TW201526565A

TW201526565A - 電力線通訊訊號中繼系統

Info

Publication number: TW201526565A
Application number: TW103124293A
Authority: TW
Inventors: Shinji Tsuzuki
Original assignee: Nat Univ Corp Ehime Univ
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-07-01
Also published as: WO2015012230A1; JP2015023505A

Abstract

本發明的問題是要提供一種電力線通訊(PLC)訊號中繼系統，其可盡量抑制PLC訊號的衰減，而進行穩定的電力線通訊。為了解決上述問題，本實施型態的PLC訊號中繼系統具備：旁路線40，其與大地靜電耦合；及，旁路裝置31，其具有支線耦合器34與旁路線耦合器32，並在支線16與旁路線40之間傳遞PLC訊號；該支線耦合器34藉由電容性耦合或電感性耦合而與支線16耦合，該旁路線耦合器32藉由電感性耦合而與旁路線40耦合；PLC訊號利用在由旁路線40與大地所形成的閉迴路電路42上流動，而繞過被設置於電力線網路10上的訊號衰減機器11、12來進行通訊。

Description

電力線通訊訊號中繼系統

本發明關於透過電力線來進行通訊的電力線通訊(PLC：Power-Line Communication)，特別是關於在電力線通訊中將訊號中繼的系統。

由於可使用既有的電力線網路來構築高速的網路，電力線通訊於近年受到注目，且已經廣泛地普及。例如，已知有下述專利文獻1~3所揭示的電力線通訊系統。

在電力線通訊中，於單相三線式等的電力線網路中，一般採用二線式的電容性耦合器(capacitive coupler)方式，其在L線(Live線，火線)與N線(Neutral線，中性線)之間施加PLC訊號的電壓，並在去程、回程均使用金屬線。

[先前技術文獻]

(專利文獻)

專利文獻1：日本特開2010-63077號公報。

專利文獻2：日本特開2010-62887號公報。

專利文獻3：日本特開2010-109780號公報。

然而，電容性耦合器方式的PLC，在每個樓層分別設置有分電盤的大型大樓中，當要在樓層間進行通訊時，PLC訊號會經由供給電力至分電盤之配電盤、或是進一步連接於配電盤前端之變壓器，因此傳送距離遠，且訊號會隨著傳送距離而衰減。

又，由於通過配電盤或分電盤時訊號也會大幅衰減，在先前的PLC系統中，需要在配電盤或分電盤中配置用來增幅訊號電壓之中繼裝置。關於中繼裝置的設置，需要用來從盤內供電的插座施工與用來設置中繼裝置本身的施工，不僅要花費成本，而且為了進行這些施工，還有可能要使大樓暫時停電。

本發明是有鑑於這樣的問題而完成，其目的在於提供一種PLC訊號中繼系統，其即使設置於大樓等之中而在樓層間進行電力線通訊的情況下，仍然可盡量抑制PLC訊號的衰減，而進行穩定的電力線通訊。

為了解決上述問題，本發明之PLC訊號中繼系統，其用來在電力線通訊系統中繞過電力線網路上的訊號衰減機器來進行通訊，該電力線通訊系統是利用前述電力線網路，在設置於前述電力線網路的支線上的PLC數據機間進行通訊；其中，該PLC訊號中繼系統的特徵在於具備：旁路線，其與大地靜電耦合；及，旁路裝置，其具有支線耦合器與旁路線耦合器，並在前述支線與前述旁路線之間傳遞PLC訊號，該支線耦合器藉由電容性耦合或電感性耦合而與前述支線耦合，該旁路線耦合器藉由電感性耦合而與前述旁路線耦合；前述PLC訊號，在由前述旁路線與大地所形成的閉迴路電路上流動。

根據本發明之PLC訊號中繼系統，即使在大型大樓的樓層間進行電力線通訊的情況下，仍然可藉由使用與大地的閉迴路電路，而比先前技術更能抑制PLC訊號的衰減，因此可實現穩定的電力通訊。

