JP6073578B2 - 電力線搬送通信システム - Google Patents

Description

本発明は電力線搬送通信システムに関し、特に、電力線に高周波信号を重畳させるために誘導結合方式を用いる電力線搬送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搬送通信（ＰＬＣ，Power Line Communications）が注目されている。以前は、電力線搬送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搬送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量計（電気メーター）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。

ところで、電力線に高周波信号を重畳させるための技術のひとつとして、並走する電力線と信号線とをトロイダルコアで挟み込むことにより、信号線に流れる高周波信号を電力線にインジェクションする方式（誘導結合方式）が知られている。特許文献１には、誘導結合方式を用いる電力線搬送通信システムが開示されている。トロイダルコアの構成材料としては、特許文献１にも示されるように、フェライトが用いられる。

特許第４７０８０６８号公報

しかしながら、従来の誘導結合方式には、上述した低周波数帯域で損失が大きくなってしまうという問題がある。つまり、特許文献１の図２にも示されるように、概ね１０ＭＨｚを下回る帯域では、周波数が低くなるにつれて高周波信号の減衰量が急激に増加する。この急激な増加のため、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域では、効率のよい通信を行うことが困難となっている。

上記低周波数帯域における信号のインジェクションには容量結合方式が一般的であるが、容量結合方式のインジェクション部を電力線に接続する際、活線状態のままで工事することができない。一方、誘導結合方式の場合には、いわゆる二分割型トロイダルコアを用いれば、活線状態の電力線に一対のコアを挟み込むだけでインジェクション部を容易に接続可能である。このような事情から、低周波数帯域においても所望の通信品質を実現できる誘導結合方式のインジェクション部が強く求められている。

また、特許文献１に開示される技術では、電力線のうち、インジェクション部（トロイダルコア）から見て対向モデムの反対側に位置する部分に、ヒューズとキャパシタからなるバイパス部が設けられている。このバイパス部は、インジェクション部から電力線に注入された高周波信号のうち、対向モデムから離れる方向に流れていく分を対向モデム側に誘導するために設けられるもので、バイパス部を用いることにより、特許文献１の図２に示されるように、全帯域にわたって減衰量を低下させることができる。

しかしながら、特許文献１の図２からも明らかなように、バイパス部を用いることによる減衰量の低減効果は、低周波数帯域での減衰量の増加を補うには十分でない。結果として、バイパス部を用いてもやはり、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域において効率のよい通信を行うことは困難となっている。

したがって、本発明の目的の一つは、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域において効率の良い通信を行える、誘導結合方式の電力線搬送通信システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、バイパス部による減衰量低下効果を維持しつつ、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域において効率の良い通信を行える、誘導結合方式の電力線搬送通信システムを提供することにある。

本願発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、アモルファス系材料又はナノクリスタル系材料のトロイダルコアを用いた場合には、１０〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域においても誘導結合方式による信号のインジェクションが可能であり、電力線搬送通信システムの通信効率を高めることができることを見出した。

上記目的を達成するための本発明による電力線搬送通信システムは、第１の電力線と、前記第１の電力線に沿って配置される信号線と、前記信号線に高周波信号を供給するモデムと、前記第１の電力線及び前記信号線が貫通するよう配置された第１のトロイダルコアとを備え、前記第１のトロイダルコアは、アモルファス系材料又はナノクリスタル系材料によって構成されることを特徴とする。

本発明によれば、第１のトロイダルコアをアモルファス系材料又はナノクリスタル系材料によって構成したので、約２０００ｋＨｚ以下の周波数帯域において、第１のトロイダルコアをフェライトで構成した場合に比べて高周波信号の減衰量が低下する。したがって、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域での通信効率が改善される。

また、上記電力線搬送通信システムは、第２の電力線と、前記第２の電力線及び前記信号線が貫通するよう配置された第２のトロイダルコアとをさらに備え、前記信号線は、両端で前記第１のモデムに接続され、かつ前記第１のトロイダルコアと前記第２のトロイダルコアを順次通過するよう配線され、前記第２のトロイダルコアは、アモルファス系材料又はナノクリスタル系材料によって構成されることが好ましい。

