1線式PLCによる信号中継システムの提案
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カテゴリ: 第10回
１．はじめに
電力線通信(Power-Line Communication; PLC)システムは、既存の電力線を通信線としても使う合理的な方式である。日本で許可されている周波数は、10k～450kHz (kHz帯と呼ぶ）および2M～30MHz (MHz帯)である。前者は低速であるが屋外でも利用できるためスマートグリッドへの応用が期待されている[1]。一方、後者のMHz帯PLCは最大500Mbps (physical data rate. 日本の電波法の制約下では200Mbps程度）の通信が可能であり、ホームネットワーク用として実用化されている[2]。 いずれの周波数帯でも、Live (L) 線とNeutral (N) 線との間にPLC信号を電圧印加する2線式が一般的に使われている。そのため、フロア毎に分電盤があるような大型ビルにおいてフロア間通信を行う場合、分電盤に電気を供給している配電盤、あるいはその先に接続されているトランスを経由するため長距離経路となる。また、配電盤および分電盤内でも信号が減衰するため、信号電圧を増幅するための中継装置を、分電盤や配電盤に設置する必要がある。中継装置の設置に当たっては盤内から給電用のコンセント工事、中継器自身を設置するための工事、あるいは場合によっては一時的にビルの停電を伴うこともあり、これらのコストが課題となっている。 本稿では、このフロア間通信時の信号減衰を軽減する方策として、EPS（Electric Pipe Space)内で、フロア間を貫いて配線されている電力ケーブルを利用する方法を提案する。提案法が適用できるのは、電力ケーブルに限らず、縦方向に配線されているのであればグランド線などでもよい。なお、従来のPLCでは電線を2本必要としていたが、提案法では1本でよい（1線式PLC方式と呼ぶ）ことから工事が容易であり、また受動素子のみで構成できるので無給電の中継器が、低コストで実現できる。
本稿の対象周波数はkHz帯、対象電力線は単相三線式の低圧電灯配電線である。本稿の構成は次のとおりである。2章では従来型2線式PLCシステムの課題を述べたあと、提案するインダクティブカップリング方式とそれを用いた1線式PLCによる信号中継システムを提案する。3章では、大学内8階建て研究棟ビルと6階建てのオフィスビルとで行った提案方式の検証実験の結果を述べる。4章はまとめと今後の課題である。 ２．1線式PLCによる信号中継システム 2.1 従来型2線式PLCシステム 従来のPLCシステムでは、Fig.1に示すように、L線とN線の2線間に電圧印加することによって通信信号の伝 送を行ってきた。このとき、商用周波数成分を遮断するためにコンデンサを用いることからキャパシティブ・カプラ方式とも呼ばれている[3]。通信経路の途中に低インピーダンスの電気機器が並列接続されていると、図中に示すように送信器(Tx)出力電力の一部が吸収され、信号減衰が生じる。この減衰はFig.2で示すように分電盤以降の支線で起こるため、支線内減衰と呼ぶ。MHz帯PLCの場合20ｄB程度とされている[4]。またこれらの機器の電源回路からは雑音が出力されるため、PLC受信器(Rx)でのSNR(Signal to Noise Ratio)の劣化が大きいという問題がある。 なお、この電気機器による影響を避けるためには、N-L線間に信号を注入しなければよいわけであり、MHz帯ではコモンモード伝送方式[5]が、kHz帯ではN-PE伝送方式[6]が提案されている。 さらに、フロア毎に分電盤があるような大型のビルにおいて、フロア間通信を2線式で通信する場合、分電盤に電気を供給している配電盤を経由するため長距離伝送となり、信号がさらに減衰するという問題がある。例えばFig.2に示すような配電であれば、1－2階間または3－4階間でかつ同相（L1どおしまたはL2どおし）通信であれば、通信経路は2つの分電盤を経由するのみである。しかし同相でも、配電電盤からの幹線が異なる(Fig.2において2－3階間で通信を行う場合)と配電盤のあるA号館を経由するため、通信距離が長くなってしまう。異相(L1-L2)間通信の場合は、階数に関わらず常に配電盤およびその先につながっている変圧器を経由する。 低入力インピーダンス機器NLFig.2 Example of a low voltage distribution system in a large building. Fig.1 Conventional PLC system by capacitive coupler. また、配電盤内や分電盤内でもその分岐回路数に比例して信号が減衰する。MHz帯PLCかつ、商用ビルの実測値の場合、上述の支線内減衰に加えて、分電盤を経由することで同相通信では25dB、異相通信では35dBさらに減衰量が増えることが文献[4]に報告されている。 本稿で対象とするkHz帯PLCでは、ケーブル間の結合によるPLC信号のクロストーク効果が期待できないため、これらの値以上に信号が減衰する。このため従来の2線式PLCでは、信号電圧を増幅するための中継装置を、分電盤や配電盤に設置せざるを得なかった。 