JP6039022B2 - エネルギー管理システム - Google Patents

Description

本発明は、主として家庭用のエネルギー管理システムに関する。

近年、一般家庭で使用する電力量への関心が高まっており、家庭内でエネルギー管理を行うエネルギー管理システム（ＨＥＭＳ：Home Energy Management System）が注目されている。このシステムでは、宅内に設置されたエネルギー管理機器が、宅内の電気機器の消費電力を監視し、必要に応じてパワーセーブ等の制御を行うことも可能である。エネルギー管理機器と、電気機器とは、互いに、情報の送受信や制御のために信号伝送を行う必要がある。かかる信号伝送には、信号線の新設を必要としない電力線通信（ＰＬＣ：Power Line Communication）が好適である。

一方、各家庭には、単相３線式で交流１００／２００Ｖが、変圧器から供給されるのが一般的である。単相３線式は、接地された１本の中性線及び、非接地の２本の電圧線の合計３線によって電路が構成され、電圧線の一方には＋１００Ｖ、他方には−１００Ｖが印加されている。従って、電圧線２本から電圧を取り出せば２００Ｖが供給され、電圧線２本のいずれか一方と中性線とから電圧を取り出せば、１００Ｖが供給される。１００Ｖを供給するための２本の電圧線は、概ね負荷が均等になるように分電盤で２系統に分けて、屋内に配線されている。かかる単相３線式の屋内配線を信号伝送路として電力線通信を行うために、例えば、電力線通信装置内に分岐部を設ける３本の線に対してそれぞれ、信号の注入・抽出を行う構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−３１２１１４号公報（図１）

しかしながら、上記のような分岐部を設けると、電力線通信装置の回路構成が複雑化し、コスト増加の原因となる。
かかる従来の課題に鑑み、本発明は、単相３線式で受電する需要家に、簡単で、かつ、確実な通信ができるように電力線通信を取り入れたエネルギー管理システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、単相３線式で受電する需要家に用いられるエネルギー管理システムであって、電力メーターから分電盤までの３線集約部位で、電圧線の２線間に接続され、電力線通信の機能を有する上位側モデムと、前記需要家に設けられ、前記上位側モデムを介して、電力線通信のネットワークを構成するエネルギー管理機器とを備えたものである。なお、上位側モデムとは、電圧線が集約された場所に設置するモデムであるという位置的な関係を示すものであり、通信ネットワークにおける機能を示すものではない。また、前記ネットワークには、前記需要家の電気機器に付随して設けられ、電圧線の第１線と中性線との間に接続され、電力線通信を行う機能を有する第１の端末側モデムと、前記需要家の電気機器に付随して設けられ、電圧線の第２線と前記中性線との間に接続され、電力線通信を行う機能を有する第２の端末側モデムと、を加えることもできる。
また、例えば、前記上位側モデムは、ＰＨＹ層、ＭＡＣ層では、受信した電力線通信の信号を前記電圧線の２線間に再配信する機能を有し、上位層では、前記エネルギー管理機器のみと通信を行う機能を有する。

上記のように構成されたエネルギー管理システムでは、上位側モデムが電圧線の２線間に接続されていることによって、これら２線間での電力線通信が可能となるほか、例えば変圧器の巻線を介して、または、線間の浮遊容量や負荷を介して、電圧線の２線の任意の一方と、中性線との間でも、電力線通信が可能となる。従って、上位側モデムに中継機能を発揮させることで、送信・受信が互いに異なる線間であっても、電力線通信が可能となる。その結果、全ての端末側モデムからエネルギー管理機器へ情報が確実に集約され、また、エネルギー管理機器は、全ての端末側モデム及び電気機器を管理下に置くことができる。

（２）また、上記（１）のエネルギー管理システムにおいて、上位側モデムは、電力メーターに設けられていてもよい。
この場合、電力メーター内には、単相３線が集約された状態で存在するので、上位側モデムの設置及び接続が容易である。また、上位側モデムを、電力メーターの内蔵機能として搭載することができるので、システム全体の構成が簡素である。

（３）また、上記（１）のエネルギー管理システムにおいて、上位側モデムは、エネルギー管理機器に搭載され、かつ、当該エネルギー管理機器が分電盤に設けられていてもよい。
この場合、分電盤内には、単相３線が集約された状態で存在するので、上位側モデムの設置及び接続が容易である。また、上位側モデムを搭載したエネルギー管理機器をさらに、分電盤の内蔵機能として搭載することができるので、システム全体の構成が簡素である。

