬送波電流を、減衰しない状態で直接受信出来るため、数Ａを超える非常に強い受信信号を得ることが出来て、電路ノイズの影響を受け難い方式とすることができる。

また、本発明の方式は、大規模電気設備に適用可能である。すなわち、従来方式では、大規模設備に適用しようとすると、受信端子間の合成インピーダンスが小さくなり、受信出来る搬送波電圧が減少し、搬送波が受信出来なくなる事例が増加していたものであるのに対して、本方式では、合成インピーダンスが小さい場合でも非常に強い受信信号を得ることができるため、大規模な設備にも適用が可能である。

本発明では、送信距離を増大できるという特徴を発揮できる。つまり、本発明の方式では、基本的に非常に強い受信信号を得ることが出来るため、前記低圧電路の伝送インピーダンスの影響を受けにくく、送信距離を増大（従来方式は、数百ｍが限界）することが出来る。
また、従来方式から、本方式への変更は、基本的に搬送波信号の入力回路のみであるため、容易に組み込むことができる。

本発明のデマンド監視装置の説明図である。搬送波送出部の回路構成の説明図である。搬送波受信部の回路構成の説明図である。本発明のデマンド監視装置の改良例の説明図である。デマンド監視装置の従来例の説明図である。図５の回路に組み込まれるＺａｂ等価回路の説明図である。前記図６のＺａｂ回路とＶｓの関係の説明図である。図６のＺａｂ回路に対する伝送線路インピーダンスの影響の説明図である。

前述したような、現行のＰＬＣ方式の問題点を解決するために、本発明においては、図１に説明するように、送受信回路が構成される。低圧電路１は、電気室６から架空方式などの電線路により、責任分界柱５に接続される。また、電気室６では、変圧器７により所定の電圧に低下させて、各負荷に電力を供給する。そして、前記責任分界柱５に設置されたデマンド検出器１１の搬送波送出部１２から、前記低圧電路１を利用して情報を送信する。

また、受電側に配置する搬送波受信部１６では、低圧電路１を通して送られた情報を受信し、警報表示器１５の表示部に表示するような、デマンド監視装置１０を構成している。また、前記警報表示器１５の搬送波受信部１６には、電流／電圧変換回路１７を通して処理された情報が入力されて、予め設定されている条件にしたがって、必要に応じて警報を発信する。

前記デマンド検出器の搬送波送出部１２を、図１に説明するような回路構成とすることで、前記デマンド監視装置の搬送波送出部では、図示するように、責任分界柱５等に設置されたデマンド検出器１１から、電気室または、事務室などに設けられた警報表示器１５へ向けて、単方向の信号伝達を行うものとして配置されている。

前記受信側に配置する電流／電圧変換回路１７に対して、搬送波送出部１２では、図２のような送信回路として構成されている。そして、前記デマンド検出器１１の搬送波送出部１２では、デマンドデータＤ１の入力値を入力する搬送波送出部ＣＰＵ２１に続いて、Ａ／Ｄ変換回路２２、発振回路２３を接続する変調回路２４、ドライバーアンプ２５と、結合回路２６で処理して、搬送波Ｄ２を低圧電路１を介して出力する。

前記図２の処理回路を構成する各部材は、次のような信号処理の動作を行う。
・搬送波送出部ＣＰＵ２１：デマンドデータＤ1がＣＰＵに入力されると、データに応じた信号をＡ／Ｄ変換回路に送出する。
・Ａ／Ｄ変換回路２２：Ａ／Ｄ変換回路は、搬送波送出部ＣＰＵ２１からの信号を、デジタル信号に変換して変調回路２４に送出する。

・発振回路２３：発振回路は、電源周波数の高周波に一致しない、あらかじめ定めた８７５Ｈｚなどの搬送波周波数の発振を行う。
・変調回路２４：変調回路は、発振回路２３からの搬送波周波数信号と、Ａ／Ｄ変換回路２２からのデジタル信号から、ＡＳＫ（振幅変移変調）、ＰＳＫ（位相変移変調）などの変調方式を用い、デジタル信号伝達を行う。

・ドライバーアンプ２５：ドライバーアンプは、前記変調回路２４からの信号を、必要な大きさまで増幅し、結合回路に送る。
・結合回路２６：結合回路は、変圧器、コンデンサ等で構成されるもので、前記低圧電路１と接続し、電力線に搬送波電流を送出する。

