随着中国坚强智能电网的发展和电力体制改革的进一步深化，自动需求响应作为发电和用电改革的重要举措已被明确列入中共中央国务院和国家发展改革委颁布的多项文件中。自动需求响应要求电力通信系统满足双向互动、安全性及易于使用和管理等需求，利用电力线本身完成信息交互任务的高速窄带电力线通信(HNPLC)技术由于在技术实现成本、通信传输速率和系统复杂度等方面的优势，成为实现智能电网双向互动、确保自动需求响应顺利实施的理想选择^[1]。已有的针对HNPLC系统的研究多集中于物理(physical layer,PHY)层^{[2, 3]}、 媒质接入控制(media access control layer,MAC)层^{[4, 5]}和网络层^[6]，少有对实现自动需求响应的HNPLC应用层的研究。而HNPLC的应用层主要完成用户需求与通信系统的协调和接口工作，是影响网络速率和用户体验的关键，也是进一步提升HNPLC系统性能的重要因素，因此目前亟需设计和研发双向互动HNPLC的应用层协议，寻求合理的服务分类及服务响应机制，满足电力系统自动需求响应的服务要求。

本文研究面向自动需求响应的HNPLC应用层设计。首先对自动需求响应系统及支撑其实现的HNPLC整体架构进行概述和定义。在此基础上设计了双向互动HNPLC应用层协议架构，并对应用层需求响应服务进行分类，进而提出一种基于动态优先级策略的应用层服务响应机制。结合课题组已有研究成果对HNPLC节点进行自底向上的跨层实现，利用实测的电力线信道和噪声特性构建HNPLC网络仿真环境，对所提的应用层架构和基于动态优先级的服务响应机制进行性能验证。计算机仿真结果证实了所提应用层架构的有效性，验证了所提服务响应机制对网络传输性能的改进和提升。

图1给出了自动需求响应系统的实现架构图，主要包括电力企业、需求响应服务提供商和用户这3大核心参与主体，三者分别通过自动需求响应服务系统、自动需求响应聚合系统和自动需求响应终端进行相互联系^[7]。以用户侧为例，由于用电负载已由电力线接入电力系统，同时兼顾到实现成本和通信效率等方面，而且服务范围不同，用户侧通常具有不同的负载规模和通信拓扑^{[8, 9]}，因此使用HNPLC技术完成用户侧的自动需求响应服务是较好的选择。

图1 自动需求响应系统的实现架构

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针对自动需求响应对双向互动HNPLC通信技术的服务要求，构建分为4层的协议整体架构，自底向上分别为PHY层、 MAC层、网络层和应用层。其中： PHY层完成编/解码、调制及传输等底层操作； MAC层的核心内容集中在竞争接入机制及动态频谱分配(DSM)算法的实现上； 网络层主要完成组网和多跳路由算法，为网络间的数据传输提供可靠路径； 应用层则对自动需求响应功能进行提炼、协调和把握，完成服务数据包的控制选择和高效传输。

设计的面向自动需求响应的HNPLC各层数据的帧结构如图2所示。其中，考虑到互联网传输的扩展需求，所设计的数据帧还在网络层使用了IP协议的转义字符标识头^[10]，进而确保了HNPLC系统与IP协议的兼容性。

图2 HNPLC各层数据的帧结构

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面向自动需求响应的HNPLC应用层负责完成用户与通信系统的联接，其主要职责是根据具体应用对象或设备管理平台，一方面分类实现所需的用户需求，另一方面完成协调和指挥工作，使通信系统在有限传输资源的条件下达到用户体验与通信性能的最佳平衡。