（４）一方、本発明は、電力供給元と通信する通信機能部を有する電力メーターを介して単相３線式で受電する需要家に用いられるエネルギー管理システムであって、前記電力メーターに搭載され、前記通信機能部とリンクし、電圧線の２線間に接続され、電力線通信の機能を有する上位側モデムと、前記需要家に設けられ、単相３線のいずれか２線間に接続されることにより、前記上位側モデムを介して、電力線通信のネットワークを構成するエネルギー管理機器とを備えているものである。
また、前記ネットワークには、前記需要家の電気機器に付随して設けられ、電圧線の第１線と中性線との間に接続され、電力線通信を行う機能を有する第１の端末側モデムと、前記需要家の電気機器に付随して設けられ、電圧線の第２線と前記中性線との間に接続され、電力線通信を行う機能を有する第２の端末側モデムと、を加えることもできる。
また、例えば、前記上位側モデムは、ＰＨＹ層、ＭＡＣ層では、受信した電力線通信の信号を前記電圧線の２線間に再配信する機能を有し、上位層では、前記エネルギー管理機器のみと通信を行う機能を有する。

上記（４）のように構成されたエネルギー管理システムでは、上位側モデムが電圧線の２線間に接続されていることによって、これら２線間での電力線通信が可能となるほか、例えば変圧器の巻線を介して、または、線間の浮遊容量や負荷を介して、電圧線の２線の任意の一方と、中性線との間でも、電力線通信が可能となる。従って、上位側モデムに中継機能を発揮させることで、送信・受信が互いに異なる線間であっても、電力線通信が可能となる。その結果、全ての端末側モデムからエネルギー管理機器へ情報が確実に集約され、また、エネルギー管理機器は、全ての端末側モデム及び電気機器を管理下に置くことができる。

さらに、エネルギー管理機器は、上記ネットワークから論理的に隔離された状態で上位側モデムと通信を行い、上位側モデムは電力メーターの通信機能部とリンクすることで情報を共有する。従って、エネルギー管理機器は、電力供給元と、セキュリティを保って通信を行うことができ、これにより、電力供給元による電力使用状況の監視や、電力供給元からの遠隔制御により例えば電気機器のパワーセーブを行うことができる。なお、セキュリティの確保により、不正な情報が電力供給元に届くことを、防止できる。

（５）また、上記（４）のエネルギー管理システムにおいて、上位側モデムは、エネルギー管理機器から送信されてきた情報のみを通信機能部に提供するようにしてもよい。
この場合、宅内のネットワーク上の情報は電力供給元に直接的には送信されない。これにより、エネルギー管理機器のみが電力メーターに情報を送信することができるので、情報の信頼性維持が容易である。

本発明のエネルギー管理システムによれば、単相３線式で受電する需要家において、簡単かつ確実に、電力線通信を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る、例えば家庭を対象としたエネルギー管理システムの一例を示す概略図である。 電力メーターの構成の主要部を示すブロック図である。 分電盤内の配線構造の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るエネルギー管理システムの例を示す概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る、例えば家庭を対象としたエネルギー管理システムの一例を示す概略図である。図において、この家（需要家）１は、例えば、送電線２から変圧器３を介して単相３線式で受電する。変圧器３の出力線は、接地された中性線Ｎと、非接地の電圧線Ｌ１，Ｌ２とを有する。中性線Ｎの対地電圧は０Ｖであり、この中性線Ｎに対する電圧線Ｌ１，Ｌ２の交流電圧は、一方が＋１００Ｖ、他方が−１００Ｖである。従って、電圧線Ｌ１と中性線Ｎとの間、及び、電圧線Ｌ２と中性線Ｎとの間は、それぞれ１００Ｖが印加され、電圧線Ｌ１−Ｌ２間には２００Ｖが印加されている。家１の受電点には、通信機能を有する電力メーター（いわゆるスマートメーター）４が設置されている。電力メーター４を介した３線（Ｌ１，Ｌ２，Ｎ）は、宅内に設置される分電盤１１に接続される。

