家庭能源管理中通信技术的应用探讨

曾少华　陈小惠

摘 要：本文分析了智能电网中家庭能源管理应用场景的组成以及其对家庭网络的通信需求，介绍了现有用于家庭组网的有线通信技术和无线通信技术，对比了各类技术用于家庭组网时的优缺点，论述了未来家庭组网方式的发展趋势，提出一种使用混合组网方式的家庭组网方案作为家庭能源管理应用的通信解决方案。

关键词：智能电网；家庭能源管理；家庭网络；混合组网方式

中图分类号：TN913 文献标识码：A 文章编号：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 家庭能源管理应用

家庭能源管理是智能电网中重要的一个环节，其通过家庭网络将各类设备连接到一起，运用智能的家电控制和能源管理，实现智能、节能、环保和舒适的家居环境[1]。近年来，随着民众的能源意识愈加强烈，智能家居概念的普及发展以及消费者对于家居体验要求的逐步提高，家庭能源管理已经成为市场的关注热点[2]。

如图1所示，家庭能源管理主要构成为各类智能家居设备和应用，其核心功能由家庭能源管理系统实现，其一方面通过统一制定能源分配和使用策略，实现家庭能源管理和控制的优化；另一方面其通过智能电表实现与电网运营者的信息交互，开展电价商议、预付电费购电、电价/事件信息通知等智能电网新型应用服务[3]。在电网侧，运营者则可以通过与用户簽订协议，掌握用户的能源使用信息，进一步地实现电网潮流等调整和优化。

2 家庭能源管理通信需求分析

从本文上一节容易得知，各类设备的能源信息采集是家庭能源管理实现集中控制的基础，此功能通常由家庭网络支撑。

针对家庭能源管理应用，其对家庭网络的带宽需求并不高，每个设备的传输带宽要求通常在10～100kbps左右，主要为各类设备的状态信息采集和应用服务的控制信息发送。随着智能家居的发展，家庭通信、家庭娱乐、家电控制和家庭安防监控等多种功能设备的统一加入，对于家庭网络的带宽需求会大大增加。另一方面，家庭能源管理应用场景中的智能家居设备和智能家居应用通常要求移动灵活、接入方便，因此对家庭网络的组网方式的灵活性要求较高。

3 家庭网络组网技术现状

目前，家庭网络的组网方式可以分为有线方式[4]和无线方式[5]两类，其中有线方式可使用有线局域网技术和电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）技术，无线方式可使用紫蜂技术（ZigBee）、蓝牙技术（Bluetooth）、无线局域网技术（WiFi）和Z-Wave等技术。本文接下来将对家庭网络可选通信技术进行比对分析，同时对家庭组网的未来发展方向进行探讨。

3.1 有线组网方式

3.1.1 有线局域网技术

有线局域网技术通过使用网线将网络交换机与设备进行连接实现组网，通过交换机的堆叠和网线连接可实现用户或设备接入数量的扩展。20世纪以来，其在计算机领域得到了广泛使用，通常被企业、机构等大型场所应用。有线局域网技术通常要求统一布线，对于家庭用户而言成本较高，同时网中的各节点需要使用网线接入，无法支持家庭能源管理应用场景中用电设备的灵活接入。

3.1.2 PLC技术

电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）技术是指利用电力线作为信号传输媒介的一种有线通信方式。近年来，中低压PLC通信技术发展迅猛，传输稳定性和带宽等性能得到了大幅度提升，加之覆盖可延伸、无需专门布线等优点，促使其成为了当前智能家居领域中一种极具竞争力的通信技术。随着MIMO/OFDM等物理层技术的应用和MAC层协议的优化，家用PLC技术最新标准HomePlug AV2已经可支持千兆级别的数据传输率。

3.2 无线组网方式

3.2.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗短程协议，物理层调制解调技术使用直接序列扩频技术和四相相移键控技术，可实现1-100m内峰值为250Kb/s的传输速率。ZigBee的最主要优点是其功耗非常低，可以使用电池供电。在低耗电待机模式下，单个节点可工作6至24个月，甚至更长；同时其协议简单，对通信控制器的要求极低，因此设备部署成低，可通过多跳方式组网扩展其覆盖范围。

