家庭能源管理中通信技術(shù)的應(yīng)用探討

曾少華　陳小惠

摘 要：本文分析了智能電網(wǎng)中家庭能源管理應(yīng)用場景的組成以及其對家庭網(wǎng)絡(luò)的通信需求，介紹了現(xiàn)有用于家庭組網(wǎng)的有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)，對比了各類技術(shù)用于家庭組網(wǎng)時的優(yōu)缺點(diǎn)，論述了未來家庭組網(wǎng)方式的發(fā)展趨勢，提出一種使用混合組網(wǎng)方式的家庭組網(wǎng)方案作為家庭能源管理應(yīng)用的通信解決方案。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；家庭能源管理；家庭網(wǎng)絡(luò)；混合組網(wǎng)方式

中圖分類號：TN913 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2017）03-0006-03

Discussion on the Application of Communication Technology in Home Energy Management

ZENG Shaohua，CHEN Xiaohui

（State Grid Hunan Power Company Information Communication Company，Changsha 410002，China）

Abstract： This paper analyzes the composition of the application of home energy management in smart grid and its communication needs to the home network. It introduces the existing wired communication technology and wireless communication technology for home networking. When comparing various technologies for home networking，this paper discusses the development trend of the future networking of home users， and proposes a home networking scheme using hybrid networking as a communication solution for home energy management applications.

Keywords： smart grid； home energy management； home network； hybrid network scheme

1 家庭能源管理應(yīng)用

家庭能源管理是智能電網(wǎng)中重要的一個環(huán)節(jié)，其通過家庭網(wǎng)絡(luò)將各類設(shè)備連接到一起，運(yùn)用智能的家電控制和能源管理，實(shí)現(xiàn)智能、節(jié)能、環(huán)保和舒適的家居環(huán)境[1]。近年來，隨著民眾的能源意識愈加強(qiáng)烈，智能家居概念的普及發(fā)展以及消費(fèi)者對于家居體驗(yàn)要求的逐步提高，家庭能源管理已經(jīng)成為市場的關(guān)注熱點(diǎn)[2]。

如圖1所示，家庭能源管理主要構(gòu)成為各類智能家居設(shè)備和應(yīng)用，其核心功能由家庭能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其一方面通過統(tǒng)一制定能源分配和使用策略，實(shí)現(xiàn)家庭能源管理和控制的優(yōu)化；另一方面其通過智能電表實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)運(yùn)營者的信息交互，開展電價商議、預(yù)付電費(fèi)購電、電價/事件信息通知等智能電網(wǎng)新型應(yīng)用服務(wù)[3]。在電網(wǎng)側(cè)，運(yùn)營者則可以通過與用戶簽訂協(xié)議，掌握用戶的能源使用信息，進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流等調(diào)整和優(yōu)化。

2 家庭能源管理通信需求分析

從本文上一節(jié)容易得知，各類設(shè)備的能源信息采集是家庭能源管理實(shí)現(xiàn)集中控制的基礎(chǔ)，此功能通常由家庭網(wǎng)絡(luò)支撐。

針對家庭能源管理應(yīng)用，其對家庭網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求并不高，每個設(shè)備的傳輸帶寬要求通常在10～100kbps左右，主要為各類設(shè)備的狀態(tài)信息采集和應(yīng)用服務(wù)的控制信息發(fā)送。隨著智能家居的發(fā)展，家庭通信、家庭娛樂、家電控制和家庭安防監(jiān)控等多種功能設(shè)備的統(tǒng)一加入，對于家庭網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求會大大增加。另一方面，家庭能源管理應(yīng)用場景中的智能家居設(shè)備和智能家居應(yīng)用通常要求移動靈活、接入方便，因此對家庭網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式的靈活性要求較高。

3 家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，家庭網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式可以分為有線方式[4]和無線方式[5]兩類，其中有線方式可使用有線局域網(wǎng)技術(shù)和電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)，無線方式可使用紫蜂技術(shù)（ZigBee）、藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)技術(shù)（WiFi）和Z-Wave等技術(shù)。本文接下來將對家庭網(wǎng)絡(luò)可選通信技術(shù)進(jìn)行比對分析，同時對家庭組網(wǎng)的未來發(fā)展方向進(jìn)行探討。

3.1 有線組網(wǎng)方式

3.1.1 有線局域網(wǎng)技術(shù)

有線局域網(wǎng)技術(shù)通過使用網(wǎng)線將網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與設(shè)備進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，通過交換機(jī)的堆疊和網(wǎng)線連接可實(shí)現(xiàn)用戶或設(shè)備接入數(shù)量的擴(kuò)展。20世紀(jì)以來，其在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛使用，通常被企業(yè)、機(jī)構(gòu)等大型場所應(yīng)用。有線局域網(wǎng)技術(shù)通常要求統(tǒng)一布線，對于家庭用戶而言成本較高，同時網(wǎng)中的各節(jié)點(diǎn)需要使用網(wǎng)線接入，無法支持家庭能源管理應(yīng)用場景中用電設(shè)備的靈活接入。

3.1.2 PLC技術(shù)

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)是指利用電力線作為信號傳輸媒介的一種有線通信方式。近年來，中低壓PLC通信技術(shù)發(fā)展迅猛，傳輸穩(wěn)定性和帶寬等性能得到了大幅度提升，加之覆蓋可延伸、無需專門布線等優(yōu)點(diǎn)，促使其成為了當(dāng)前智能家居領(lǐng)域中一種極具競爭力的通信技術(shù)。隨著MIMO/OFDM等物理層技術(shù)的應(yīng)用和MAC層協(xié)議的優(yōu)化，家用PLC技術(shù)最新標(biāo)準(zhǔn)HomePlug AV2已經(jīng)可支持千兆級別的數(shù)據(jù)傳輸率。

