920MHz 帯無線マルチホップ通信を 用いた太陽光発電の遠隔制御実証実験 柳原 健太郎 西川 雅之 田辺 原裕 岡本 武志 現在、太陽光発電などの再生可能エネルギーの利用が 実証実験の機器構成 拡大しているが、電力の安定供給を維持するためには需 給管理が必要とされている。2010年6月に閣議決定され 青森実証実験の機器構成を 図 １ に示す。センタサー たエネルギー基本計画においては「2020年代の可能な限 バーは系統側（電力会社側）の情報を処理するサーバー、 り早い時期に、原則全ての電源や需要家と双方向通信が 通信サーバーは通信メディア毎に用意され、メディアの 可能な世界最先端の次世代型送配電ネットワークの構築 特性に応じた通信を行うためのサーバーである。920MHz を目指す」と述べられており、これらの諸課題に対応する 帯無線機はコンセントレータ、中継機、DCEに分類される。 ための研究開発、実証実験が行われている。 コンセントレータと中継機は電柱上に、DCEは需要家 これらの経緯、情勢を踏まえ、経済産業省資源エネル ギー庁は次 世 代 型 双 方 向 通 信 出 力 制 御 実 証 事 業 を 1） 2011年∼2013年度にかけて実施した。 （各住宅）に設置する。DCEで受信された制御信号は通信 アダプタを経てPCSに送られる。 PCSの出力制御においては、エリア、機器の種別等の これは太陽光発電の大量導入に備え、外部からの通信 条件を満たす全ての機器を一斉制御する場合と、個々の 信号に応じて出力をコントロールできる太陽光発電機器 機器に対して制御を行う場合が想定される。前者は同報 の開発とともに、通信と組み合わせた検証試験を実施する 通信、後者は個別通信として定義されている。 本実証における電文フォーマットはECHONET Lite2）を ものである。 OKIは双方向通信の手段として920MHz帯無線マルチ 用いている。太陽光発電の出力制御のためのコマンドは ホップ通信を用いて、青森県六ヶ所村で行われた実証実 定義されていないため、新規にコマンドの定義を行って 験に参加し、2012年12月から2013年11月にかけて実験を いる。 行った。 我々の開発部分は通信サーバーからDCEまで（ 図 1 本稿では、本実証実験の概要と結果を示し、実現性を示す。 実証実験の背景 太陽光発電の大量導入は電力系統の運用上、余剰電 で囲った範囲）の区間である。 䜿䝷䝃䞀䜹䞀䝔䞀 䜿䝷䝃䞀䜹䞀䝔䞀 䝔䞀 ㏳ಘ䜹䞀䝔䞀 䜷䝷䜿䝷䝌 䝰䞀䝃 ୯⤽ᑻ 㻧㻦㻨 ᭯⥲ 㻒㻺㼌㻰㻤㻻 力発生による逆潮流、配電線の電圧上昇等多くの技術 的課題をもたらし、その対策が求められている。その 中で、系統安定化対策として太陽光発電の出力制御の 㻳㻦㻶㻒㻳㻹 ㏳ಘ䜦䝄䝛䝃䞀 㻧㻦㻨 必要性が指摘されている。出力制御を行うためには系 統側（電力会社）と需要家（家庭等）との間の情報交 図１ 実証実験における機器構成 換が必要となる。 通信手段は通信事業者による広域サービス（携帯電話、 16 コンセントレータからDCEまでの間は無線マルチホッ WiMAX）、特小無線（900MHz帯、400MHz帯）、電力線 プ通信によって接続する。この部分に関してはOKIが開 搬送など様々な方式が考えられる。そこで本実証事業で 発したMany to One & Source Routing方式を用いている。 は各社が様々な通信メディアを用いて同じコマンドを送 動作の概要を以下に示す。詳細は文献4を参照されたい。 受信し、特性を測定することとなった。我々は920MHz 各ノードは定期的にHelloパケットを送信し、隣接 帯無線マルチホップ通信を用いた実験を担当した。実証 ノードとの接続を確認する。Helloパケットにはコン 事業全体に関しては文献3を参照されたい。 セントレータまでのパスコストが記載されており、自 OKI テクニカルレビュー 2014 年 10 月／第 224 号 Vol.81 No.2 ノードに至るコストが最も小さくなる隣接ノードを親 ᡞᘓఫᏯ ノードとして選択する。 • 各ノードは上りデータを親ノードへ転送する。親 ノードへの転送に失敗した際には、他の隣接ノー ᮧႠఫᏯ ♫Ꮿ ᅋᆅ ドから適切なノードを選択し転送を行う。 • 各ノードは定期的にコンセントレ ータに対して RREC（Route Record）パケットを送信する。経 路上のノードはRRECパケットのアドレスリストに ᒇእタ⨨ ᒇෆタ⨨䠄DCE䠅 自らのアドレスを追記してから中継を行う。 図 2 機器設置個所 • RRECパケットを受信したコンセントレータは記載 されたアドレスリストから各ノードへの経路を特定 し、下りデータを送信する際にはアドレスリストを 書き込んで送信する。 • 下りデータを受信したノードはアドレスリストから自 らのアドレスを削除する。また、アドレスリストから 転送先を読み取り転送処理を行う。 実証実験フィールド 実証実験は青森県六ヶ所村で実施し、約1km四方の 範囲に機器を設置した。台数は屋外に5台、屋内に 変調方式 伝送レート 31台である。設置箇所の地図を 図 2に示す。屋内機器 周波数チャネル の設置箇所は大きく4つに分類され 、屋外設置機器を 外部 IF 介して全体が1つのネットワークを構成している。図中 の直 線 は 主 に 用 い ら れ た 転 送 経 路 を 示 す。 機 器 を 設 置 す る候補位置を決定するために事前測定を実施し、 無線信号の伝搬状況を確認した。 実際に近い状況で実験するため、DCEの大半は実際に 居住している家庭の協力を得て家屋内に設置した 。 実際に太陽光発電に接続している1軒、通信アダプタ 内蔵センサー 電源 環境条件 最大消費電流 外形寸法 GFSK 最大 100kbps 出力 20mW 以下 926.5 ∼ 927.7MHz UART×1 IF-BOX 経由で RS485,RS232C と接続 温度、湿度、照度 （本実証では使用せず） USB 給電 5V -20 ∼ 60℃ 100mA（3.3V）以下 30×60×20mm （アンテナ 190mm） 図 3 無線機の諸元 にのみ接続した1軒以外の家庭ではDCEに実装した疑似 PCS機能が応答信号の作成、送信を行い、通信部分の 実用性を評価した。 実験時の各無線機の通信出力は20mWである。用い た無線機の外観及び諸元を 図 3に示す。 機器の設置状況を 図 4に示す。屋外の機器は電柱上 の高さ約6mの位置に設置した。屋内の機器は壁、カー テンレールの上など日常生活の支障にならない場所を 選んで設置した。設置した家屋の構造は木造一戸建て 及び鉄筋コンクリート集合住宅（ 図 2の社宅）である。 図 4 機器設置状況 O K I テクニカルレビュー 2014 年 10 月／第 224 号 Vol.81 No.2 17 表３ 再送回数の分布 実験結果 2012年9月に機器の設置作業を行い、試験動作を経て 2012年12月から2013年11月まで実証実験を行った。 1年以上の連続動作実験であったが、屋外に設置した 機器を含めて機器の動作異常は見られなかった。 センタサーバーは実用時を想定したスケジュールに 従って制御信号を送信する。通信サーバーはセンタサー バーからの電文を蓄積し、必要に応じて変換・再送など 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 11 月 なし 93.14% 95.88% 92.93% 83.38% 90.49% 91.86% 85.89% 94.61% 96.98% 1回 5.61% 3.33% 4.95% 8.92% 6.83% 5.75% 8.59% 4.46% 2.53% 2回 0.64% 0.67% 1.24% 3.94% 1.55% 1.28% 2.47% 0.61% 0.37% 3回 0.00% 0.04% 0.40% 1.53% 0.47% 0.59% 1.26% 0.13% 0.09% 4回 0.00% 0.04% 0.29% 0.78% 0.14% 0.31% 0.76% 0.04% 0.01% 失敗 0.61% 0.04% 0.20% 1.45% 0.52% 0.22% 1.04% 0.14% 0.02% を行い、DCEへ電文を届ける。