JPH10510115A - 電力線信号伝送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ３相架空配電ネットワークが、高電圧給電ネットワーク（例えば、１１０ｋＶ又は２７５ｋＶでの）と、消費者本線系統（例えば、１１０Ｖ又は２３０Ｖでの）との間の中間電圧（例えば、１１ｋＶから３３ｋＶまでの）で稼働する。信号伝送システムが、ネットワークにわたって信号を伝送するために、好適には１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数の幾つかの信号を用い、これらの信号は、ネットワークへと、及びネットワークから誘導的に結合される。それらの信号は、ネットワーク内の異なる箇所で、異なる相に結合される。相間の交差結合によって、１つの相上でシステム上に結合された信号が、どの相に検出器が結合されるかに関係なく、システム内の他の箇所で検出するために適切な信号強度を与えることが保証される。

Description

【発明の詳細な説明】 電力線信号伝送システム 本発明は、電力線にわたった信号伝送に関し、低電圧又は中間電圧の電力線に わたった信号伝送を主に問題とする。 本線配電−概論 大部分の主要地域において、電気は、発電及び配電会社（電力会社）により、 広範な規模で供給される。配電ネットワークは通常、多数の低電圧ネットワーク （時折、本線と呼ばれる）から構成され、これらに、家庭、及び小口企業の消費 者が接続され、低電圧ネットワークは、より高電圧の配電ネットワーク、又は系 統（時折、グリッドと呼ばれる）を介して供給される。低電圧（消費者）ネット ワークは、例えば、１１０Ｖ又は２３０Ｖ（或いは４４０Ｖ ３相）で稼働し得 る。 配電ネットワークは通常、１つより多くの電圧で稼働し、例えば１３２ｋＶ又 は２７５ｋＶの電圧での長距離配電が伴い、これらの電圧は、例えば１１ｋＶ又 は３３ｋＶの電圧に逓降される（おそらくは、２段以上により）。前者の電圧（ すなわち、長距離配電に用いられる電圧）を高電圧と呼び、後者の電圧（すなわ ち、最終の本線電圧に比較的近い電圧）を中間電圧と呼ぶことにする。 本線信号伝送−概論 信号を伝送するために本線を利用することが、しばしば提案されてきた。系統 は、家庭用の家屋内の部屋間での相互通信（典型的には、「小型警報機」用）、 電話系統との結合、及びコンピュータ装 置間でのデータ伝送に利用可能である。多数の提案が又、遠隔メータ読取り（主 として、電気メータ用であり、ガス及び他のメータは、この目的のために本線に 結合可能であるが、好適には電気メータを介した）のために、本線信号伝送の利 用に対してなされてきた。 実際に、今日では、３から１５０ｋＨｚの汎用領域における周波数を用いる、 かかる信号伝送用に国際規格が存在する。この規格は、ＣＥＮＥＬＥＣ ＥＮ５ ００６５．１であり、それは、帯域３ｋＨｚ−１４８．５ｋＨｚの周波数が、低 電圧施設での信号伝送に利用可能であることを規定している。この帯域幅は、様 々な用途、及びそれらに関連した認可により、幾つかのより小さな帯域に分割さ れ、例えば、９ｋＨｚ−９５ｋＨｚは、電力供給業者、及びその実施権者に対し て保留される。 電力供給業者により実施される信号伝送はおそらく、計測、更に一般的には負 荷及びシステム制御を大いに問題とする。従ってこれは、本線の低電圧部にわた って広く稼働することになる。しかし、上記のように、配電ネットワークには通 常、中間及び高電圧レベルが含まれ、それらが全て電力変圧器を介して結合され る。しばしば望まれるのは、ネットワークの低電圧部にわたって収集した計測情 報を、中間、及び／又は高電圧部にわたって中継することと、制御情報を反対方 向に同様に通すことであろう。この制御情報には、低電圧レベルに接続される消 費者に渡される情報と、電力配電系統自体を制御するための信号も含めることが できる。 中間電圧ネットワークへの結合 従って必要とされる技法は、中間電圧ネットワークに幾つかの信号を結合する ことである。