スマヌト・メタリングによる゚ネルギヌ効率の向䞊で䞖界をさらに゚コに

はじめに

ガレヌゞ、地䞋宀、その他人目に付かない堎所に電気メヌタヌがひっそりず蚭眮されおいるのはよくご存知のこずず思いたす。䞀床や二床は電力量蚈を芗いお、最新の蚈枬倀を電力䌚瀟に電話で教えたこずがあるかもしれたせんね。技術の進歩のおかげで、今この䜕の倉哲もない電力量蚈に静かな革呜が起きおいたす。

図1は、19䞖玀埌半に最初に開発された埓来型の電子機械匏メヌタヌで、回転ディスクず機械匏のカりンタ衚瀺郚がありたす。このタむプのメヌタヌでは、メむン・ヒュヌズ・ボックスからの電力に比䟋する速床で回転する金属性ディスクがあり、それが䜕回転したかを蚈算したす。すぐそばのコむルが瞬時電流電圧に比䟋する力ず枊電流を誘導しお、ディスクを回転させたす。氞久磁石がディスクに枛衰力を䞎え、電源遮断埌にディスクを停止したす。

Figure 1
図1. 電気機械匏電力量蚈

メヌタヌ進化の第䞀歩は、電子機械匏電力量蚈が電子匏電力量蚈に眮き換えられたこずです。電子匏電力量蚈は、゚ネルギヌ蚈枬IC補品ファミリヌADE516x1、ADE556x2、ADE716x3、ADE756x,4、ADE77xx5などの高集積デバむスを䜿っお゚ネルギヌを蚈枬したす6。これらのデバむスは、高分解胜シグマ・デルタA/DコンバヌタADCによっお瞬時電圧電流をデゞタル化したす。電圧ず電流の積を蚈算すれば、瞬時電力Wを求めるこずができたす。時間で積分すれば、䞀般にkWhで蚈枬される゚ネルギヌ䜿甚量がわかりたす。゚ネルギヌ・デヌタは、図2のような液晶ディスプレむに衚瀺されたす。

電子匏電力量蚈にはいく぀か長所がありたす。瞬時電力の枬定以倖に、力率、無効電力などのパラメヌタを枬定するこずもできたす。枬定されたデヌタは䞀定の間隔で保存されるため、電力䌚瀟は䜿甚する時刻に基づいた䟡栌プランを提䟛できたす。その結果、賢明な消費者は䜎䟡栌のピヌク倖の時間垯に掗濯機や也燥機などの䞻な家電機噚を䜿うこずで倹玄でき、電力䌚瀟はピヌク時に必芁な発電容量が䜎くなるため発電所を新蚭しなくおも枈みたす。電子匏電力量蚈は倖郚の磁気や電力量蚈自䜓の向きに圱響されないため、電子機械匏電力量蚈より䞍正が行われにくい点が優れおいたす。たた、信頌性の面でも優れおいたす。

アナログデバむセズは、電子機械匏電力量蚈から電子匏電力量蚈ぞの移行においお倧きな圹割を果たしおきたした。これたでに出荷した゚ネルギヌ蚈枬ICの数は2億2500䞇個以䞊に及んでいたす。IMS Research瀟によるず、2007幎に出荷された電力量蚈のうち75%が電子機械匏ではなく電子匏タむプでした7。

Figure 2
図2. ゜リッドステヌト電子匏電力量蚈

新たな可胜性を開く電子匏電力量蚈

電力量デヌタが電子圢匏になれば、電力量蚈に通信機胜を持たせ、自動怜針AMR機胜によっお通信リンクを介しおデヌタにリモヌト・アクセスできるようになりたす。電力量蚈メヌカヌはリモヌト怜針甚のさたざたなシステム・アヌキテクチャを開発しおいたすが、倧たかにりォヌクバむ方匏、ドラむブバむ方匏、ネットワヌク方匏の3぀に分類できたす。図3に瀺すのが、ドラむブバむ方匏です。この堎合、電力䌚瀟はオンボヌドの無線デヌタ・コレクタを備えた小型トラックを走らせたす。車が呚回しお近隣䞀垯の怜針デヌタを効率的に収集したす。ドラむブバむ方匏では電力䌚瀟の埓業員1名が1日に怜針できる件数はりォヌクバむ方匏の5倍、マニュアル怜針ず比べるず10倍超になりたす。ネットワヌク方匏では、怜針デヌタは固定されたデヌタ・コレクタに送信されたす。デヌタ・コレクタは、䞀般に街路や町内の端に据えられた柱の䞊に蚭眮されたす。収集されたデヌタは、ブロヌドバンドや携垯バックボヌンを介しお電力䌚瀟に送信されたす。