図２は、電力メーター４の構成の主要部を示すブロック図である。図２において、電力メーター４は、計測部４１、表示部４２、通信機能部４３及び、ＰＬＣモデム（電力線通信用のモデム）４０を備えている。計測部４１は、家１で使用される電力及び電力量の計測を行う。表示部４２は、例えば電力量の表示を行う。計測部４１で取得された計測データは、通信機能部４３に提供される。通信機能部４３は、例えば無線通信により、電力供給元（電力会社）と通信を行うことができる。この通信ルートを例えばＡルートとすれば、このＡルートにより、計測データは通信機能部４３から電力供給元へ送信される。

一方、電力メーター４内のＰＬＣモデム４０は、屋内配線を利用した電力線通信における「上位側モデム」となる。ＰＬＣモデム４０は、電圧線Ｌ１−Ｌ２間すなわち２００Ｖ線間に接続されている。電力メーター４内には、単相３線が集約された状態で存在するので、ＰＬＣモデム４０の設置及び接続が容易である。また、ＰＬＣモデム４０を、電力メーター４の内蔵機能として搭載することができるので、エネルギー管理システム全体の構成が簡素である。
また、ＰＬＣモデム４０は、後述する宅内のエネルギー管理機器１２との通信ルートを構成する。これを例えばＢルートとすれば、上述のＡルートとは別の通信ルートである。

図３は、分電盤１１内の配線構造の一例を示す図である。図において、分電盤１１内には、主幹のブレーカ（回路遮断器）ＢＭと、複数の屋内配線保護用のブレーカＢ３，Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３が設けられている。ブレーカＢ３は、電圧線Ｌ１−Ｌ２間に接続され、２００Ｖの配線及びその保護用である。ブレーカＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３は、電圧線Ｌ１と中性線Ｎとの間に接続され、それぞれ、１００Ｖの配線及びその保護用である。また、ブレーカＢ２１，Ｂ２２，Ｂ２３は、電圧線Ｌ２と中性線Ｎとの間に接続され、それぞれ、１００Ｖの配線及びその保護用である。

図１に戻り、分電盤１１（図３を簡略に記載している。）を介して、電圧線Ｌ１側の１００Ｖ系統には、ＰＬＣモデム１３の機能を含むエネルギー管理機器１２及び、ＰＬＣモデム１４が接続されている。また、電圧線Ｌ２側の１００Ｖ系統には、ＰＬＣモデム１５が接続されている。さらに、電圧線Ｌ１，Ｌ２を用いる２００Ｖ系統には、ＰＬＣモデム１６が接続されている。ＰＬＣモデム１４，１５，１６は、総称すると、「端末側モデム」である。なお、ここに示すＰＬＣモデム１４〜１６の数は、図示の都合上の一例に過ぎない。

ここで、ＰＬＣモデム１４〜１６は、宅内の電気機器に組み込まれるか又は少なくとも付随して用いられ、例えば、パワーセーブ、オン／オフ、稼働時間シフトなど、制御が可能な電気機器に用いられる。具体的には、エアコン、照明、ヒートポンプ、蓄電池、ＥＶ（電気自動車）、太陽光発電用ＰＣＳ装置や蓄電池を用いた電源装置等の電気機器である。エネルギー管理機器１２は、これらの電気機器に対して、例えば設定されたピーク電力を超えそうな場合は、パワーセーブや停止等の制御を行うことができる。また、太陽光発電その他の自家発電装置が設置されている場合は、その発電電力も考慮して、制御を行うことができる。

次に、電力線通信について説明する。外部から見た宅内のゲートウェイはエネルギー管理機器１２であり、宅内の電力に関する情報は、エネルギー管理機器１２に集約される。また、エネルギー管理機器１２は、必要に応じて、ＰＬＣモデム１４〜１６に対して、それらに付随する電気機器への制御信号を送る。従って、各ＰＬＣモデム１４〜１６は常に、エネルギー管理機器１２と良好な通信が可能な状態になければならない。

今、仮に、電力メーター４内のＰＬＣモデム４０（上位側モデム）の役割を考慮せずに、宅内のみで電力線通信を考えると、図１において、ＰＬＣモデム１４と、エネルギー管理機器１２とは、互いに同じ２線（Ｌ１，Ｎ）に接続されているので、両者は良好に電力線通信を行うことができる。一方、ＰＬＣモデム１５は、エネルギー管理機器１２とは、電圧線が互いに異なるので、電力線通信の信号が減衰する（例えば３０〜４０ｄＢ程度の減衰）。この場合、ＰＬＣモデム１５と、エネルギー管理機器１２との通信状態が悪くなり、通信できない場合がある。