2.2 インダクティブカプラ型2線式PLCシステム Fig.1に示したキャパシティブカプラが従来からよく用いられてきたが、 Fig.3に示すように、低インピーダンス機器によってループ回路が形成される場合はインダクティブカプラのほうが有用である[3]。ただし、Fig.1に示したようなPLC信号の減衰は生じないものの、ループ回路が存在する場合が限定されるため、あまり一般的には用いられてこなかった。 文献[7]では太陽光発電パネル回路に、文献[3]では低インピーダンス機器の代わりにコンデンサを挿入して強制的にループ回路を形成して、インダクティブカプラを適用している。 2.3 提案するインダクティブカップリング方式 提案する1線式PLCシステム用のカップリング方法を、Fig.4に示す。Fig.4(a)が基本形であり、L1とL2の両方の線を同一のフェライトでクランプする。PLCモデムからの信号線をフェライトに貫通あるいは複数回巻きつける低入力インピーダンス機器NLTxRxFig.3 Conventional PLC system by inductive coupler. ことによって、巻き線比を調整する。本稿では、電力線側をカプラの一次側、PLC側を二次側と呼ぶ。巻き線比は n1:n2であり、図の場合はn1=1(固定）、n2=1(可変）である。受信側も同じカプラを用いて、L1とL2の両方の線に対してコモンモードでPLC信号を伝送する。 ここで、N線を使わず、L1とL2の両方の線をクランプするのは、商用電源に重畳されたディファレンシャルモードノイズを抑圧し、また磁気飽和によるインダクタンスの低下を防ぐためであり、提案方式の特長である。 (a) 二本同時にクランプできる場合 (b) 一本ずつクランプする場合 Fig.4 Proposing inductive coupling method. (n1:n2=1:1) 配電線の電線径が大きいためL1, L2の2本を同時にクランプできるようなフェライトの入手が困難である場合は、Fig.4(b)に示すようにクランプしても図(a)と同等な効果が得られる。以下に述べる実験において、2本クランプしている場合は、いずれも図(b)の方式である。 2.4 提案する信号中継システム 提案する1線式PLC方式、およびそれを用いた信号中継システムをFig.5に示す。図中のトランスTr11およびTr12がFig.4に示したインダクティブカプラであり、L1とL2の線に対してコモンモードで信号伝送を行う。従来のインダクティブカプリングであれば、PLC信号の帰路用にもメタル線を使う。Fig.3の場合であればN線を使うが、L1-L2線とN線間のインピーダンスを小さくするためにコンデンサを挿入する等の工事を行う必要がある。 Fig.5 Signal repeating system using one wire PLC method. そこで、帰路には大地を用いる1線式を検討した。kHz帯において電力線と大地間とは良好に静電結合していることが知られており、この特性を用いた例として非接触型接地抵抗計が実用化されている[8]。なお、関連特許[9]によると、「線路のインダクタンスと大地との静電容量との共振現象を利用する」という説明になっているが、後述のように伝達関数を実測した限りでは鋭い共振現象は観測されず、平坦な周波数特性であった。 この1線式PLC方式を、フロア間通信に適用するために使用する中継器が、Fig.5に示すトランスTr21, Tr22 である。PLCモデムの信号をキャパシティブカップリングで抽出し、インピーダンス整合を行うために巻き線比を調整したTr21または Tr22を経由して1線式PLC用インダクティブカプラへ中継する。支線内のPLCモデムの信号伝送方式は、筆者らが別途提案しているN-PE方式[6]がよいと考えているが、Fig.3に示したN-L方式でもよい。 この中継器により、(1)配電盤までの長距離伝送を行うことなく最短距離で, かつ(2)分電盤と配電盤をバイパスできるため、これらによって生じていた信号減衰を改善できる。また、すべて受動素子で構成しているため省エネであり、Tr11およびTr12をクランプ式とすれば活線状態でも手軽に設置できる、といった特長がある。 以下では、1線式PLC方式の実証実験の結果を述べる。Tr21およびTr22を含む中継器の評価については別途報告する。 ３．1線式PLC方式の実証実験の方法と結果 1線式PLC方式の実証実験を、大学内8階建て研究棟ビルおよび6階建てオフィスビルにて実施した。 3.1 大学内8階建て研究棟ビルの場合 クランプするケーブルの直径に応じてTable1に示す2種類のカプラA1,B1を製作した。また、カプラの等価回路をFig.6に示す[10]。等価回路の定数を求める際には、1次側を解放したときと短絡したときのインピーダンスか らL1(励磁インダクタンス) とL.(漏れインダクタンス)以外の値を求め、SPICEによりシミュレート値と実験値が一致するようにL1 とL. を調整した。図中にn2=2のときの等価回路定数を例として示す。 Table1 Parameters of the coupler A1 and B1 カプラ A1 B1 用途 細線用 太線用 フェライト内径 13mm 32mm L11 23μH 45μH L11:自己インダクタンス（1ターンの場合） 以下のインピーダンス及び伝達関数の測定には、岩通計測社PSM1735を用いた。なお、紙面の都合上A1カプラの結果は省略するが、同様に良好な結果が得られている。 