なお、上記電力線搬送通信システムにおいて、前記アモルファス系材料は、鉄系のアモルファス合金であることが好ましい。また、前記ナノクリスタル系材料は、鉄系の超微細結晶軟磁性合金であることが好ましい。これらの材料を用いた場合には上記低周波数帯域において所望の通信品質を確保することができる。

また、上記電力線搬送通信システムは、前記第１及び第２の電力線の間に接続されたキャパシタを含むバイパス部をさらに備えることが好ましい。これによれば、バイパス部による減衰量低下効果を維持しつつ、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域において効率の良い通信を行える、誘導結合方式の電力線搬送通信システムを提供することが可能になる。

この場合、前記キャパシタの静電容量は、該キャパシタが前記高周波信号のバイパスとして機能する一方、前記第１及び第２の電力線の間で、該第１及び第２の電力線を通じて送られる交流電力の漏えいが実質的に発生しない値であることが好ましい。また、前記第１及び第２の電力線と結合し、該第１及び第２の電力線を通じて到来する前記高周波信号を受信する第２のモデムをさらに備え、前記バイパス部は、前記第１及び第２の電力線のうち、前記第１及び第２のトロイダルコアから見て前記第２のモデムとは反対側の部分に接続されることが好ましい。

また、上記電力線搬送通信システムにおいて、前記高周波信号は、１０ｋＨｚ以上４５０ｋＨｚ以下の帯域の信号であることが好ましい。

本発明によれば、トロイダルコアをアモルファス系材料又はナノクリスタル系材料によって構成したので、約２０００ｋＨｚ以下の周波数帯域において、第１のトロイダルコアをフェライトで構成した場合に比べて高周波信号の減衰量が低下する。したがって、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域での通信効率が改善される。

本実施の形態による電力線搬送通信システム１のシステム構成図である。 送電線における高周波信号の伝送特性の測定結果（０Ｈｚ〜４０ＭＨｚ）を示すグラフである。 送電線における高周波信号の伝送特性の測定結果（０Ｈｚ〜３０００ｋＨｚ）を示すグラフである。 送電線における高周波信号の伝送特性の測定結果（０Ｈｚ〜５００ｋＨｚ）を示すグラフである。

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、本実施の形態による電力線搬送通信システム１のシステム構成図である。同図に示すように、電力線搬送通信システム１は、第１及び第２の電力線２ａ，２ｂからなる単相２線式の送電線２を有している。送電線２は、商用の交流電力（周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を送電するためのものである。電力線搬送通信システム１は、この送電線２を通じて高周波信号を送受信するよう構成される。

図１に示すように、電力線搬送通信システム１は、信号線３、第１及び第２のモデム４，５、インジェクション部６、容量結合部７、及びバイパス部８を有して構成される。電力線搬送通信システム１では、第１のモデム４と第２のモデム５との間で、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの高周波信号の送受信が行われる。電力線搬送通信システム１の具体的な適用例は、例えば図1に示す電力量計１０の検針システムである。この場合、第１のモデム４は電力量計１０の検針データを受信し、これに基づいて高周波信号を生成して信号線３に供給する機能を有する。第１のモデム４は、各家庭の電力量計１０の一次側に設置される。一方、第２のモデム５は例えば電柱上の柱上トランス近傍に設置され、各家庭のモデム４が生成した上記高周波信号を受信する。そして、送電線と並行して敷設されている光ファイバ網１２を介して、検針データを電力会社に対して送出する。

インジェクション部６は、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂを含んで構成される。また、信号線３は、両端で第１のモデム４に接続され、かつ第１のトロイダルコア６ａと第２のトロイダルコア６ｂを順次通過するよう配線される。信号線３のうち各トロイダルコアを通過する部分は、図示するように、対応する電力線に沿って配置される。このような構成により、信号線３はトロイダルコア６ａ，６ｂを介して第１及び第２の電力線２ａ，２ｂと磁気結合しており、したがって、第１のモデム４から信号線３に供給された１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの高周波信号を、第１及び第２の電力線２ａ，２ｂにインジェクションする（重畳する）ことが実現される。