3‧‧‧大樓

5‧‧‧電力線通訊(PLC)系統

10‧‧‧電力線網路

11‧‧‧配電盤

12‧‧‧分電盤

14‧‧‧幹線

15‧‧‧縱線

16‧‧‧支線

18‧‧‧電源插座

20、20A、20B‧‧‧電力線通訊(PLC)數據機

30‧‧‧電力線通訊(PLC)訊號中繼系統

31、31A、31B‧‧‧旁路裝置

32、32A、32B‧‧‧電感性耦合器

33、33A、33B‧‧‧中繼器

34、34A、34B‧‧‧電容性耦合器

35、35A、35B‧‧‧插頭

36、36A、36B‧‧‧電容器

38、38A、38B‧‧‧變壓器

40‧‧‧旁路線

42‧‧‧閉迴路電路

43‧‧‧回程線

50‧‧‧低輸入阻抗機器

第1圖是示意性表示本發明的實施型態的PLC系統的構成之圖。

第2圖是本發明的實施型態的電感性耦合器的等效電路。

第3圖是示意性表示本發明的實施型態的電感性耦合器的設置狀態之圖。

第4圖是示意性表示使用電容性耦合器之PLC系統的電路之圖。

第5圖是示意性表示使用電感性耦合器之PLC系統的電路之圖。

第6圖是表示使用本實施型態的PLC訊號中繼系統之電力線通訊的實驗結果之圖。

第7圖是表示使用本實施型態的PLC訊號中繼系統之電力線通訊的實驗結果之圖。

第8圖是表示使用本實施型態的PLC訊號中繼系統之電力線通訊的實驗結果之圖。

以下，一邊參照圖式，一邊說明本發明的實施型態的電力線通訊系統(以下稱為「PLC系統」)。第1圖是示意性表示本實施型態的PLC系統的構成之圖。在本實施型態中，如第1圖所示，說明要在各樓層分別設置有分電盤12之大型大樓3的樓層間(1樓與3樓)進行電力線通訊時，應用本發明的事例。

PLC系統5，具備：電力線網路10，其用來將電力供給至大樓3的各樓層；PLC數據機20，其為用來在電力線網路10中進行電力線通訊之電力線通訊機器；及，PLC訊號中繼系統30。

電力線網路10，具備：配電盤11，其設置在別的大樓；分電盤12，其設置在大樓3的各樓層；幹線14，其為連繫配電盤11與分電盤12之電纜；支線16，其為設置於各樓層的電纜；及，電源插座18，其設置在支線16的前端。幹線14，具有縱線15，其為用來在縱方向連繫大樓3內的樓層間之樓層間配線。

PLC數據機20，被連接到電源插座18來使用，其可利用電力線網路10而在複數個PLC數據機20之間進行通訊。第1圖中，在3樓設置PLC數據機20A，並在1樓設置PLC數據機20B。PLC數據機20，是一般所使用的電容性耦合器方式的PLC數據機。

第1圖中，設置於3樓的PLC數據機20A是發訊機，設置於1樓的PLC數據機20B是收訊器，但兩個PLC數據機 20的構成皆相同，故1樓的PLC數據機20B亦可作為發訊機，而3樓的PLC數據機20A亦可作為收訊器而發揮功能。

PLC訊號中繼系統30，是繞過會使PLC訊號衰減的訊號衰減機器也就是分電盤12或配電盤11，而在PLC數據機20間進行電力線通訊的中繼系統。

如第1圖所示，PLC訊號中繼系統30，具備：第一旁路裝置31A，其設置於3樓；第二旁路裝置31B，其設置於1樓；及，旁路線40，其連接第一旁路裝置31A與第二旁路裝置31B之間。如之後所述，本實施型態中，將電力線網路10的縱線15的L1線和L2線兼用為旁路線40。

旁路裝置31，具備：電感性耦合器32，其為在分電盤12的一次側中與旁路線40耦合之旁路線耦合器，其中該分電盤12作為訊號衰減機器而產生作用；及，中繼器33，其具有在分電盤12的二次側中作為與支線16耦合之支線耦合器之功能；前述旁路裝置31繞過(by-pass)分電盤12，直接連接樓層的支線16與縱線15來進行PLC訊號的傳送。

