家庭能源管理中通信技术的应用探讨

家庭能源管理中通信技术的应用探讨

沈伟锋

中国电信股份有限公司上海奉贤电信局上海201429

摘要：随着智能电网和智能家居的发展，家庭能耗管理系统在家电设备和电网之间已经实现了数据信息的互相流通和实时监控，从而提高了电能的利用率。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，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

1前言

随着智能家居技术的深入发展，智能家居系统已经实现了许多丰富的自动化功能以提高智能家居生活的舒适度。鉴于智能家居系统的设备耗能比较大，并且自进入21世纪以来，能源消耗总量的不断增加和能源利用率低已经成为制约我国经济持续高速增长的瓶颈，所以一套合理的家庭能源管理系统对当今提倡的智慧生活的实现显得格外重要。

2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。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。

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。在电网侧，运营者则可以通过与用户签订协议，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。

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

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。

3.1.2PLC技术

电力线载波通信（PowerLineCommunication，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HomePlugAV2已经可支持千兆级别的数据传输率。

3.2无线组网方式

3.2.1ZigBee

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。

3.2.2Bluetooth

Bluetooth是基于IEEE802.15.1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。

3.2.3Z-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。

3.2.4Wi-Fi

Wi-Fi是基于IEEE802.11标准的无线局域网接入协议。近年来，Wi-Fi技术飞速发展，标准支持的传输速率从最初1Mbps提升到400+Mbps。Wi-Fi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ISM2.4GHz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电力信息通信技术应用过程中的注意事项

电力信息通信技术在智能电网时代中的应用需注意以下几个问题：

（1）对于智能电网来说，需在结合当前实际情况的基础上，对通信技术对以后资源的需求予以考虑，尽量使智能电网能够起到提高人们生活水平的作用。随着电网规模的不断扩大，诸多新的业务和站点逐渐涌现出来，大量数据的聚集对通信技术提出了更严格的要求，故在通信平台建设初期，则需充分考虑到这些因素，以为智能电网建设提供可靠的支持；（2）智能电网建设是一项多学科、多种类应用的复杂系统，要实现智能电网与电力通信技术的有效融合，则需在通信建设的平台中充分考虑到电网的安全、管理及效率等因素，通过这种全方位、全方面的研究，来选择一个合适的建设方向；（3）电力通信技术在智能电网中运用的可行性。目前，在智能电网建设的过程中，需对电力通信技术建设的可行性进行分析，从各个方面进行论证，包括研发的进度、技术的优劣、通信与智能电网的兼容、投资回报等，以为其在未来的持续发展提供强有力的保障。

结束语

家庭能源管理系统的优化过程中，应时刻遵循以人为本的原则，具体主要从以下两个方面进行优化：

（1）家庭用户的舒适度。系统在提高电能效率的同时，应首先确定家用设备控制效果以满足用户的基本需求，比如在远程控制空调或者加湿器的时候，应在实现电能利用率最大化的同时，又能保证用户回家之后感受到最适宜的温湿度。

（2）家庭用户的安全问题。这就要求网络通信技术的不断改进，加大信息安全的研究，以此确保用户的隐私安全。在未来的家庭能源管理系统方面，以上两点也将是主要的研究热点。

参考文献：

[1]王伯勇.基于云计算的智慧家庭能源管理系统架构及功能研究[J].绿色科技，2014（05）

[2]李大兴夏革非李文龙等.智能家居能源管理系统[J].电力系统及其自动化学报，2016（12）