DCEからの応答信号が センタサーバーに到達することによって通信正否が判定 される。さらに各機器は定期的に信号を送信し、周辺 表 1、2から建物の構造や天候と通信成功率との相関 は見られなかった。 の通信可能な機器間の通信状況を測定している。以下 実験初期の通信成功率が比較的低いのは、通信失敗 に示すのはセンタサーバーが送信したコマンドに対する 時の再送機能を2月末に追加したためである。これは、 結果である。 DCEからの応答がない場合に通信サーバーからの送信を 繰り返すものである。本実証実験では4分間隔で最大5 設置場所別の通信成功率を 表 1に、天候別の通信成 功率を 表 2に示す。これらの成功率は後述するセンタ 3月以降の再送回数の分布を 表 3に示す。再送を許容 サーバーによる再送も含めた最終的な成功率を示して することで通信失敗を大幅に削減することが可能とな いる。実証実験期間中には機能追加、動作パラメータの る。本実験のような機器間の通信では移動はないが、 変更などの調整を行っているため全期間を通して同じ 周辺環境の変化によって通信品質が変動する。通信品 条件での実験とはなっていない。 質が変動している様子を 図 5に示す。 表 3の結果から 数分∼数十分の遅延を許容することで、通信品質の悪 表１ 箇所別通信成功率 社宅 村営住宅 93.9% 99.6% 96.2% 99.2% 96.4% 99.2% 98.8% 100.0% 99.9% 100.0% 100.0% 100.0% 99.4% 99.7% 100.0% 99.8% 100.0% 99.7% 99.6% 99.8% 100.0% 99.8% 100.0% 100.0% 団地 96.9% 96.4% 97.5% 99.7% 100.0% 99.3% 96.1% 99.0% 99.5% 97.4% 99.7% 100.0% 全体 96.2% 97.0% 97.4% 99.4% 100.0% 99.8% 98.5% 99.7% 99.8% 99.0% 99.9% 100.0% 12 月 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 11 月 曇 96.7% 97.7% 97.0% 99.1% 100.0% 99.9% 98.7% 99.8% 99.7% 99.0% 99.6% 100.0% 雨 97.1% 100.0% 100.0% 99.3% 98.1% 99.6% 99.7% 97.1% 99.9% 100.0% OKI テクニカルレビュー 2014 年 10 月／第 224 号 Vol.81 No.2 雪 95.5% 96.2% 97.6% 100.0% 100.0% 12:00 -78 15:00 ้ 18:00 21:00 -80 ཷ ಙ 㟁 ⏺ ᙉ ᗘ -82 -84 -86 -88 -90 d -92 B -94 m -96 ) 表２ 天候別通信成功率 晴 93.0% 96.8% 98.3% 99.8% 99.9% 99.7% 98.6% 99.4% 99.8% 99.5% 100.0% 100.0% 化に対処できることを示している。 ( 戸建住宅 12 月 99.3% 1月 98.3% 2月 98.5% 3月 100.0% 4月 100.0% 5月 99.7% 6月 99.2% 7月 99.4% 8月 100.0% 9月 98.5% 10 月 100.0% 11 月 100.0% 18 回の送信を行っている。 全体 96.2% 97.1% 97.5% 99.4% 100.0% 99.8% 98.6% 99.6% 99.8% 99.0% 99.8% 100.0% 図５ リンク変動の一例 また、 表 3において失敗と表記した通信の一部はセ ンタサーバーによる再送（初回の3時間後）によって到 達している。