当該ビルの単相3線電力の配電系統はFig.2のとおりであり、配電盤のある建屋とは直線で40m離れている。2フロアーにつき幹線ケーブルが一本あり、下のフロアで分岐してから分電盤に接続されている。本稿では、7－8階用幹線ケーブルを用いて以下の測定を行った。ケーブル(CVT)の直径は21mm, 文献[8]に紹介されている接地抵抗計MET2で測定した当該ケーブルの接地抵抗は0.67Ωであった。使用したカプラは太線用のB1である。 Fig.6 Equivalent circuit of the inductive coupler n2=2のときの等価回路定数 Fig.7 The number of turns of the secondary (n2) and its achieved transfer function Fig.7に、二次側巻き線数n2と伝達関数との関係を示す。所望の帯域で最良の特性となったn2=2を以後の測定では用いている。このときの等価回路定数はFig.6に示したとおりである。 Fig.8には、ケーブルを1本のみ（N線）クランプした場合と、2本(L1,L2)同時にクランプしたときのノイズ電力を比較している。後者のほうは商用電流が互いに逆向きに流れ誘導起電力をキャンセルしあうため、15ｄB程度ノイズを抑圧できていることが分かる。 受信器を１階に固定し、送信器は１～７階まで移動したときの伝達関数をFig.9に示す。所望の通信帯域(130k～450kHz)においてフロアー差に関わりなくほぼ同様の減衰特性が得られた。 比較のために、従来の2線式キャパシティブカプラを用いた場合の伝達関数をFig.10に示す。幹線ケーブルが異なる分電盤かつ異相、つまり最悪の条件であるコンセントペア8ケの特性である。各周波数毎に伝達関数値の累積分布(CDF)を求めて、10%毎の等高線を表示している。例えばCDF値が50％かつ450kHzのときに、約90ｄB減衰している。このうち支線内減衰を20dBと見積もると70dBの減衰が、Fig.9に示したように約40dBの減衰に軽減できたことになる。言い換えると提案法による改善は30dBであったと言える。 Fig.8 Noise power comparison when the number of cramped cables was one and two 3.2 6階建てオフィスビルの場合 Fig.9 Transfer functions when the floor of transmitter side (Tx) coupler was changed, where the receiving side coupler was fixed on the first floor. Fig.10 Transfer functions for the conventional capacitive coupler system 3.2.1 単相3線幹線ケーブルの場合 配電系統はFig.2とは異なり、各フロアに分電盤があり、分電盤毎に幹線ケーブル(CVT)が接続されていた。配電盤は同じビル内1階にある。測定に使用したケーブルの直径は11mm(=100sq)である。使用したカプラは太線用のB1である。Fig.7と同様に、二次側巻き線数n2と伝達関数との関係を調べた結果、同じくn2=2が最良であり、以後の測定はn2=2の結果である。 6階の分電盤用幹線ケーブルに対して、送信カプラ(Tx)及び受信カプラ(Rx)をクランプするフロアをそれぞれ移動したときの伝達関数をFig.11に示す。フロアの組み合わせによって数dB程度変わるものの、ほぼ同様の減衰特性が得られた。Fig.9と比較すると、Fig.11のほうが特性がフラットであり減衰量も10dB程度良好であった。 3.2.2 グランド単線の場合 提案する1線式PLC方式は、電力線以外でも縦方向に配線されていれば同様に適用できる。本ビルには、5.5sq および14sqのIV線がグランド用に5階まで配線されており、5階で2分岐してからさらに6階まで配線されていた。配線場所は、3.2.1節のCVTケーブルと同じEPS内である。使用したカプラは太線用のB1である。Fig.7と同様に、二次側巻き線数n2と伝達関数との関係を調べた結果、同じくn2=2が最良であり、以後の測定はn2=2の結果である。 14sqのIV線を使って、Fig.11と同じ場所で測定した伝達関数をFig.12に示す。Fig.11とほぼ同様な減衰特性が得られた。紙面の都合上省略するが、5.5sqのIV線の場合も同様である。 3.2.3 パケット受信成功率(PRR) Fig.4(b)と同様にして、PLCモデム(MAXIM社MAX2990 EV-KIT, ROBO mode, 130k～450kHz, Tx gain=-4dB)を用いて1000パケット送信した時のPacket Reception Rate (PRR)を測定した。Fig.9に示したコンセントペアはいずれもPRR=1(100%受信)であった。 Fig.12 Transfer functions when a ground wire of 14sq. was used Fig.11 Transfer functions when a CVT cable of 100sq was used オフィスビルの結果をTable2に示す。いずれのケーブ ルもMET2による接地抵抗は1Ω以下であった。グランド線および100sqの電力線はいずれも良好な結果を得た。