JP5778016B2 - 電力線通信システム - Google Patents

Description

本発明は電力線通信システムに関し、特に親機と複数の子機との間で電力線通信を行う電力線通信システムに関する。

近年、電力線に１０ｋＨｚ以上の高周波信号を重畳して通信を行う電力線通信（ＰＬＣ，Power Line Communications）が注目されている。以前は、電力線通信の周波数帯域としては１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの帯域（以下、低周波数帯域という。）のみが認められていたが、２００６年１０月の電波法令改正により、屋内限定ではあるものの２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚのより高帯域を用いることが認められた。これに伴い、数十〜数百Ｍｂｐｓの高速通信が可能になったことから、特に家庭内やオフィス内での利用に注目が集まっている。

しかし、従来通りの低周波数帯域を用いる電力線通信システムも引き続き多用されている。具体的には、集合住宅内の各戸の電力メータの検針（データ収集）や遠隔地からの機器制御に用いる例が挙げられる。

住宅内に引き込まれている電力線を用いて通信システムを構築する場合、高周波信号を電力線に重畳させる手段が必要となる。その一つとして、低圧配電線の中性線に誘導結合させるインジェクション方法がある（特許文献１参照）。

図８は、従来の電力線通信システム４０の構成図である。

図８に示すように、従来の電力線通信システム４０は、単相３線方式の低圧配電線２に接続された親機側のＰＬＣモデム（親機モデム）１０と、子機側のＰＬＣモデム（子機モデム）２０Ａ，２０Ｂとを備えている。

低圧配電線２は、高圧配電線の電圧（６６００Ｖ）を商用電圧（１００Ｖ）に降圧する柱上トランス４（変圧器）の２次側に接続された３本の電力線２ａ，２ｂ，２ｃからなる。電力線２ａ，２ｂ，２ｃのうち、柱上トランス４の２次側の両端にそれぞれ接続された電力線２ａ，２ｃ（赤線、黒線）は非接地線であり、２次側の中点に接続された電力線（白線）は、接地線６を介して大地に接地された中性線２ｂである。

親機モデム１０は、誘導結合方式のインジェクション部１２を介して低圧配電線２の中性線２ｂ（白線）に接続されている。親機モデム１０の送受信回路１１から送信した高周波信号はインジェクション部１２から中性線２ｂに重畳される。中性線２ｂは共通線であるので、赤白相に設置した子機モデム２０Ａと黒白相に設置した子機モデム２０Ｂの両方に高周波信号を伝えることができる。したがって、親機モデム１０と子機モデム２０Ａ，２０Ｂとの間でデータ通信を行うことができる。

電力線通信の高周波信号に対する柱上トランス４のインピーダンスはほぼ０オームであるため、柱上トランス４の２次側端子から親機モデム１０のインジェクション部１２が接続されている場所までの電路長が短すぎると、親機モデム１０から見た柱上トランス４側のインピーダンスはほぼ０オームとなる。そのため、容量結合方式のインジェクション部の場合、親機モデム１０が発信する高周波信号が柱上トランス４に吸い込まれ、子機モデム２０Ａ，２０Ｂに届かなくなる。これに対し、誘導結合方式のインジェクション部１２を採用することにより、親機モデム１０からの高周波信号は低圧配電線２を流れる電流に重畳されるので、柱上トランス４の近くに設置することによる信号品質の悪化を防止ことができる。