これらの信号は、結合点、すなわち変電所において発生又は使用さ れ、そこで、中間電圧ネットワークが、高電圧か、又は低電圧ネットワークのい ずれかと結合されるか、或いはこれらの信号は、中間電圧ネットワークと、それ に結合される低電圧ネットワークとの間に渡される。 留意されたいのは、信号周波数信号は一般に、電力（配電）変圧器を効率的に は通過しない、ということである。従って、１つのネットワークの低電圧部と中 間電圧部間の信号伝送を達成すべき場合、かかる変圧器の回りに、ＰＬＣ信号を 結合する何らかの手段が必要である。これには通常、信号の受信、及び再送信が 伴う。従って、信号は、変圧器の２つの側と分離して結合され、その２つの側間 で変圧器の周りを通過し、信号は処理されて雑音が除去される。また望ましくは 、変圧器の２つの側で、異なる周波数帯域を用いることである。（これには、電 力変圧器で実際生じる何の信号フィードスルーも関連性がない、という利点があ る。） 本線信号伝送−本線電圧レベルの関連性 信号送信、及び受信技術は、低電圧本線に対して比較的簡単明瞭である。信号 送信、及び受信機器は、ネットワーク配線に直接接続することができる。 しかし、中間電圧ネットワークは、電気的、及び機械的理由の両方で更なる困 難性を呈示する。中間電圧ネットワークは、中間電圧への直接接続とほとんど互 換性のない、物理的な粗絶縁を必要とす る。また、かなり繊細で影響を受けやすい電子機器は、中間電圧への直接接続と ほとんど互換性がない（本発明者は、もちろん、配電ネットワークとの関連で、 「中間」電圧という用語を用いており、例えば、１１ｋＨｚというのは、大部分 の電子機器に対して極端に高いものである）。 架空、及び地中ネットワーク 配電ネットワークは、架空、地中、又はその両方をとることができる。高電圧 部は通常、架空にある。というのは、それらは一般に、かなり広い地域の長距離 を横断し、それらを地中に埋設する費用は、法外なものとなるためである。多数 の地域において、低電圧部は通常、地中にある。というのは、それらは、人口密 度の高い区域にあり、そこでは、架空ワイヤが、過度に割り込んで、危険となる 可能性があるためである。中間電圧部は、架空、又は地中とすることができ、低 電圧部に関しては、それらは、都市、及び副都市部において一般に地中にある。 本明細書では、主として、架空の中間電圧ネットワークを問題とする。 中間電圧の架空ネットワークにわたった本線信号伝送の場合、明らかに必要な のは、１つの信号をある箇所でネットワークに結合することと、その信号を別の 箇所でネットワークから拾い上げることができることである。架空ネットワーク 上へと信号を結合する各種の方法が提案されており、それらには、誘導性結合が 含まれる。この場合、磁気コアを備える変換器が、導体の１つの周りに配置され て、変圧器が形成される。このコアは、その周りに１次巻線として 巻かれた信号巻線を有し、導体自体が、１ターンの２次巻線を実効的に形成する （これは送信用であって、受信用では、導体は、１ターンの１次巻線を形成し、 信号巻線は、多数ターンの２次巻線を形成する）。本明細書では、かかる誘導性 結合を問題とする。 ３相系統 配電系統は一般に、中間電圧（及び、高電圧）において、また時折低電圧にお いても３相である。従って、配電系統は、一般に、３つの導電供給線から構成さ れ、また通常は、１つの中性（アース）線からも構成される。供給線は、慣用的 にＲ、Ｙ、及びＢ（赤、黄、及び青）と呼ばれ、中性線と共にスター接続を形成 する。 大口消費者には、３相電源が供給される場合が多い。しかし、小口消費者（家 庭消費者等の）には通常、単相電源しか供給されれない。電力供給会社は、３相 上の負荷が広範に整合、又は平衡するように、（単相の）消費者の接続を編成す る努力を行っている。特に、架空の中間電圧３層ネットワークは、各種の単相分 岐、すなわち支線を備え得る。というのは、かかる支線を架設する費用の方が、 ３相支線を架設する費用よりも少ないためである。（単相支線も、地中ネットワ ークでは原則的に可能であるが、様々な理由で実際にはほとんどない。） 適正な単相支線は、アース又は中性点と共に、３相（Ｒ、Ｙ、及びＢ）のうち の単相を用いることになろうが、これは、様々な理由で一般には望ましくない。 