60sqの電力線は白線1本のみのクランプでありノイズが大きかったため特性が悪いペアがあったと考えられる。3相3線式の動力電源系統の場合は本稿では詳細な検討を行っていないが、Fig.4(b)と同様にして3線とも同時にクランプすれば改善すると考えられるが、今後の課題である。 Table2 PRR results at the office building ケーブル PRR Tx 5F 6F Rx 5F 2F 3F 2F GND線(IV 5.5sq) 1111GND線(IV 14sq) 11111φ3W, 440V (CVT, 100sq, 赤線と黒線をクランプ) 110.9713φ3W, 220V (CVT, 60sq,白線のみクランプ) 10.5511４．おわりに kHz帯PLCはスマートメータ等への適用が期待されているものの、従来の2線式システムを大型ビル内のフロア間通信に適用した場合に、信号減衰が大き過ぎるために通信が困難であった。 本稿では、EPSに配線されている電力線あるいはグランド線を用いて、通信経路をショートカットすることにより、信号減衰を軽減する方法を検討した。長尺のケーブルは大地間と良好に静電結合している特徴を利用するために、信号カプラをインダクティブ方式とし、通信信号の帰路は大地とする1線式PLCが有用であることを実験的に示した。提案法により概算で大学ビルでは約30dB信号減衰を軽減できた。またPRRの結果からも、提案法の有用性が確認できた。 カプラの挿入損が15～30dB程度あったため，カプラに使用するフェライトを再選定する必要がある。その後、提案した信号中継システムを実装して、本稿以外のビルでも同様な効果が得られることを調べることが今後の課題である。 謝辞 本研究の実験を遂行した、愛媛大学大学院理工学研究科博士前期課程 宇都宮 裕之氏(現在、株式会社エネルギア・コミュニケーションズ)に謹んで感謝する。 参考文献 [1] 標準化活動例として, IEEE PROJECT, ““P1901.2 - IEEE Draft Standard for Low Frequency (less than 500 kHz) Narrow Band Power Line Communications for Smart Grid Applications““, (オンライン)，〈http://standards.ieee.org/develop/project/1901.2.html〉(参照2013-05-26)． [2] 標準規格例として、IEEE STANDARD, ““1901-2010 - IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications““, (オンライン)，入手先〈http://standards.ieee.org/findstds/standard/1901-2010.html〉(参照2013-05-26)． [3] O.Bilal, E.Liu, Y.Gao, T.O.Korhonen, ““Design of broadband coupling circuits for power line communication““, Proc. ISPLC, 2004. [4] 小川、柴田、柳瀬、萩野、““高速電力線通信の構内LANへの適用に関する検討““, 平成20年電気学会電子・情報・システム部門大会、TC6-2, pp.163-168, 2008. [5] S.Tsuzuki, M.Yoshida, Y.Yamada, ““Power-line Channel Modeling for Common-Mode Signal Transmission/Suppression““, 9th International Symposium on Power-Line Communications and Its Applications (ISPLC 2005), Vancouver, Canada, pp.210-214, April 6-8, 2005. [6] I.S. Areni, S. Tsuzuki, Y. Yoshizawa, et.al, ““N-PE Transmission System for Narrow-Band PLC and Its Channel Properties““, IEEE-ISPLC2013, pp.161-166, Johannesburg. South Africa, March 2013. [7] 宇都宮、二宮、都築、山田、““PV電力線におけるkHz帯PLC用インダクティブカプラの基礎検討““, 平成24年度電気関係学会四国支部連合大会, p.12-38, 2012年9月29日. [8] 桑原延行, ““クランプ式接地抵抗計““, 電気と工事, Vol.42, No.11, pp.73-79, オーム社, 2001年10月. [9] 各務, 桑原, ““接地抵抗の測定方法““, 特開2001－242206, , 2001.9.7. [10] トランスの等価回路，入手先 〈http://ayumi.cava.jp/audio/pow/node3.html〉(参照2013-02-15)． (平成25年5月31日)
“ “1線式PLCによる信号中継システムの提案 “ “都築 伸二,Shinji TSUZUKI,松井 隆,Takashi MATSUI“ “1線式PLCによる信号中継システムの提案 “ “都築 伸二,Shinji TSUZUKI,松井 隆,Takashi MATSUI
