論

若手研究者のための創造的論文特集

文

商用電源における電圧零交差点での電流制御による通信とパルス幅符号化
池上

洋行† a)

江崎

浩†

落合

秀也†

塚田

学†

新居

英明††

Z3C: Zero-Cross Current Communication with Pulse Width Coding over PowerLine
Hiroyuki IKEGAMI†a) , Hideya OCHIAI† , Manabu TSUKADA† , Hideaki NII†† ,and Hiroshi ESAKI†

あらまし スマートグリッドにおいて，電力線を用いた通信は利便性が高くさまざまな研究が行われているが，従来のいわゆる電力線通信は電圧に信号を印加する方式をとっている．本研究では，これまでほとんど研究が行われてこなかった電力線上で電流を使う通信方式に着目し，新しい電流ループを用いた電力線通信，Zero-Cross
Current Communication (Z3C) を提案する．Z3C では電圧零交差点付近で信号電流をパルス形状で発生させる．するとその信号は電力線の上位方向に向って伝搬し，下位から上位への通信が成立する．またパルス幅符号化により電流パルスを多値化する．本研究で開発した試験機による実験では，実際の商用電源の上で，さまざまな負荷装置のノイズに耐えて 300 bps の通信速度を達成した．
キーワード

電力線通信，スマートグリッド，電流ループ，低周波電力線搬送

1. ま え が きら，通信機器の場所特定や長距離伝送が可能な電流に

ZigBee，Bluetooth，WiFi，Wi-SUN，電力線通信

ない．

着目した電力線通信の研究は近年ほとんど行われてい(PLC: Power Line Communication) などの通信技

本研究では，低圧の商用電力線の上で電流を使って術は，近年の物のインターネット (IoT: Internet-of-

通信を行う新しい方式，Zero-Cross Current Commu-

Things) の流れの中で広く使われている．その中でnication (Z3C) を提案する．この方式では図 1 の矢も大きなアプリケーションとして注目されているエ
ネルギー管理システム (EMS: Energy Management

System) がある．EMS においても，スマートタップ・
スマートメータや各家電製品が前述のような通信媒体を用いて消費電力情報の収集や機器制御を行っている．

EMS ではあらゆる機器は電力線に繋がっていることから，PLC との相性が特によいと考えられる．PLCの技術は古くからあるが，近年特に EMS への応用を目指して活発に研究・開発がされている．しかしなが†

東京大学大学院情報理工学系研究科，東京都
Graduate School of Information Science and Technology,
The University of Tokyo, Tokyo, 113–8656 Japan††（株）IIJ イノベーションインスティテュート，東京都
IIJ Innovation Institute Inc, Tokyo, 102–0071 Japana) E-mail: ikegam@hongo.wide.ad.jp490

電子情報通信学会論文誌

図1

Z3C と従来型電力線通信の信号伝搬：Z3C では電力線をツリーとみたてた際に上位にのみ信号が流れる．
Fig. 1 Diﬀerence of signal propagation between
conventional PLC and Z3C.

c 一般社団法人電子情報通信学会 2016
B Vol. J99–B No. 7 pp. 490–500 

論文／商用電源における電圧零交差点での電流制御による通信とパルス幅符号化

印に示すように，電源を親とした木構造で電力線を見た際に，上位方向にのみ信号が伝わる．電流は電源と2. 関 連 研 究

負荷間のループであり，電源に向ってどこまでも流れ本研究に強く関係した研究分野として，電力線通信る．そのため Z3C における信号は，キルヒホッフの電と負荷機器識別がある．本章では，それらの研究領域

流則に従い分岐回路の電流と足し合されて行くが，信の方向性について俯瞰し，情報伝送に電流を用いる関号電流そのものは電源まで届く．この特性に着目した連性の高い TWACS について述べる．

先行研究として TWACS [1], [2] がある．TWACS は

2. 1 電力線通信と電流ループ

電流ループを用いる PLC 技術であり，高圧配電網で電力線は電気エネルギーを伝送するための線路であの長距離通信を実現するために開発された．TWACS

るが，この線路を用いて通信を行う技術が電力線通信

では 60 から 70 A 程度の電流パルスを用いて 50 bps

である．有線上の無線信号 [4] として，線路のモデル

程度の通信を実現している．

化や変調手法等，広く研究開発が進められてきた [5]．

従来の電力線通信と電流ループを用いる電力線通信

それらの研究の成果として，広帯域電力線通信ではのもう一つの違いとして信号伝搬範囲がある．図 1 にIEEE 1901-2010 [6]，狭帯域電力線通信では ITU-T

示すように，電流ループを用いる方式では上位方向のG.9903 [7] (G3-PLC) など標準規格も策定された．

みに流れる．そのため，枝葉に受信機をつけておくこ

これに対し，本研究で提案する方式は，交流商用電とで，どの枝葉から信号が発生したかを特定できる．

源を利用してそこからの電流を引き込む，電流ループ

一方，従来の電力線通信では信号は分岐を含めた電力を用いた通信であり，原理が全くことなる．従来の電線全体に広がるため，どの枝葉から発生した信号か特力線通信方式では，通常数百 kHz から数十 MHz と定することができない．提案の Z3C では，この特徴