従って、いわゆる単相支線は通常、中間電圧で３相のうちの２相を用い、低電圧 端での変圧器が、それら２ 相間の電圧を正常な本線電圧（例えば、１１０Ｖ又は２３０Ｖ）へと低減する。 ３相及び誘導性結合により、信号は、投入変換器が結合されるどんな相上にも 搬送され、検出変換器は、それが結合されるどんな相上の信号も検出する。これ は、単相が信号伝送に用いられ、全ての変換器がその相に結合されることを言っ ている。（変換器が結合される相を１次相と言い、他の２つの相を２次相と言う のが都合がよい。）これには、変換器が取り付けられる系統中の全ての箇所で、 １次相を識別する必要があった。また、単相支線に１次相が含まれる場合、信号 伝送が、単相支線にわたってしか実行できない、ということも意味した。 本発明 本発明によれば、３相配電ネットワークにわたって信号伝送するための信号伝 送システムであって、信号が、ネットワークに渡り誘導的に結合され、またネッ トワーク内の異なる箇所では、異なる相に結合されることを特徴とする、信号伝 送システムが提供される。信号周波数は、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲と するのが好適である。 本発明が基づくのは、１次相上に投入された信号が、１次相だけでなく２次相 上でも満足に検出可能であるのに十分適切に、１次相が２次相に結合されるとい う発見、又はその実現である。もちろん、「１次相」とは、ここで、特定の信号 投入変換器を基準にして定義しているが、他の投入変換器を考えた場合には、そ の１次相が異な ってもよい。 幾つかの信号は通常、１つの変圧器の近くでシステムに結合されることになり 、この２次相への結合により、その変圧器において大きな容量性が生じる。変圧 器が、３相デルタ変圧器であると仮定する（それが現実には、スター変圧器であ る場合、そのデルタ等価回路を考えることが可能である）。変圧器の巻線は、信 号周波数において高インピーダンスを示すが、実効的には、１次相から２つの２ 次相の各々へと巻線を横切って、分路容量が存在する。（現実の構成がデルタで ある場合、実際の中性点は存在しない。現実の構成がスターである場合、実際の 中性点が存在し、これには、そこに接続される中性線があってもなくてもよく、 いずれの場合でも、中性点は、理想的には、アースと同じ電圧であるが、通常は 、アース（接地）に接続されない。） また、巻線とアースの３つのデルタ点の各々の間に、実効的に容量が存在する 。２つのアース対２次容量が、２つの２次対１次巻線を横切る容量と関連して、 信号降圧器として作用することになり、またアース対１次容量が、１次相上の信 号をアースへと分流する傾向となる。しかし、これらの影響により、２次信号の 強度が低減されるが、それらにより、許容できない程度にまで強度が低減される ことはない。 また、２つの２次相間の巻線を横切る容量も存在する。平衡負荷条件の下では 、２つの２次相が等しい信号を受信するので、この容量は関連しない。条件の平 衡がとれていない場合、この容量は、２ つの２次相上の信号を等しくするのに役立つことになる。 ３相終端、及び受信箇所において、信号結合は、３つの相のどの相にも結合す ることができる。それが１次相に結合される場合、それはもちろん、１次相信号 を拾い上げることになる。それが２つの２次相のいずれかに結合される場合、そ れは、２次相信号を拾い上げることになり、この信号は、１次相信号よりも小さ くなるが、依然として許容できる強度である。同様に、単相支線、及び受信箇所 （すなわち、中間電圧相のうちの２つが給電される箇所）において、信号結合は 、１次相信号か、２次相信号のいずれかを拾い上げることになり、これは、どの ２つの相が支線に用いられるか、及び信号結合が、それら２つの相のうちのどれ に結合されるかに依存する。３相終端に関して、終端への正味の信号電流はゼロ であるので、アース電流も存在する。 ある単相支線で投入された信号に関して、２つの中間電圧相のうちの１つは、 そこで変換器により投入された信号に対して、１次相である必要があることにな る。