本発明の主たる特徴は、これら第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料を工夫した点にある。これについては、後ほど別途詳しく説明する。

容量結合部７は、第２のモデム５と第１及び第２の電力線２ａ，２ｂそれぞれとの間に設けられたキャパシタからなる。第２のモデム５は、この容量結合部７を介して第１及び第２の電力線２ａ，２ｂと結合することで、これらに重畳された高周波信号を受信する。

図１では、第１のモデム４から信号線３に供給される高周波信号のうち、第２の電力線２ｂにインジェクションされる成分を信号Ｓ１として表している。信号Ｓ１は、図１に示すように、第２の電力線２ｂにインジェクションされた後、モデム５に向けて進む信号Ｓ２と、モデム５から離れる方向に進む信号Ｓ３とに分かれる。図示していないが、第１の電力線２ａにインジェクションされる成分も同様であり、二手に分かれて第１の電力線２ａを流れる。第２のモデム５から離れる方向に進む信号は、従来は、第２のモデム５に受信されないことから損失となっていたものである。これに対し、電力線搬送通信システム１では、バイパス部８を設けているので、このような信号も第２のモデム５で受信できる。以下、バイパス部８について詳しく説明する。

バイパス部８は、第１及び第２の電力線２ａ，２ｂの間における高周波信号のバイパスとして機能する一方、第１及び第２の電力線２ａ，２ｂの間での交流電力の漏えいが実質的に発生しないよう設計された回路である。具体的には、図１に示すように、直列接続されたキャパシタ及びヒューズによって構成される。ヒューズは、第１及び第２の電力線２ａ，２ｂの間に短絡が発生することを防止するために設けられているものである。

バイパス部８を構成するキャパシタの静電容量は、送電線２を通じて送られる交流電力がこのキャパシタを実質的に通過できず、一方で信号線３に供給される高周波信号がこのキャパシタを実質的に通過できる程度の値に設計される。具体的には、送電線２を通じて送られる交流電力の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）と、信号線３に供給される高周波信号の周波数（１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚ）との間にカットオフ周波数を有するよう、キャパシタの静電容量を設計すればよい。これにより、図１に示すように、インジェクションされた当初は第２のモデム５から離れる方向に進んでいた信号Ｓ３が、バイパス部８で反射されて第２のモデム５に向かい、通信に寄与するようになる。その結果、電力線搬送通信システム１の通信効率が高められることになる。

なお、バイパス部８は、電力線搬送通信システム１における通信の安定度を向上させる効果も有している。すなわち、近年の家電製品にはインバータ化されたものが多く、そのような家電製品は一般に、電源が放出するノイズを低減するための大容量のコンデンサを一次側に有している。このような大容量のコンデンサは、電力線搬送通信システム１から見ればそれ自体がノイズ源となり、電力線搬送通信システム１における通信が安定しない要因となる。バイパス部８は、こうして宅内で発生するノイズＮ（図１）を反射する役割も果たすので、バイパス部８を設けることで、電力線搬送通信システム１における通信の安定度を向上させることが可能になる。

次に、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料について説明する。本実施の形態では、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂをアモルファス系材料又はナノクリスタル系材料によって構成する。具体的には、アモルファス系材料として鉄系のアモルファス合金を、ナノクリスタル系材料として鉄系の超微細結晶軟磁性合金を用いることが好適である。こうすることで、約２０００ｋＨｚ以下の周波数帯域において、トロイダルコアをフェライトで構成した場合に比べて高周波信号の減衰量を低下させることが可能になる。したがって、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域での通信効率が改善される。以下、詳しく説明する。

まず鉄系のアモルファス合金としては、飽和磁束密度１５５０ｍＴ、透磁率５００００ｋＨｚ、高周波鉄損４０ｍＷ／ｇ、キュリー温度４００℃、結晶化温度５５０℃のものが好適である。この鉄系のアモルファス合金を用いることで、よい効果を得ることができる。この種の鉄系のアモルファス合金は、従来、出力平滑チョークコイル、コモンモードチョークコイル、高周波トランスの用途で用いられている。

