曾少華　陳小惠

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

關鍵詞：智能電網；家庭能源管理；家庭網絡；混合組網方式

中圖分類號：TN913 文獻標識碼：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 家庭能源管理應用

家庭能源管理是智能電網中重要的一個環(huán)節(jié)，其通過家庭網絡將各類設備連接到一起，運用智能的家電控制和能源管理，實現(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烈，智能家居概念的普及發(fā)展以及消費者對于家居體驗要求的逐步提高，家庭能源管理已經成為市場的關注熱點[2]。

如圖1所示，家庭能源管理主要構成為各類智能家居設備和應用，其核心功能由家庭能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)，其一方面通過統(tǒng)一制定能源分配和使用策略，實現(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現(xiàn)與電網運營者的信息交互，開展電價商議、預付電費購電、電價/事件信息通知等智能電網新型應用服務[3]。在電網側，運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，進一步地實現(xiàn)電網潮流等調整和優(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，各類設備的能源信息采集是家庭能源管理實現(xiàn)集中控制的基礎，此功能通常由家庭網絡支撐。

針對家庭能源管理應用，其對家庭網絡的帶寬需求并不高，每個設備的傳輸帶寬要求通常在10～100kbps左右，主要為各類設備的狀態(tài)信息采集和應用服務的控制信息發(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)控等多種功能設備的統(tǒng)一加入，對于家庭網絡的帶寬需求會大大增加。另一方面，家庭能源管理應用場景中的智能家居設備和智能家居應用通常要求移動靈活、接入方便，因此對家庭網絡的組網方式的靈活性要求較高。

3 家庭網絡組網技術現(xiàn)狀

目前，家庭網絡的組網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技術和電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）技術，無線方式可使用紫蜂技術（ZigBee）、藍牙技術（Bluetooth）、無線局域網技術（WiFi）和Z-Wave等技術。本文接下來將對家庭網絡可選通信技術進行比對分析，同時對家庭組網的未來發(fā)展方向進行探討。

3.1 有線組網方式

3.1.1 有線局域網技術

有線局域網技術通過使用網線將網絡交換機與設備進行連接實現(xiàn)組網，通過交換機的堆疊和網線連接可實現(xiàn)用戶或設備接入數(shù)量的擴展。20世紀以來，其在計算機領域得到了廣泛使用，通常被企業(yè)、機構等大型場所應用。有線局域網技術通常要求統(tǒng)一布線，對于家庭用戶而言成本較高，同時網中的各節(jié)點需要使用網線接入，無法支持家庭能源管理應用場景中用電設備的靈活接入。

3.1.2 PLC技術

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）技術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，促使其成為了當前智能家居領域中一種極具競爭力的通信技術。隨著MIMO/OFDM等物理層技術的應用和MAC層協(xié)議的優(yōu)化，家用PLC技術最新標準HomePlug AV2已經可支持千兆級別的數(shù)據(jù)傳輸率。

3.2 無線組網方式

3.2.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗短程協(xié)議，物理層調制解調技術使用直接序列擴頻技術和四相相移鍵控技術，可實現(xiàn)1-100m內峰值為250Kb/s的傳輸速率。ZigBee的最主要優(yōu)點是其功耗非常低，可以使用電池供電。在低耗電待機模式下，單個節(jié)點可工作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，因此設備部署成低，可通過多跳方式組網擴展其覆蓋范圍。

3.2.2 Bluetooth

Bluetooth是基于IEEE 802.15.1標準的短距離通信協(xié)議，其使用跳頻技術作為物理層技術調制解調技術，不同編碼體制下峰值速率可分別達到1/2/3Mbps。藍牙的典型應用支持30m以內的無線傳輸，其主要優(yōu)勢在于使用跳頻技術，抗干擾能力相對較強，但其協(xié)議復雜，功耗較高，同時支持組網設備數(shù)量少，無法實現(xiàn)多跳組網。

3.2.3 Z-Wave

Z-Wave是一種適用于窄帶寬應用場合的短距離無線通信技術，其采用移頻鍵控調制方式，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擴展其覆蓋范圍。

3.2.4 WiFi

WiFi是基于IEEE 802.11標準的無線局域網接入協(xié)議。近年來，WiFi技術飛速發(fā)展，標準支持的傳輸速率從最初1Mbps提升到400+Mbps。WiFi技術應用廣泛，標準成熟，支持傳輸距離較以上三種技術更遠，同時傳輸速率更高。其主要缺點在于使用ISM 2.4GHz頻段，由于設備商用程度非常高，用戶間無線網絡相互干擾程度日趨嚴重，極大地影響了其網絡實際性能。

3.3 家庭網絡組網技術分析

有線組網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，但其對設備移動性的支持較差，不適應家用移動終端設備和應用越來越多的發(fā)展趨勢；無線組網方式雖然組網靈活，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，混合組網方式結合有線組網方式和無線組網方式的優(yōu)點，是未來家庭網絡組網方式發(fā)展的趨勢。

4 未來家庭網絡組網方式發(fā)展探討

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

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

一個典型的家庭網絡混合組網場景如圖2如示。PLC調制解調器連接互聯(lián)網，同時將信號延伸至電力線所到區(qū)域。對于PLC標準設備，可以直接通過電力線進行接入；對于非PLC標準設備，可通過PLC轉換器實現(xiàn)各類終端設備的接入。

5 結 論

目前，國際標準化組織在不斷為各協(xié)議之間的互連互通制定標準，以實現(xiàn)靈活適用的家庭組網。PLC技術標準的主要制定者為家庭插電聯(lián)盟，其制定了一系列PLC技術規(guī)范，已經協(xié)助IEEE組織完成了PLC物理層多個標準的制定。在混合網絡兼容方面，其通過IEEE 1905.1定義了一個軟件抽象層，可作為PLC、WiFi和以太網等物理層技術的通用界面，在不需要改變相關物理層技術的基礎上實現(xiàn)不同網絡設備的兼容互通[6]。隨著混合組網相關標準的進一步制定和完善，混合組網方式無疑將成為家庭組網的主流發(fā)展方向。

參考文獻：

[1] 劉振亞.全球能源互聯(lián)網 [M].北京：中國電力出版社，2015.

[2] 童曉渝，房秉毅，張云勇.物聯(lián)網智能家居發(fā)展分析 [J].移動通信，2010，9：16-20.

[3] Khan I， Mahmood A， Javaid N， Razzaq S， Khan RD， Ilahi M. Home energy management systems in future smart grids [J].J Basic Appl Sci Res， 2013（03）：1224–1231.

[4] Shobhit J， Vinoth Kumar.N， A.Paventhan， et al. Survey on Smart Grid Technologies- Smart Metering， IoT and EMS [C]. IEEE EECS，2014：1-6.

[5] Anzar Mahmood， Nadeem Javaid， Sohail Razzaq. A review of wireless communications for smart grid [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2015（41）：248-260.

[6] O. Bouchet， J.-P. Javaudin， A. Kortebi， et al. ACEMIND： The Smart Integrated Home Network [C]. Intelligent Environments，2014：1-8.

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：電力信息網絡與安防系統(tǒng)運維管理；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)設備運維。