おそらく、支線用の２次相と残りの２次相との間に不平衡が存在するが、３ 相終端において、１次相上の信号は、２つの２次相間を分割するため、それらは 、いずれかの２次相上で（もちろん、１次相上でも）受信することができ、２つ の２次相信号が、異なる強度であったとしても受信することができる。また通常 、同様の機構により、１つの単相支線上で投入された信号を、他の単相支線にお いて受信することが保証されることになる。 本発明の特定の実施例 信号伝送システムを含み、本発明を実施する３相中間電圧配電ネットワークを 次に、例として、図面を参照して説明する。図面において、 図１は、本システムの概略回路図である。 図２は、給電発変電所の更に詳細な回路図である。 図１を参照すると、本システムは、発変電所１０から給電され、これには、３ 相Ｒ、Ｙ、及びＢを有する３相中間電圧の電力配電系統を駆動する３相変圧器の 手段によって、高電圧グリッドから給電される。３相は、３相副変電所１１に給 電され、そこにおいて、電力が、３相変圧器により低電圧へと低圧変換される。 また、本システムからの２つの単相支線も存在し、Ｒ相とＹ相から構成される１ つの支線が、副変電所１２に給電を行い、Ｙ相とＢ相から構成される１つの支線 が、副変電所１３に給電を行う。明らかなことであるが、本システムは、更なる ３相の拡張、及び単相支線を備えることもできる。 簡略化のために、変圧器の中間電圧巻線しか示しておらず、高電圧巻線（変圧 器１０用）と低電圧巻線（変圧器１１から１３用）は省略している。高電圧変圧 器１０の１次側は通常、デルタ結線となり、低電圧変圧器１１のの２次側は通常 、別個の低電圧相を与えるスター結線となり、また低電圧変圧器１２と１３の２ 次側は通常、各々、単一の低電圧相を与える単一巻線となる。 変電所１０は、Ｒ相に結合された変換器１０Ｔを備え、この変換 器は磁気コアからなり、これは、それを通過するＲ相電力線を有し（それにより 単一ターン巻線を形成する）、またそれに結合された（多数ターンの）駆動及び 検知巻線（「Ｕ」で記号的に示される）を有する。３相変電所１１は、そのＢ相 電力線に結合された変換器１２Ｔを有し、単相副変電所１２は、そのＹ相電力線 に結合された変換器１２Ｔを有し、また単相副変電所１３は、そのＹ相電力線に 結合された変換器１３Ｔを有する。 駆動変換器１０Ｔは、Ｒ相に結合されるので、その相は１次相であり、Ｙ相と Ｂ相は２次相である。本システムの場合、受信変換器１１Ｔから１３Ｔは、各々 どの相にも結合することができ、特に、図示のように２次相に結合される。これ まで、受信変換器が１次相に結合されるのが必須であると見なしてきたので、副 変電所１１及び１２での変換器は、１１Ｔ’及び１２Ｔ’で示されるように配置 される必要があり、変換器を副変電所１３に結合することが可能であるとは考え なかった。というのは、その副変電所は、１次相により給電されないためである 。 もちろん理解されることであろうが、変換器１０Ｔは駆動変換器として機能し 、また変換器１１Ｔから１３Ｔは、変電所１０から供給されることになる信号用 の受信変換器として機能するが、変換器のいずれもが、それ自体の副変電所から の信号用の駆動変換器として機能可能であり、それ以外の変換器は、受信変換器 として機能する。Ｒ相は、定義上、変換器１０Ｔからの信号用の１次相であるが 、他の相も、他の変換器により投入された信号用の１次相とすること ができる。 図２は、変圧器１０での本システムの実効回路を更に詳細に示している。この 変圧器は、デルタ構成で３つの中間電圧巻線Ｗ１からＷ３を有する。（変圧器が 実際にはスター構成である場合、標準的な変換が示す等価構成に変換することが 可能である。）各巻線は、信号周波数において、Ｃ１からＣ２として示す分路容 量によって短絡される。また、各デルタ点は、Ｃ４からＣ６として示すアース容 量によってアースに結合される。 電圧に関連して本システムを考えると、変換器１０Ｔは、Ｒ電力線上にある電 圧を誘起する。この電圧は、３つの並列経路、すなわち直列の容量Ｃ１とＣ６、 直列の容量Ｃ３とＣ４、及び容量５を介して、アースに結合される。