電感性耦合器32，為非接觸式的鐵氧體鉗(ferrite clamp)，其藉由電感性耦合而與旁路線40耦合。第2圖是表示電感性耦合器32的等效電路的圖。

第2圖中，L1是激磁電感，Cs=Cs1+Cs2是總雜散電容量，Ll是漏洩電感，r1是1次繞線電阻，r2是2次繞線電阻，Ri是鐵損電阻。又，圖中右側為一次側(縱線15側)，圖中左側為二次側(支線16側)。

電感性耦合器32，具有變壓器的功能，藉由改變二次側的繞線數，能夠改變繞線比來進行阻抗匹配。

第3圖是表示電感性耦合器的設置狀態的圖。此處，本實施型態的電力線網路10是單相三線式，構成幹線14的電纜，是由N線(Neutral線，中性線)、L1線(Live線，火線)、L2線的3條線所構成，在本實施型態中，使用L1線和L2線來作為旁路線40。

如第3圖所示，電感性耦合器32，夾住L1線和L2線雙方，其中第3圖(a)表示以單一鐵氧體鉗來一起夾住L1線與L2線雙方的狀態，第3圖(b)表示以串接的兩個鐵氧體鉗來分別夾住L1線與L2線的狀態。由於採用第3圖(a)的構成或第3圖(b)的構成中任一者均可得到同等的作用功效，只要對應鐵氧體鉗的尺寸和縱線15的尺寸等，採用適當需求的構成即可。

如此，若藉由電感性耦合器32來夾住L1線與L2線雙方，可使PLC訊號在旁路線40上以共同模式(common mode)來傳送，而壓低與商用電源重疊的差動模式(differential mode)噪訊，且防止因磁性飽和所導致的電感值降低。

中繼器33，具備：電容性耦合器34，其為支線耦合器，並藉由電容性耦合而與支線16耦合；及，變壓器38，其為用來對PLC訊號進行阻抗匹配的變壓器。

電容性耦合器34，具備：連接至支線16的電源插座18之插頭35、及兩個電容器36；利用將插頭35插入電源插座18，電容性耦合器34與支線16形成電容性耦合。變壓器38，為可調整一次側與二次側的繞線比的構成，利用調整繞線比，可進行阻抗匹配。

此外，電容性耦合器34的構成，為與PLC數據機20的電容性耦合部相同的構成，可將市售的PLC數據機直接使用來作為中繼器33、或是施加若干改變後再使用。

以上已說明PLC系統5的構成，繼而說明在PLC系統中的作用。首先，一邊參照第4圖和第5圖，一邊說明電力線通訊的態樣。第4圖是示意性表示使用電容性耦合器之PLC系統(電容性耦合器方式)的電路之圖。第5圖是示意性表示使用電感性耦合器之PLC系統(電感性耦合器方式)的電路之圖。

如第4圖所示，在藉由電容性耦合器使PLC數據機與電纜形成電容性耦合的情況下，各PLC數據機，在L線與N線兩處與電纜連接，於是藉由L線、N線及一對PLC數據機，形成了有PLC訊號的電流流通的閉迴路電路。在這樣的電容性耦合器方式中，當閉迴路電路上設置有家電製品等的低輸入阻抗機器50時，PLC訊號會被低輸入阻抗機器50所吸收，而使PLC訊號衰減(參照第4圖)。

另一方面，如第5圖所示，在藉由電感性耦合器使PLC數據機與電纜形成電感性耦合的情況下，各PLC數據機，分別與去程線之L線在一處耦合，於是藉由L線(去程線)、N線(回程線)及位於各PLC數據機的外側之兩側的兩個低輸入阻抗機器50，形成了有PLC訊號的電流流通的閉迴路電路。