前述したように、デマンド監視装置１０の検出器１１に設けた搬送波送出部１２は、電源周波数の高調波に一致しない８７５Ｈｚ（５０Ｈｚ系統）などの搬送波を用い、ＡＳＫ、ＰＳＫなどの変調方式を用い、デジタル信号伝達を行っている。
前記デマンド監視装置１０の搬送波送出部１２からは、変調された搬送波信号を、搬送波送出電流Ｉｓとして変圧器７に向けて送出する。

前記デマンド監視装置からの搬送波送出電流Ｉｓは、図１に示されているように、変圧器７の巻線を通じてデマンド検出器１１の搬送波送出部１２へ戻るループ回路を構成している。そして、搬送波送出電流Ｉｓが主に変圧器巻線に流れて、変圧器７から戻る経路に配置された検出ＣＴ３１から、警報表示器１５に向けて信号を伝達する。

前記警報表示器１５の搬送波受信部１６には、図３に示すような受信回路が設けられている。前記搬送波受信部３０では、低圧電路１に配置する検出ＣＴ３１に続いて、電流／電圧変換回路３２から、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３３、復調回路３４、搬送波受信部ＣＰＵ３５を経て、警報表示器の表示回路３６に接続させて設けられる。

前記搬送波受信回路に配置される各構成回路部材では、次のような信号処理の動作を行うものとして設けられる。
・検出ＣＴ３１：低圧電路１に流れる搬送波電流を検出し、電流／電圧変換回路１７へ送る。

・電流／電圧変換回路１７：この回路は、検出ＣＴ３１で受信した電流を、その大きさに応じた電圧に変換する。
・ＢＰＦ３３ＢＰＦはバンドパスフィルタの略で、検出ＣＴ３１で検出された搬送波信号や、ノイズの中から、あらかじめ定めた搬送波周波数成分のみを検出し、復調回路３４へ送る。

・復調回路３４：ＡＳＫ、ＰＳＫなどの搬送波送出部からの変調方式に応じて、デジタル信号伝達された変調信号を復調し、デジタル信号に変換する。
・搬送波受信部ＣＰＵ３５：ＣＰＵは、デマンド検出部１１からの受信信号を演算処理し、各種警報発報などの判断を行う。
・警報表示３６：搬送波受信部ＣＰＵ３５で判断された各種警報を、図示を省略するブザー、ランプなどで表示する。

前記図１に説明した信号処理回路では、例えば、非常に低容量の電気設備の場合に、受信側の合成インピーダンスＺａｂが大きくなり、搬送波送出電流Ｉｓが減少し受信が困難となることが考えられる。また、同一電路において、図示された検出点の他に、任意の点で、前記搬送波送出電流Ｉｓの受信が必要になることも考えられる。

前述したように、搬送波送出電流Ｉｓが減少して、信号の送受信が困難となるという、不都合な事態が生じることを避けるためには、搬送波をさらに強力なものとして受信することが要求される。そのときには、図４に説明するように、受信側に並列共振回路１８を電路１と並列に設けることで、解決することが可能である。

前記並列共振回路の働きと、搬送波の受信に関して説明すると、図４の並列共振回路１８においては、
・並列共振回路１８により電力線のａ−ｂ間の合成インピーダンスＺａｂが小さくなり、Ｉｓが増加するため、大きな受信信号が得られる。

・前記並列共振回路は、電源周波数と周波数帯域が離れているため、電源回路に影響することはない。
・同一電路に接続された任意の点で、搬送波を受信する場合も、並列共振回路を設けることにより受信可能となる。
以上のような、構成に基づく動作の特徴を発揮できることとなる。

デマンド監視装置１０の検出器１１に設けた搬送波送出部１２は、電源周波数の高調波に一致しない８７５Ｈｚ（５０Ｈｚ系統）などの搬送波を用い、ＡＳＫ、ＰＳＫなどの変調方式を用い、デジタル信号伝達を行っている。
前記デマンド監視装置１０の搬送波送出部１２からは、変調された搬送波信号を、搬送波送出電流Ｉｓとして変圧器７に向けて送出する。

