茨城県工業技術センター研究報告 第 40 号

スマートグリッド向け要素技術の調査研究～消費電力の見える化技術～
中川 健司 *
１. はじめに2011 年 3 月 11 日の震災以降，東京電力管内では電力供給不足が深刻化し，昨夏においては，電気事業法に基づき契約電力 500kW 以上の電力使用事業所に対して前年比で対象期間・時間帯における使用最大電力の15％削減が義務付けられた。また，法的強制力はないものの一般家庭に対しても前年比 15％節電の目標が掲げられている。今夏も電力不足が懸念されるなか，県内中小企業でも電気の使い方を改めて見直そうという動きが見られ，そのためのツールとして電力見える化システム，特に各分電盤や各電気機器の消費電力を簡易的に把握できるシステムに対するニーズが高まっている。
このような背景から，当センターでは，以前から蓄積のあるセンシング技術，マイコン技術，無線通信技術等の基盤技術を活用して，各分電盤や電気機器の消費電力を簡易的に測定できるシステムを試作した。なお，本事業は 2 年間の事業であり，H23 年度は電力見える化システムの試作を行い，H24 年度は H23 年度に試作したシステムをもとに実証実験を行う予定である。

大高 理秀 *

平間 毅 *

戸塚 貴之 *

通信で Web サーバまで伝送し，Web サーバ内のデータベースに保存する。消費電力のグラフはそのデータベースをもとに作成され， Web ブラウザの要求に対して，し，Web サーバがグラフ情報を含む HTML を配信することでクライアント側の電力見える化が実現される。
以下，個別の要素技術について詳細を述べる。

3.2 クランプ式電力センサモジュールの開発開発したクランプ型電力センサモジュールの外観及び内部をそれぞれ図 2 及び図 3 に示す。開発に用いた主要部品は次の通り。
・PIC マイコン
PIC24FJ64GA002（Microchip Technology Inc.）・無線モジュールXBeeRF モジュール XB24-Z7CIT-004（Digi International Inc.）・クランプ式電流センサ
超小型クランプ式交流電流センサ CTL-10-CLS（株式会社ユー・アール・ディー）
・006P 型 9V 電池
・三端子レギュレータ 3.3V500mA
センサモジュールは 9V 電池駆動とし，三端子レギュ２．目的レータで3.3Vに降圧した後，PIC マイコン及びXBeeRF
本調査研究では，クランプ式とタップ式の電力センモジュールに電源供給される。
サモジュール開発，それらをノードとした無線センサ
PIC マイコンでは，クランプ式電流センサからの電ネットワークの構築及びサーバーサイドアプリケーシ
圧出力を図4 のように 100μs 毎に 200 点サンプリング
ョンの開発を行うことにより，コンセントに接続されし，10bitAD 変換で取得した電圧を電流値に変換したた電気機器や分電盤内各系統における消費電力の見え後，式 1 により交流 1 サイクル（20ms）の間の二乗のる化を実現することを目的とする。
時間平均の平方根を計算することで電流の実効値を求めている。なお，クランプ式電力センサモジュールで３．研究内容
は，電圧計測を行っておらず，電圧を 100V，力率を3.1 電力見える化システムの概要
開発した電力見える化システムの構成を図 1 に示す。 100％と仮定して電力の算出を行った。
また，PIC マイコンのデジタル出力を用いて XBeeRFモジュールのスリープ設定を行っており，PIC マイコンのプログラムを書き換えることで電力を測定する時間間隔及び取得データをサーバへ送信する時間間隔を自由に設定することができる。
なお，クランプ式電流センサは最大 4 個まで取り付け可能とした。

図 1 電力見える化システムの構成
タップ式電力センサモジュール及びクランプ式電力センサモジュールにおいて取得した電力データを無線*技術基盤部部門

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図 2 クランプ式電力センサモジュールの外観

図 3 クランプ式電力センサモジュールの内部・三端子レギュレータ 3.3V500mA
センサモジュールは AC100V 駆動とし，AC-DC コンバータによって DC12V まで降圧後，三端子レギュレータにより 5V 及び 3V まで降圧し，それぞれホール効果センサ（5V），PIC マイコン（3.3V），XBeeRF モジュール（3.3V）に電源供給される。
PIC マイコンでは，ホール効果センサ IC の電圧出力及び AC 入力電圧を分圧した電圧を 100μs 毎に 200 点サンプリングし，10bitAD 変換で取得した電圧をそれぞれ電流値及び AC 入力電圧へ変換した後，式 1，式 2により交流 1 サイクル（20ms）の間の二乗の時間平均の平方根を計算することで電流及び AC 入力電圧の実効値を求めている。また，式 3 により電流と電圧の積の時間平均を計算することで消費電力を算出し，併せて，式 4 により，先に求めた皮相電力（電流の実効値と電圧の実効値の積）との割合から力率を計算した。
なお，
クランプ式電力センサモジュールと同様，PICマイコンのデジタル出力を用いて XBeeRF モジュールのスリープ設定を行っており，PIC マイコンのプログラムを書き換えることで電力を測定する時間間隔及び取得データをサーバへ送信する時間間隔を自由に設定可能とした。