特開２００４−５３２５６２号公報

図８に示した従来の電力線通信システムは、親機モデム１０のインジェクション部１２が柱上トランス４の近くに設置されており、インジェクション部１２から注入した高周波信号が赤白相と黒白相に分岐して流れることとなるので、子機モデム２０Ａ，２０Ｂのいずれも高周波信号を受信することが可能である。しかしながら、受信信号レベルが半分になってしまうため遠方の子機との通信は困難であった。電力線通信システムを電力メータの検針用に用いる場合、１台の親機と通信する子機が多いほど設置コストが安くなるため、より遠方の子機と通信できることが望まれる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、親機モデムのインジェクション部を中性線にのみ接続する場合であっても、通信品質の低下を防止することが可能な信頼性の高い電力線通信システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による電力線通信システムは、電力線に高周波信号を重畳して信号の送受信を行う電力線通信システムであって、高圧配電線の電圧を降圧して商用電圧に変換する変圧器の２次側に接続された単相３線式の低圧配電線に接続された親機モデムと第１の子機モデムとを含み、前記低圧配電線は、前記変圧器の２次側の両端に接続された第１及び第２の電力線と、前記２次側の中点に接続された中性線とを含み、前記親機モデムは、前記中性線のみに誘導結合方式により接続された第１のインジェクション部と、前記第１のインジェクション部を介して前記中性線に接続された第１の送受信回路とを含み、前記第１の子機モデムは、前記第１の電力線、前記第２の電力線及び前記中性線にそれぞれ容量結合方式により接続された第２のインジェクション部と、前記第２のインジェクション部を介して前記第１及び第２の電力線の各々に接続され、前記第１の電力線と前記第２の電力線の両方からの信号を取り込んで合成する信号合成部と、前記第２のインジェクション部及び前記信号合成部を介して前記第１及び第２の電力線に接続されると共に、前記第２のインジェクション部を介して前記中性線に接続され、前記高周波信号を生成する第２の送受信回路とを含むことを特徴とする。

親機モデムの第１のインジェクション部が変圧器の近くに設置されている場合、親機モデムから注入した高周波信号が変圧器側に流れ、さらに第１の電力線側と第２の電力線側に分岐して流れることにより、子機モデムが一方の電力線から抽出できる受信信号のレベルは半分になってしまうが、子機モデムが信号合成部を有する場合には、その受信特性を改善ことができ、電力線通信システム全体の信頼性を向上させることができる。さらに、本発明によれば、１つのインジェクション部のみで構成された非常にシンプルな親機モデムを構成することができ、これにより設置工事時間を短縮することができると共に、設置コストを安価に抑えることができる。また、インジェクション部を小型化することができるので、部品コストを低く抑えることができる。

本発明による電力線通信システムは、電力量を測定する電力メータをさらに備え、前記第１の子機モデムは、前記電力メータに接続されており、前記電力メータが測定した電力量データを前記親機モデムに送信することが好ましい。この構成によれば、親機から見て遠方に設置された電力メータを監視することができ、信頼性の高い遠隔検針システムを構築することができる。

本発明による電力線通信システムは、前記低圧配電線に接続された第２の子機モデムをさらに備え、前記第２の子機モデムは、前記第１の電力線及び前記第２の電力線のいずれか一方及び前記中性線にそれぞれ容量結合方式により接続された第３のインジェクション部と、前記第３のインジェクション部を介して前記第１及び第２の電力線のいずれか一方と前記中性線との間に接続された第３の送受信回路とを含み、前記第２の子機モデムは、前記第１の子機モデムよりも前記変圧器の近くに設置されていることが好ましい。親機モデム近傍の子機モデムは第１の電力線及び第２の電力線のいずれか一方から信号を受信する基本的な方式とし、親機モデムから遠方の子機モデムは第１及び第２の電力線に重畳された信号の合成信号を受信する信頼性の高い方式とすることで、１台の親機モデムで広いエリアをカバーすることができ、電力の遠隔検針システムを構築するためのコストを大幅に抑えることができる。

本発明において、前記第１のインジェクション部は、前記変圧器の２次側端子から延びる前記低圧配電線の各電力線が互いに分離した状態から集線化されるまでの間に設けられていることが好ましい。この場合において、前記第１のインジェクション部は、前記変圧器の２次側端子から線路長２ｍまでの範囲内に接続されていることが好ましい。この構成によれば、親機モデムを柱上トランスの近くに容易に設置することができる。したがって、これにより設置工事時間を短縮することができると共に、設置コストを安価に抑えることができる。