图3是所设计的面向自动需求响应的HNPLC应用层协议架构，也给出了应用层与下面各层的架构关系。其中： APS表示应用支持子层，APSME表示管理实体，APSDE表示数据实体，SAP表示服务接入点，IB表示信息库，NWK表示网络层，NLME表示NWK管理实体，NLDE表示NWK数据实体，MLME表示MAC层管理实体，MLDE表示数据实体，PD表示物理层数据，PLME表示PHY管理实体。从应用层架构部分可以看出，该应用层包括APS、 应用接口、制造商或设备使用的应用对象/设备管理平台^{[11, 12]}这3大部分。APS定义了分组的通用服务类，一方面完成所需服务数据的组包和管理，另一方面也提供与下层网络层的交互接口。APS使用APSDE和APSME这2个实体完成相应服务。APSDE通过APSDE-SAP提供数据传输服务； APSME通过APSME-SAP提供管理服务并维护管理对象数据库。应用接口完成具体应用数据与APSDE的交互任务，并与应用对象/设备管理平台协同工作，共同提供所需的用户服务。安全服务提供商则为应用层和网络层提供安全支持服务。

图3 面向自动需求响应的HNPLC应用层协议架构

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遵循智能电网标准化路线草案^[13]和开放式自动需求响应通信协议^[14]对自动需求响应功能架构的定义，本文对各种自动响应需求业务进行分类管理，并针对不同的业务属性(如包长和等待时间等)提供相应的传输响应服务。表1给出了所设计HNPLC的应用层服务类型，还示例性地针对每类服务给出几种具体的服务描述，预留的扩展域用于根据应用需求增添或扩展服务描述。

应用层服务响应机制是应用层功能实现的核心内容，会影响整个HNPLC网络的服务性能。应用层服务响应机制是指当节点缓冲队列中存在多个待响应的应用服务时，节点如何对这些应用服务进行即时排序，以便按顺序完成相应服务的控制机制，并获得令人满意的应用服务体验。应用层服务响应机制由于HNPLC系统使用共享型电力线信道，即节点每次仅能对1个应用服务进行响应，因此在所设计的面向自动需求响应的HNPLC应用层使用基于动态优先级的应用层服务响应机制。

1) 动态优先级的计算方法。

综合考虑应用层服务队列中各服务数据的紧急程度、应用服务的即时等待时间和各服务数据包的相对通信传输效率，定义缓冲队列中数据包在时刻t的动态优先级为

其中： T_wait(t)为时刻t数据包在应用层缓冲队列中的等待时间，该值自数据包到达时刻算起，初始值为0，每等待一个时隙则加1； w为响应优先级权重值，如表1第3列所示； L_pack(t)为数据包包长，由于每帧数据具有长度相同的信令开销，在每帧允许的包长范围内其数据包越长则该帧的使用效率越高^[4]，因此这里L_pack(t)表征了数据包的传输效率； a和b分别为时间因子和效率因子，用于调整动态优先级的时间和效率比重。

2) 基于动态优先级的服务响应机制实现方法。

图4给出了基于动态优先级的应用层服务响应机制的实现过程，即选取节点在可响应时刻t缓存区中动态优先级最大的服务数据包进行服务处理，并对超时数据包进行内存释放和状态反馈。

图4 基于动态优先级的应用层服务响应机制实现过程

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本节基于所提的面向自动需求响应的应用层设计对基于动态优先级的服务响应机制进行仿真实验。该实验一方面用于证实所设计的应用层架构的有效性，另一方面用于完成对所提应用层服务响应机制的性能评价。

为确保仿真验证的真实和有效性，对所搭建仿真实验平台中的HNPLC节点功能进行跨层实现，其中应用层设计见节3，网络层、 MAC层和PHY层使用课题组已有的研究成果^{[2, 3, 4]}，这里限于篇幅不再赘述，仅给出仿真平台的单跳传输示意图，如图5所示。仿真中使用的HNPLC网络拓扑是依据实验室的实际布线而构建的，其电力线信道信息采用了实测的统计特性^[15]，以确保仿真结果真实地反映HNPLC网络的实际传输效果。

图5 仿真实验平台的单跳传输示意图

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表2给出了仿真中使用的应用层主要参数。其中，由于应用服务应答一般用于响应特定设备的应用层参数配置，且其传输通常紧随配置服务之后，因此可将应用服务应答归入设备配置服务，而其他应用层服务数据包的传输可靠性由底层交互机制(如DSM等)进行保障。