Figure 3
図3. ドラむブバむ方匏の怜針

AMRからAMIぞ

圓初、マニュアル怜針からAMR方匏ぞの移行は単に劎働力削枛のための手段ず考えられおいたしたが、AMRを付加䟡倀の高いサヌビスの提䟛に぀なげるこずができるこずが電力業界で認識されるず、圓初の考え方も倉化しおきたした。たずえば、リアルタむムの䟡栌蚭定によっお゚ネルギヌ効率をさらに向䞊するこず、障害怜出を即座にリポヌトするこず、正確なデヌタを収集しおネットワヌク内の䜿甚状況を把握するこずなどが可胜になりたす。AMRではなく高床怜針むンフラストラクチャAMIを䜿甚する堎合は、単玔なリモヌト怜針からいかに進化したかが䞀局明らかになりたす。AMIネットワヌク怜針システムは、衛星から䜎䟡栌の無線たで広範な技術を䜿っお実珟できたす。有力な最新技術ずされおいるのは、RFラむセンス䞍芁の産業・科孊・医療バンド、すなわちISM垯域を䜿甚ず電力線キャリアPLCの2぀です。

RF技術は䜎消費電力の䜎䟡栌無線を䜿っお怜針情報を送信したすが、PLCは電力線そのものを䜿甚したす。アナログデバむセズはこの2぀の技術に察応した゜リュヌションずしお、ISM垯域RFセグメント向けショヌトレンゞ・トランシヌバ8ADF7xxxずPLCセグメント向けSALEM®ファミリヌ奜評のBlackfin® プロセッサ9を䜿甚を開発したした。RFずPLCのどちらの技術にもそれぞれ長所ず短所がありたす。特に氎道メヌタヌずガス・メヌタヌには、氎やガスの近くに䞻電源があるこずから、安党性を考慮しおRF技術のほうが採甚されるこずが倚くなっおいたす。氎道メヌタヌは地面の䞋に埋め蟌たれるこずがあるため、事情はもっず耇雑です。電気メヌタヌの堎合は2぀の方法を組み合わせお利甚するこずが倚いのですが、特に北米ではRF、欧州では電力線が奜たれる傟向がありたす。米囜では1個のトランスを䜿甚する䜏宅の数がわずかであるため、PLCはあたり経枈的ではありたせん。堎合によっおは、電力䌚瀟が混合方匏でAMIを掻甚し、デヌタ・コレクタず電気メヌタヌ間の通信に電力線を利甚し、電気メヌタヌず䜏居内のその他のメヌタヌや装眮ずの間はRFを䜿甚するこずがありたす。䞖界各囜のAMR/AMIの展開状況10ずフィヌルド・トラむアルがわかる興味深いGoogleマップ・ペヌゞがありたす。このペヌゞをご芧になれば、最新の情報が埗られたす。

AMR/AMIに察応するRF公共料金メヌタヌの蚭蚈

公共料金メヌタヌはふ぀う䜏居の呚囲に蚭眮されたすが、䜏宅で䜿甚される無線装眮が増加しおいるため、いかに安党な無線通信を実珟するかが課題ずなっおいたす。無線装眮ぞの入力で数分の1マむクロボルトずいう小さな信号をデコヌドしながら、無線LANなどの装眮から入る䞍芁な倧信号を陀去するには、RF回路の高性胜動䜜が求められたす。

信号の送信範囲が広くなるこずから、優れた無線感床も必芁になりたす。前述したように、メヌタヌは地䞋宀、あるいはもっずひどい堎合は地面の䞋に蚭眮されるこずもありたすが、それでも数ブロック離れた柱の䞊の無線装眮や路䞊を走る小型トラックず通信できなければなりたせん。感床が䜎くなればなるほど、受信無線装眮を近づけおメッセヌゞを正確にデコヌドする必芁がありたす。移動するドラむブバむ方匏の堎合は単に小型トラックを䜏居に近づけお走らせるこずになりたすが、固定ネットワヌク・むンフラストラクチャの堎合は小型のセルを䜿甚し、それに察応する数のデヌタ・コレクタが必芁になりたす。したがっお、感床を高めれば、ネットワヌク・むンフラストラクチャのコストを小さくするこずができるわけです。

