JP6226540B2 - 電力線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、配電系統の電力線を利用して通信を行なう電力線通信装置に関する。

従来、２ウェイ自動通信システム（Two-Way Automatic Communication System：ＴＷＡＣＳ（登録商標：以下同じ））電力線通信装置は、需要家端のメーターから変電所の受信装置へ送信する上り信号（Inbound信号）を電圧の零クロス付近に与えている。

図９に従来のTWACS電力線通信装置および同装置が設置されている配電系統の全体構成を示す。この図において、配電系統は、配電用変電所変圧器５１の二次側のブス５２からフィーダー５３が引き出されている。このフィーダー５３は、柱上変圧器５４を介して需要家へ電力を供給している。柱上変圧器５４の二次側、すなわち需要家側には、電力線通信装置９０が設けられている。

変電所ブス５２には、電流検出用変流器５５を介して、電力線通信装置９０から送られてくる信号を検出する上り信号受信装置（以下、「受信装置」という。）５６が設けられている。

電力線通信装置９０は、電力線からインピーダンス９２を介してスイッチング素子であるサイリスタ９１ａ，９１ｂが逆並列に接続され、制御装置９４から出力されたゲート信号によって、いずれかのサイリスタが瞬時ＯＮになり、パルス信号を発生させる。このパルス信号（電流変化）は、柱上変圧器５４の一次側からフィーダー５３を伝わって変電所に届く。受信装置５６は、電流検出用変流器５５を介してこの電流の変化（パルス信号）を検知することによって、信号を受信する。

図１０は、柱上変圧器５４の二次側の信号変化と変電所ブスの電流変化の説明図である。電力線通信装置９０の制御装置９４が商用電源の零クロスを位相検出回路（図示せず）で検出し、その零クロス点から一定時間経過後、図１０（ａ）に示すゲート信号を出力して、サイリスタをＯＮさせる。これにより電力線の線間にパルス信号が出力される（図１０（ｂ））。変電所ブスでは図１０（ｃ）に示すように負荷電流が変化することになり、受信装置５６は、この負荷電流の変化を検知することによってパルス信号を受信する。

上記のごとく、従来の電力線通信装置の回路構成は、２個のサイリスタを逆並列に接続し、接続されている線間電圧の零クロス付近を短絡させている。サイリスタの場合ＯＮさせることしかできず、流れる電流が０になったとき自動的にターンオフするため、信号は零クロスの少し前のタイミングで発生させる必要があり、波形の数は、商用電源周波数の半周期に一つとなる。信号の送り方は、商用電源の半周期ごとに１か０の信号を送出し、所定数の信号の変化によって情報の１ビットを送るという技術が用いられている。（例えば、特許文献１を参照）。

このように、従来の方式では、上り信号を最大で半周期に１回（電圧の零クロス付近に１回）しか発生させることができないため、伝送可能な情報量に制約があった。

さらに、サイリスタは、信号のＯＮ，ＯＦＦ時における電流の変化が急峻になるため、たとえば、５０Ｈｚの系統の場合、上り信号の周波数帯（主成分）は、約０．６ｋＨｚ〜１．２ｋＨｚ（サイリスタの投入位相１５度〜３０度）であるが、不必要な高周波成分が配電系統に重畳する場合もあった。

一方、配電系統には配電自動化システムなど高周波信号を配電系統に重畳させる配電線搬送技術を使用した通信装置が既に導入されている場合があり、既存配電線搬送通信の通信成功率に影響を及ぼす可能性がある。高周波成分を抑制するためには、たとえば、図９のインピーダンス９２を大きくするという方法が考えられるが、その分パルス信号が小さくなり、受信装置５６が電流変化を検知できなくなるという新たな問題が生ずる。

米国特許出願公開第２０１０／００５４３４９号明細書

本発明は、上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、上り信号の送信時にスイッチング素子のＯＮ，ＯＦＦによって発生する不必要な高周波成分を低減すると共に、従来よりも高い伝送容量を有する電力線通信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力線通信装置は、配電系統の需要家側に設置され、変電所側受信装置に対してデータを送信する電力線通信装置であって、送信用のデータを入力するデータ入力部と、ＭＯＳＦＥＴのソース端子およびドレイン端子を、抵抗等の受動素子を介して配電系統の電力線の線間に接続し、ＭＯＳＦＥＴにゲート信号を入力することにより、前記電力線の線間に流れる電流を制御するスイッチング部と、電力線の線間の電圧信号の零クロス点を検出し、前記スイッチング部へのゲート信号の出力タイミングを生成する出力タイミング生成部と、前記出力タイミング生成部で生成された出力タイミングに基づいて、所定の波形パターンのゲート信号を生成して前記スイッチング部へ出力する波形パターン生成部と、を備えたことを特徴とする。