電力線通信(Power-Line Communication; PLC)システムは、既存の電力線を通信線としても使う合理的な方式である。日本で許可されている周波数は、10k～450kHz (kHz帯と呼ぶ）および2M～30MHz (MHz帯)である。前者は低速であるが屋外でも利用できるためスマートグリッドへの応用が期待されている[1]。一方、後者のMHz帯PLCは最大500Mbps (physical data rate. 日本の電波法の制約下では200Mbps程度）の通信が可能であり、ホームネットワーク用として実用化されている[2]。 いずれの周波数帯でも、Live (L) 線とNeutral (N) 線との間にPLC信号を電圧印加する2線式が一般的に使われている。そのため、フロア毎に分電盤があるような大型ビルにおいてフロア間通信を行う場合、分電盤に電気を供給している配電盤、あるいはその先に接続されているトランスを経由するため長距離経路となる。また、配電盤および分電盤内でも信号が減衰するため、信号電圧を増幅するための中継装置を、分電盤や配電盤に設置する必要がある。中継装置の設置に当たっては盤内から給電用のコンセント工事、中継器自身を設置するための工事、あるいは場合によっては一時的にビルの停電を伴うこともあり、これらのコストが課題となっている。 本稿では、このフロア間通信時の信号減衰を軽減する方策として、EPS（Electric Pipe Space)内で、フロア間を貫いて配線されている電力ケーブルを利用する方法を提案する。提案法が適用できるのは、電力ケーブルに限らず、縦方向に配線されているのであればグランド線などでもよい。なお、従来のPLCでは電線を2本必要としていたが、提案法では1本でよい（1線式PLC方式と呼ぶ）ことから工事が容易であり、また受動素子のみで構成できるので無給電の中継器が、低コストで実現できる。
本稿の対象周波数はkHz帯、対象電力線は単相三線式の低圧電灯配電線である。本稿の構成は次のとおりである。2章では従来型2線式PLCシステムの課題を述べたあと、提案するインダクティブカップリング方式とそれを用いた1線式PLCによる信号中継システムを提案する。3章では、大学内8階建て研究棟ビルと6階建てのオフィスビルとで行った提案方式の検証実験の結果を述べる。4章はまとめと今後の課題である。 ２．1線式PLCによる信号中継システム 2.1 従来型2線式PLCシステム 従来のPLCシステムでは、Fig.1に示すように、L線とN線の2線間に電圧印加することによって通信信号の伝 送を行ってきた。このとき、商用周波数成分を遮断するためにコンデンサを用いることからキャパシティブ・カプラ方式とも呼ばれている[3]。通信経路の途中に低インピーダンスの電気機器が並列接続されていると、図中に示すように送信器(Tx)出力電力の一部が吸収され、信号減衰が生じる。この減衰はFig.2で示すように分電盤以降の支線で起こるため、支線内減衰と呼ぶ。MHz帯PLCの場合20ｄB程度とされている[4]。またこれらの機器の電源回路からは雑音が出力されるため、PLC受信器(Rx)でのSNR(Signal to Noise Ratio)の劣化が大きいという問題がある。 なお、この電気機器による影響を避けるためには、N-L線間に信号を注入しなければよいわけであり、MHz帯ではコモンモード伝送方式[5]が、kHz帯ではN-PE伝送方式[6]が提案されている。 さらに、フロア毎に分電盤があるような大型のビルにおいて、フロア間通信を2線式で通信する場合、分電盤に電気を供給している配電盤を経由するため長距離伝送となり、信号がさらに減衰するという問題がある。例えばFig.2に示すような配電であれば、1－2階間または3－4階間でかつ同相（L1どおしまたはL2どおし）通信であれば、通信経路は2つの分電盤を経由するのみである。しかし同相でも、配電電盤からの幹線が異なる(Fig.2において2－3階間で通信を行う場合)と配電盤のあるA号館を経由するため、通信距離が長くなってしまう。異相(L1-L2)間通信の場合は、階数に関わらず常に配電盤およびその先につながっている変圧器を経由する。 低入力インピーダンス機器NLFig.2 Example of a low voltage distribution system in a large building. Fig.1 Conventional PLC system by capacitive coupler. また、配電盤内や分電盤内でもその分岐回路数に比例して信号が減衰する。MHz帯PLCかつ、商用ビルの実測値の場合、上述の支線内減衰に加えて、分電盤を経由することで同相通信では25dB、異相通信では35dBさらに減衰量が増えることが文献[4]に報告されている。 本稿で対象とするkHz帯PLCでは、ケーブル間の結合によるPLC信号のクロストーク効果が期待できないため、これらの値以上に信号が減衰する。このため従来の2線式PLCでは、信号電圧を増幅するための中継装置を、分電盤や配電盤に設置せざるを得なかった。 2.2 インダクティブカプラ型2線式PLCシステム Fig.1に示したキャパシティブカプラが従来からよく用いられてきたが、 Fig.3に示すように、低インピーダンス機器によってループ回路が形成される場合はインダクティブカプラのほうが有用である[3]。