前記デマンド監視装置からの搬送波送出電流Ｉｓは、変圧器７の巻線を通じてデマンド検出器１１の搬送波送出部１２へ戻るループ回路を構成している。そして、搬送波送出電流Ｉｓが主に変圧器巻線に流れ、変圧器７などの端子ａと端子ｂ間の合成インピーダンス（以下「Ｚａｂ」という。）で生じた電圧降下により、搬送波電圧信号（以下「Ｖｓ」という。）が変圧器端子に発生する。
前記デマンド監視装置の受信部１６は、前記回路で発生した搬送波電圧信号Ｖｓを検出し、搬送波信号を復調し、各種の警報を発するように構成されている。

（従来方式の問題点）
次に、現行のＰＬＣ方式の通信原理と問題点を、図５に示した従来例を用いて、改めて説明する。
現行のＰＬＣ方式（以下「現行ＰＬＣ方式」という。)の装置においては、図示するように、責任分界柱５等に設置されたデマンド検出器１１から、電気室または、事務室などに設けられた警報表示器１５へ向けて、単方向の信号伝達を行うものとして配置されている。

Ｚａｂの等価回路；前記変圧器７等の端子ａ、ｂ間の合成インピーダンスＺａｂの等価回路は、図６のＲＬＣ並列回路１３で表され、Ｒは負荷の大きさにより変化し、大容量の負荷ほど抵抗値が小さくなる。

また、前記回路図における符号Ｌは変圧器などのインダクタンスで、主に変圧器の容量により変化し、大容量になるほど小さくなり、誘導リアクタンスも減少する。さらに、符号Ｃは、低負荷のフィルター、電力コンデンサ（高圧コンデンサ）の変圧器による低圧側換算によるもので、電気設備が大容量になるほど大きい値となり、容量リアクタンスはＣが大きくなるほど小さくなるため、容量リアクタンスは減少する。

合成インピーダンスＺａｂと搬送波電圧信号Ｖｓの相関関係：前記合成インピーダンスＺａｂに、図７のように、電流Ｉｓが流れるとＺａｂのインピーダンスにより電圧降下Ｖｓが生ずる。そして、その電圧降下Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｉｓ×Ｚａｂで表され、電流Ｉｓはほぼ一定の電流に保たれているため、ＶｓはＺａｂの大きさに比例する。

前記Ｚａｂの定数と受電電圧Ｖｓの関係をさらに説明するに、
・変圧器、電力コンデンサの容量が大きく、負荷が増大する程Ｚａｂは小さくなり、変圧器、電力コンデンサなどの容量が小さい場合は大きくなる。
・送信部から送信する搬送波電流は、定電流特性を持たせる場合が多いため、合成インピーダンスが変化しても、電流値の変化は少ない。
・以上の条件から、受信部が受信する搬送波電圧Ｖｓは、合成インピーダンスに比例するため、大容量の電気設備ほど、Ｖｓは小さくなり、小容量の電気設備ほどＶｓは大きくなる、という特性がある。

ところが、現行ＰＬＣ方式では、以下に列挙するように、多くの問題点が残っている。
・電気設備が大規模となると、変圧器の誘導リアクタンスおよび電力コンデンサなどによる容量リアクタンスが減少し、搬送波受信部が接続された端子ａ〜端子ｂ間の合成インピーダンスＺａｂも減少するため、Ｖｓも減少し搬送波の受信が困難となる。
・低圧負荷設備のフィルター用コンデンサを用いた負荷の数が多くなると、合成された静電容量が大きくなり、Ｚａｂが減少し、搬送波の受信が困難となる。

・送信部と受信部は電力線を用いているため、双方の距離が長くなると、伝送線路インピーダンス（以下「Ｚｌｉｎ」という。）の影響を受ける。前記伝送線路インピーダンスＺｌｉｎは、図８のように送受信間に直列に挿入するため、双方の距離が長くなるとＺｌｉｎの値が増大し、送信側が定電流特性を維持出来なくなり、電流ｌｓが減少し、搬送波電圧Ｖｓが小さくなるため搬送波の受信は困難となる。
・近年のインバーターなど半導体機器の増加により、電路ノイズが増加し、搬送波周波数に接近した帯域のノイズに影響を受け、搬送波を受信出来ない事例が増加している。
前述したように、現行のＰＬＣ方式による信号伝達方式では、多くの障害があったのである。