ここで、電力メーター４内のＰＬＣモデム４０について考察する。２００Ｖ線間（Ｌ１−Ｌ２）に接続されたＰＬＣモデム４０は、同じ２００Ｖ線間に接続されたＰＬＣモデム１６と良好な通信ができることは言うまでもないが、さらに、電圧線Ｌ１−中性線Ｎ間に接続されたＰＬＣモデム１４、及び、電圧線Ｌ２−中性線Ｎ間に接続されたＰＬＣモデム１５とも、信号強度の若干の減衰（最大１０ｄＢ程度）はあるものの、確実に通信（送受信）を行うことができる。

このような通信ができる理由の一つは、２００Ｖ線間（Ｌ１−Ｌ２）の場合、変圧器３の２次側巻線を介して２系統の１００Ｖ線間（Ｌ１−Ｎ，Ｌ２−Ｎ）のそれぞれとインダクタンスを一部共有しているか又は、これら２系統の１００Ｖ線間に接続される負荷を一部共用しているからであると解される。また、高い周波数帯域（例えば２〜３０ＭＨｚ）を用いる電力線通信の信号伝送に対しては線間の浮遊容量が影響し、２００Ｖ線間（Ｌ１−Ｌ２）の浮遊容量は、２系統の１００Ｖ線間（Ｌ１−Ｎ，Ｌ２−Ｎ）のそれぞれの浮遊容量と、キャパシタンスを一部共有しているからであると解される。

そこで、電力メーター４内のＰＬＣモデム４０に、電力線通信の機能と共に、信号の中継機能を持たせる。従って、ＰＬＣモデム４０が受信した電力線通信の信号は、２００Ｖ線間に再配信される。この結果、ＰＬＣモデム１５が送出した信号は、ＰＬＣモデム４０で中継され、エネルギー管理機器１２に届く。逆に、エネルギー管理機器１２が送出した信号は、ＰＬＣモデム４０で中継され、ＰＬＣモデム１５に届く。また、ＰＬＣモデム１６が送出した信号は、ＰＬＣモデム４０で中継され、エネルギー管理機器１２に届く。逆に、エネルギー管理機器１２が送出した信号は、ＰＬＣモデム４０で中継され、ＰＬＣモデム１６に届く。

以上のように、このエネルギー管理システムでは、上位側モデムであるＰＬＣモデム４０が、電圧線の２線間（Ｌ１−Ｌ２）に接続されていることによって、これら２線間での電力線通信が可能となるほか、変圧器３の巻線を介して、または、線間の浮遊容量を介して、電圧線の２線の任意の一方（Ｌ１又はＬ２）と、中性線Ｎとの間でも、電力線通信が可能となる。すなわち、ＰＬＣモデム４０に中継機能を発揮させることで、送信・受信が互いに異なる線間であっても、電力線通信が可能となる。その結果、全てのＰＬＣモデム１４〜１６からエネルギー管理機器１２へ情報が確実に集約され、また、エネルギー管理機器１２は、全てのＰＬＣモデム１４〜１６及びそれを含む（又は付随させる）電気機器を管理下に置くことができる。

次に、ネットワークについて補足説明する。
図１において、ＰＬＣモデム１３〜１６、４０は、電力線通信のネットワークを構成し、エネルギー管理機器１２は、当該ネットワークから情報を収集し、かつ、当該ネットワークに情報を送出する。上位側モデムであるＰＬＣモデム４０は、ＰＨＹ層、ＭＡＣ層では、上記ネットワークに接続されており、中継機能を有するが、上位層では、エネルギー管理機器１２のみと、一対一の電力線通信を行う。言い換えれば、エネルギー管理機器１２は、ＰＬＣ１４〜１６が属するネットワークとは論理的に隔離された状態で、ＰＬＣモデム４０と電力線通信を行う。