ここで、受動素子とは、抵抗やインピーダンスなどの他、トランジスタで抵抗回路を構成すなど、能動素子をいわゆる受動素子的に使用する場合も含む趣旨である。なお、ＭＯＳＦＥＴを飽和領域で使用する場合は、受動素子を介さずにＭＯＳＦＥＴのソース端子およびドレイン端子を配電系統の電力線の線間に接続しても良い。

本発明では、サイリスタの代わりにＭＯＳＦＥＴを使用し、波形パターン生成部で立ち上がり立下りの滑らかな波形のゲート信号を発生させてＭＯＳＦＥＴのゲートに入力することにより、配電系統への出力信号のＯＮ，ＯＦＦ時に発生する高周波成分を低減し、配電自動化システムの信号への影響や配電機器への影響を改善することができる。なお、所定の波形パターンとして、二乗余弦波を用いると、受信装置の受信感度に影響を与えず、効果的に高周波成分を抑制することができる。

また、本発明に係る電力線通信装置は、複数種類の波形パターンを保存する波形パターン保存部を有し、前記波形パターン生成部は、前記波形パターン保存部に保存されている複数種類の波形パターンのうち、選択された波形パターンで前記ゲート信号を生成することを特徴とする。

本発明では、ゲート信号の波形パターンを選択可にするので、不必要な高周波信号量の最も少ない波形パターンを選択して送信することができる。

また本発明に係る電力線通信装置は、前記波形パターン生成部から出力されたゲート信号の電圧値を調整するゲート電圧調整部を備えるようにすると良い。これにより受信装置で受信可能なレベルに電力線通信装置の出力を自動調整できる。

好ましくは本発明に係る電力線通信装置は、配電系統の電源周波数の半周期内に送信する信号数を調整する信号数調整部を備えるようにすると良い。零クロスの前後１波ずつ（すなわち商用電源周波数の半周期ごと）に２つ以上の信号が出力でき、信号伝送量を増加させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを使用し、ゲート信号を調整することによって、送信の際のスイッチング部のＯＮ，ＯＦＦ時に発生する不必要な高周波成分を低減することができる。また、ゲート信号の電圧と商用周波数の半周期内に送信するビット数を可変にして、従来よりも高い伝送容量を有する電力線通信装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態による電力線通信装置の構成図である。 図１に示す波形パターン保存部に保存される波形パターンの図示例である。 本発明の第１の実施の形態による商用電源の零クロス付近に信号を重畳させるときの、柱上変圧器の二次側の信号変化と変電所ブスの電流変化の説明図であり、図３（ａ）は、出力タイミング生成部から出力される基準パルス、図３（ｂ）は柱上変圧器二次側の商用電源の電圧信号と電力線通信装置から出力されるパルス信号のタイミングを示す図、図３（ｃ）は変電所ブスの負荷電流の変化を示す図である。 図１の他の実施例による電力線通信装置の構成図である。 本発明の第２の実施の形態による電力線通信装置の構成図である。 図５の信号数調整部の回路構成例である。 図５の信号数調整部の動作の説明図であり、３分周，半周期のパルス数２の場合のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態による商用電源半周期内に２つの信号を重畳させるときの、柱上変圧器の二次側の信号変化と変電所ブスの電流変化の説明図であり、図８（ａ）は、信号数調整部の出力信号、図８（ｂ）は柱上変圧器二次側の商用電源の電圧信号と電力線通信装置から出力されるパルス信号のタイミングを示す図、図８（ｃ）は変電所ブスの負荷電流の変化を示す図である。 図５に示す本発明の第２の実施の形態による電力線通信装置の変形例を示す図である。 従来の電力線通信装置および同装置が設置されている配電系統の全体構成図である。 図９の柱上変圧器の二次側の信号変化と変電所ブスの電流変化の説明図であり、図１０（ａ）は、制御装置から出力される基準信号、図１０（ｂ）は柱上変圧器二次側の商用電源の電圧信号と電力線通信装置から出力されるパルス信号のタイミングを示す図、図１０（ｃ）は変電所ブスの負荷電流の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態による電力線通信装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の電力線通信装置における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の第１の実施の形態による電力線通信装置１の構成図である。
図１において、電力線通信装置１は、送信用のデータを入力するデータ入力部１１、配電系統の電力線の線間の電流量を制御するスイッチング部１５、電力線の線間の電圧信号の零クロス点を検出してスイッチング部１５へのゲート信号の出力タイミングを生成する出力タイミング生成部１２、複数種類の波形パターンを保存する波形パターン保存部１６、波形パターン保存部１６に保存されている波形パターンのうち選択された波形パターンのゲート信号を生成して、出力タイミング生成部１２で生成されたタイミングでスイッチング部１５へ出力する波形パターン生成部１３、波形パターン生成部１３から出力される信号の高周波成分をカットしてスイッチング部１５へのゲート端子へ出力するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４、および整流素子１８ａ〜１８ｄを有している。電力線通信装置１の端子１９ａ，１９ｂには、需要家へ供給される配電線の二線が接続される。