本発明において、前記第１のインジェクション部は、２つの半環状のコアを組み合わせてなるトロイダルコアと、前記トロイダルコアに巻回された信号線とを含み、前記中性線は、前記トロイダルコアの中空部を貫通していることが好ましい。これによれば、磁路の途中に磁気ギャップが形成されることで磁気飽和を防止することができ、また電力線への設置も容易に行うことができる。

本発明によれば、親機モデムの誘導結合方式のインジェクション部を中性線にのみ接続する場合であっても、通信品質の低下させることなくより遠方の子機モデムと通信することができ、信頼性の高い電力線通信システムを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による電力線通信システム１の構成図である。 図２は、親機モデム１０の構成図である。 図３は、親機モデム１０のインジェクション部１２の構成を示す略斜視図である。 図４は、柱上トランス４及び電力線２ａ〜２ｃの設置例を示す模式図である。 図５は、子機モデム２０Ａの構成図である。 図６は、子機モデム２０Ｃの構成図である。 図７は、本発明による電力線通信システムの信号受信特性を示すグラフである。 図８は、従来の電力線通信システム４０の構成図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による電力線通信システム１の構成図である。

図１に示すように、電力線通信システム１は、単相３線方式の低圧配電線２に接続された親機側のＰＬＣモデム（親機モデム）１０と、子機側のＰＬＣモデム（子機モデム）２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃとを備えている。

低圧配電線２は、高圧配電線３の電圧（６６００Ｖ）を商用電圧（１００Ｖ）に降圧する柱上トランス（変圧器）５の２次側（低圧側）に接続された３本の電力線２ａ，２ｂ，２ｃからなる。これらの電力線のうち、柱上トランス４の２次側の一端及び他端に接続された電力線２ａ，２ｃ（赤線、黒線）は非接地線であるが、２次側の中点に接続された電力線（白線）は、接地線５を介して大地に接地された中性線２ｂである。したがって、柱上トランス４の２次側の両端（赤黒相）の電圧は２００Ｖとなり、電力線２ａ又は２ｃと中性線２ｂとの間（赤白相、黒白相）ではそれぞれ１００Ｖとなる。

一般に、柱上トランス４から延びる低圧配電線２は、電力需要家内の電力メータ６を介して各家電機器７に接続されている。親機モデム１０は柱上トランス４と共に装柱され、低圧配電線２に接続されると共に、柱上トランス４の近くに設置された光ファイバ回線８を介してサーバ９に接続されている。また、子機モデム２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、各電力需要家内に引き込まれた低圧配電線２に接続されると共に、電力メータ６に接続され、電力量の検針に使用される。

図２は、親機モデム１０の構成図である。

図２に示すように、親機モデム１０は、送受信回路１１と誘導結合方式のインジェクション部１２とを備えており、送受信回路１１はインジェクション部１２を介して低圧配電線２に接続されている。インジェクション部１２は、３本の電力線のうち中性線２ｂ（白線）にのみ接続されている。詳細には、インジェクション部１１は、トロイダルコア１３と信号線１４とを有し、中性線２ｂはトロイダルコア１３の中空部を貫通している。親機モデム１０の送受信回路１１はトランスＴ１の１次側に接続され、トランスＴ１の２次側の一端は信号線１４の一端に接続され、トランスＴ１の２次側の他端は信号線１４の他端に接続されている。

親機モデム１０が送信した高周波信号はインジェクション部１２から中性線２ｂに重畳される。中性線２ｂは共通線であるので、赤白相と黒白相の両方に接続された子機モデム２０Ｃはもちろんのこと、赤白相に接続された子機モデム２０Ａや黒白相に接続された子機モデム２０Ｂにも高周波信号を伝えることができる。したがって、親機モデム１０と子機モデム２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃとの間でデータ通信を行うことができる。

中性線２ｂに流れる電流値は、赤白相と黒白相の差分となる。例えば、赤白相に４００Ａ、黒白相に３００Ａの電流がそれぞれ流れていた場合、中性線２ｂの電流値は両者の差分である１００Ａとなる。このため、誘導結合方式で問題となるインジェクション部１２のトロイダルコアの飽和電流値を比較的小さくすることができ、トロイダルコアの直径方向の大きさを小さくすることができる。