3.2 無線組網(wǎng)方式

3.2.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗短程協(xié)議，物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和四相相移鍵控技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)1-100m內(nèi)峰值為250Kb/s的傳輸速率。ZigBee的最主要優(yōu)點(diǎn)是其功耗非常低，可以使用電池供電。在低耗電待機(jī)模式下，單個節(jié)點(diǎn)可工作6至24個月，甚至更長；同時其協(xié)議簡單，對通信控制器的要求極低，因此設(shè)備部署成低，可通過多跳方式組網(wǎng)擴(kuò)展其覆蓋范圍。

3.2.2 Bluetooth

Bluetooth是基于IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)的短距離通信協(xié)議，其使用跳頻技術(shù)作為物理層技術(shù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，不同編碼體制下峰值速率可分別達(dá)到1/2/3Mbps。藍(lán)牙的典型應(yīng)用支持30m以內(nèi)的無線傳輸，其主要優(yōu)勢在于使用跳頻技術(shù)，抗干擾能力相對較強(qiáng)，但其協(xié)議復(fù)雜，功耗較高，同時支持組網(wǎng)設(shè)備數(shù)量少，無法實(shí)現(xiàn)多跳組網(wǎng)。

3.2.3 Z-Wave

Z-Wave是一種適用于窄帶寬應(yīng)用場合的短距離無線通信技術(shù)，其采用移頻鍵控調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps，信號的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過100m。其主要優(yōu)勢在于工作頻帶為908.42MHz/868.42MH頻段，受干擾程度較低，可通過多跳方式組網(wǎng)擴(kuò)展其覆蓋范圍。

3.2.4 WiFi

WiFi是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)接入?yún)f(xié)議。近年來，WiFi技術(shù)飛速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)支持的傳輸速率從最初1Mbps提升到400+Mbps。WiFi技術(shù)應(yīng)用廣泛，標(biāo)準(zhǔn)成熟，支持傳輸距離較以上三種技術(shù)更遠(yuǎn)，同時傳輸速率更高。其主要缺點(diǎn)在于使用ISM 2.4GHz頻段，由于設(shè)備商用程度非常高，用戶間無線網(wǎng)絡(luò)相互干擾程度日趨嚴(yán)重，極大地影響了其網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能。

3.3 家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)分析

有線組網(wǎng)方式通常具備傳輸數(shù)據(jù)高，數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但其對設(shè)備移動性的支持較差，不適應(yīng)家用移動終端設(shè)備和應(yīng)用越來越多的發(fā)展趨勢；無線組網(wǎng)方式雖然組網(wǎng)靈活，移動性支持好，但其傳輸速率低，容易受環(huán)境干擾等特性，數(shù)據(jù)鏈路缺乏穩(wěn)定性。兩種方式各有其局限性，混合組網(wǎng)方式結(jié)合有線組網(wǎng)方式和無線組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)，是未來家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式發(fā)展的趨勢。

4 未來家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式發(fā)展探討

在混合組網(wǎng)方式中，有線通信技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)中的主干網(wǎng)絡(luò)，其帶寬高將網(wǎng)絡(luò)延伸至房間。在這種情況下PLC技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，其可將主干網(wǎng)絡(luò)延伸至家庭中任何配備插座的區(qū)域，同時其網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)發(fā)展至與有線局域網(wǎng)同一級別，具備承載家庭能源管理和家庭娛樂等應(yīng)用統(tǒng)一通信的能力。

無線技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入功能，由于接入點(diǎn)距離較近，設(shè)備可以降低功率以避免與其他家庭的設(shè)備發(fā)生干擾。由于混合組網(wǎng)方式注重的是無線接入功能，因此ZigBee與Z-Wave的組網(wǎng)優(yōu)勢將不再明顯，加之無線多跳組網(wǎng)對管理者技術(shù)水平要求較高，在應(yīng)用和管理方面更加成熟的Bluetooth與WiFi無疑更具有優(yōu)勢，將充當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)中短程（約10m）和中程（約30m）無線接入的主要技術(shù)。

一個典型的家庭網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)場景如圖2如示。PLC調(diào)制解調(diào)器連接互聯(lián)網(wǎng)，同時將信號延伸至電力線所到區(qū)域。對于PLC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可以直接通過電力線進(jìn)行接入；對于非PLC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可通過PLC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)各類終端設(shè)備的接入。

5 結(jié) 論

目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在不斷為各協(xié)議之間的互連互通制定標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)靈活適用的家庭組網(wǎng)。PLC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要制定者為家庭插電聯(lián)盟，其制定了一系列PLC技術(shù)規(guī)范，已經(jīng)協(xié)助IEEE組織完成了PLC物理層多個標(biāo)準(zhǔn)的制定。在混合網(wǎng)絡(luò)兼容方面，其通過IEEE 1905.1定義了一個軟件抽象層，可作為PLC、WiFi和以太網(wǎng)等物理層技術(shù)的通用界面，在不需要改變相關(guān)物理層技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兼容互通[6]。隨著混合組網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步制定和完善，混合組網(wǎng)方式無疑將成為家庭組網(wǎng)的主流發(fā)展方向。

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作者簡介：曾少華（1984—），男，湖北宜城人，工程師，碩士研究生。研究方向：電力信息網(wǎng)絡(luò)與安防系統(tǒng)運(yùn)維管理；陳小惠（1987—），男，湖南湘潭人，工程師，博士研究生。研究方向：電力通信系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維。