いった周波数領域を使用した電圧を通信機から注入すに着目し機器識別などの応用を想定している．機器識

る．そのため，電力線を通信で言うところのバスと見別では，識別子を送受信するため数百 bps 程度の通信做すことができ，コンセントに通信機を接続するだけ速度が必要であり，またさまざまな機器に内蔵するたで他の通信機と通信ができる環境を構築してきた．

めには小型な通信回路が必要である．このような要件

電流ループは電源との間に形成され，このループ上

を TWACS で満すことは難しく，われわれは新しいに流れる電流はどの点でも同じであるという特性があ方式を提案している．

る．その特性から長距離通信に用いられることがおお本論では，Z3C におけるアップリンク通信 (下位にく，4-20 mA 電流ループ [8] や RS485 [9] などがある．

設置した子機から上位に設置した親機への片方向通信)

4-20 mA 電流ループは電流値に値を重畳し伝送する．

の基本理論・基礎実験について論じる．Z3C では，子RS485 では，低インピーダンスの終端抵抗を取り付け

機は交流電源電圧の零交差付近において，5 A 程度のることで電流を終端抵抗まで引き込み，信号を遠くま

電流パルスを発生させる．親機は零交差付近におけるで伝えることができる．しかしながら，この性質を用

電流パルスを検出することで通信を行う．またパルス

いた電力線通信の技術は十分に研究されていない．

幅への符号化を行い，最大 300 bps の通信速度を実現

2. 2 負荷機器識別・場所特定する．著者らの先行する研究として ECPLC [3] があ

負荷機器の識別や機器の場所特定の技術は，EMS にり，ECPLC では負荷機器識別という応用に絞って研おける自動的な電力分析を行うために必要である．こ究した．本論文は低圧環境における電流ループを用いの技術に対する要求は非常に高い．この要求は近年のる電力線通信の基礎技術に内容を拡充したものであり，

IoT の流れに従いコンセント単位での電力計測など，

パルス幅を用いた多値表現やノイズに関する評価等を非常に高い密度での計測を EMS で行うようになった

新たに行ったものである．

ことに起因する．おもに受動型と能動型の技術があり，本論文は次のように構成される．2. では，まず Z3C

特に受動型の研究は広く行われている．受動型とは，に関連した研究について述べる．次に 3. で，提案す電力データの時系列解析結果から負荷装置が何である

る Z3C のアップリンクについて詳細を説明する．4.

かを予測する技術のことである．Reinhardt らは，負でプロトタイプシステムを用いた実験とその結果につ荷装置の消費電力データを 1 分ごとに取得し，その時いて述べ，5. で考察を述べる．最後に 6. で本論文を系列データから機器の識別を行った [10]．また更に細まとめる．

かな，電圧・電流・力率のデータを用いた例として加藤491

電子情報通信学会論文誌 2016/7 Vol. J99–B No. 7

らの研究 [11] がある．これらの研究では，既設の電力

低い周波数を用いること，アップリンクでは電流ルー計のデータから機器識別できるという利点はあるが，プを用いることで長距離伝送に適した通信方式として推定であることから確度に限界があり同じ機器が複数提案され，運用されている．

あるときに個々の機器を識別できない課題がある．

TWACS はサイリスタを用いて線路を短絡することそういった問題が発生しない方式として，能動型ので交流電圧変動に受動的な電流パルスを作り通信を行手法がある．例えば新しい通信線をコンセントとプラう．短絡時の電流は線路のインピーダンスによって異グに追加し，コンセント・プラグ間で通信を行って識なり，厳密に計算できないため，十分な大きさの信号別する方式などは能動型である．電気自動車の充電規

電流を発生し，しきい値で信号電流の有無を判定する．

格ではコンセントとプラグの形状を変更し，新たな物

そのため，TWACS では原理的に各零交差点でパルス

理線を追加している [12]．また SONY は RFID の通の有無による 2 値 (1bit) しか表現できない．一方本

信機をコンセントとプラグに内蔵する認証コンセント

研究で提案する Z3C ではトランジスタを用いることを発表した [13]．電力網そのものを変更する方式としで能動的に制御された電流パルスを作り出す．その結ては，電力パケットがある [14], [15]．電力パケットで果，パルス幅を調整することで多値の表現が可能にな

は発電元が電力の宛先を電力につけて電力網に入れるる．実際に本研究で行った実験では，各零交差点で 8ことで電力がインターネットにおけるパケットのよう

値 (3bit) の転送を実現した．また低圧環境に着目するに伝送される．電力パケットでは負荷機器を発電元がことで発生するパルス高も 5 A 程度と低くすることが指定するため，そもそも負荷機器を明らかにするといでき，通信回路の小型化も可能となった．