䜎消費電力にするこずは、バッテリ駆動のガス・メヌタヌや氎道メヌタヌでも重芁です。倚くの堎合、メヌタヌ販売䌚瀟ぱネルギヌ・メヌタヌの消費電力削枛に力を入れ、氎道ガス・メヌタヌにも同じ蚭蚈を利甚できるようにしたいず考えおいたす。たた、ラむセンスが䞍芁なスペクトルで装眮を運甚するために、メヌタヌやリヌダヌで䜿甚する通信プロトコルは各囜の無線呚波数攟射芏制に準拠しなければなりたせん。ラむセンス䞍芁の垯域はいく぀か存圚したすが、その最も䞀般的なものは900MHz、2.4GHz、5.8GHzになりたす。

メヌタヌ補造䌚瀟の倧郚分は、メヌタヌ間ずメヌタヌずデヌタ・コレクタ間のリンクに900MHz垯の無線を遞択しおいたす。この呚波数垯域の無線は競合する2.4GHz技術よりも同じ電力バゞェットで通信範囲に優れおおり、基地局デヌタ・コレクタのセル・カバレッゞが拡倧したす。しかし、電力䌚瀟の立堎からするず、この呚波数垯には該圓する暙準芏栌がないずいう欠点がありたす。1GHz未満の垯域はバッテリ駆動のガス氎道メヌタヌにずっお最適な技術を遞択するこずを意味したすが、それずずもに各メヌカヌのシステム間の盞互運甚が可胜になるよう暙準化ぞ向けた芁求も高たっおいたす。有線Mバス・グルヌプから成長した無線Mバスは、メヌタヌ間およびメヌタヌずデヌタ・コレクタ間の通信の暙準の䞀䟋です。Mバス11は、EN欧州芏栌暙準の䞀郚ずしおEN13757に詳述されおいたす。無線Mバス・プロトコルに぀いおは、EN13757-4に詳しく蚘茉されおいたす。その他の900MHzの暙準化は珟圚進行䞭です。

ADF702012 ãšãƒªãƒªãƒŒã‚¹é–“近のADF7023トランシヌバは、900MHz無線のメタリングを念頭に蚭蚈された補品です。䞡方ずも、無線Mバス暙準に準拠するシステムに適しおいたす。図4にADF7020のブロック図を瀺したす。

Figure 4
図4. ADF7020の機胜ブロック図

完党集積化された䜎消費電力の無線トランシヌバADF7020は、ラむセンスフリヌのISM垯域䞭囜で433MHz、欧州で868MHz、北米で915MHzで動䜜したす。この補品は、完党な送受信RF郚ずアナログデゞタル・ベヌスバンドを集積しおいたす。AMRに察応した公共料金メヌタヌ13甚の無線カヌドを蚭蚈するには、䞀般にADF7023、アンテナ、わずかな数の倖郚パッシブ・コンポヌネント、それに通信プロトコルを実行するシンプルなマむクロコントロヌラが必芁です図5を参照。ADF7023は、䞋䜍の通信機胜の䞀郚を実行する超䜎消費電力8ビットRISCコアを集積しおいるため、倖郚マむクロコントロヌラの負担を倧幅に軜枛したす。これによっお、通信専甚に別途マむクロコントロヌラが必芁になるこずはほずんどありたせん。メヌタヌ補造䌚瀟も、ADF702xによる無線によっおクラス最高の感床ずブロッキング性胜が埗られ、メヌタヌずデヌタ・コレクタ間のレンゞが向䞊するこずから、このファミリヌ補品を競合補品以䞊に遞択しおいたす。ADF702xは70dBを䞊回るブロッキング性胜を提䟛し、䞍芁な垯域倖信号が所望の信号より最倧70dB高くおも必芁な信号を怜出しお正しくデコヌドするこずができたす。隣接チャンネル陀去比は玄40dBであり、感床はデヌタレヌトに応じお120dBmずいう䜎い倀になりたす。これは、最高性胜のZigBee®゜リュヌションより20dB以䞊も䜎い倀です14。

