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无线传感器网络作为通信领域的新兴技术，具有分布式处理系统的高监测精度、高容错性、覆盖区域广、可远程遥测遥控、自组织多跳路由等优点。
为了满足城市配电网对数据的实时性和可靠性特点的要求，针对城市配电结构及设备分布特点、配电通信数据要求，探讨了一种配电通信无线通信自组网络拓扑结构，对不同实时性需求的配电通信数据实现不同传输质量服务的差异化处理方法。其核心是建立城市配电网无线通信自组网络的MAC层模型，本文提出的方法可满足不同实时性配电数据通信的需求，并对多节点共享单信道通信建模方法具有一定的推广意义。
1城市配电网结构分析
城市配电网监控终端位置分布广、设备数量多、安装地点分散、运行环境复杂、地理地域分布状况不均衡，既不呈纯“总线型”分布，也不呈纯“星型”分布，而呈两者的混合型分布等特点。特别在35kV/10kV以下的城市配电线路主要为10kV架空线以及部分地下电缆线路。架空线采用的接线方式主要是“手拉手”环网接线和电源辐射接线。配电主线路沿道路架设或铺设，基本呈向街区中心区域延伸放射状的方式，几台或几十台变压器T接于同一条线路的各个分支上。
2.1自组织性
传感器节点的位置一般无法预设，节点之间的距离、环境等关系也不能提前预知，所以需要传感器节点具有自组织的能力，自动配置和管理，形成多跳无线网络系统。
2.2动态性
由于环境变化，无线自组织网络的拓扑结构会发生变化。当原有链路无法通信时，无线传感器节点通过路由识别功能自动寻找新的链路，并尝试建立新的连接，通过无线通信协调器接入网络。
2.3规模大
配电网的配变装置分布较广、数量多，可能配电系统分散而配电设备集中。此时需要通过从不同通路获取信息来提高信噪比，减少盲区。
2.4可靠性
配电网数据影响着配电生产管理和调度运行，所以要求无线传感器网络的数据通信的可靠性。2.5安全性
为了防止数据被窃听或者非法侵入，无线自组织网络通信需采用消息认证、完整性鉴别、密钥算法、节点间耦合性等技术来保证各种数据，尤其是机密数据的安全。
（3）网络模式与配电线路架构相适应；
（4）网络结构与通信链路可靠性相适应。
因此，建立与沿城市主干道路的配电主线路相对应的无线传感自组网路由链路，易于构建无线信号遮挡物少通信质量好的环形网络结构。建立呈向街区中心区域延伸放射状的相对应的无线传感自组网路由链路，易于构建以环形网节点为根节点星形网络结构。选择增加中继路由跳点，易于构建辐射链路质量好的健壮无线网络结构。选择增加多路路由跳点，易于构建可靠性高的多路径无线网络结构。因此，城市配电无线传感自组网络拓扑设计采用环状网和星状网相结合的网络拓扑方式。
配电网无线传感自组网拓扑结构图如图1所示。无线传感自组网簇头节点既承担构建通信质量好的环状主干网拓扑结构又负责路由/终端节点数据汇集转发。环状主干网络上任一簇头节点失效后，并不影响其它簇头节点的数据传输。因此，环状主干网络具有较高的可靠性。配电无线传感自组网路由/终端节点通过配变数据检测单元（PTTU）将传感器数据处理后发送配电无线传感自组网有线接入协调器节点。协调器节点可通过光纤以太网、工业以太网、RS232/485等电力有线通信网络接入配电无线传感自组网网关。网关完成各配变数据检测单元与配电信息管理系统的数据交互及无线传感自组网的网络管理功能。
分析MAC层模型可得，随着非实时数据产生率增加，非实时数据在CSMA/CA机制中经过最大的退避次数仍不能获取信道完成数据传输的冲撞率明显增加。相比之下实时数据的CSMA/CA信道冲撞率受到的影响较小。
同时当非实时数据产生率很大时，实时数据仍然能保较低的传输延时，几乎不受影响。
并且在网络负担比较大的极端情况下，大量非实时数据不能完成传送，而实时数据几乎不受影响。
该系统在实际工程应用，其性能指标为：
无线节点室外明视单跳可靠传输距离：1.2 km；
RF数据传输率：250 kbit/s；
接口数据传输率：115.2 kbit/s；
频率波段：2.400 0—2.483 5GHz；
工作温度：-30—75℃；
数据通信命令包可靠率：≥99%；
数据包传输平均时延：≤3s；
配电无线通信自组网MAC层机制的提出满足了城市配电系统对信息传输实时性及可靠性的要求，为配电信息化通信组网在配电管理系统的实用提供了技术支持，具有良好的性能优势。
6结束语
与传统的无线网络相比，配电网无线通信自组网无需固定的基础设施，可通过路由／终端器节点多跳方式形成一种分布式无线数据通信网络，它所具有的星型和网状多跳级联拓扑结构和自组织特性，非常适合城市地理环境的节点布局，适应城市发展带来的配电网节点的变化。
（1）配电网无线通信自组网所有节点地位相等，都承担路由和终端的功能，每个传感器节点都具有报文的收发功能，受传输范围的限制，当2个节点不能直接通信时，可以通过中间节点进行转发，本质上提高了数据通信的可靠性。
（2）配电网无线通信自组网与电力光纤通信网结合使用，可以极大地扩展配电网监测台区的覆盖范围，通过合理规划配电网监测点（区域）功能并进行环境整合优化，可以组建区域性的地理单元模块，积木式地构建和实施配电网监测无线通信平台。