（本発明の特徴）
前述したように、従来の信号伝達方式では、種々の解決を要する課題が残っていたのであるが、本発明においては、前記図１に説明したように、低圧電路の末端では、デマンド検出器１１に設けた搬送波送出部１２から、低圧電路１を通して検出情報を送信する。そして、受電側に配置する搬送波受信部１６では、低圧電路１を通して送られた情報を受信し、警報表示器１５の表示部に表示するような、デマンド監視装置１０を構成している。

前記デマンド検出器の搬送波送出部１２を、図２に説明しているような、信号処理回路で構成しているものであることから、前記デマンド監視装置の搬送波送出部では、責任分界柱５等に設置されたデマンド検出器１１から、電気室または、事務室などに設けられた警報表示器１５へ向けて、単方向の信号伝達を行うものとすることができる。

そして、図３のように、搬送波受信部での信号回路を構成したことによって、送信情報に多少のノイズがあっても、予め定めた搬送波周波数成分のみを検出できるものとなり、信号の送受信を良好な状態で行うことができる。

本方式の特徴としては、まず、搬送波異常を減少させることができるという利点がある。つまり、従来方式では、受信出来る搬送波電圧が数百ｍＶ程度と低いため、搬送波周波数に接近したノイズの影響を受けやすかった。これに対して、本方式では、搬送波送出部が送り出した搬送波電流を、減衰しない状態で直接受信出来るため、数Ａを超える非常に強い受信信号を得ることが出来て、電路ノイズの影響を受け難い方式となっている。

本発明の方式は、大規模電気設備に適用可能である。すなわち、従来方式では、大規模設備に適用しようとすると、受信端子間の合成インピーダンスＺａｂが小さくなり、受信出来る搬送波電圧が減少し、搬送波が受信出来なくなる事例が増加している。これに対して、本方式では、Ｚａｂが小さい場合でも非常に強い受信信号を得ることができるため、大規模な設備にも適用が可能である。

本発明では、送信距離を増大できるという特徴を発揮できる。つまり、本発明の方式では、基本的に非常に強い受信信号を得ることが出来るため、伝送線路インピーダンスＺｌｉｎの影響を受けにくく、送信距離を増大（従来方式は、数百ｍが限界）することが出来る。
また、従来方式から、本方式への変更は、基本的に搬送波信号の入力回路のみであるため、方式の変更が容易である。
以上のような特徴を発揮できるのである。

１低圧電路、５責任分界柱、６電気室、７変圧器、
１０デマンド監視装置、１１デマンド検出器、１２搬送波送出部、
１５警報表示器、１６搬送波受信部、１７電流／電圧変換回路、
１８並列共振回路、２１搬送波送信部ＣＰＵ、２２Ａ／Ｄ変換回路、
２３発振回路、２４変調回路、２５ドライバーアンプ、
２６結合回路、３０搬送波受信部、３１検出ＣＴ、
３３ＢＰＦ、３４復調回路、３５搬送波受信部ＣＰＵ、
３６警報表示装置。

Claims

低圧電路の末端の責任分界柱などに設置された、デマンド監視装置などの装置から、前記低圧電路を通じて電気室などに設けられた警報表示器へ向けて、単方向の信号伝達を行う電力線搬送波送受信装置において、
２線式低圧電路の変圧器から離れた一端に、電源周波数及び電源周波数の高調波に一致しない周波数の搬送波電流を注入して情報を送信する情報送信装置を接続し、前記低圧電路の変圧器に近接する側の端部に情報受信装置を接続して設け、
前記２線式低圧電路は電気室に設けられた変圧器に接続され、前記変圧器巻線を通じて前記低圧電路の他端の低圧電路を経由し、前記情報送信装置の他端の端子に流入するループ回路を形成して、前記搬送波電流が前記ループ回路を循環する状態で、前記情報受信装置との間での情報の伝達を行う装置として構成し、
前記情報受信装置においては、前記低圧電路に注入された前記搬送波電流を、前記変圧器の付近に設置した搬送波検出用変流器により直接受信し、前記受信した搬送波電流を電圧変換して搬送波電圧の情報として利用する、単方向の信号伝達を行い、
前記搬送波検出用変流器よりも前記変圧器に近い部分に、前記２線式低圧電路に並列に前記搬送波電流の周波数に共振する並列共振回路を設け、
前記並列共振回路を通すことにより、前記変圧器巻線両端子間の合成インピーダンスを低減して、前記搬送波送出電流を増加させて、大きな受信信号を得られるように構成したことを特徴とする電力線搬送波送受信装置。