センタサーバーが再送を行った通信の最終 的な通信成功率は100%、センタサーバーが再送を実施 した回数は2664回中10回（0.37%）であった。このこ とからも許容遅延を大きくすることにより、無線通信 を用 いて も 信 頼 性 を 確 保 し た 通 信 を 行 う こ と は 十 分 に可能であると考えられる。 前 述 し た 周 辺 の 機 器 との 通 信 状 況 を 分 析 し た 結 果 、 各機器とも複数の通信経路が確保されており、ノード の電源断などの障害が発生した場合にも他の経路を １）経済産業省資源エネルギー庁, 次世代型双方向通信 用いることで通信を維持した。実際に実験中には通信 出力制御実証事業費補助金公募要領 （2011-6）. 経路が変化しており、通信環境の変化に応じて適切な ２）エコーネットコンソーシアム, ECHONET Lite 規格 経路を選択することによって、より信頼性の高い通信 書 Ver1.01（日本語版） （2012-5）. を実現している。 ３）片岸誠: 「次世代型双方向通信出力制御実証事業、青 木造住宅が並んでいる箇所に関しては全ての家では 森実証フィールドの進 」信学技報, IN2013-66, pp. なく、1軒おきに設置を依頼した。実験の結果、間に 37-42,（2013-9）. 1軒挟んだ家屋との直接通信はほぼ問題なく行われた。 ４）野崎正典, 西村弘志, 久保祐樹, 柳原健太郎, 福永茂: さらに多くの家屋を挟んでの通信が可能な箇所も多く 「950MHz帯における大規模・高信頼ルーティング方式の あり、無線マルチホップ通信を用いたPCS制御の実現 開発と評価」, 信学技報, USN2010-24, pp.15-20（2010- 性は高いと考えられる。 10）. また、機器の設置及び撤去作業時を利用して機器の 追加及び減少時にネットワークが自動的に再構成され ることを確認した。これらの結果から周辺の環境変化 や 無 線 端 末 の 増 減 に 対 して も 柔 軟 に 対 応 する ネッ ト 柳原健太郎：Kentaro Yanagihara. 研究開発センタ ワークの構築を確認することができた。 スマート社会ビジネスイノベーション推進部 西川雅之：Masayuki Nishikawa. 研究開発センタ スマート社会ビジネスイノベーション推進部 あとがき 田辺原裕：Motohiro Tanabe. 通信システム事業本部 本稿では、各家庭に設置された太陽光発電を制御す スマートコミュニケーション事業部 ソフトウェア開発部 る双方向通信として920MHz帯無線マルチホップ通信 岡本武志：Takeshi Okamoto. 社会システム事業本部 を用いた実証実験の概要と結果について述べた。実験 交通・防災システム事業部 システム第三部 の結果、太陽光発電が多くの家庭に普及している状態 であれば無線マルチホップ通信を太陽光発電の出力制 御に用いることは十分に可能であると考えられる。 本方式が真価を発揮するためには、各無線機が周辺 の複数の無線機と通信可能となっている必要があり、 無線機の密度が一定以上求められる。今後は出力制御 単独のネットワークだけではなく、現在構築が進めら DCE（Data Circuit terminating Equipment） 回線終端装置。 れているスマートメータのネットワークとの共用など を含めて検討する必要があると思われる。 PCS（Power Conditioning System） 太陽光パネルで発電した直流電流を交流電流に変換 する他、太陽光発電の出力を調整する機器。 謝辞 本研究は、経済産業省資源エネルギー庁補助事業 「次世代型双方向通信出力制御実証事業」の一部として 実施された。また、実証実験は青森県、六ヶ所村の協力、 支援の下実施した。関係者に感謝の意を表す。 ◆◆ O K I テクニカルレビュー 2014 年 10 月／第 224 号 Vol.81 No.2 19