親機モデム１０は、誘導結合方式により中性線２ｂに接続されている。電力線通信の高周波信号に対する柱上トランス４のインピーダンスはほぼ０オームであるため、柱上トランス４の２次側端子から親機モデム１０のインジェクション部１２が接続されている位置までの電路長が短すぎると、親機モデム１０から見た柱上トランス４側のインピーダンスがほぼ０オームとなる。そのため、容量結合方式の場合、親機モデム１０が発信する高周波信号が柱上トランス４に吸い込まれ、子機モデム２０Ａ〜２０Ｃに届かなくなる。これに対し、誘導結合方式のインジェクション部１２を採用した場合、高周波信号は低圧配電線２を流れる電流に重畳されるので、親機モデム１０を柱上トランス４の近くに設置することによる悪影響を回避することができる。

図３は、親機モデム１０のインジェクション部１２の構成を示す略斜視図である。

図３に示すように、インジェクション部１２は、２つの半環状のコア１３ａ，１３ｂを組み合わせてなるトロイダルコア１３と、トロイダルコア１３に巻回された１本の信号線１４からなり、信号線１４の両端は親機モデム１０の一対の外部端子に接続されている。中性線２ｂはトロイダルコア１３の中空部を貫通しており、これにより親機モデム１０は中性線２ｂに対して誘導結合方式により接続される。なおトロイダルコア１３に巻回される信号線１４のターン数は３〜４ターンであることが好ましい。

トロイダルコア１３の材料としては、通信周波数が２ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下である場合にはニッケル系フェライトを用いることが好ましく、また通信周波数が１０ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下である場合にはマンガン系フェライト、アモルファス系材料、又はナノクリスタル系材料を用いることが好ましい。

図４は、柱上トランス４及び電力線２ａ〜２ｃの設置例を示す模式図である。

図４に示すように、２本の電柱３１，３２間に架橋されたＨ柱変台３３には柱上トランス４が設置されており、柱上トランス４の２次側外部端子から延びる電力線２ａ〜２ｃは下方に延設され、途中からシース（集合管）３４によって集線される。柱上トランス４からシース３４に挿入されるまでの間の電力線の線路長Ｌは比較的短く、２ｍ以内である。

親機モデム１０は電柱３２上の柱上トランス４に近い位置に取り付けられており、柱上トランス４から電源ケーブル３５を介して電力を取り込んでいる。また、インジェクション部１２のトロイダルコア１３は、柱上トランス４からシース３４に挿入されるまでの間の中性線２ｂに設置されている。柱上トランス４からシース３４までの範囲においては、個々の電力線に対してトロイダルコア１３を容易に取り付けることが可能である。

柱上トランス４付近の電力線２ａ〜２ｃは電流容量の関係から太く、且つ施工性から３本が近接している場合が多いため、大型のトロイダルコア１３を設置することは非常に難しい。しかし、本実施形態によれば、トロイダルコア１３の直径方向の大きさを小さくすることができるので、設置性を向上させることができる。したがって、設置時間の短縮することができ、設置コストを安く抑えることができる。

子機モデム２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの各々は、送受信回路２１と容量結合方式のインジェクション部２２とを備えており、送受信回路２１はインジェクション部２２を介して低圧配電線２に接続されている。

図５は、子機モデム２０Ａの構成図である。

図５に示すように、子機モデム２０Ａは、低圧配電線２の電力線２ａ（赤線）と中性線２ｂ（白線）との間に接続されている。詳細には、子機モデム２０Ａの送受信回路２１はトランスＴ２の１次側に接続され、トランスＴ２の２次側の一端はキャパシタＣ１を介して電力線２ａに接続され、トランスＴ２の２次側の他端はキャパシタＣ２を介して中性線２ｂに接続されている。

