多Agent在IEC61850通信模型中的應用研究

多Agent系統MAS（Muti-Agent System）處理模式是近年來(lái)在社會(huì )各領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，它具有很好的自主性和自發(fā)性。在此模式下，以往需要整個(gè)系統才能完成的任務(wù)，可以通過(guò)幾個(gè)子系統來(lái)完成。不同子系統之間既相對獨立又相互聯(lián)系，它們之間通過(guò)信息的交流，以協(xié)同合作的方式進(jìn)行工作。
　　IEC61850標準是基于通用網(wǎng)絡(luò )通信平臺的變電站自動(dòng)化系統唯一的國際標準，其目標是最大限度地應用現有的標準和被廣泛接受的通信原理，在不同制造商的智能電子設備（IED）之間實(shí)現良好的互操作性，并且能適應通信及應用技術(shù)的快速發(fā)展。
　　本文根據IEC61850的特點(diǎn)和功能，綜合多Agent系統的優(yōu)點(diǎn)和結構，提出了一種針對IEC61850標準的分層分布協(xié)調式MAS組織結構模型。將這種模型應用到智能通信服務(wù)器(ICS)，既滿(mǎn)足了IEC61850標準的要求，又極大地提高了智能通信服務(wù)器的智能化水平。最后本文通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)電壓控制系統（AVC）的實(shí)驗原型系統進(jìn)行了測試。
1 多Agent系統簡(jiǎn)介
　　多Agent系統是指一些自主的Agent通過(guò)協(xié)作完成某些任務(wù)或者實(shí)現某些目標的計算系統，它側重研究如何協(xié)調一組Agent的行為。多Agent應用系統往往用于解決單個(gè)Agent無(wú)法處理的問(wèn)題，一般具有以下基本特性[1]：
　　(1) 自主性：Agent 具有屬于其自身的計算資源和局部于自身行為控制的機制，能夠根據其內部狀態(tài)和感知到的（外部）環(huán)境信息，決定和控制自身的行為；
　　(2) 交互性：能與其他Agent進(jìn)行多種形式的交互，能有效地與其他Agent協(xié)同工作；
　　(3) 反應性：能感知所處的環(huán)境，并對相關(guān)事件做出適時(shí)反應；
　　(4) 主動(dòng)性：能遵循承諾采取主動(dòng)行動(dòng)，表現出面向目標的行為。
2 IEC61850分層分布式信息交換功能
　　IEC61850標準規定，變電站自動(dòng)化系統的功能在邏輯上可分配在三個(gè)不同的層次（變電站層、間隔層、過(guò)程層）。層次及邏輯接口IF1～IF10之間的邏輯關(guān)系如圖1所示[2]。

過(guò)程層功能：包含所有與過(guò)程接口的功能，即普通的二進(jìn)制和模擬I/O功能。這些功能通過(guò)邏輯接口IF4和IF5與間隔層通信。
　　間隔層功能：主要使用一個(gè)間隔的數據并且對這個(gè)間隔的一次設備進(jìn)行操作。間隔意味著(zhù)變電站的任意一個(gè)部分，如一條饋線(xiàn)、一個(gè)串、一個(gè)線(xiàn)路變壓器組。間隔的定義考慮變電站一次配置的一些有意義的子結構以及二次系統（變電站自動(dòng)化）的本地功能和自治能力。這些功能通過(guò)邏輯接口IF4和IF5與過(guò)程層通信，通過(guò)邏輯接口IF3與間隔層通信。
　　變電站層功能：過(guò)程層關(guān)聯(lián)的變電站層功能，即使用多個(gè)間隔或者整站的數據，并且對多個(gè)間隔或整站的一次設備進(jìn)行監視和控制。這些功能主要通過(guò)接口IF8通信；站級功能相關(guān)的接口表示變電站自動(dòng)化系統SAS與本站操作人機接口（HMI）的接口，與遠方控制中心（TCI）的接口，與遠方監視和維護工程師站（TMI）的接口。這些功能通過(guò)邏輯接口IF1和IF6以及邏輯接口IF7通信，并經(jīng)遠方控制接口同外部通信。
3 多Agent系統在IEC61850通信模型中的應用
　　IEC61850采用分層分布式體系、面向對象的建模技術(shù)，使數據對象具備了自描述的能力；智能通信服務(wù)器（ICS）作為電力自動(dòng)化系統的數據處理和轉換平臺，降低了層與層之間的耦合性，增強了分布式系統的性能，為不同廠(chǎng)商的IED實(shí)現互操作和系統的無(wú)縫集成提供了途徑。IEC61850對變電站設備與數據的建模，規范了Agent間通信的本體問(wèn)題，這是實(shí)現任何MAS的必要步驟[3]。
　　在IEC61850的數據模型中，服務(wù)器(SERVER)包含邏輯設備LD(Logical Device)，LD中包含邏輯節點(diǎn)LN（Logical Node），LN中包含數據對象DO（Data Object），DO中包含數據屬性DA（Data Attribute），DA也可能屬于某個(gè)DA，對象隸屬層次關(guān)系如圖2所示[4]。