うタスクを必要としない．
従来の能動的手法は，電力システムのさまざまな部

3. Z3C：電圧零交差点での電流通信分を変更する必要があり，変更コストが高い．そこで本章では，Z3C のアップリンク通信原理とパルス幅

既設の電力網をそのまま使用できる電力線通信による符号化について述べ，その線路モデルとパラメータに方法を考える．しかし，前述のように従来の電力線通関して解説する．その上で Z3C 装置の設計を行う．

信の信号は全てのコンセントに伝搬するため，利用す

3. 1 零交差点でのパルス幅符号化ることができない．一方で電流を用いる電力線通信でZ3C では交流電圧の零交差点付近を通信に用いる．

あれば，信号は上位方向のみに伝搬する．このため，

図 2 に示すように，電圧の零交差点付近において，任例えばコンセントなどの電力線の枝葉に受信機を付け

意幅 Tw の電流パルスを発生させる．このパルス幅 Twることで，既設の電力網を用いて負荷機器識別を行う

を変えることによって複数の情報を半周期に一度送信ことができる．

する．このパルス幅に多値情報を符号化する手法をパ

2. 3 TWACS

ルス幅符号化と呼ぶ．

TWACS とは，Mak らによって開発された電力線

理想的な波形の発生時の電圧 V と電流 I について

通信技術 [1], [2] である．電力会社の顧客に設置された

式 (1) に示す．このように，零交差点から Td まち，Ih

電力計の値を自動検針するために開発された技術であの電流パルスを Tw の間発生させる．波の負区間に入り，配電用変電所に設置された親機と各電力計に設置

る零交差点では −Ih のパルスを同様に発生させる．

された子機の間で通信を行う．親機から子機の通信をアウトゴーイング (ダウンリンク) 通信と呼び，子機V = V0 sin(ωt)

から親機の通信をインカミング (アップリンク) 通信と呼ぶ．日本においても導入を検討した美齊津らの研
究 [16] がある．

TWACS のアップリンク通信では，電圧の零交差点
直前から直後にかけて，サイリスタを用いて線路を短絡し 60 から 70 A 程度の電流を発生させ，この電流を親機で読み取ることで通信を実現している．ダウンリ
ンク通信は，親機でも同様に短絡し電圧にひずみを作ることで実現している．ダウンリンク通信では非常に
492

図2

Z3C における電流パルスの波形：零交差点から Td
時間後に Tw 時間・Ih の電流パルスを発生させる．
Fig. 2 Waveform of Z3C.

論文／商用電源における電圧零交差点での電流制御による通信とパルス幅符号化

⎧
⎨0
I=
⎩Ih

(1)
(Td < t < Td + Tw )ただし t は [0,π] の範囲とする．
ω

次に多値伝送を行うための，パルス幅符号化について述べる．まず一度のパルスで N 種類の値を伝送することを考える．具体的には，いまここで N 種類の状態を {s1 , s2 , · · · , sN } で表すとする．そして，ある状態 si に対し，Tw (si ) 幅のパルスを発生させるとする．ここで si に対して Tw (si ) の値は一対一に対応していて，Tw は Tunit の整数倍である．つまり Tw は，Fig. 3図 3 Z3C システムの電気回路モデル
Electrical circuit model for Z3C system.

∀i,j , i = j → Tw (si ) = Tw (sj )∀i , ∃k∈N , Tw (si ) = kTunit
を満すものとする．

地帯かつ電流パルスを用いたときに消費電力が少くなるという利点がある．

3. 2 実線上の線路モデル

例えば Tunit = 50 の場合，s1 = 0, 2 = 1 の二

ここでは，Z3C における電気回路の線路モデル (図 3)

値を送る場合，Tw (0) = 50, Tw (1) = 100 のようについて詳細に解説する．本論文で提案する電流パルに Tw を対応づけするとする．同様に四値の場合，

スを用いた Z3C においては，線路における抵抗が最

s1 = 00, s2 = 01, s3 = 11, s4 = 10 を Tw (00) = 50,

も重要となる．その理由として零交差点付近で電流をTw (01) = 100, w(11) = 150, Tw (10) = 200 などと流すと言う点がある．商用電源をコンセントで短絡しする．

た場合に，取り出すことが可能な最大の電流は線路抵

電圧の零交差点付近を用いる理由は二つある．一つ

抗によって定まるためである．

は電力線本来の負荷電流も同様に少ない点，二つ目は

例えば線路抵抗が 1 Ω の場合において，1 A の電流

消費電力を抑えられる点である．個別の理由について

パルスを取り出すためには，交流電源側が 1 V 以上必詳しく説明する．

要であり，0 から 1 V までの間はパルスの発生を待つ

商用電源に接続される負荷にはおおきく分けて，交流電力をそのまま適応できる交流負荷と，交流電力を直流に変換して使用する直流負荷がある．直流負荷で必要がある．そのため，線路抵抗 RP 1 と電流パルスの高さ Ih が遅延時間 Td を決定する．
線路抵抗は図 3 における，RP 1 ，RP 2 と RIN T のは交流直流変換器 (ACDC アダプタ) を用いて電力を三種類からなる．RP 1 はコンセントまでの線路抵抗で供給する．この交流直流変換器は，零交差点付近におある．日本のような交流 100 V の場合，電圧は ±10 V