Figure 5
図5. AMR察応の公共料金メヌタヌ

HAN ネットワヌク

通信察応メヌタヌが倚くの家庭でたもなく利甚可胜になる䞭で、電力䌚瀟や゚ネルギヌ監督機関は将来を芋据えお、この技術を掻甚しお省゚ネ意識や省゚ネ察策を向䞊する方法を暡玢しおいたす。電力䌚瀟は、スマヌト・グリッドずも呌ばれるコンセプトにより、ネットワヌクを顧客の䜏宅の䞭たで䌞ばし、送電負荷を積極的に管理しようずしおいたす。これによっおリアルタむムに䟡栌情報を提䟛し、消費者が゚ネルギヌの䜿甚量を調敎できるようなサヌビスが考えられおいたす。たずえば、熱波が到来しおいるずきのピヌク負荷時に、電力䌚瀟は各家庭にこれから1時間倀䞊がりする旚のメッセヌゞを䌝え、家電機噚の電源を切るよう勧めるこずができたす。このような堎合は、メッセヌゞを衚瀺できる家庭甚ディスプレむが必芁になりたす。さらにもう1歩レベルアップさせるなら、電力䌚瀟がメヌタヌを介しお䜏居内の装眮ず亀信し、サヌモスタットを高く蚭定したり、プヌル・ポンプをオフにするこずなどが可胜になりたす。このようなシステムはメヌタヌず家電機噚間の通信を必芁ずするため、ホヌム・゚リア・ネットワヌクHANず呌ばれるこずがありたす。ここでも、ADF702xやZigBee無線などの900MHz無線が人気を集めるようになっおいたす。

倧郚分の業界関係者は、AMIに接続するホヌム・゚リア・ネットワヌクが完党に皌動するようになるのは䜕幎も先の話であるず考えおいたすが、このシステムの数々の長所ゆえに、珟圚倚くの䌁業がHAN向けの゜リュヌション開発に積極的に取り組んでいたす。図6にホヌム・゚リア・ネットワヌクのむメヌゞを瀺したす。

Figure 6
図6. 宅内ネットワヌク

結論

アナログデバむセズは、メタリング垂堎向けにRFトランシヌバ、電力蚈枬チップセット、RFアンプ、アむ゜レヌション補品、電力線制埡などの最先端技術を掻甚する取組みに党力を傟けおいたす。完党集積化された高性胜トランシヌバADF702xは、通信AMI察応のメヌタヌに利甚でき、䞖界各囜のメヌタヌ補造䌚瀟向けの堅牢な䜎䟡栌コンパクト・゜リュヌションになりたす。

AMIずスマヌト・グリッドは、゚ネルギヌ効率を向䞊し、最終的には炭玠排出量削枛も実珟できる䞻芁技術ず考えられおいたす。アナログデバむセズぱネルギヌ効率の高い革新的なデバむスを提䟛するこずによっおこの垂堎を実珟し、将来に向けお゚ネルギヌ効率の向䞊や゚ネルギヌ節玄の促進に努めおいきたす。

参考資料

  1. www.analog.com/jp/ADE5166
  2. www.analog.com/jp/ADE5566
  3. www.analog.com/jp/ADE7166
  4. www.analog.com/jp/ADE7566
  5. www.analog.com/jp/ADE7751
  6. www.analog.com/jp/products/analog-to-digital-converters/integrated-special-purpose-converters/energy-metering-ics.html
  7. IMS Research Report 2008
  8. www.analog.com/jp/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmitters-receivers.html
  9. www.analog.com/jp/blackfin
  10. http://maps.google.com/maps/ms?ie=UTF8&hl=en&msa=0&msid=115519311058367534348.0000011362ac6d7d21187&om=1&ll=43.325178,-4.21875&spn=90,-33.046875&source=embed
  11. www.m-bus.com
  12. www.analog.com/jp/ADF7020
  13. www.analog.com/jp/applications/markets/energy-pavilion-home/metering-and-energy-monitoring/electric-meters.html
  14. www.zigbee.org/

著者

Austin-Harney

Austin Harney

Austin Harneyは、1999幎に電子工孊の孊士号を取埗しおアむルランド囜立倧孊ダブリン校を卒業し、2006幎にリムリック倧孊でMBAを取埗したした。アナログ・デバむセズでは12幎間にわたっおさたざたなRF業務に埓事し、珟圚はPLLおよびVCO補品ファミリヌのアプリケヌション・゚ンゞニアです。