基于Wi-Fi 中繼技術的配電網系統設計與實現

汪友杰，王承糧，禚俊杰，王 偉

（山東魯軟數字科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著電力需求的增長和能源技術的進步，配電網系統作為能源傳輸和分配的關鍵組成部分，起到了重要作用。隨著社會各界對電力需求的不斷增加，對電力系統的穩定性和通信效率提出了更高的要求。但現有的配電網系統在面對日益復雜的能源情況和快速增長的用戶需求時，仍面臨著一些挑戰[1-2]。通過設計基于Wi-Fi 中繼技術的配電網系統，能夠實現無線通信功能，包括擴展網絡覆蓋范圍、提供高速數據傳輸和連接多個設備等。

1 相關技術介紹

1.1 配電網系統概述

配電網系統作為電力系統的重要組成部分，主要負責將電力從輸電網傳輸到終端用戶。其主要由輸電層、配電層和用戶層3 個層次構成，以實現電力的可靠分配和供應。

輸電層主要由變電站、高壓線路和變壓器組成，并與電網的高壓部分相連，負責將電力從發電廠輸送到配電層。配電層主要由配電站、配電變壓器、開關設備及電纜線路等組成，也稱為中壓層，主要用于連接輸電層和用戶層，負責接收來自輸電層的電力，并根據需求將其分配給各個用戶。用戶層主要包括工業、商業和居民用戶，也稱為低壓層，是最終的電力使用者。電力經過更低級別的變壓器進行降壓后，通過配電線路供給各個用戶[3]。

1.2 Wi-Fi 中繼技術

Wi-Fi 中繼技術是一種無線通信技術，通過中繼設備來擴展Wi-Fi 網絡的覆蓋范圍，增強信號強度。Wi-Fi 中繼技術接收來自現有Wi-Fi 路由器的信號，并將其轉發給無線網絡的其他設備，從而擴展網絡的覆蓋范圍，提供更好的信號質量。Wi-Fi 中繼技術的工作原理是建立一條數據傳輸鏈路，通過中繼設備捕捉原始Wi-Fi 信號，并將接收到的信號經過處理和放大后再次發射出去，從而延長Wi-Fi 信號的傳播距離。

2 需求分析與系統設計

2.1 配電網系統需求分析

在設計基于Wi-Fi 中繼技術的配電網系統之前，需要全面分析系統的需求，包括功能、性能和安全性等方面。明確系統的功能和性能要求，確保系統設計滿足目標要求，有效解決配電網系統的通信穩定性和質量等問題[4]。

2.1.1 功能性需求

配電網系統作為能源傳輸和分配的關鍵部分，需要滿足功能性需求，以確保系統的正常運行和電力的可靠供應。

首先，數據采集和監測需求。系統要能夠實時采集各個節點的電力使用情況、設備狀態和環境參數等信息，以便進行數據分析和監測。其次，遠程控制和管理需求。系統應具備遠程控制和管理能力，能夠遠程調節并管理電力設備和電力分配。再次，故障診斷和恢復需求。系統需要具備故障自診斷和快速恢復功能，能夠及時發現電力系統的故障并采取相應的措施進行修復。最后，靈活性和可擴展性需求。系統應具備出色的靈活性和可擴展性，以滿足不同規模和需求的配電網系統搭建和應用。

2.1.2 性能需求

配電網系統的性能需求直接影響著系統的穩定性、傳輸效率和響應速度，因此需要充分考量并分析性能需求。

第一，數據傳輸速率方面。系統能夠支持高速、穩定的數據傳輸，及時更新并傳輸電力數據。第二，響應速度方面。系統對于遠程控制命令和故障診斷等操作需要具備較快的響應速度，確保在系統出現問題時能夠快速做出應對措施。第三，系統應具備高可靠性和穩定性，能夠持續穩定地運行，并在異常情況下進行自動切換和恢復。

2.1.3 安全性需求

由于配電網系統涉及到能源傳輸和供應，因此安全性需求至關重要。為確保數據安全，系統應對傳輸的數據進行加密和保護，確保電力數據不會被惡意篡改或竊取。同時，在訪問控制方面，系統應具備嚴格的訪問控制機制，確保只有授權人員能夠對系統進行操作和管理。此外，系統需具備故障隔離和安全切斷等功能，防止故障在系統中蔓延，造成更大的影響。

2.2 Wi-Fi 中繼技術在配電網系統設計中的應用

2.2.1 網絡拓撲結構設計

利用網絡拓撲結構和數據傳輸等技術，將Wi-Fi中繼技術應用于配電網系統。通過設計網絡拓撲結構，明確中繼設備的位置、連接方式，以增強系統的可靠性。配電網系統的網絡拓撲結構如圖1 所示。