3.2.2 Bluetooth

Bluetooth是基于IEEE 802.15.1标准的短距离通信协议，其使用跳频技术作为物理层技术调制解调技术，不同编码体制下峰值速率可分别达到1/2/3Mbps。蓝牙的典型应用支持30m以内的无线传输，其主要优势在于使用跳频技术，抗干扰能力相对较强，但其协议复杂，功耗较高，同时支持组网设备数量少，无法实现多跳组网。

3.2.3 Z-Wave

Z-Wave是一种适用于窄带宽应用场合的短距离无线通信技术，其采用移频键控调制方式，数据传输速率为9.6kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m。其主要优势在于工作频带为908.42MHz/868.42MH频段，受干扰程度较低，可通过多跳方式组网扩展其覆盖范围。

3.2.4 WiFi

WiFi是基于IEEE 802.11标准的无线局域网接入协议。近年来，WiFi技术飞速发展，标准支持的传输速率从最初1Mbps提升到400+Mbps。WiFi技术应用广泛，标准成熟，支持传输距离较以上三种技术更远，同时传输速率更高。其主要缺点在于使用ISM 2.4GHz频段，由于设备商用程度非常高，用户间无线网络相互干扰程度日趋严重，极大地影响了其网络实际性能。

3.3 家庭网络组网技术分析

有线组网方式通常具备传输数据高，数据链路稳定的优点，但其对设备移动性的支持较差，不适应家用移动终端设备和应用越来越多的发展趋势；无线组网方式虽然组网灵活，移动性支持好，但其传输速率低，容易受环境干扰等特性，数据链路缺乏稳定性。两种方式各有其局限性，混合组网方式结合有线组网方式和无线组网方式的优点，是未来家庭网络组网方式发展的趋势。

4 未来家庭网络组网方式发展探讨

在混合组网方式中，有线通信技术组建家庭网络中的主干网络，其带宽高将网络延伸至房间。在这种情况下PLC技术的技术优勢非常明显，其可将主干网络延伸至家庭中任何配备插座的区域，同时其网络带宽已经发展至与有线局域网同一级别，具备承载家庭能源管理和家庭娱乐等应用统一通信的能力。

无线技术主要实现设备的接入功能，由于接入点距离较近，设备可以降低功率以避免与其他家庭的设备发生干扰。由于混合组网方式注重的是无线接入功能，因此ZigBee与Z-Wave的组网优势将不再明显，加之无线多跳组网对管理者技术水平要求较高，在应用和管理方面更加成熟的Bluetooth与WiFi无疑更具有优势，将充当家庭网络中短程（约10m）和中程（约30m）无线接入的主要技术。

一个典型的家庭网络混合组网场景如图2如示。PLC调制解调器连接互联网，同时将信号延伸至电力线所到区域。对于PLC标准设备，可以直接通过电力线进行接入；对于非PLC标准设备，可通过PLC转换器实现各类终端设备的接入。

5 结 论

目前，国际标准化组织在不断为各协议之间的互连互通制定标准，以实现灵活适用的家庭组网。PLC技术标准的主要制定者为家庭插电联盟，其制定了一系列PLC技术规范，已经协助IEEE组织完成了PLC物理层多个标准的制定。在混合网络兼容方面，其通过IEEE 1905.1定义了一个软件抽象层，可作为PLC、WiFi和以太网等物理层技术的通用界面，在不需要改变相关物理层技术的基础上实现不同网络设备的兼容互通[6]。随着混合组网相关标准的进一步制定和完善，混合组网方式无疑将成为家庭组网的主流发展方向。

参考文献：

[1] 刘振亚.全球能源互联网 [M].北京：中国电力出版社，2015.

[2] 童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析 [J].移动通信，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.

作者简介：曾少华（1984—），男，湖北宜城人，工程师，硕士研究生。研究方向：电力信息网络与安防系统运维管理；陈小惠（1987—），男，湖南湘潭人，工程师，博士研究生。研究方向：电力通信系统设备运维。