図 5 タップ式電力センサモジュールの外観
図 4 サンプリングのイメージ図

式 1 実効電流値

I rms 1 n 2
n j 1 i jn :サンプリング数

i : j 番目にサンプリングした電流値j

図 6 タップ式電力センサモジュールの内部
3.3 タップ式電力センサモジュールの開発開発したタップ式電力センサモジュールの外観及び内部をそれぞれ図 5 及び図 6 に示す。開発に用いた主要部品は次の通り。
・PIC マイコン
PIC24FJ64GA002（Microchip Technology Inc.）・無線モジュールXBeeRF モジュール XB24-Z7CIT-004（Digi International Inc.）
・ホール効果センサ IC ACS712ELCTR-20A-T(Allegro Microsystems)
・AC-DC コンバータ BP5710-1（ローム株式会社）
・三端子レギュレータ 5V100mA式 2 実効電圧値

V rms 1 n 2
n j 1 v jn :サンプリング数v : j 番目にサンプリングした電圧値
j式3消費電力 P 1 n n j 1 v j i jn :サンプリング数

茨城県工業技術センター研究報告 第 40 号

v : j 番目にサンプリングした電圧値
ji : j 番目にサンプリングした電流値
j式4力率 φPI rms V rms

3.4 XBeeRF モジュールの設定
本システムの無線通信においては家電向け短距離無線通信規格である ZigBee を採用した。ZigBee は低速（RF データ速度 250kbps）で転送距離が短い代わりに，安価で消費電力が少ない，またルータのデータ中継により直接電波の届かない端末間でも通信が可能という特徴を有しており，ワイヤレスセンサネットワークの構築に適した規格となっている。なお，ZigBee の基礎部分の仕様は IEEE802.15.4 として規格化されており，論理層以上の機器間の通信プロトコルについてはZigBee Alliance（http://www.zigbee.org/）により仕様の策定が行われている。
ZigBee ネットワークの構成モジュールはコーディネータ，ルータ，エンドデバイスの 3 種類からなるが，XBeeRF モジュール（図 6）
では，専用ソフトウェア X-CTUを用いることで 3 タイプのいずれにも設定が可能である。ここで，XBeeRF モジュールにはシリーズ 1 とシリーズ 2 があり，ZigBee のファームウェアはシリーズ 2にしか対応していないので注意を要する。本システム
では電力センサモジュールの XBeeRF モジュールをエンドデバイスまたはルータに，サーバに接続されるXBeeRF モジュールをコーディネータに設定した。
また，XBeeRF モジュールには透過モードと API モードの 2 種類が存在するが，今回は API モードを用いてネットワークを構築した。その他，XBeeRF モジュールの主な設定については次の通り。
・コーディネータ，ルータ，エンドデバイスの PANIDに共通の値を設定する。
・エンドデバイスの Sleep Mode を PIN HIBERNATE に設定する。SLEEP_RQ ピン（9 番ピン）を PIC マイコンのデジタル出力に接続することで制御を行う。
（SLEEP_RQ=High で Sleep，
SLEEP_RQ=LOW で Wakeup）
Sleep 設定を有効に利用することで消費電力を削減することができる。
（Sleep 時消費電流は 1μA 以下，Wakeup 時の消費電力は 30～40mA）・API Enable を 2 に設定し，escape character を有効にする。