（3）配电网监测无线通信自组网运行稳定，路由/终端器节点之间的数据传送可靠，保证了配电网监测数据通信的实时性及可靠性。
为了满足城市配电网对数据的实时性和可靠性特点的要求，针对城市配电结构及设备分布特点、配电通信数据要求，探讨了一种配电通信无线通信自组网络拓扑结构，对不同实时性需求的配电通信数据实现不同传输质量服务的差异化处理方法。其核心是建立城市配电网无线通信自组网络的MAC层模型，本文提出的方法可满足不同实时性配电数据通信的需求，并对多节点共享单信道通信建模方法具有一定的推广意义。
1城市配电网结构分析
城市配电网监控终端位置分布广、设备数量多、安装地点分散、运行环境复杂、地理地域分布状况不均衡，既不呈纯“总线型”分布，也不呈纯“星型”分布，而呈两者的混合型分布等特点。特别在35kV/10kV以下的城市配电线路主要为10kV架空线以及部分地下电缆线路。架空线采用的接线方式主要是“手拉手”环网接线和电源辐射接线。配电主线路沿道路架设或铺设，基本呈向街区中心区域延伸放射状的方式，几台或几十台变压器T接于同一条线路的各个分支上。
2.1自组织性
传感器节点的位置一般无法预设，节点之间的距离、环境等关系也不能提前预知，所以需要传感器节点具有自组织的能力，自动配置和管理，形成多跳无线网络系统。
2.2动态性
由于环境变化，无线自组织网络的拓扑结构会发生变化。当原有链路无法通信时，无线传感器节点通过路由识别功能自动寻找新的链路，并尝试建立新的连接，通过无线通信协调器接入网络。
2.3规模大
配电网的配变装置分布较广、数量多，可能配电系统分散而配电设备集中。此时需要通过从不同通路获取信息来提高信噪比，减少盲区。
2.4可靠性
配电网数据影响着配电生产管理和调度运行，所以要求无线传感器网络的数据通信的可靠性。2.5安全性
为了防止数据被窃听或者非法侵入，无线自组织网络通信需采用消息认证、完整性鉴别、密钥算法、节点间耦合性等技术来保证各种数据，尤其是机密数据的安全。
（3）网络模式与配电线路架构相适应；
（4）网络结构与通信链路可靠性相适应。
因此，建立与沿城市主干道路的配电主线路相对应的无线传感自组网路由链路，易于构建无线信号遮挡物少通信质量好的环形网络结构。建立呈向街区中心区域延伸放射状的相对应的无线传感自组网路由链路，易于构建以环形网节点为根节点星形网络结构。选择增加中继路由跳点，易于构建辐射链路质量好的健壮无线网络结构。选择增加多路路由跳点，易于构建可靠性高的多路径无线网络结构。因此，城市配电无线传感自组网络拓扑设计采用环状网和星状网相结合的网络拓扑方式。
配电网无线传感自组网拓扑结构图如图1所示。无线传感自组网簇头节点既承担构建通信质量好的环状主干网拓扑结构又负责路由/终端节点数据汇集转发。环状主干网络上任一簇头节点失效后，并不影响其它簇头节点的数据传输。因此，环状主干网络具有较高的可靠性。配电无线传感自组网路由/终端节点通过配变数据检测单元（PTTU）将传感器数据处理后发送配电无线传感自组网有线接入协调器节点。协调器节点可通过光纤以太网、工业以太网、RS232/485等电力有线通信网络接入配电无线传感自组网网关。网关完成各配变数据检测单元与配电信息管理系统的数据交互及无线传感自组网的网络管理功能。
分析MAC层模型可得，随着非实时数据产生率增加，非实时数据在CSMA/CA机制中经过最大的退避次数仍不能获取信道完成数据传输的冲撞率明显增加。相比之下实时数据的CSMA/CA信道冲撞率受到的影响较小。
同时当非实时数据产生率很大时，实时数据仍然能保较低的传输延时，几乎不受影响。
并且在网络负担比较大的极端情况下，大量非实时数据不能完成传送，而实时数据几乎不受影响。
该系统在实际工程应用，其性能指标为：
无线节点室外明视单跳可靠传输距离：1.2 km；
RF数据传输率：250 kbit/s；
接口数据传输率：115.2 kbit/s；
频率波段：2.400 0—2.483 5GHz；
工作温度：-30—75℃；
数据通信命令包可靠率：≥99%；
数据包传输平均时延：≤3s；
配电无线通信自组网MAC层机制的提出满足了城市配电系统对信息传输实时性及可靠性的要求，为配电信息化通信组网在配电管理系统的实用提供了技术支持，具有良好的性能优势。
6结束语
与传统的无线网络相比，配电网无线通信自组网无需固定的基础设施，可通过路由／终端器节点多跳方式形成一种分布式无线数据通信网络，它所具有的星型和网状多跳级联拓扑结构和自组织特性，非常适合城市地理环境的节点布局，适应城市发展带来的配电网节点的变化。
（1）配电网无线通信自组网所有节点地位相等，都承担路由和终端的功能，每个传感器节点都具有报文的收发功能，受传输范围的限制，当2个节点不能直接通信时，可以通过中间节点进行转发，本质上提高了数据通信的可靠性。
（2）配电网无线通信自组网与电力光纤通信网结合使用，可以极大地扩展配电网监测台区的覆盖范围，通过合理规划配电网监测点（区域）功能并进行环境整合优化，可以组建区域性的地理单元模块，积木式地构建和实施配电网监测无线通信平台。
（3）配电网监测无线通信自组网运行稳定，路由/终端器节点之间的数据传送可靠，保证了配电网监测数据通信的实时性及可靠性。