ただし、Fig.1に示したようなPLC信号の減衰は生じないものの、ループ回路が存在する場合が限定されるため、あまり一般的には用いられてこなかった。 文献[7]では太陽光発電パネル回路に、文献[3]では低インピーダンス機器の代わりにコンデンサを挿入して強制的にループ回路を形成して、インダクティブカプラを適用している。 2.3 提案するインダクティブカップリング方式 提案する1線式PLCシステム用のカップリング方法を、Fig.4に示す。Fig.4(a)が基本形であり、L1とL2の両方の線を同一のフェライトでクランプする。PLCモデムからの信号線をフェライトに貫通あるいは複数回巻きつける低入力インピーダンス機器NLTxRxFig.3 Conventional PLC system by inductive coupler. ことによって、巻き線比を調整する。本稿では、電力線側をカプラの一次側、PLC側を二次側と呼ぶ。巻き線比は n1:n2であり、図の場合はn1=1(固定）、n2=1(可変）である。受信側も同じカプラを用いて、L1とL2の両方の線に対してコモンモードでPLC信号を伝送する。 ここで、N線を使わず、L1とL2の両方の線をクランプするのは、商用電源に重畳されたディファレンシャルモードノイズを抑圧し、また磁気飽和によるインダクタンスの低下を防ぐためであり、提案方式の特長である。 (a) 二本同時にクランプできる場合 (b) 一本ずつクランプする場合 Fig.4 Proposing inductive coupling method. (n1:n2=1:1) 配電線の電線径が大きいためL1, L2の2本を同時にクランプできるようなフェライトの入手が困難である場合は、Fig.4(b)に示すようにクランプしても図(a)と同等な効果が得られる。以下に述べる実験において、2本クランプしている場合は、いずれも図(b)の方式である。 2.4 提案する信号中継システム 提案する1線式PLC方式、およびそれを用いた信号中継システムをFig.5に示す。図中のトランスTr11およびTr12がFig.4に示したインダクティブカプラであり、L1とL2の線に対してコモンモードで信号伝送を行う。従来のインダクティブカプリングであれば、PLC信号の帰路用にもメタル線を使う。Fig.3の場合であればN線を使うが、L1-L2線とN線間のインピーダンスを小さくするためにコンデンサを挿入する等の工事を行う必要がある。 Fig.5 Signal repeating system using one wire PLC method. そこで、帰路には大地を用いる1線式を検討した。kHz帯において電力線と大地間とは良好に静電結合していることが知られており、この特性を用いた例として非接触型接地抵抗計が実用化されている[8]。なお、関連特許[9]によると、「線路のインダクタンスと大地との静電容量との共振現象を利用する」という説明になっているが、後述のように伝達関数を実測した限りでは鋭い共振現象は観測されず、平坦な周波数特性であった。 この1線式PLC方式を、フロア間通信に適用するために使用する中継器が、Fig.5に示すトランスTr21, Tr22 である。PLCモデムの信号をキャパシティブカップリングで抽出し、インピーダンス整合を行うために巻き線比を調整したTr21または Tr22を経由して1線式PLC用インダクティブカプラへ中継する。支線内のPLCモデムの信号伝送方式は、筆者らが別途提案しているN-PE方式[6]がよいと考えているが、Fig.3に示したN-L方式でもよい。 この中継器により、(1)配電盤までの長距離伝送を行うことなく最短距離で, かつ(2)分電盤と配電盤をバイパスできるため、これらによって生じていた信号減衰を改善できる。また、すべて受動素子で構成しているため省エネであり、Tr11およびTr12をクランプ式とすれば活線状態でも手軽に設置できる、といった特長がある。 以下では、1線式PLC方式の実証実験の結果を述べる。Tr21およびTr22を含む中継器の評価については別途報告する。 ３．1線式PLC方式の実証実験の方法と結果 1線式PLC方式の実証実験を、大学内8階建て研究棟ビルおよび6階建てオフィスビルにて実施した。 3.1 大学内8階建て研究棟ビルの場合 クランプするケーブルの直径に応じてTable1に示す2種類のカプラA1,B1を製作した。また、カプラの等価回路をFig.6に示す[10]。等価回路の定数を求める際には、1次側を解放したときと短絡したときのインピーダンスか らL1(励磁インダクタンス) とL.(漏れインダクタンス)以外の値を求め、SPICEによりシミュレート値と実験値が一致するようにL1 とL. を調整した。図中にn2=2のときの等価回路定数を例として示す。 Table1 Parameters of the coupler A1 and B1 カプラ A1 B1 用途 細線用 太線用 フェライト内径 13mm 32mm L11 23μH 45μH L11:自己インダクタンス（1ターンの場合） 以下のインピーダンス及び伝達関数の測定には、岩通計測社PSM1735を用いた。なお、紙面の都合上A1カプラの結果は省略するが、同様に良好な結果が得られている。 当該ビルの単相3線電力の配電系統はFig.2のとおりであり、配電盤のある建屋とは直線で40m離れている。