端子１９ａは、整流素子１８ａのアノードと整流素子１８ｂのカソードに接続され、端子１９ｂは、整流素子１８ｃのアノードと整流素子１８ｄのカソードに接続されている。整流素子１８ａ，１８ｃのカソードは、スイッチング部１５のＭＯＳＦＥＴ３３のドレイン端子と出力タイミング生成部１２に繋がり、ＭＯＳＦＥＴ３３のソース端子は、抵抗Ｒsを介して、電力線通信装置１の基準電位点に接続される一方、整流素子１８ｂ，１８ｄのアノードに接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ３３のソース端子は、オペアンプ３１の入力側に繋がっている。
次に、上記の構成を有する電力線通信装置の動作を説明する。

（出力タイミング生成処理）
出力タイミング生成部１２は従来技術によるが、電圧信号を入力して、電圧信号の零クロス点を検出する。そして、この零クロス点を基準に零クロス点の前４０度以内の時点で信号を出力する。この信号が、データ送信の基準パルスとなる。なお、基準パルスの出力タイミングは、調整可能にしておくのが望ましい。

（波形パターン生成処理）
波形パターン生成部１３は、波形パターン保存部１６に予め登録された複数の波形パターンのうち、選択された波形パターンの出力信号を生成する。波形パターン例を図２に示す。所定のパターンから信号波形の生成は従来技術による。たとえば、三角波の場合は、基準パルスの受信タイミングからコンピュータ処理によって一定時間ゲインを増加、その後、ゲインを減少させるという方法で実現することができる。その他の波形についてもコンピュータの演算処理によって生成することができる。波形パターン生成部１３から出力された信号は、ＬＰＦ１４を経由してスイッチング部１５に入力される。

（スイッチング部１５の動作）
ＬＰＦ１４から出力された信号は、スイッチング部１５のオペアンプ３１、抵抗３２を介してＭＯＳＦＥＴ３３のゲート端子に入力される。これによって、ＬＰＦ１４からの出力信号（Ｖin）の大きさに応じてＭＯＳＦＥＴ３３のドレイン、ソース間に電流Ｉｄが流れる。たとえば、抵抗Ｒsを０．２Ω、Ｖｉｎを２Ｖとすると、Ｉｄ＝Ｖｉｎ／Ｒs＝１０Ａの電流が流れることになる。

このＭＯＳＦＥＴ３３の出力信号の波形は、ゲート信号によって変わるため、二乗余弦波など入力信号を急峻な変化点のない波形にすることにより、高周波を抑制することができる。

上記の動作によって、電力線には、商用電源にスイッチング部１５の出力信号を重畳させることになる。この信号（電流変化）は、柱上変圧器５４、フィーダー５３を介して変電所に届く。受信装置５６は、電流検出用変流器５５を介してこの電流の変化を検知する。以上の動作により、電力線通信装置１から、受信装置５６へデータが送信される。

図３は、上記の動作によって電力線の電流が変化する状態を表した図である。電力線通信装置１の出力タイミング生成部１２から零クロス点検出時点と零クロス点から一定時間経過後に基準パルスが出力されると（図３（ａ））、このタイミングで、図３（ｂ）に示すように柱上変圧器二次側の商用電源には電力線通信装置から出力されたパルス状の上り信号（Inbound信号）が重畳される。これにより、変電所ブスの負荷電流は、図３（ｃ）のように変化する。

以上、本実施の形態によれば、ＭＯＳＦＥＴを用い、高調波成分を抑えた波形パターンをゲート信号に入力することによって、電力線に重畳される信号に含まれる高周波成分を低減することができる。また、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いることによりＯＮとＯＦＦの制御が可能になるので、商用電源の一周期内に複数のデータを送ることができる。