搭建的实验网络中，各节点的应用层服务响应机制分别使用所提的基于动态优先级的服务响应机制(dynamic priority,DP)和2种传统的单条件服务响应机制——单纯依据优先级权重(priority weight,PW)和先到先传(first in first out,FIFO)的服务响应机制。仿真实验有效验证了所设计的应用层架构的合理性和有效性，下面分别从网络的平均传输速率、丢包率和服务传输比例这3方面考察应用层核心的服务机制对网络性能的影响，进而验证所提的基于动态优先级的服务机制的优越性。

1) 网络的平均传输速率。

图6为应用层分别使用3种服务响应机制时，构建的实际HNPLC网络的平均传输速率。其中横坐标表示通信节点的应用层数据包平均到达时间，以时隙为单位。平均到达时间越小，则业务量越繁忙，等于1时即为饱和传输状态； 节点数据包的平均到达时间越大，则系统的业务量越少，因而网络越空闲。可以看出： 对于单纯依据优先级权重选取传输数据包的服务响应机制，由于高优先级权重的数据包其包长通常较短，使得信令开销所占比例相对较大，故而会影响网络的有效传输速率，因此具有最低的网络平均传输速率； 对于先到先传的服务响应机制，由于各种数据包按既定概率随机到达，节点根据数据包进入缓存的先后顺序选择传输包，因此具有相对平均且较为平稳的网络平均传输速率； 对于按照动态优先级选取传输数据包的服务响应机制，由于能在系统处于饱和状态时综合权衡缓存中各数据包的等待时间和传输效率，因此获得了最高的网络平均速率。当节点的数据包平均到达时间增大到一定程度后，网络相对空闲，3种机制均能完成所需业务量的传输，因而具有基本一致的平均传输速率。

图6 3种服务响应机制下网络的平均速率

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2) 网络的丢包率。

3种服务响应机制下网络的丢包率如图7所示。当各节点的业务量处于饱和或相对繁重的状态时，3种服务响应机制均具有较高的丢包率。随着节点业务量的减少，3种机制下的网络丢包率均呈下降趋势。其中，基于动态优先级的服务响应机制由于对缓存数据包的各种参数特征进行了综合把握，因此能较好地协调传输顺序，具有最低的丢包率，且丢包率随业务量的减少而最早降为0； 其他2种机制由于随机到达的数据包的类型和包长不同，其丢包率会在小范围内出现一定波动，其变化趋势仍满足丢包率随平均到达时间间隔的增大而减小的一般规律。当节点数据包的平均到达时间间隔足够大时，网络较为空闲，因此3种机制下的网络丢包率均降为0。

图7 3种服务响应机制下网络的丢包率

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3) 不同类型数据包的传输比例。

由于仿真参数中对各类服务数据包均规定了响应时间上限，即各类数据包均满足快速响应需求，因此本文用较长仿真时间内各类数据包的传输比例来考察各应用层响应机制对不同服务类型的服务响应情况。该指标一方面反映了各机制对各类数据的服务质量，另一方面也体现了仿真实验的准确性，并从原理上诠释了各服务机制性能表现的产生根源。图8给出了多次Monter Carlo仿真得到的传输比例的平均值，其中： 先到先传的服务响应机制的数据包传输比例与仿真初始化时设置的数据包产生比例相一致，即设备配置、需求响应、事件上报和紧急需求响应服务的传输比例分别为10%、 50%、 20%和20%； 单纯依据优先级权重的服务响应机制更倾向于为具有高优先级权重的数据包提供服务； 基于动态优先级的服务响应机制则能最大限度地选择效率相对较高的需求响应数据包来提供服务，满足双向互动的需求响应服务对网络传输效率和丢包率的要求。

图8 3种服务响应机制下各类服务数据的传输比例

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本文聚焦于电力系统自动需求响应的应用背景，设计了HNPLC系统架构和其顶层应用层的协议架构，定义了面向自动需求响应的应用层服务分类，并基于多分类的服务需求，提出一种基于动态优先级的应用层服务响应机制。结合已有研究成果对节点传输功能进行跨层实现，并在实际电力线网络中考察所提应用层服务响应机制的性能。计算机仿真结果表明： 该应用层协议架构合理，节点在应用层使用所提的基于动态优先级的服务响应机制能够明显提升HNPLC网络的传输性能，可以满足自动需求响应的服务要求。