子機モデム２０Ｂの構成は子機モデム２０Ａと同じであり、低圧配電線２に対する接続のみが異なっている。子機モデム２０Ｂは、低圧配電線２の電力線２ｃ（黒線）と中性線２ｂ（白線）との間に接続されている。詳細には、子機モデム２０Ｂの送受信回路２１はトランスＴ２の１次側端子に接続され、トランスＴ２の２次側の一端はキャパシタＣ１を介して電力線２ｃに接続され、トランスＴ２の２次側の他端はキャパシタＣ２を介して中性線２ｂに接続される。

図６は、子機モデム２０Ｃの構成図である。

図６に示すように、子機モデム２０Ｃは信号合成部２３をさらに備えている。子機モデム２０Ｃの送受信回路２１の一対の出力端子は、トランスＴ２の１次側に接続されている。トランスＴ２の２次側の一端は信号合成部２３の合成側端子に接続されており、２次側の他端はキャパシタＣ５を介して中性線２ｂに接続されている。信号合成部２３の分岐側の一方の端子は、キャパシタＣ３を介して一方の非接地線である電力線２ａに接続されており、分岐側の他方の端子は、キャパシタＣ４を介して他方の非接地線である電力線２ｃに接続されている。以上の構成により、子機モデム２０Ｃの信号合成部２３は、一方の電力線２ａ（赤線）に重畳された高周波信号成分と、他方の電力線２ｃ（黒線）に重畳された高周波信号成分の両方を取り込んで合成する。

親機モデム１０のインジェクション部１２が柱上トランス４の近くに設置されている場合、インジェクション部１２から注入した高周波信号が赤白相と黒白相に分岐して流れることとなるので、図８に示した子機モデム２０Ａ，２０Ｂのいずれの場合も高周波信号を受信することが可能であるが、受信信号レベルが半分になってしまうため遠方の子機との通信は困難であった。

そこで、本実施形態のように、子機モデム２０Ｃの送受信回路２１が赤線と黒線の両方から信号を取り込み、それらを合成することにより、赤白相と黒白相に分岐した高周波信号を合成することができる。したがって、同じ位置に設置した場合には、信号合成部２３がない従来の子機モデム２０Ａ，２０Ｂよりも受信レベルを高くすることができ、これにより伝送性能を向上させることができる。

図７は、本発明による電力線通信システムの信号受信特性を示すグラフであり、横軸は周波数（ｋＨｚ）、縦軸は利得（ｄＢ）をそれぞれ示している。図７には、信号合成部２３を有する子機モデム２０Ｃを使用したときの受信特性（グラフＧ１）と、信号合成部２３を有しない子機モデム（子機モデム２０Ａ，２０Ｂ）を使用したときの受信特性（グラフＧ２）が示されている。なお、両者を同一条件下で評価するため、低圧配電線へのインジェクション部の接続位置は同じである。このグラフから明らかなように、親機モデム１０から中性線２ｂに注入した信号を子機モデム２０Ｃで受信したときの受信信号の利得は、信号合成部２３を有する子機モデム２０Ｃで受信した場合のほうが大きく、信号合成部２３を有していない子機モデムで受信した場合のほうが小さいことが分かる。

以上説明したように、本実施形態による電力線通信システム１は、子機モデム２０Ｃが信号合成部２３を備え、非接地線である２本の電力線２ａ，２ｃの信号成分を合成して取り込むので、子機モデムの受信特性を改善ことができ、電力線通信システム全体の信頼性を向上させることができる。実際には、親機近傍の子機は赤白相、黒白相のいずれかのみから信号を受信する方式とし、遠方の子機は赤黒の合成を受信する方式とすることで、１台の親機で広いエリアをカバーできるので、電力の遠隔検針システムを構築するためのコストを大幅に抑えることが可能である。

また、本実施形態による電力線通信システム１は、親機モデム１０のインジェクション部１２を中性線２ｂのみに誘導結合方式で接続することとしたので、非常にシンプルな構成とすることができ、これにより親機の設置工事時間を短縮することができると共に、設置コストを安価に抑えることができる。また、インジェクション部の直径方向の大きさを小さくすることができるので、その材料コストを抑えることができ、インジェクションの部品価格を低く抑えることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、親機モデム１０のインジェクション部１２が柱上トランス４の近くに設置されている場合を例に挙げたが、柱上トランス４から離れたところに設置することも可能である。すなわち、親機モデム１０のインジェクション部１２は、柱上トランス４が実質的にショートに見えないくらいの位置に設置されていてもよい。そのような距離は少なくとも１０ｍ以上であり、平均的には数十ｍである。