いては電流をほぼ発生しないという特徴がある．交流に収まる必要があるため，コンセントでの最大電流負荷においては，力率の低い機器が存在し，電流パル

15 A を流した場合でも 10 V の電圧降下となるよう

スと負荷電流が重なるが，交流負荷においては負荷電に線路抵抗は設定する必要があるため通常 1.5 Ω 以下

流波形がなめらかであるため電流パルスをはっきりとである．次に RP 2 であるが，これはコンセントから識別できる．このように，零交差点付近においては，送信機までの線路抵抗であり事前に予想することは難負荷電流の絶対値が低い・みだれが少ない傾向があり，

しいが，最大でも 1 Ω 程度であると考えられる．ま電力伝送の空白地帯となっていると言える．
二つ目の理由が消費電力である．電流パルスの高さ

た，RIN T は送信機の内部抵抗であり，送信機の実装による．

を一定とした場合，電源電圧は低い方が消費電力は少

ここで，線路モデルを数式で表現する．まず送信機ない．例えば 1 V のとき 10 A の電流パルスを 100 マにかかる電源電圧 VAC を時間 t に関する関数として，

イクロ秒間発生した場合，消費電力量は 1 mWsec で

式 (2) のように定義する．ここで，Vsys と fsys は電あり，0.1 V のときには 0.1 mWsec となる．

源電圧と周波数であり，日本の関東圏では 100 V とこのように，零交差点付近は電力供給における空白

50 Hz である．
493

電子情報通信学会論文誌 2016/7 Vol. J99–B No. 7

図 4 Z3C の送信機：零交差点検出回路からのトリガを受けて，定電流回路を駆動する．
定電流回路はダイオードブリッジを介して電源線に電流 IC を発生する．
Fig. 4 Transmitter of Z3C.

VAC (t) =√2Vsys sin(2πfsys t)(2)

1
ただし t は [0,] の範囲とする．
2fsys
前述のように，線路抵抗によって送信機が電源から引き込む電流は制限されるためパルス発生時の IC は式 (3) のように Ih か，電圧と線路抵抗から求まる最大電流のどちらか小さい方となる．

⎧
⎪
⎪
0
⎪
⎨


AC (t)IC (t) = min R V+R
, Ih
IN T
P 1 +RP 2⎪⎪⎪⎩(Td < t < Td + Tw )(3)
つまり，定電流源による制御された Ih を得るため

図5

Z3C の受信機：電流トランス (CT) を用いて，電圧
零交差点付近において電流パルスを検出する．
Fig. 5 Receiver of Z3C.

一方，電流パルスを送信するにあたって，電源電圧
は時間とともに増加して行く．通信に用いてよい電力についても，Tw や Ih を定める重要なパラメータである．消費電力を算出するための計算式を式 (6) に示す．

 Td +Twには，零交差点からの待ち時間 Td を適切に設定する必要がある．この最適な Td を式 (2)，(3) から導出しWcom =

設定することで，送信機は Ih のパルス高をパルス発

1
RIN T + RP 1 + RP 2√
arcsin(Ih ) (4)2πfsys2Vsys

単位パルス幅 Tunit は受信機のサンプリングレート

fsamp によって定まる．本論文では許容するパルスのエラー幅を 40%とするために，式 (5) を満すパルス幅を，最小単位として用いた．この Tunit の整数倍を用いてパルス幅符号化を行う．

Tunit ≥

1
fsamp

494

3. 3 送受信機の設計
線に流れる電流を計測する回路を設計した．送信機の回路ブロックを図 4 に，受信機のものを図 5 にあげる．受信機では検出した立ち上がり・立ち上がりエッジが規定パルス高の 70%を超えているときにパルスと認識する．
送信機の主たる部分は，引き込み型の定電流源回路である．トランジスタを制御し，負荷を変動させることで電源電圧にかかわらず一定の電流を発生する．