図 6 XBeeRF モジュールの外観

3.5 サーバーサイドアプリケーションの開発
サーバーサイドアプリケーションの開発にはプログ
ラミング言語 Python（*1）を用いた。
開発したアプリケーションの機能は主に以下の 2 つからなる。
・サーバに接続された ZigBee コーディネータから，データ取得時刻，Zigbee エンドデバイス又はルータのアドレス，消費電力等のデータを取得し SQLite データベース（*2）に保存。XBeeRF モジュールへのアクセスには xbee-python ライブラリ（*3）
を利用した。
なお，コーディネータが壊れたパケットを受け取ることでサーバーサイドアプリケーションが停止する恐れがあるため，プログラムには壊れたパケットを自動的に破棄する手続きを加えている。
・SQLite データベースからグラフ化するために必要なJSON ファイル(JavaScript Object Notation の略で，テキストベースの軽量データ交換)（*4）を生成。
JSON ファイルは HTML 文書から JavaScript で読み込
み，Flash でグラフを描画するためのライブラリである Open Flash Chart2（*5）を用いてグラフ化を行った。
以上，Apache や Black Jumbo Dog 等の Web サーバを立ち上げることで，ネットワークに接続された PC のWeb ブラウザを通して消費電力等に関するグラフを閲覧することができる。なお，Flash を閲覧するためには別途 Adobe Flash Player（*8）のインストールが必要である。
（*1）http://python.org/（*2）http://www.sqlite.org/（*3）http://code.google.com/p/python-xbee/（*4）http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4627.txt(*5)
http://teethgrinder.co.uk/open-flash-chart-2/（*6）http://httpd.apache.org/（*7）http://www.spw02.sakura.ne.jp/spw/bjd/（*8）http://get.adobe.com/jp/flashplayer/
４．研究結果と考察開発した消費電力見える化システムから取得したグラフ及びを実際に設置した様子をそれぞれ図 7～図9 に示す。

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ジュールのアーバンレンジは最大 40m，見通しレンジは最大 120m 程）来年度以降，工場等での実証実験を予定しているが，このような通信障害が発生した場合は，エンドデバイスとコーディネータの間にいくつかのルータを配置する等の対策が必要になってくると考えられる。

図 7 電力見える化システムから取得したグラフ

図 8 タップ式電力センサモジュールの設置状況

図 9 クランプ式電力センサモジュールの設置状況
図 7 上図はタップ式電力センサモジュールから取得したデータ，下図はクランプ式電力センサモジュールから取得したデータをグラフ化したものである。ここでタップ式電力センサモジュールは卓上ライト，ヒータ(300W/600W），ノート PC2 台に，クランプ式電力センサ
モジュールは分電盤に設置されているブレーカ 4 台の2 次側 1 線にそれぞれ接続されている。
システムを設置するにあたり，XBeeRF モジュールのエンドデバイスとコーディネータ間に壁や扉の金属遮蔽物がある場合やモジュール間の距離がある距離以上になった場合に無線通信が途切れることがあった。
（データシートによると本システムに使用した XBeeRF モ

５．まとめ
PIC マイコン，無線モジュール XBee，クランプ式電流センサ，ホール効果センサ IC 等を用いてクランプ式及びタップ式電力センサモジュールを開発し，無線通信規格 ZigBee を用いて電力センサモジュールをノードとしたセンサネットワークシステムを構築した。
また，サーバーサイドアプリケーションとして，ZigBee コーディネータからデータを取得し SQLite データベースに保存するプログラム， SQLite データベースからグラフ化に必要な JSON ファイルを生成するプログラムを作成した。なお，JSON 形式のデータファ
イルはグラフ作成ライブラリ Open Flash Chart によりグラフ化することで，ネットワークに接続された PCの Web ブラウザから閲覧できるようになっている。
以上により，分電盤内の各系統やコンセントに接続される電気機器の消費電力を簡易的に見える化できるシステムを実現することができた。
６．今後の課題
来年度以降，本調査研究で開発したシステムを当センターに設置することで実証実験を行うとともに，特に工場等への導入を図ることで省エネルギー診断等に活用していく予定である。それに伴う課題として，次のようなことがあげられる。
・電力センサモジュールの三相電源対応
・電力センサモジュールの省電力化・電力測定精度の向上
・量産に向けた専用プリント基板の作成
・温度，照度等センシング可能な物理量の多様化
・システム利用者に応じたソフトウェアアプリケーシ
ョンの開発
・広範囲にわたる無線通信ネットワークの無線通信性
能評価
・電力見える化の結果を活用した付加システムの開発（照明や空調等の自動制御や消費電力推移予測等）
また，本調査研究で利用した技術は，生産現場のデータ収集，農場や農業ハウス内の環境管理等様々な応用が考えられる。今後諸分野への技術移転を図っていきたい。
６．謝辞
本調査研究にあたり，有意義なご助言をいただいた独立行政法人産業技術総合研究所情報技術研究部門スマートグリッド研究グループ，山形県工業技術センター
電子情報技術部情報研究科，栃木県産業技術センター
機械電子技術部電子応用研究室の皆様に感謝いたします。