次に、鉄系の超微細結晶軟磁性合金としては、飽和磁束密度１２５０ｍＴ、透磁率７５００００ｋＨｚ、高周波鉄損２０ｍＷ／ｇ、キュリー温度５７０℃のものが好適である。この鉄系の超微細結晶軟磁性合金を用いることでも、鉄系のアモルファス合金を用いる場合と同様のよい効果を得ることができる。この種の超微細結晶軟磁性合金は、従来、コモンモードチョークコイル用として用いられている。

図２〜図４は、送電線２における高周波信号の伝送特性の測定結果を示すグラフである。いずれの図においても、横軸は周波数、縦軸は減衰量としている。また、図２は０ｋＨｚから４０ＭＨｚの周波数帯域における伝送特性を示し、図３は、図２に示した伝送特性のうち０ｋＨｚから３０００ｋＨｚの周波数帯域分のみを拡大して示し、図４は、図２に示した伝送特性のうち０ｋＨｚから５００ｋＨｚの周波数帯域分のみを拡大して示している。なお、図２〜図４は、磁気ギャップのないトロイダルコアを用いて第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂを形成した場合の測定結果を示すものである。このようにしたのはトロイダルコアの材料による特性の違いを明確にするためであるが、磁気ギャップのあるトロイダルコアを用いても、相対的には同様の測定結果を得られることが確認されている。

図２〜図４に示す特性１０は、本実施の形態による電力線搬送通信システム１での測定結果を示している。ただし、測定にあたり、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料としては、上述した鉄系のアモルファス合金（飽和磁束密度１５５０ｍＴ、透磁率５００００ｋＨｚ、高周波鉄損４０ｍＷ／ｇ、キュリー温度４００℃、結晶化温度５５０℃）を用いた。図示していないが、上述した鉄系の超微細結晶軟磁性合金（飽和磁束密度１２５０ｍＴ、透磁率７５００００ｋＨｚ、高周波鉄損２０ｍＷ／ｇ、キュリー温度５７０℃）を用いても、ほとんど同じ結果が得られた。

一方、特性１１は、本実施の形態による電力線搬送通信システム１からバイパス部８を取り除いて測定した伝送特性を示している。第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料は、特性１０の場合と同様である。また、特性１２，１３はそれぞれ、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂを従来通りフェライト（ニッケル系のフェライト）で構成した場合を示す比較例である。特性１２は、特性１０と同じくバイパス部８がある状態で、特性１３は、特性１１と同じくバイパス部８がない状態で測定した結果である。

まず特性１１と特性１３それぞれの減衰量を比較すると（バイパス部８がない状態）、概ね２０００ｋＨｚを境に、それ以下では特性１１の方が小さく、それ以上では特性１３の方が小さくなっている。これは、概ね２０００ｋＨｚ以下の周波数帯では、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料としてアモルファス系材料又はナノクリスタル系材料を用いた方がよい特性が得られる一方、概ね２０００ｋＨｚ以上の周波数帯では、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料として従来通りのフェライトを用いた方がよい特性が得られることを示している。

次に特性１０と特性１２それぞれの減衰量を比較すると（バイパス部８がある状態）、やはり概ね２０００ｋＨｚを境に、それ以下では特性１０の方が小さく、それ以上では特性１２の方が小さくなっている。これは、バイパス部８があっても、バイパス部８がない場合と同じように、概ね２０００ｋＨｚを境に、それ以下では第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料としてアモルファス系材料又はナノクリスタル系材料を用いた方がよい特性が得られ、それ以上では第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料として従来通りのフェライトを用いた方がよい特性が得られることを示している。

次に、特性１０と特性１１とを比較すると、バイパス部８がある場合の特性１０では、図示した全帯域にわたって、バイパス部８がない場合の特性１１より小さな減衰量が得られている。特性１２と特性１３とを比較した場合も同様である。そして、特性１０と特性１１の間の減衰量の差は、特性１２と特性１３の間の減衰量の差とほぼ同程度となっている。これは、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料として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で、バイパス部８による減衰量低下効果を維持しつつ、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域において効率の良い通信を行えるようになる、ということを示している。