Vin ，V+ ，V− と VR はそれぞれ入力電圧，オペアン

× 2.5

Tw = N Tunit(6)零交差点で電流パルスを発生させる定電流回路と電生時から得ることができる．

Td ≥IC (t)VAC (t) · dt × 2fsys

Td

たものが式 (4) となる．この式で得られる値を Td にプのプラス電圧，マイナス電圧，そしてオペアンプの(5)出力電圧である．オペアンプはプラス電圧とマイナ

論文／商用電源における電圧零交差点での電流制御による通信とパルス幅符号化

ス電圧が等しくなるように出力電圧を制御する．つ

もしも検出できなかった場合や検出に失敗した場合にまり，Vin = VR となるように制御される．その結果はエラーコードを送信する．送信機はコンピュータか

Ih = Vin /RC となり，電源電圧にかかわらず定電流をらパルス幅の指示を待ち，受信すると次の零交差点で流すことが可能となる．

パルスを発生する．その後，送信完了をコンピュータ

マイクロコンピューティングユニット (MCU) は，に伝える．そのため各零点で連続的にパルスを発生す

この定電流回路を制御することで，任意幅のパルスをるためには，コンピュータは次のパルス発生までの待発生させる．MCU は Tr2 を制御することで V+ をゼ

ち時間 (5 から 8 ミリ秒程度) に次のパルス幅を送信機

ロにすることができる．これによって，定電流回路のに送信する必要がある．

動作を制御可能であり，任意幅のパルスが発生可能で送受信機とコンピュータ間のフレームフォーマット

ある．商用電源に接続された，フォトカプラを用いた

は開始記号 1 バイト，データ 1 バイト，チェックサム

電圧零交差点検出回路からの入力ををトリガとして電1 バイトの計 3 バイトである．開始記号には 0xaa を

流パルスを発生する．

用いている．データはパルス幅で，チェックサムには

電圧零交差点検出回路は交流用フォトカプラを用いデータと同じ内容をもう一度入れる．パルス幅は 4 マている．電圧が低くなった零交差点付近において，交イクロ秒単位で設定し，単位パルス幅 Tunit 以下の値

流用フォトカプラ内の LED が消灯するため，出力トにエラーコードを割り当てている．

ランジスタがオープンとなる．フォトカプラの出力をプルアップしておき，零交差点を検出する．

4. 実験・結果

受信機は電流トランス (CT)，MCU と送信機と同

本章では，提案した Z3C についての実験結果につじ電圧零交差点検出回路からなる．零交差点のトリガ

いて報告する．実験はプロトタイプを開発し，提案しを受けて，MCU が電流トランスから値を得てメモリている通信原理やモデルについて検証した．また通信に記録する．そのあと電流パルスが含まれるか確認す

機の設計についても評価した．

る．電流パルスの検出にはエッジを用い，エラーが 3
割未満の立ち上がり・立ち下がりのペアを電流パルス

4. 1 実 験 設 定
実験は図 6 に示すような接続を用いて行った．送信機と受信機の間に延長ケーブル (RP 2 ) を複数準備として認識する．
送受信機と通信制御用のコンピュータ間のインタ

し，受信機を直接壁面のコンセントに接続した．実験

フェイスには USB シリアルインタフェイスを用いる．

を行った建物は東京大学本郷キャンパス工学部 2 号館

通信速度は 115200 bps とする．受信機は 10 ミリ秒間で，実験室は 10 階である．また送信機を壁面コンセ

隔 (半周期に一度) で，検出したパルスの幅を送信する．

ントに直接繋いだ際の送信機から見た配線抵抗 (RP 1 )図6

実験設定：壁コンセントに受信機を接続し，電源延長ケーブル経由で送信機を受信機に接続した．送受信機とコンピュータを USB により接続し送受信の制御を行った．送信機の後段には四種類の負荷装置を用意して適宜接続し実験した．
Fig. 6

Experiment setting.

495電子情報通信学会論文誌 2016/7 Vol. J99–B No. 7

Table 1

表 1 実験用の送受信機実装
Implementation of transmitter and receiver.

ReceiverMCU
ADC
Current sensing
Burden resistor
Voltage sensing
Transmitter
MCU
Voltage sensing
Constant current
sourceRC

ATMEL ATmega328P, 16MHz,
2KB SRAMMCU internal, 60 kHz
CT, U RD CTL-10-CLS
1 kΩ
Fairchild Semiconductor
FOD814A300W
ATMEL ATmega328P, 16MHz,
2KB SRAM
Fairchild Semiconductor
FOD814A300W
HTC LM358N, TOSHIBA
2SC5200, 2SC3421
0.39 Ω

図7

抵抗値別の電流パルス波形：抵抗値が増えて行くと，パルスの立ち上がりがなめらかになって行くことが確認できる．
Fig. 7 Pulse waveform with diﬀerent resistor.

は 0.7 Ω であった．
送受信機の実装においては，表 1 に示すような部品を用いている．本実装においては，送受信機に用いた MCU の性能から Tunit を 40 マイクロ秒・8 値(3bit) を 1 パルス (40 マイクロ秒から 320 マイクロ秒の幅) で送信するとして実験機を開発した．通信速度は 300 bps となる．
送受信機間は JIS C 8303 規格のコンセント・プラ
グを用いて接続しており，ケーブルは JIS C 3342 準拠の導体径 1.6 mm ケーブルである．各送信機受信機
で，15 cm づつケーブルを使用している．これらの線
抵抗と送信機の内部インピーダンスが RIN T を構成し

図 8 パルス発生の重ね描きによるアイパターン：Tektronix MDO3014 で取得．40 マイクロ秒のパルス
幅の差が十分に広いことが確認できる．
Fig. 8 Eyepattern of current pulses.