圖1 配電網系統的網絡拓撲結構

2.2.2 數據傳輸方式設計

在利用Wi-Fi 中繼技術進行數據傳輸時，需要設計合適的數據傳輸方案，以滿足系統的實時性和可靠性要求。第一，數據傳輸路徑選擇。根據設備間的關聯性和數據傳輸要求，選用直接連接方式的中繼設備路徑，確保數據能夠快速、可靠地傳輸到目標設備。第二，傳輸優先級。根據不同的應用需求，為數據傳輸設定優先級，確保能夠及時傳輸并處理重要數據。第三，數據包分片和重組。在大規模的數據傳輸過程中，通常會將數據包進行分片傳輸，并在接收端進行重組，以提高傳輸效率和可靠性。

2.2.3 安全性設計

應用Wi-Fi 中繼技術時，安全性設計至關重要，需從加密、權限、監測等方面進行綜合設計。第一，加密和認證方面。對于無線網絡傳輸的數據，要使用加密算法對數據進行加密，并使用認證機制，以確保數據源的可信性。第二，訪問控制和權限管理方面。采用訪問控制和權限管理策略，確保只有授權人員能夠訪問和操作配電網系統。第三，安全監測和報警方面。配備安全監測系統，實時監測和檢測可能存在的安全威脅，并及時報警或采取相應的安全措施。

3 系統實現

3.1 Wi-Fi 中繼設備

Wi-Fi 中繼設備負責接收數據傳輸模塊發來的數據，對信號進行放大和優化處理，并將優化后的數據傳輸至監控中心模塊。采用先進的信號處理技術，如自適應濾波器、信號增益控制等，以消除環境干擾，提高信號質量。在無線通信技術方面，利用高速無線通信技術，如Wi-Fi 6 或Wi-Fi 6E 等，以提高數據傳輸速率，降低數據傳輸延遲。在選擇中繼設備時，要考慮設備的覆蓋范圍、傳輸速率、信號穩定性以及網絡擴展性等因素。因此，文章選用Ubiquiti UniFi AC Mesh 型號的Wi-Fi 中繼設備，可實現最高867 Mb/s的傳輸速率，并支持自動無線覆蓋調整和可擴展網狀拓撲結構，適用于大范圍的配電網覆蓋應用[5]。

3.2 傳感器

傳感器的選擇與配電網系統的功能需求密切相關。傳感器主要負責采集配電網中的各類數據，如電壓、電流、功率以及溫度等參數，并實時監測配電網的運行狀態。因此，文章選用Advantech Wzzard Wireless Sensing Solution 型號的傳感器系統。該系統集成了多種類型的傳感器，以實現對電力設備狀態、溫度、濕度及其他環境參數的監測，并通過Wi-Fi 中繼設備進行數據傳輸，確保數據傳輸的準確性和實時性。

3.3 控制器

控制器在配電網系統中發揮著重要作用，具備管理、控制、監控等多項功能。其主要職責是統一管理和協調各子系統，包括Wi-Fi 中繼設備、傳感器和其他設備。同時，控制器負責對數據進行加密、防護、分析及處理。在設計控制器時，需綜合考量控制器的處理能力、通信接口、可編程性及可靠性等因素，確保系統能夠高效地完成數據處理和控制操作。此外，控制器還需要負責接收中繼器模塊傳輸的數據，并進行數據分析和處理，以實現對配電網的實時監控和故障診斷。而數據加密技術和防護機制是確保數據傳輸過程安全性和可靠性的重要手段。

4 實際案例分析

為驗證基于Wi-Fi 中繼技術的配電網系統及方法的可行性和效果，選取某地區配電網進行實際應用。通過部署傳感器數據采集傳輸模塊、Wi-Fi 中繼設備模塊和控制器中心模塊等設備，對該地區配電網進行實時監控和數據采集，并將經過處理的數據與該區域之前同周期的數據進行對比。

結果顯示，在傳輸速率上，基于Wi-Fi 中繼技術的配電網系統比傳統有線通信方式高34.6%；在系統穩定性方面，比傳統有線通信方式高30.4%。實際應用結果證實，文章設計的系統成功實現了對配電網的實時監控和數據采集。同時，相較于傳統的有線通信方式，基于Wi-Fi 中繼技術的配電網系統在傳輸速率、系統穩定性和部署成本等方面均具有明顯優勢，系統運行穩定，無明顯通信中斷現象，滿足配電網的實時監控需求。

5 結 論

文章重點研究基于Wi-Fi中繼技術在配電網系統。通過實際案例分析證實，該系統在傳輸速率、系統穩定性和部署便捷性等方面具備顯著優勢，對于提高配電網的通信效率和穩定性具有重要意義。隨著科學技術的不斷發展，未來需要進一步優化系統設計，提高數據處理能力和信號傳輸質量，以擴大Wi-Fi 中繼技術在配電網領域的應用范圍。