2フロアーにつき幹線ケーブルが一本あり、下のフロアで分岐してから分電盤に接続されている。本稿では、7－8階用幹線ケーブルを用いて以下の測定を行った。ケーブル(CVT)の直径は21mm, 文献[8]に紹介されている接地抵抗計MET2で測定した当該ケーブルの接地抵抗は0.67Ωであった。使用したカプラは太線用のB1である。 Fig.6 Equivalent circuit of the inductive coupler n2=2のときの等価回路定数 Fig.7 The number of turns of the secondary (n2) and its achieved transfer function Fig.7に、二次側巻き線数n2と伝達関数との関係を示す。所望の帯域で最良の特性となったn2=2を以後の測定では用いている。このときの等価回路定数はFig.6に示したとおりである。 Fig.8には、ケーブルを1本のみ（N線）クランプした場合と、2本(L1,L2)同時にクランプしたときのノイズ電力を比較している。後者のほうは商用電流が互いに逆向きに流れ誘導起電力をキャンセルしあうため、15ｄB程度ノイズを抑圧できていることが分かる。 受信器を１階に固定し、送信器は１～７階まで移動したときの伝達関数をFig.9に示す。所望の通信帯域(130k～450kHz)においてフロアー差に関わりなくほぼ同様の減衰特性が得られた。 比較のために、従来の2線式キャパシティブカプラを用いた場合の伝達関数をFig.10に示す。幹線ケーブルが異なる分電盤かつ異相、つまり最悪の条件であるコンセントペア8ケの特性である。各周波数毎に伝達関数値の累積分布(CDF)を求めて、10%毎の等高線を表示している。例えばCDF値が50％かつ450kHzのときに、約90ｄB減衰している。このうち支線内減衰を20dBと見積もると70dBの減衰が、Fig.9に示したように約40dBの減衰に軽減できたことになる。言い換えると提案法による改善は30dBであったと言える。 Fig.8 Noise power comparison when the number of cramped cables was one and two 3.2 6階建てオフィスビルの場合 Fig.9 Transfer functions when the floor of transmitter side (Tx) coupler was changed, where the receiving side coupler was fixed on the first floor. Fig.10 Transfer functions for the conventional capacitive coupler system 3.2.1 単相3線幹線ケーブルの場合 配電系統はFig.2とは異なり、各フロアに分電盤があり、分電盤毎に幹線ケーブル(CVT)が接続されていた。配電盤は同じビル内1階にある。測定に使用したケーブルの直径は11mm(=100sq)である。使用したカプラは太線用のB1である。Fig.7と同様に、二次側巻き線数n2と伝達関数との関係を調べた結果、同じくn2=2が最良であり、以後の測定はn2=2の結果である。 6階の分電盤用幹線ケーブルに対して、送信カプラ(Tx)及び受信カプラ(Rx)をクランプするフロアをそれぞれ移動したときの伝達関数をFig.11に示す。フロアの組み合わせによって数dB程度変わるものの、ほぼ同様の減衰特性が得られた。Fig.9と比較すると、Fig.11のほうが特性がフラットであり減衰量も10dB程度良好であった。 3.2.2 グランド単線の場合 提案する1線式PLC方式は、電力線以外でも縦方向に配線されていれば同様に適用できる。本ビルには、5.5sq および14sqのIV線がグランド用に5階まで配線されており、5階で2分岐してからさらに6階まで配線されていた。配線場所は、3.2.1節のCVTケーブルと同じEPS内である。使用したカプラは太線用のB1である。Fig.7と同様に、二次側巻き線数n2と伝達関数との関係を調べた結果、同じくn2=2が最良であり、以後の測定はn2=2の結果である。 14sqのIV線を使って、Fig.11と同じ場所で測定した伝達関数をFig.12に示す。Fig.11とほぼ同様な減衰特性が得られた。紙面の都合上省略するが、5.5sqのIV線の場合も同様である。 3.2.3 パケット受信成功率(PRR) Fig.4(b)と同様にして、PLCモデム(MAXIM社MAX2990 EV-KIT, ROBO mode, 130k～450kHz, Tx gain=-4dB)を用いて1000パケット送信した時のPacket Reception Rate (PRR)を測定した。Fig.9に示したコンセントペアはいずれもPRR=1(100%受信)であった。 Fig.12 Transfer functions when a ground wire of 14sq. was used Fig.11 Transfer functions when a CVT cable of 100sq was used オフィスビルの結果をTable2に示す。いずれのケーブ ルもMET2による接地抵抗は1Ω以下であった。グランド線および100sqの電力線はいずれも良好な結果を得た。60sqの電力線は白線1本のみのクランプでありノイズが大きかったため特性が悪いペアがあったと考えられる。