ており，1.3 Ω である．
送信までの待ち時間 Td とパルス高 Ih は，送信機を次にパルス幅符号化を行った各値を送信しながら，直付け (RP 2 = 0 Ω) した場合の抵抗値を使い，式 (4)100 回重ねがいたときのアイパターンを図 8 に示す．

により計算して 250 マイクロ秒と 5.5 A とした．

十分に広い目があいていることが確認できることから，

4. 2 送信機・受信機設計の評価

非常に安定してパルスが発生できていることがわかる．

まず引き込み方の定電流源を用いた電流パルス発電流パルスを発生させるにあたっては，パルスの立ち

生回路のパルス発生特性の評価を行った．長さのこ上がり・立ち下がりにどの程度の時間が必要かが重要となる 3 種類の延長ケーブル，4 m (0.10 Ω)，60 mになる．本実験の結果から，数マイクロ秒程度で数 A(0.64 Ω)，100 m (0.98 Ω) を用いて，280 マイクロ秒

程度の急しゅんな立ち上りが可能なことがわかる．まのパルスを発生させ，配線抵抗による立ち上がりエッた筆者らが試した他の建物でも同じような特性がみらジの鈍化を図 7 のように確認した．

れた．つまり，商用電源のインダクタンス・キャパシ

図が示すように配線抵抗をおおきくすることでパルタンスによるパルスの立ち下がり・立ち上がり時間にスの立ち上がりがなだらかになって行くことが確認でついては，提案手法で用いるような数十マイクロ秒かきる．配線インダクタンスから発生するであろうオーら数百マイクロ秒の電流パルスでは無視できる．

バシュートやアンダシュートは 100 m のケーブルを用

次に受信の特性評価を行った．送信機から図 8 といた際に確認できる．しかしながら，電流パルス全体

同じパルスを 500 回送信し，受信機で受けてパルス幅の長さからすると無視することができるとわかる．

の誤差を測定した．その結果を図 9 に示す．縦軸がエ496

論文／商用電源における電圧零交差点での電流制御による通信とパルス幅符号化

ルスしか入らず十分に弁別可能である．ACDC コン
バータは電圧のピーク付近では鋭い電流パルスを発生するが，零交差点付近では電流を発生しない．そのため，理想的にはパルス高 0 A/Δt のみが検出される．
実験結果には受信機の AD 変換結果の揺らぎが現れている．その他の機器については，零交差点付近の電流が穏やかに変化しているため，検出されるパルス高は低い．
また，各負荷の消費電流と送信機の信号を重ねあわせたグラフについて，付録 A· 1 として掲載する．エッジ検出区間を矩形で囲んでいるが，そのグラフからも負荷電流に対して十分な高さの電流を発生できている
送信パルス幅 Tw に対する受信エラー量：送信したパルス幅 Tw に対して受信したパルス幅の差分をカ
ラーマップで表示 (枠内の数字は回数を示す) した．
受信のエラー幅が Tw にかかわらずおおよそ ±5 マ
イクロ秒に収まっていることがわかる．
Fig. 9 Error of received pulse versus sent width.

図9

ことが確認できる．

5. 考察

本章では，実験結果の考察を行い，今後の課題について整理する．

5. 1 電力線上での電流ループの可能性
ラーで，横軸が送信したパルス幅である．

実験結果により，5 A 程度の電流パルスを零交差点

この受信エラーについては，前述のようにサンプリ付近に発生させることによって，通信可能なことが実

ングレートにより発生する．今回の 60 kHz で発生し証できた．またパルス幅符号化を用いることで電流パうるエラー 16 マイクロ秒以下となっており設計と一致

ルスによる多値伝送が可能であることも確認できた．

する．またパルス幅がかわってもエラーの幅がかわら

図 10 の全機器を足し合せた結果により，零交差点付

ないことからも，サンプリングによる一定量のエラー

近に高い電流パルスを発生させることで，検出が容易と考えることができる．

なパルスが発生できることも確認できた．また，力率4. 3 ノイズに関する評価

100%の機器を考えたときに，数 A の電流値が零交差

提案手法におけるノイズとは負荷機器そのものが流点付近に生れるということはピークでは数十 A の電す，零交差点付近での電流である．そこで今回用意し流が流れるということで，送信機のような機器は通常た四種類の負荷装置のノイズ (負荷電流) と送信機の信存在しえないと考えられる．

号を比較した．零交差点から 60 kHz で 100 回サンプ

しかしながら商用電源で用いられる 200 V-6600 V

リングを行い，各サンプル値の前後差分値をとりエッの昇圧トランスを通過する場合では，電流値が 1/33

ジ高とする．送信機の信号とノイズのエッジ高間に差となり，更に他の機器の電流も追加される．この場合が十分にあることを示す．ここでは，図 10 のようにについての実験・考察はできていないため，今後の課四種類の負荷装置と送信機での電流振幅差のヒストグ

題となる．

ラムを用いて比較を行った．また右端の ALL とはこ

5. 2 引き込み型定電流源による電流パルスの発生

こにある全ての負荷装置を同時に動かして計測した負提案手法では，引き込み型の定電流源を用いて電流

荷電流ノイズである．X 軸の値は検出回数であり，Y

パルスを発生した．実験により，本設計で十分急しゅ

軸の値はエッジ高である．また Y 軸の値は MCU のんな電流パルスが発生可能であることが確認できた．

ADC の読み値で量子化されている．(幅はおおよそ

また受信機についても，発生したパルスを受信できる

0.044 A/Δt)

ことが確認できた．このことは提案手法の現実的な実送信機の発生する電流パルス高である 5.5 A 付近にピークが確認できる．また他の負荷装置のピークが十装が可能であるということを表し設計の正しさを示すものである．