２つの直列 経路Ｃ１−Ｃ６、及びＣ３−Ｃ４の結果として、電圧が、Ｙ及びＢ相電力線上に 誘起されることになる。従って、３つの全ての電力線は、それら上に誘起される 電圧、すなわち１次（Ｒ）相上の１次電圧、及び位相が反対で、Ｙ及びＢ電力線 上の等しい、及び幾分小さな２つの電圧を有する。 電流に関しては、１次電流Ｉ_Rが、Ｒ相電力線に誘起され、位相が反対で、等 しい、及び幾分小さな２つの２次帰還電流Ｉ_Y、及びＩ_Bが、Ｙ及びＢ電力線に誘 起され、また１次電流とはやはり位相が反対のアース又は接地帰還電流Ｉ_Gが、 変圧器１０におけるアースに誘起される。明らかに、Ｉ_R＝Ｉ_Y＋Ｉ_B＋Ｉ_Gである 。１次電流は、１次相電力線に沿って出て様々な変電所へと進み、それらの変電 所における２次相、及びアースへと伝わる。信号周波数において、 電力線は、副変電所と、電力配電系統が分岐する（２相、又は３相分岐へと）切 換箇所との間の送信線として機能する。 ２つの２次相帰還電流の各々が、様々な副変電所間で実効的に分割されること 、しかし副変電所の各々は一般に、２つの全２次相帰還電流の相当の部分を受信 するであろうことは明らかである。特に、副変電所１１は、Ｂ相帰還電流の相当 の部分を受信することになり、また副変電所１２及び１３は各々、Ｙ相帰還電流 の相当の部分を受信することになる。従って、受信変換器１１Ｔ、１２Ｔ、及び １３Ｔは全て、変換器１０Ｔから相当の信号を受信することになる。 信号周波数において、副変電所での変圧器の巻線は各々、容量によって実効的 に短絡され、またアース容量によって、アースにも実効的に結合される。変換器 が結合される電力線の電流は、これらの容量を介して自身の帰還ルートを見出す 。（無論のことであるが、電圧に関しても動作を説明することが可能である。） 本発明は、本願と同時に出願され、「電力線信号伝送装置」と称する、本出願 人による同時係属出願に記載される電力線信号伝送装置を有利に使用することが 可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クレイグ，アラン，デニソン イギリス国テイサイド・ピーエイチ７・３ エスティー，クリーフ，インチブレーキ ー・ガーデンズ・１ (72)発明者 ムーア，ポール，マーティン イギリス国ダービィ・ディーイー３・５ア ールジェイ，ミックルオーバー，パークス トーン・コート・39 (72)発明者 ウェルズ，ジョセフ，アンソニー イギリス国ミドルセックス・ティーダブリ ュー１・２エルエヌ，トゥウィッケンハ ム，セント・マーガレッツ・ロード・15, フラット・ビー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．３相配電ネットワーク（１０−１３）にわたって信号を伝送するための信号 伝送システムにおいて、 幾つかの信号が、上記ネットワークへと、及び上記ネットワークから誘導的 に結合され、また上記ネットワーク内の異なる箇所で、異なる相（Ｒ、Ｙ、Ｂ） に（１０ＴからＲへと、１１ＴからＢへと、１２ＴからＲへと、１３ＴからＹへ と）結合されることを特徴とする、信号伝送システム。 ２．信号周波数が、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする 、請求項１に記載の信号伝送システム。 ３．前記システムは、１１ｋＶと３３ｋＶの間の電圧で動作することを特徴とす る、請求項１または２に記載の信号伝送システム。 ４．前記システムは、単相のみを有する少なくとも１つの分岐を含むことを特徴 とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の信号伝送システム。 ５．前記システムは、２つの相のみを有する少なくとも１つの分岐（１２、１３ ）を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の信号伝送シ ステム。 ６．国際条約（パリ条約）の４Ｈ条の意義内で本明細書に特定的に開示される、 任意の斬新且つ発明性のある特徴、又はそれら特徴の組合せ。