3相3線式の動力電源系統の場合は本稿では詳細な検討を行っていないが、Fig.4(b)と同様にして3線とも同時にクランプすれば改善すると考えられるが、今後の課題である。 Table2 PRR results at the office building ケーブル PRR Tx 5F 6F Rx 5F 2F 3F 2F GND線(IV 5.5sq) 1111GND線(IV 14sq) 11111φ3W, 440V (CVT, 100sq, 赤線と黒線をクランプ) 110.9713φ3W, 220V (CVT, 60sq,白線のみクランプ) 10.5511４．おわりに kHz帯PLCはスマートメータ等への適用が期待されているものの、従来の2線式システムを大型ビル内のフロア間通信に適用した場合に、信号減衰が大き過ぎるために通信が困難であった。 本稿では、EPSに配線されている電力線あるいはグランド線を用いて、通信経路をショートカットすることにより、信号減衰を軽減する方法を検討した。長尺のケーブルは大地間と良好に静電結合している特徴を利用するために、信号カプラをインダクティブ方式とし、通信信号の帰路は大地とする1線式PLCが有用であることを実験的に示した。提案法により概算で大学ビルでは約30dB信号減衰を軽減できた。またPRRの結果からも、提案法の有用性が確認できた。 カプラの挿入損が15～30dB程度あったため，カプラに使用するフェライトを再選定する必要がある。その後、提案した信号中継システムを実装して、本稿以外のビルでも同様な効果が得られることを調べることが今後の課題である。 謝辞 本研究の実験を遂行した、愛媛大学大学院理工学研究科博士前期課程 宇都宮 裕之氏(現在、株式会社エネルギア・コミュニケーションズ)に謹んで感謝する。 参考文献 [1] 標準化活動例として, IEEE PROJECT, ““P1901.2 - IEEE Draft Standard for Low Frequency (less than 500 kHz) Narrow Band Power Line Communications for Smart Grid Applications““, (オンライン)，〈http://standards.ieee.org/develop/project/1901.2.html〉(参照2013-05-26)． [2] 標準規格例として、IEEE STANDARD, ““1901-2010 - IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications““, (オンライン)，入手先〈http://standards.ieee.org/findstds/standard/1901-2010.html〉(参照2013-05-26)． [3] O.Bilal, E.Liu, Y.Gao, T.O.Korhonen, ““Design of broadband coupling circuits for power line communication““, Proc. ISPLC, 2004. [4] 小川、柴田、柳瀬、萩野、““高速電力線通信の構内LANへの適用に関する検討““, 平成20年電気学会電子・情報・システム部門大会、TC6-2, pp.163-168, 2008. [5] S.Tsuzuki, M.Yoshida, Y.Yamada, ““Power-line Channel Modeling for Common-Mode Signal Transmission/Suppression““, 9th International Symposium on Power-Line Communications and Its Applications (ISPLC 2005), Vancouver, Canada, pp.210-214, April 6-8, 2005. [6] I.S. Areni, S. Tsuzuki, Y. Yoshizawa, et.al, ““N-PE Transmission System for Narrow-Band PLC and Its Channel Properties““, IEEE-ISPLC2013, pp.161-166, Johannesburg. South Africa, March 2013. [7] 宇都宮、二宮、都築、山田、““PV電力線におけるkHz帯PLC用インダクティブカプラの基礎検討““, 平成24年度電気関係学会四国支部連合大会, p.12-38, 2012年9月29日. [8] 桑原延行, ““クランプ式接地抵抗計““, 電気と工事, Vol.42, No.11, pp.73-79, オーム社, 2001年10月. [9] 各務, 桑原, ““接地抵抗の測定方法““, 特開2001－242206, , 2001.9.7. [10] トランスの等価回路，入手先 〈http://ayumi.cava.jp/audio/pow/node3.html〉(参照2013-02-15)． (平成25年5月31日)
“ “1線式PLCによる信号中継システムの提案 “ “都築 伸二,Shinji TSUZUKI,松井 隆,Takashi MATSUI“ “1線式PLCによる信号中継システムの提案 “ “都築 伸二,Shinji TSUZUKI,松井 隆,Takashi MATSUI