分に低いことも確認できる．70%の高さで検出を行う

しかしながら定電流源の構成では，半導体スイッチ

ため立ち上がり・立ち下がり検出範囲には送信機のパと制御抵抗を電力線に直列接続するという構成を取る
497

電子情報通信学会論文誌 2016/7 Vol. J99–B No. 7

図 10

検出エッジ高のヒストグラム：X 軸は回数 (対数軸)，Y 軸は電流値である．右端は全負荷の合計電流によるプロットである．送信機が用いた 5.5 A というパルス
高が十分に高く弁別可能なことを示している．
Fig. 10 Histogram of height of detected edges.

ため，電圧が低いときに電力線の配線抵抗によって取(Z3C) が実現できることは確認できた．提案する Z3C

り出せるパルス高が制限される．そのため制御抵抗を

は商用電源で電流ループによる閉じた通信を実現でき，取り払った半導体スイッチのみで定電流源を構成する

今後スマートグリッドでの応用が考えられる．
文

ような実装が今後重要になると考えられる．

5. 3 今後の課題[1]

way automatic communication system for distribu-

今後の課題として特に重要なものは，大規模伝送モ

tion networks. part i: Outbound communication,”

デルの研究があると考えられる．本論では，ビル内のIEEE Trans. Power Apparatus and Systems, vol.PAS-

電力線や，昇圧トランスなど電力網全体のことは考慮しなかった．しかしながら電流信号の性質上，コンセ

101, no.8, pp.2941–2949, Aug. 1982.
[2]

bution networks. part ii: Inbound communication,”

は，ビル内部の電力線や配電網全体でも発生しているIEEE Power Engineering Review, vol.PER-4, no.8,と考えられる．これらの信号は場合によっては変電所

pp.51–51, Aug. 1984.
[3]

cation for plug-load device auto identiﬁcation,” 2014

な長距離通信技術になりえる可能性がある．

IEEE International Conference on Smart Grid Com-

同時にこの特性は，同じ電力線内で複数の送信機・

munications (SmartGridComm), pp.121–126, Nov.
2015.

受信機ペアを配置するときに混信が発生する可能性が
要がある．

[4]

片 山 正 昭 ， “電 力 線 通 信 ，” 計 測 と 制 御 ，vol.44, no.6,
pp.378–383, 2005.

[5]

N. Pavlidou, A.J.H. Vinck, J. Yazdani, and B.
Honary, “Power line communications: state of the

6. む す び
本論文では，電流パルスを商用電源から引き込むこ

H. Ikegami, M. Tsukada, H. Ochiai, H. Nii, and H.
Esaki, “Electric current based power line communi-ていると考えられ，自動検針などに用いることが可能あることも示しており，今後の課題として検討する必S.T. Mak and T.G. Moore, “Twacs, a new viable
two-way automatic communication system for distri-

ントと送信機の間でやりとりされたエネルギーの移動から需要家までといった非常に長い距離でも伝送され

献

S.T. Mak and D.L. Reed, “Twacs, a new viable two-art and future trends,” IEEE Commun. Mag., vol.41,
no.4, pp.34–40, April 2003.
[6]

IEEE, “IEEE standard for broadband over power lineとで通信を実現する Z3C を提案した．提案は商用電networks: Medium access control and physical layer

源の下位におく送信機から上位の受信機までの片方向

speciﬁcations,” IEEE Std 1901-2010, pp.1–1586, Dec.

の通信であり，その通信について原理を述べ，送受信機の設計を行った．また実際に設計にあわせて実装を

2010.
[7]

multiplexing power line communication transceivers

開発し，それを用いて動作の検証を行った．昇圧トラfor g3-plc networks,” ITU-T G.9903, pp.1–226, Feb.
2014.

ンスを含んだ大規模伝送モデルの必要性などの課題が存在するが，提案する電流ループを用いた電力線通信
498

ITU, “Narrowband orthogonal frequency division[8]

Acromag, “Introduction to the two-wire transmitter

論文／商用電源における電圧零交差点での電流制御による通信とパルス幅符号化[9]and the 4-20ma current loop,” Whitepaper, pp.1–8,

丹羽章裕，中村達也，竹内伸二，井出崎功，竹本Aug. 2015.

崇史，“低周波電力線搬送方式の配電系統における伝送特性，” 電気学会研究会資料，CMN, 通信研究会，vol.2011,
no.1, pp.53–59, Jan. 2011.

