基于Wi-Fi 中继技术的配电网系统设计与实现

汪友杰，王承粮，禚俊杰，王 伟

（山东鲁软数字科技有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

随着电力需求的增长和能源技术的进步，配电网系统作为能源传输和分配的关键组成部分，起到了重要作用。随着社会各界对电力需求的不断增加，对电力系统的稳定性和通信效率提出了更高的要求。但现有的配电网系统在面对日益复杂的能源情况和快速增长的用户需求时，仍面临着一些挑战[1-2]。通过设计基于Wi-Fi 中继技术的配电网系统，能够实现无线通信功能，包括扩展网络覆盖范围、提供高速数据传输和连接多个设备等。

1 相关技术介绍

1.1 配电网系统概述

配电网系统作为电力系统的重要组成部分，主要负责将电力从输电网传输到终端用户。其主要由输电层、配电层和用户层3 个层次构成，以实现电力的可靠分配和供应。

输电层主要由变电站、高压线路和变压器组成，并与电网的高压部分相连，负责将电力从发电厂输送到配电层。配电层主要由配电站、配电变压器、开关设备及电缆线路等组成，也称为中压层，主要用于连接输电层和用户层，负责接收来自输电层的电力，并根据需求将其分配给各个用户。用户层主要包括工业、商业和居民用户，也称为低压层，是最终的电力使用者。电力经过更低级别的变压器进行降压后，通过配电线路供给各个用户[3]。

1.2 Wi-Fi 中继技术

Wi-Fi 中继技术是一种无线通信技术，通过中继设备来扩展Wi-Fi 网络的覆盖范围，增强信号强度。Wi-Fi 中继技术接收来自现有Wi-Fi 路由器的信号，并将其转发给无线网络的其他设备，从而扩展网络的覆盖范围，提供更好的信号质量。Wi-Fi 中继技术的工作原理是建立一条数据传输链路，通过中继设备捕捉原始Wi-Fi 信号，并将接收到的信号经过处理和放大后再次发射出去，从而延长Wi-Fi 信号的传播距离。

2 需求分析与系统设计

2.1 配电网系统需求分析

在设计基于Wi-Fi 中继技术的配电网系统之前，需要全面分析系统的需求，包括功能、性能和安全性等方面。明确系统的功能和性能要求，确保系统设计满足目标要求，有效解决配电网系统的通信稳定性和质量等问题[4]。

2.1.1 功能性需求

配电网系统作为能源传输和分配的关键部分，需要满足功能性需求，以确保系统的正常运行和电力的可靠供应。

首先，数据采集和监测需求。系统要能够实时采集各个节点的电力使用情况、设备状态和环境参数等信息，以便进行数据分析和监测。其次，远程控制和管理需求。系统应具备远程控制和管理能力，能够远程调节并管理电力设备和电力分配。再次，故障诊断和恢复需求。系统需要具备故障自诊断和快速恢复功能，能够及时发现电力系统的故障并采取相应的措施进行修复。最后，灵活性和可扩展性需求。系统应具备出色的灵活性和可扩展性，以满足不同规模和需求的配电网系统搭建和应用。

2.1.2 性能需求

配电网系统的性能需求直接影响着系统的稳定性、传输效率和响应速度，因此需要充分考量并分析性能需求。

第一，数据传输速率方面。系统能够支持高速、稳定的数据传输，及时更新并传输电力数据。第二，响应速度方面。系统对于远程控制命令和故障诊断等操作需要具备较快的响应速度，确保在系统出现问题时能够快速做出应对措施。第三，系统应具备高可靠性和稳定性，能够持续稳定地运行，并在异常情况下进行自动切换和恢复。

2.1.3 安全性需求

由于配电网系统涉及到能源传输和供应，因此安全性需求至关重要。为确保数据安全，系统应对传输的数据进行加密和保护，确保电力数据不会被恶意篡改或窃取。同时，在访问控制方面，系统应具备严格的访问控制机制，确保只有授权人员能够对系统进行操作和管理。此外，系统需具备故障隔离和安全切断等功能，防止故障在系统中蔓延，造成更大的影响。

2.2 Wi-Fi 中继技术在配电网系统设计中的应用

2.2.1 网络拓扑结构设计

利用网络拓扑结构和数据传输等技术，将Wi-Fi中继技术应用于配电网系统。通过设计网络拓扑结构，明确中继设备的位置、连接方式，以增强系统的可靠性。配电网系统的网络拓扑结构如图1 所示。