これらの結果から理解されるように、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料として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で、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域において、従来通りのフェライトを用いる場合に比べて効率の良い通信を行えるようになる。図４の例から具体的な数値を挙げておくと、例えば１００ｋＨｚでは、特性１０の減衰量（約−９ｄＢ）は、特性１２の減衰量（約−２０ｄＢ）に比べて、約１１ｄＢ（＝−９ｄＢ−（−２０ｄＢ））改善されている。また、バイパス部８による減衰量低下効果も維持される。

一方、２００６年１０月の電波法令改正により使用を認められた２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯域では、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂの材料として従来通りのフェライトを用いる方が、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場合に比べて効率の良い通信を行える。別の言い方をすれば、２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯域を利用して通信を行う誘導結合方式の電力線搬送通信システムにおけるインジェクション用のトロイダルコアの材料としては、アモルファス系材料又はナノクリスタル系材料は不適切である。

以上説明したように、本実施の形態による電力線搬送通信システム１によれば、第１及び第２のトロイダルコア６ａ，６ｂをアモルファス系材料又はナノクリスタル系材料によって構成したので、これらをフェライトで構成した場合に比べ、１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの低周波数帯域での通信効率を改善することができる。また、バイパス部８による減衰量低下効果を維持することも可能になる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では単相２線式の送電線に本発明を適用した例を挙げたが、本発明は、その他のタイプの送電線、例えば単相３線式の送電線などにも好適に適用可能である。

また、上記実施の形態ではバイパス部を有する電力線搬送通信システムについて説明したが、図２〜図４を参照して説明した特性１１と特性１３の比較結果からも理解されるように、本発明は、バイパス部を有しない電力線搬送通信システムにも好適に適用可能である。

さらに、上記実施の形態では、各家庭の電力計の一次側に配置した第１のモデムに本発明を適用した例について説明したが、本発明は、電柱上の柱上トランス近傍に設置する第２のモデムにも適用可能である。

１ 電力線搬送通信システム
２ 送電線
２ａ，２ｂ 電力線
３ 信号線
４，５ モデム
６ インジェクション部
６ａ，６ｂ トロイダルコア
７ 容量結合部
８ バイパス部

Claims (5)

1. 周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電力を送電する第１の電力線と、
   前記第１の電力線に沿って配置される信号線と、
   前記信号線に１０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの帯域の高周波信号を供給する第１のモデムと、
   前記第１の電力線及び前記信号線が貫通するよう配置された第１のトロイダルコアとを備え、
   前記第１のトロイダルコアは、鉄系のアモルファス合金又は鉄系の超微細結晶軟磁性合金によって構成される
   ことを特徴とする電力線搬送通信システム。
2. 周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電力を送電する第２の電力線と、
   前記第２の電力線及び前記信号線が貫通するよう配置された第２のトロイダルコアとをさらに備え、
   前記信号線は、両端で前記第１のモデムに接続され、かつ前記第１のトロイダルコアと前記第２のトロイダルコアを順次通過するよう配線され、
   前記第２のトロイダルコアは、鉄系のアモルファス合金又は鉄系の超微細結晶軟磁性合金によって構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力線搬送通信システム。
3. 前記第１及び第２の電力線の間に接続されたキャパシタを含むバイパス部
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の電力線搬送通信システム。
4. 前記キャパシタの静電容量は、該キャパシタが前記高周波信号のバイパスとして機能する一方、前記第１及び第２の電力線の間で、該第１及び第２の電力線を通じて送られる交流電力の漏えいが実質的に発生しない値である
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力線搬送通信システム。
5. 前記第１及び第２の電力線と結合し、該第１及び第２の電力線を通じて到来する前記高周波信号を受信する第２のモデムをさらに備え、
   前記バイパス部は、前記第１及び第２の電力線のうち、前記第１及び第２のトロイダルコアから見て前記第２のモデムとは反対側の部分に接続される
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の電力線搬送通信システム。

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