M. Soltero, J. Zhang, and C. Cockrill, “422 and485 standards overview and system conﬁgurations,”

聡，中野Texas Instruments Application Report, pp.1–33,

付

June 2002.
[10]

Hollick, H. Chonov, M. Werner, and R. Steinmetz,

負荷電流と電流パルスの重ね合わせ“On the accuracy of appliance identiﬁcation based

図 A· 1 は本実験で用いた四つの負荷装置の消費電

on distributed load metering data,” Proc. 2nd IFIP

流に，送信機が発生する電流パルスを重ねあわせたもConference on Sustainable Internet and ICT for Sustainability (SustainIT), pp.1–9, 2012.
[11]

録

A. Reinhardt, P. Baumann, D. Burgstahler, M.

T. Kato, H. Cho, D. Lee, T. Toyomura, and T.
Yamazaki, “Appliance recognition from electric current signals for information-energy integrated network in home environments,” Ambient Assistive
Health and Wellness Management in the Heart of theのである．十分に検出しやすく，高い電流が発生していることが確認できる．
図中のエッジ検出域でのエッジ高さをプロットしたものが，図 10 である．
（平成 27 年 10 月 27 日受付，28 年 2 月 23 日再受付）

City, pp.150–157, 2009.
[12]

SAE, “Sae j1772: Electric vehicle and plug in hybrid electric vehicle conductive charge coupler,” Jan.
2010.

[13]

Sony develops “authentication outlet” where electricity use can be managed and consumed on a per-user
and per-devicee basis, 2012. http://www.sony.net/
SonyInfo/News/Press/201202/12-023E/index.html

[14]

[15]
[16]

斎藤浩海，宮森 敏，島田 亘，豊田淳一，“開放型電力
ネットワークにおける自律分散的電力流通を実現する機” 電学論（B），vol.117, no.1, pp.10–18,
構の基礎検討，
Dec. 1996.
引原隆士，“電力のパケット化とルーティング技術，” 情報処理，vol.51, no.8, pp.943–950, Aug. 2010.

美齊津宏幸，鈴木大，山崎雅生，中城陽，齊藤安徳，図 A· 1 各負荷装置の消費電流と送信機の電流パルス：Tektronix MDO3014 により取得・パルスの立ち下がりでトリガ取得している．右上のもののみ Y 軸のスケー
ルが異なる．エッジ検出域において，電流パルス高が負荷電流と比較して十分に高いとわかる．
Fig. A· 1

Waveforms of each load devices with Z3C pulse.

499電子情報通信学会論文誌 2016/7 Vol. J99–B No. 7

池上

洋行

江崎

浩

（正員）

1986 年生．2007 年国立詫間電波工業
高等専門学校電子工学科卒業．同年 (株)ネットワーク応用通信研究所入社．2010 年

昭和 38 年生．昭和 62 年九州大学・工・電子修士課程了．同年 (株) 東芝入社．平成 2 年米国ニュージャージ州ベルコア社．

退職．同年香川高等専門学校専攻科入学．
2012 年修了．同年東京大学大学院・情報理工学系研究科博士前期課程入学．2014 年

平成 6 年コロンビア大学・客員研究員．平成 10 年東京大学大型計算機センター・助教授．平成 13 年同大学大学院・情報理工修了．同年東京大学大学院・博士後期課程進学，現在に至る．
エネルギー管理システムでの負荷機器自動認識の研究に従事．

学系研究科・助教授．平成 17 年同大学大学院・同研究科・教授，現在に至る．博士 (工学，東京大学)．MPLS-JAPAN 代
表，IPv6 普及・高度化推進協議会専務理事，WIDE プロジェ

落合

秀也

（正員）

昭和 58 年生．平成 18 年東京大学・工・
電子情報工学科卒．平成 23 年同大学大学
院・情報理工学系研究科・博士課程了．同
年同大学・大規模集積システム設計教育研究センター・助教．平成 26 年同大学大学
院・情報理工学系研究科・講師，現在に至る．博士 (情報理工学，東京大学)．設備ネットワーク，広域セン
サネットワーク，遅延耐性ネットワーク研究の他，IEEE1888，
ISO/IEC の設備ネットワーク標準化活動に従事．

塚田学

1982 年，京都生まれ．2005 年慶應義塾大学環境情報学部卒業．2007 年慶應義塾大学政策・メディア研究科修士取得．2007

年よりフランス・パリ国立高等鉱業学校(Mines ParisTech) ロボット工学センター
博士課程在籍及び，フランス国立情報学自動制御研究所 (INRIA) の IMARA チームにて研究員として勤務．2011 年博士号取得．現在は，東京大学大学院情報理工学系研究科の特任助教．2014 年より WIDE プロジェクトのボードメンバー．自動車の情報化など，次世代インターネット
IPv6 における移動体通信に取り組む．

新居英明

1970 年生．1995 年東工大大学院理工学
研究科制御博士前期課程了．同年 (株) ト

キメック入社．2003 年退職．同年電通大
大学院・電気通信学研究科博士後期課程入学．2006 年東大大学院・情報理工学系研
究科助教．2009 年慶大 KMD 特任講師．
2010 年シンガポール国立大学研究員．2012 年より (株) IIJ イ

ノベーションインスティテュート，現在に至る．博士（工学・電通大）．3D ディスプレイ及びプロジェクターカメラ系インタ
フェースの研究に従事．

500

クト代表，JPNIC 副理事長．