图1 配电网系统的网络拓扑结构

2.2.2 数据传输方式设计

在利用Wi-Fi 中继技术进行数据传输时，需要设计合适的数据传输方案，以满足系统的实时性和可靠性要求。第一，数据传输路径选择。根据设备间的关联性和数据传输要求，选用直接连接方式的中继设备路径，确保数据能够快速、可靠地传输到目标设备。第二，传输优先级。根据不同的应用需求，为数据传输设定优先级，确保能够及时传输并处理重要数据。第三，数据包分片和重组。在大规模的数据传输过程中，通常会将数据包进行分片传输，并在接收端进行重组，以提高传输效率和可靠性。

2.2.3 安全性设计

应用Wi-Fi 中继技术时，安全性设计至关重要，需从加密、权限、监测等方面进行综合设计。第一，加密和认证方面。对于无线网络传输的数据，要使用加密算法对数据进行加密，并使用认证机制，以确保数据源的可信性。第二，访问控制和权限管理方面。采用访问控制和权限管理策略，确保只有授权人员能够访问和操作配电网系统。第三，安全监测和报警方面。配备安全监测系统，实时监测和检测可能存在的安全威胁，并及时报警或采取相应的安全措施。

3 系统实现

3.1 Wi-Fi 中继设备

Wi-Fi 中继设备负责接收数据传输模块发来的数据，对信号进行放大和优化处理，并将优化后的数据传输至监控中心模块。采用先进的信号处理技术，如自适应滤波器、信号增益控制等，以消除环境干扰，提高信号质量。在无线通信技术方面，利用高速无线通信技术，如Wi-Fi 6 或Wi-Fi 6E 等，以提高数据传输速率，降低数据传输延迟。在选择中继设备时，要考虑设备的覆盖范围、传输速率、信号稳定性以及网络扩展性等因素。因此，文章选用Ubiquiti UniFi AC Mesh 型号的Wi-Fi 中继设备，可实现最高867 Mb/s的传输速率，并支持自动无线覆盖调整和可扩展网状拓扑结构，适用于大范围的配电网覆盖应用[5]。

3.2 传感器

传感器的选择与配电网系统的功能需求密切相关。传感器主要负责采集配电网中的各类数据，如电压、电流、功率以及温度等参数，并实时监测配电网的运行状态。因此，文章选用Advantech Wzzard Wireless Sensing Solution 型号的传感器系统。该系统集成了多种类型的传感器，以实现对电力设备状态、温度、湿度及其他环境参数的监测，并通过Wi-Fi 中继设备进行数据传输，确保数据传输的准确性和实时性。

3.3 控制器

控制器在配电网系统中发挥着重要作用，具备管理、控制、监控等多项功能。其主要职责是统一管理和协调各子系统，包括Wi-Fi 中继设备、传感器和其他设备。同时，控制器负责对数据进行加密、防护、分析及处理。在设计控制器时，需综合考量控制器的处理能力、通信接口、可编程性及可靠性等因素，确保系统能够高效地完成数据处理和控制操作。此外，控制器还需要负责接收中继器模块传输的数据，并进行数据分析和处理，以实现对配电网的实时监控和故障诊断。而数据加密技术和防护机制是确保数据传输过程安全性和可靠性的重要手段。

4 实际案例分析

为验证基于Wi-Fi 中继技术的配电网系统及方法的可行性和效果，选取某地区配电网进行实际应用。通过部署传感器数据采集传输模块、Wi-Fi 中继设备模块和控制器中心模块等设备，对该地区配电网进行实时监控和数据采集，并将经过处理的数据与该区域之前同周期的数据进行对比。

结果显示，在传输速率上，基于Wi-Fi 中继技术的配电网系统比传统有线通信方式高34.6%；在系统稳定性方面，比传统有线通信方式高30.4%。实际应用结果证实，文章设计的系统成功实现了对配电网的实时监控和数据采集。同时，相较于传统的有线通信方式，基于Wi-Fi 中继技术的配电网系统在传输速率、系统稳定性和部署成本等方面均具有明显优势，系统运行稳定，无明显通信中断现象，满足配电网的实时监控需求。

5 结 论

文章重点研究基于Wi-Fi中继技术在配电网系统。通过实际案例分析证实，该系统在传输速率、系统稳定性和部署便捷性等方面具备显著优势，对于提高配电网的通信效率和稳定性具有重要意义。随着科学技术的不断发展，未来需要进一步优化系统设计，提高数据处理能力和信号传输质量，以扩大Wi-Fi 中继技术在配电网领域的应用范围。