根據如此，在藉由低輸入阻抗機器50形成閉迴路電路的情況下，電感性耦合方式較為有用，但這種閉迴路電路存在的情況是受到限定的。因此，於電感性耦合器方式中，在使用N線作為閉迴路電路的回程線的情況下，必需另外進行插入電容器以替代低阻抗機器50等的施工，而耗費工夫與成本，其中該電容器是用來降低L1線和L2線與N線間的阻抗。因此，電感性耦合器方式一般而言並未普及。

不過，在本實施型態中，如第1圖所示，使第一旁路裝置31A和第二旁路裝置31B分別與作為去程線之旁路線40(縱線15的L1線和L2線)形成電感性耦合，並使用大地作為回程線43來形成迴路電路。在第1圖中，以點線(dotted line)來表示閉迴路電路42，並以一點鏈線來表示利用縱線15與大地靜電耦合而形成的回程線43。

能夠如此地使用大地作為回程線，是因為作為旁路線40之縱線15的L1線和L2線與大地具有良好的靜電耦合。已知設置於通常的大樓等的建築物中並且具有一定程度長度的電線，與大地會具有良好的靜電耦合，因此只要是通常的大樓等的建築物，便可使用縱線15作為旁路線40來應用本發明。

在PLC系統5中，從PLC數據機20A將訊號向PLC數據機20B傳送時，首先，從PLC數據機20A透過電源插座18而被注入至3樓的支線16中之PLC訊號，由支線耦合器也就是電容性耦合器34A，藉由電容性耦合而抽出至第一旁路裝置31A。被抽出的PLC訊號，在藉由變壓器38A進行過阻抗匹配後，由旁路線耦合器也就是電感性耦合器32A，藉由電感性耦合而注入至旁路線40。

被注入至作為去程線的旁路線40中之PLC訊號的電流，以經由與旁路線40具有良好靜電耦合之大地而回歸的方式流過閉迴路電路42，並由旁路線耦合器也就是電感性耦合器32B，藉由電感性耦合而抽出至第二旁路裝置31B。被抽出的PLC訊號，在藉由變壓器38B進行過阻抗匹配後，由支線耦合器也就是電容性耦合器34B，藉由電容性耦合而注入至1樓的支線16，而由PLC數據機20B所接收。

此外，在本實施型態中，雖然是使用縱線15的L1線和L2線來作為旁路線40，但只要是與大地具有良好的靜電耦合，且可作為去程線(1線)發揮功能，並與作為回程線的大地一起形成閉迴路電路的電線，則可適當地使用其他的電線來作為旁路線40；例如，亦可使用縱線15的N線。又，雖然無法得到壓低差動模式噪訊等的功效，但亦可僅使用L1單線或L2單線來作為旁路線40。

進而，本發明是對於在各樓層中設置有分電盤12之大樓中的電力線通訊很有用，而在這樣的大樓中，亦會設置有地線或LAN(區域網路)纜線等，來作為以縱斷各樓層的方式設置於縱方向上的縱線，本發明亦可使用這些縱線來作為旁路線40。

繼而，一邊參照第6~8圖一邊說明本實施型態的PLC訊號中繼系統的功效。第6圖是表示使用本實施型態的PLC訊號中繼系統之電力線通訊的實驗結果之圖。在本實驗中，將收訊側PLC數據機固定在1樓，然後一邊使發訊側PLC 數據機在1樓、4樓、5樓、7樓移動，一邊量測各自的傳遞函數。又，電力線通訊中所使用的頻率，設定為kHz頻帶(100~450kHz)。

在同圖中，橫軸表示通訊的頻率帶域，縱軸表示傳遞函數，以實線來表示將發訊側PLC數機據設置於7樓時的傳遞函數，以虛線(dashed line)來表示將相同裝置設置於5樓時的傳遞函數，以一點鏈線(one-dat chain line)來表示將相同裝置設置於4樓時的傳遞函數，以二點鏈線(two-dat chain line)來表示將相同裝置設置於1樓時的傳遞函數。