なお、たとえ、ＭＯＳＦＥＴを用いたとしても、ゲート信号に矩形波を入力していたのでは、高周波成分の抑制効果は得られない。発明者らは、複数パターンについて、それぞれ実験を行い、二乗余弦波が受信装置の受信感度に影響を与えず、高周波成分の抑制効果も高いことを確認した。したがって、常にこの最適な波形パターンを用いるとすれば、波形パターン保存部１６は不要になる。

（他の実施例１）
図４に他の実施例による電力線通信装置１の構成図を示す。図１との主な違いは、抵抗Ｒｓを省いて、ＭＯＳＦＥＴ３３のソース端子を整流素子１８ｂ，１８ｄのアノードに直接接続していることである。なお、オペアンプはボルテージフォロワとしている。その他の構成は図１と同様であるので、同一要素には同一符号を付して説明を省略する。図４の構成によれば、ＭＯＳＦＥＴ３３を飽和領域で使用することになり、ＭＯＳＦＥＴ３３のドレイン、ソース間にゲート、ソース間電圧の変化に応じたドレイン電流Isが流れる。

（他の実施例２）
図１の抵抗Ｒｓに代えて、他の受動素子を用いることもできる。例えば、コイルとコンデンサを直列に接続したインピーダンス素子であっても良いし、特開２０００−２６９７８２号公報に記載されているようなＭＯＳトランジスタ等の能動素子を用いた抵抗回路であっても良い。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
図５は、第２の実施の形態による電力線通信装置１の構成図である。本実施の形態は、波形パターン生成部１３から出力される半周期ごとのゲート信号のパルス数（以下、「信号数」という。）を調整する信号数調整部２１、波形パターン生成部１３から出力される信号の電圧（波高値）を調整するゲート電圧調整部２２を追加したことにある。その他は、第１の実施の形態と同様であるので、同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
以下、本実施の形態による電力線通信装置１の動作を説明する。

（信号数調整処理）
信号数調整部２１は、出力タイミング生成部１２から出力される商用電源の半周期ごとの基準パルスをもとに、半周期ごとに出力すべき信号数を調整する。
図６は、信号数調整部２１の回路構成例である。図６において、信号数調整部２１は、基準パルスの入力によって起動され、設定された分周比でシステムクロックを分周する分周回路７１、分周回路７１の出力から信号パルスを生成するパルス発生回路７２、および、設定された数のパルスを検出すると分周回路７１の動作を停止させ、自らはリセットするカウンタ７３で構成されている。なお、分周回路７１の分周比やカウンタ７３のパルス数は設定可能にしておくと良い。

図７に３分周，半周期のパルス数２の場合のタイミングチャートを示す。なお、半周期内の最後のパルスが出力されたときに、零クロスより前に終わるように分周比とパルス数は設定されるものとする。

図７のような、タイミングチャートのときに、商用電源には、図８のように半周期内に４つの信号を重畳させることができる。

なお、信号数調整部２１のパルス発生回路７２が発生する信号パルス波形は、所定の手段を用いて任意に設定可能なように構成してもよい。また、分周回路７１の分周比は、上述した３分周以外にも所定の手段にて任意の分周比を設定できるように構成しても勿論かまわない。

（ゲート電圧調整部の動作）
ゲート電圧調整部２２は電圧信号を増幅させるアンプで実現され、予め所定の手段によって設定された値に基づいて波形パターン生成部１３の出力信号を増幅する。これによって、波形のパルス幅には影響を与えず、波形の出力時間を一定にしたまま、波高値のみを増減させることができる。

以上、本実施の形態によれば、第１の実施の形態に加え、さらにゲート電圧調整部と、信号数調整部を設け、これらの手段によって、他の機器に影響を与えず、変電所側の受信装置でデータを受信できるようにしたので、実用性の高い電力線通信装置を簡便に実現することができる。