また、上記実施形態においては、親機モデム１０のインジェクション部１２が柱上トランス４の近くに設置されている場合を例に挙げたが、柱上トランスに限定されるものではなく、マンションの電気室内に設置された変圧器等、低圧配電線に接続された各種の変圧器に対して適用可能である。

また、図１に示した電力線通信システム１の構成は一例であって、低圧配電線２のレイアウトや子機モデムの設置数や配置などは特に限定されない。

１ 電力線通信システム
２ 低圧配電線
２ａ 電力線
２ｂ 電力線（中性線）
２ｃ 電力線
３ 高圧配電線
４ 柱上トランス（変圧器）
５ 接地線
６ 電力メータ
７ 家電機器
８ 光ファイバ回線
９ サーバ
１０ 親機モデム
１１ 送受信回路
１２ インジェクション部
１３ トロイダルコア
１３ａ，１３ｂ コア
１４ 信号線
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 子機モデム
２１ 送受信回路
２２ インジェクション部
２３ 信号合成部
３１，３２ 電柱
３３ 柱変台
３４ シース
３５ 電源ケーブル
４０ 電力線通信システム

Claims (5)

1. 電力線に高周波信号を重畳して信号の送受信を行う電力線通信システムであって、
   高圧配電線の電圧を降圧して商用電圧に変換する変圧器の２次側に接続された単相３線式の低圧配電線に接続された親機モデムと第１及び第２の子機モデムとを含み、
   前記低圧配電線は、前記変圧器の２次側の両端に接続された第１及び第２の電力線と、前記２次側の中点に接続された中性線とを含み、
   前記親機モデムは、
   前記中性線のみに誘導結合方式により接続された第１のインジェクション部と、
   前記第１のインジェクション部を介して前記中性線に接続された第１の送受信回路とを含み、
   前記第１の子機モデムは、
   前記第１の電力線、前記第２の電力線及び前記中性線にそれぞれ容量結合方式により接続された第２のインジェクション部と、
   前記第２のインジェクション部を介して前記第１及び第２の電力線の各々に接続され、前記第１の電力線と前記第２の電力線の両方からの信号を取り込んで合成する信号合成部と、
   前記第２のインジェクション部及び前記信号合成部を介して前記第１及び第２の電力線に接続されると共に、前記第２のインジェクション部を介して前記中性線に接続され、前記高周波信号を生成する第２の送受信回路とを含み、
   前記第２の子機モデムは、
   前記第１の電力線及び前記第２の電力線のいずれか一方及び前記中性線にそれぞれ容量結合方式により接続された第３のインジェクション部と、
   前記第３のインジェクション部を介して前記第１及び第２の電力線のいずれか一方と前記中性線との間に接続された第３の送受信回路とを含み、
   前記第２の子機モデムは、前記第１の子機モデムよりも前記変圧器の近くに設置されていることを特徴とする電力線通信システム。
2. 電力量を測定する電力メータをさらに備え、
   前記第１の子機モデムは、前記電力メータに接続されており、前記電力メータが測定した電力量データを前記親機モデムに送信することを特徴とする請求項１に記載の電力線通信システム。
3. 前記第１のインジェクション部は、前記変圧器の２次側端子から延びる前記低圧配電線の各電力線が互いに分離した状態から集線化されるまでの間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力線通信システム。
4. 前記第１のインジェクション部は、前記変圧器の２次側端子から線路長２ｍまでの範囲内に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力線通信システム。
5. 前記第１のインジェクション部は、２つの半環状のコアを組み合わせてなるトロイダルコアと、前記トロイダルコアに巻回された信号線とを含み、
   前記中性線は、前記トロイダルコアの中空部を貫通していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電力線通信システム。

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