根據本實驗，儘管有些許誤差，但即使發訊側PLC數據機被設置在與收訊側PLC數據機不同的樓層(4、5、7樓)，並經由PLC訊號中繼系統來進行通訊，仍然和發訊側PLC數據機被設置在與收訊側PLC數據機相同的樓層(1樓)，並僅透過支線來進行直接通訊的情況表示出幾乎相同的衰減特性，其衰減量為-30~-35dB程度。

根據本發明人的其他實驗，對於不使用本實施型態的PLC訊號中繼系統而經由配電盤或分電盤的情況下的PLC，在相同條件下的衰減量為-60~-80dB程度，因此認為藉由採用本實施型態的PLC訊號中繼系統，可將衰減量改善30~50Db程度。

第7圖和第8圖是表示使用本實施型態的PLC訊號中繼系統之電力線通訊的實驗結果之圖，其表示在與第6圖之實驗不同構造的6層樓大樓中的結果。第7圖表示使用電力線網路的幹線(CVT纜線)作為旁路線的情況，第8圖表示使用地線(14sq(平方公厘)的IV線)作為旁路線的情況

又，在這些實驗中，對以下的4種事例進行實驗：事例1，發訊側PLC數據機設置於5樓，收訊側PLC數據機設置於2樓；事例2，發訊側PLC數據機設置於6樓，收訊側PLC數據機設置於3樓；事例3，發訊側PLC數據機設置於6樓，收訊側PLC數據機設置於2樓；事例4，發訊側PLC數據機和收訊側PLC數據機雙方均設置於5樓。又，電力線通訊中所使用的頻率，設定為kHz頻帶(100~450kHz)。

在第7圖和第8圖中，橫軸表示通訊的頻率帶域，縱軸表示傳遞函數，以實線來表示事例1的傳遞函數，以虛線表示事例2的傳遞函數，以一點鏈線來表示事例3的傳遞函數，以二點鏈線來表示事例4的傳遞函數。

第7圖和第8圖中，同樣地，儘管有些許誤差，但即使是經由PLC訊號中繼系統來進行通訊的事例1~3，仍然和將發訊側PLC數據機與收訊側PLC數據機設置在相同的樓層中，並僅經由支線來進行直接通訊的事例4表示出幾乎相同的衰減特性，其衰減量為-20~-35dB程度。這些結果，表示藉由採用PLC訊號中繼系統，可在樓層間的通訊中大幅抑制PLC訊號的衰減。

以上，詳細說明過了本發明的實施型態，根據本實施型態，即使是在通常情況下，要經由訊號衰減量大的分電盤或配電盤來形成長距離通訊的情況(例如在大型大樓中的樓層間之電力線通訊等)下，仍然能夠繞過分電盤等而進行短距離的電力線通訊，而大幅抑制PLC訊號的衰減，實現良好的電力線通訊。又，構成PLC訊號中繼系統的構件均為被動元件，可於省電條件下運用。

又，根據本實施型態，採用夾式的耦合器來作為旁路線耦合器也就是電感性耦合器32，並只要夾住現有的旁路線40(縱線15等)便可進行設置，因此不需要有會伴隨停電之中繼器之設置等作業，對於現有的電力線網路10，能夠藉由簡單的作業而以低成本來設置PLC訊號中繼系統。

以上，詳細說明過了本實施型態，但本發明的實施型態並不限定於上述實施型態，在不逸脫本發明的主旨的範圍內，可進行各種變形。例如，在上述實施型態中，說明過對kHz頻帶的PLC應用本發明的情況，但即使是MHz頻帶的PLC，當然亦可應用本發明。

又，在上述實施型態中，於樓層間通訊中，是在雙方的樓層中分別設置旁路裝置，但亦可僅在其中一方的樓層中設置旁路裝置。即使在此情況下，藉由繞過設置有旁路裝置的樓層的分電盤，仍然可抑制住該樓層所造成的PLC訊號的衰減。

又，在上述實施型態中，是使用與支線形成電容性耦合之電容性耦合器來作為支線耦合器，但亦可與旁路線耦合器同樣採用電感性耦合器來作為支線耦合器。