智能电网是通过先进的通信技术、高性能计算机技术以及智能化电气控制技术把各种电力设备集为一体复杂的电力网络。通过使用可靠、高效、安全和实时的网络通信技术,实现发电单元、输变电网以及配电网三者之间的无缝对接,是保证智能电网电力流和信息流双线传输的必要手段之一。2011年美国公布的“智能电网发展框架与路线图”明确将WSNs列为推荐的区域电网通信技术之一。2012年IEEE特别发布了专用于智能配电网的WSNs技术标准IEEE802.15.4g。近年来,无线传感网络在电力系统中的应用得到了中国国家自然科学基金、美国国家自然科学基金以及欧盟第七框架计划的大力支持。研究WSNs在智能配电网中的应用一直是关注的热点。无线传感器网络用于满足电力工业通信规范保证性指标的智能配电网高性能通信,其应用基础研究可归结为一类具有不确定性过程和有上确界保证性QoS指标要求的多目标协调优化难题。研究该类问题核心是建立具有上确界保证性QoS支持的层内优化与跨层协作质量控制协议栈模型。在网络拓扑结构相对固定条件下,实现对具有实时性和可靠性上确界保证性QoS指标的无线传感器网络数据通信协调优化。所提出的研究方法能够提高无线传感器网络通信性能以及为无线传感器网络在智能配电网通信系统中应用提供理论支撑和实际应用依据。本文的主要研究工作如下:(1)提出一种满足电力数据优先级需求的MAC层内数据队列调度与不公平竞争信道访问机制的无线传感器网络MAC-QoS协议算法,建立了智能配电网无线传感器网络MAC层性能分析的数学模型。该算法针对电力工业通信规范对不同类型电力数据具有不同实时性和可靠性的需求,以网络节点内电力数据队列一步链变化,建立了高优先级、中等优先级和低优先级数据不公平竞争的马尔科夫链缓冲队列的数学模型与邻近节点间信道竞争的数学模型。构建了网络MAC层性能分析的延时时间、信道冲撞率、有效吞吐率模型。仿真实验结果表明:该算法在无线传感器网络欠饱和状态,所有类型电力数据的实时性和可靠性均能够得到保证;在网络饱和状态或过饱和状态,高优先级电力数据的实时性和可靠性优先得到保证;能在不增加任何网络开销的前提下,实现对不同类型的电力数据提供满足电力工业通信规范要求的服务质量。(2)提出了一种以智能配电网无线传感器网络最小流为目标函数的最优路径选择算法。该算法以电力工业通信规范对电力数据通信的实时性和可靠性需求的上确界作为约束条件,建立起节点内流量守恒作为边界条件的智能配电网无线传感器网络最小流的数据传输最优路径选择的目标函数。从极值存在的必要条件出发,构建出目标函数系数最优解的求取方法。通过对比所获得目标函数系数的最优解与当前节点到目标节点链路上的阻抗之间的大小,作为判断当前无线传感器节点是否位于数据传送的最优路径上的依据。仿真实验结果表明:所提出的智能配电网无线传感器网络最小流目标函数的最优路径选择算法,实现对智能配电网中电力数据的有效传输,保证实时性和可靠性指标满足电力工业通信规约。(3)提出了一种基于邻近节点效应的智能配电网无线传感器网络数据通信的拥塞控制算法。该算法在当前节点出现拥塞时,以邻近节点传输效能为评价量.以该节点传输数据窗口尺寸为调节量,控制网络拥塞发生的概率,在不降低网络有效吞吐量的前提下,有效保证电力工业通信规范对电力数据通信的实时性和可靠性需求。为弥补由于拥塞引起的数据丢失和数据传输时间的增加,所提出的拥塞控制算法进一步增加了快重传和快恢复功能。以有线传输的通信模型为出发点,构建了衡量智能配电网无线传感器网络数据通信的拥塞控制算法的性能分析的拥塞窗口和队列长度变化率的数学模型。在智能配电网无线传感器网络通信系统中嵌入了H2/H∞混合控制器来有效保证通信系统的稳定性。仿真实验结果表明:所提出的基于邻近节点效应的智能配电网无线传感器网络数据通信的拥塞控制算法能够有效降低系统发生拥塞的概率,提升智能配电网中电力数据传输的实时性和可靠性使其满足电力工业通信规范。(4)建立了智能配电网无线传感器网络协议栈跨层协作服务质量控制模型。该模型依据IEEE802.15.4协议栈模型结构,统一协调各层资源,协同调节网络协议栈各个协议层参数之间的配合,整体上提升协议栈服务质量性能,以保证电力数据的实时性和可靠性满足电力工业通信规范需求。建立了智能配电网无线传感器网络通信系统的单节点模糊认知图模型以及对应的关联矩阵,通过T-S方法建立多个无线传感器节点之间的联系。以数据队列长度对应的概念节点作为被控变量和其余概念节点作为控制变量,建立了智能配电网无线传感器网络的控制系统。仿真实验结果表明:所提出的智能配电网无线传感器网络协议栈跨层协作服务质量控制模型能够实现协议栈内多个协议层之间的信息共享以及协议栈跨层协作,在通信网络处于不饱和状态时,所有类型电力数据实时性和可靠性均得到保证;在通信网络处于饱和状态时,优先保证级别较高的电力数据实时性和可靠性满足电力工业通信规范需求。(5)实例应用。设计了黄山市智能配电网无线传感器网络的拓扑架构。充分考虑无线传感器网络多单元、多形式、多层次设计理念与智能配电网所处地理环境、配电网终端设备的布局结构、各个区域离智能配电网信息管理中心的远近和配电网信息管理中心自身的需求相适应。在所设计的智能配电网无线传感网络中同时嵌入了满足电力数据优先级需求的MAC层内数据队列调度与不公平竞争机制的MAC-QoS协议算法,以智能配电网无线传感器网络最小流为目标函数的最优路径选择算法,基于邻近节点效应的拥塞控制算法和协议栈跨层协作服务质量控制算法。并根据智能配电网信息管理的需求设计了相应的网关管理软件。对该实例应用中不同优先级别数据的实时性和可靠性进行测试。结果表明:本文所做的基础理论研究以及相关的模型算法,能够满足电力通信规范对智能配电网数据传输的实时性和可靠性指标的要求,达到了对智能配电网高性能数据通信需求的预期目标。