なお、上述した図１または図３に記載のスイッチング部１５を図８に示すように構成してもよい。この図に示すようにスイッチング部１５は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ４０のドレイン端子に整流素子４１ａのアノードを接続し、ＭＯＳＦＥＴ４０のソース端子に抵抗Ｒｓ１の一端を接続した第一直列回路を構成する。ＭＯＳＦＥＴ４０のゲート端子には、オペアンプ４２の出力端子が接続される。このオペアンプ４２の負極入力端子は、ＭＯＳＦＥＴ４０のソース端子に接続される。また、オペアンプ４２の正極入力端子は、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ１の直列回路を介してＬＰＦ１４の出力端子と接続される。この抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１の接続点には、オペアンプ４５の負極入力端子が接続される。また、このオペアンプ４５の出力端子は、オペアンプ４２の正極入力端子に接続され、オペアンプ４５の正極入力端子は、接地される。ちなみに抵抗Ｒ１,Ｒ２は、同一の抵抗値であって、増幅度１の反転増幅器を構成する。このように構成することでオペアンプ４２の正極入力端子には、オペアンプ４５、抵抗Ｒ１，Ｒ２とで構成した反転増幅器によって、ＬＰＦ１４の出力端子の信号Ｖｏｕｔを反転した信号が与えられる。
また第一直列回路には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの４３のドレイン端子に整流素子４１ｂのアノードを接続し、ＭＯＳＦＥＴ４３のソース端子に抵抗Ｒｓ２の一端を接続した第二直列回路が並列に接続される。ＭＯＳＦＥＴ４３のゲート端子には、オペアンプ４４の出力端子が接続される。このオペアンプ４４の負極入力端子は、ＭＯＳＦＥＴ４３のソース端子に接続される。また、オペアンプ４４の正極入力端子は、ＬＰＦ１４の出力端子に接続される。なお。上述した抵抗Ｒｓ１および抵抗Ｒｓ２は、同一の抵抗値であって、その値は上述した実施例と同様に設定すればよい。
なお、上記他の実施例１と同様に、図５の構成に対して、抵抗Ｒｓを省くこともできる。また、上記他の実施例２と同様に、抵抗Ｒｓに代えて他の受動素子を用いることもできる。

１ 電力線通信装置
１１ データ入力部
１２ 出力タイミング生成部
１３ 波形パターン生成部
１４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１５ スイッチング部
１６ 波形パターン保存部
１８ａ-１８ｄ 整流素子
１９ａ，１９ｂ 端子
２１ 信号数調整部
２２ ゲート電圧調整部
３１ オペアンプ
３２ｄ 抵抗
３３ ＭＯＳＦＥＴ
５１ 配電用変電所変圧器
５２ 変電所ブス
５３ フィーダー
５４ 柱上変圧器
５５ 電流検出用変流器
５６ 受信装置
７１ 分周回路
７２ パルス発生回路
７３ カウンタ
９０ 従来の電力線通信装置
９１ａ，９１ｂ サイリスタ
９２ インピーダンス
９４ 制御装置

Claims (5)

1. 配電系統の需要家側に設置され、変電所側受信装置に対してデータを送信する電力線通信装置であって、
   送信用のデータを入力するデータ入力部と、
   ＭＯＳＦＥＴのソース端子およびドレイン端子は、配電系統の電力線の線間に接続され、ＭＯＳＦＥＴにゲート信号を入力することにより、前記電力線の線間に流れる電流を制御するスイッチング部と、
   電力線の線間の電圧信号の零クロス点を検出し、前記スイッチング部へのゲート信号の出力タイミングを生成する出力タイミング生成部と、
   前記出力タイミング生成部で生成された出力タイミングに基づいて、所定の波形パターンのゲート信号を生成して前記スイッチング部へ出力する波形パターン生成部と、
   複数種類の波形パターンを保存する波形パターン保存部と、
   を備え、
   前記波形パターン生成部は、前記波形パターン保存部に保存されている複数種類の波形パターンのうち、選択された波形パターンで前記ゲート信号を生成することを特徴とする電力線通信装置。
2. 配電系統の需要家側に設置され、変電所側受信装置に対してデータを送信する電力線通信装置であって、
   送信用のデータを入力するデータ入力部と、
   ＭＯＳＦＥＴのソース端子およびドレイン端子は、受動素子を介して配電系統の電力線の線間に接続され、ＭＯＳＦＥＴにゲート信号を入力することにより、前記電力線の線間に流れる電流を制御するスイッチング部と、
   電力線の線間の電圧信号の零クロス点を検出し、前記スイッチング部へのゲート信号の出力タイミングを生成する出力タイミング生成部と、
   前記出力タイミング生成部で生成された出力タイミングに基づいて、所定の波形パターンのゲート信号を生成して前記スイッチング部へ出力する波形パターン生成部と、
   複数種類の波形パターンを保存する波形パターン保存部と、
   を備え、
   前記波形パターン生成部は、前記波形パターン保存部に保存されている複数種類の波形パターンのうち、選択された波形パターンで前記ゲート信号を生成することを特徴とする電力線通信装置。
3. 前記波形パターン生成部から出力されたゲート信号の電圧値を調整するゲート電圧調整部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力線通信装置。
4. 配電系統の電源周波数の半周期内に送信する信号数を調整する信号数調整部を備えた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装置。
5. 前記所定の波形パターンは二乗余弦波であ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装置。

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