このように、エネルギー管理機器１２は、宅内のネットワークから論理的に隔離された状態でＰＬＣモデム４０と通信を行い、ＰＬＣモデム４０は電力メーター４の通信機能部４３とリンクすることで情報を共有する。従って、エネルギー管理機器１２は、電力供給元と、セキュリティを保って通信を行うことができ、これにより、電力供給元による電力使用状況の監視や、電力供給元からの遠隔制御によりエネルギー管理機器１２に指示を与えて、例えば電気機器のパワーセーブを行うことができる。なお、セキュリティの確保により、例えば宅内のネットワークに不正にアクセスして、誤った情報を電力メーター４に送り込もうとしても、それはできない。従って、不正な情報が電力供給元に届くことを、防止できる。

また、ＰＬＣモデム４０は、エネルギー管理機器１２から送信されてきた情報のみを、電力メーター４の通信機能部４３に提供する。従って、宅内のネットワーク上の情報は、電力供給元に対して、直接的には送信されない。これにより、エネルギー管理機器１２のみが電力メーター４に情報を送信することができるので、情報の信頼性維持が容易である。

なお、上記実施形態では、分電盤１１の外に、エネルギー管理機器１２を設けたが、他の設置形態も可能である。
図４は、他の設置形態を採用した場合の、本発明の他の実施形態に係るエネルギー管理システムの例を示す概略図である。
図４において、エネルギー管理機器１２は、分電盤１１に設けられている。また、エネルギー管理機器１２は、内蔵するＰＬＣモデム１３と共に、２００Ｖ線間（Ｌ１−Ｌ２）に接続されている。

この場合、中継機能を有する上位側モデムは、ＰＬＣ４０ではなく、ＰＬＣ１３とすることができる。
分電盤１１内には、単相３線が集約された状態で存在するので、このように上位側モデムを設置し、接続することも容易である。また、上位側モデムを搭載したエネルギー管理機器１２をさらに、分電盤１１の内蔵機能として搭載することができるので、エネルギー管理システム全体の構成が簡素である。

中継機能を持つ上位側モデムの設置場所としては、実用的には電力メーター４内、又は、分電盤１１内が好適であるが、それらの途中にも設けることは可能である。従って、上位側モデムは、電力メーター４から分電盤１１までの３線集約部位に設けることができると言える。

なお、上記実施形態では一般家庭でのエネルギー管理システムとして説明したが、オフィス、店舗等、単相３線式で受電するその他各種の需要家でも同様のエネルギー管理システムを適用することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 家（需要家）
４ 電力メーター
１１ 分電盤
１２ エネルギー管理機器
１３ ＰＬＣモデム
１４〜１６ ＰＬＣモデム（端末側モデム）
４０ ＰＬＣモデム（上位側モデム）
４３ 通信機能部

Claims (5)

1. 単相３線式で受電する需要家に用いられるエネルギー管理システムであって、
   電力メーターから分電盤までの３線集約部位で、電圧線の２線間に接続され、電力線通信の機能を有する上位側モデムと、
   前記需要家に設けられ、前記上位側モデムを介して、電力線通信のネットワークを構成するエネルギー管理機器と、を備え、
   前記上位側モデムは、ＰＨＹ層、ＭＡＣ層では、受信した電力線通信の信号を前記電圧線の２線間に再配信する機能を有し、上位層では、前記エネルギー管理機器のみと通信を行う機能を有するエネルギー管理システム。
2. 前記上位側モデムは、前記電力メーターに設けられている請求項１に記載のエネルギー管理システム。
3. 前記上位側モデムは、前記エネルギー管理機器に搭載され、かつ、当該エネルギー管理機器が前記分電盤に設けられている請求項１に記載のエネルギー管理システム。
4. 電力供給元と通信する通信機能部を有する電力メーターを介して単相３線式で受電する需要家に用いられるエネルギー管理システムであって、
   前記電力メーターに搭載され、前記通信機能部とリンクし、電圧線の２線間に接続され、電力線通信の機能を有する上位側モデムと、
   前記需要家に設けられ、単相３線のいずれか２線間に接続されることにより、前記上位側モデムを介して、電力線通信のネットワークを構成するエネルギー管理機器と、を備え、
   前記上位側モデムは、ＰＨＹ層、ＭＡＣ層では、受信した電力線通信の信号を前記電圧線の２線間に再配信する機能を有し、上位層では、前記エネルギー管理機器のみと通信を行う機能を有するエネルギー管理システム。
5. 前記上位側モデムは、前記エネルギー管理機器から送信されてきた情報のみを前記通信機能部に提供する請求項４に記載のエネルギー管理システム。