從圖2可以看出，LN是IEC61850中最主要的抽象獨立體，是能夠獨立存在的最小功能單元。它能夠與其他的LN或者客戶(hù)端應用交互信息，具有自我描述、配置、鎖定的功能；LN可以根據環(huán)境的變化改變自身的狀態(tài)，并上報狀態(tài)參數。
　　因此，它符合多Agent系統所規定的四個(gè)基本特點(diǎn)的，可以將LN看作是MAS中的Agent。根據接口模型，將LN分類(lèi)：變電站層Agent、間隔層Agent、過(guò)程層Agent。Agent之間通過(guò)不同的LN交互，體現了IEC61850分層分布式系統的特點(diǎn)。
4 AVC Agent系統應用實(shí)例
　　自動(dòng)電壓控制系統AVC（Automatic Voltage Control）是未來(lái)電力自動(dòng)化發(fā)展方向，符合IEC61850標準特性。以AVC作為平臺進(jìn)行分析，具有典型性和代表性。
4.1 設計思想
　　AVC實(shí)時(shí)監測受控點(diǎn)的電壓和功率因數，根據不同時(shí)間段、不同運行方式等給出相應的全網(wǎng)、區域、廠(chǎng)站的閉環(huán)控制、開(kāi)環(huán)控制等控制方案，實(shí)現電壓無(wú)功控制全過(guò)程自動(dòng)化[5]。
　　AVC系統由上位機和下位機兩部分構成。上位機與主站通信，向主站系統上傳所需的實(shí)時(shí)信息，接受主站端的控制指令，并與下位機間實(shí)現閉環(huán)運行，優(yōu)化機組的實(shí)時(shí)無(wú)功輸出。下位機接受上位機下傳的控制指令，通過(guò)調節發(fā)電機勵磁電流，實(shí)現發(fā)電機的自動(dòng)電壓控制。
　　鑒于A(yíng)VC系統的智能性和自適應性，運用Agent理論能夠提高AVC系統的性能。因此，分層分布式多Agent AVC系統模型如圖3所示。

主站、上位機、下位機分別設計為調度Agent、控制Agent和采集Agent；采集Agent連接現場(chǎng)控制級設備、控制發(fā)電機的自動(dòng)電壓調節器；將管理級的任務(wù)分散給各個(gè)控制Agent來(lái)完成，控制Agent通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)的通信直接將數據傳給調度Agent；調度Agent負責管理各個(gè)控制域的信息，根據信息進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)功優(yōu)化，并對控制Agent進(jìn)行協(xié)調。
系統模型的特點(diǎn)體現在以下方面:
　　自主性：Agent可以根據自己檢測到的信息對一些緊急情況進(jìn)行及時(shí)的處理，對于來(lái)自其他Agent的命令，也可以根據自己的利益做出合適的反應（接收或拒絕）。
　　交互性：Agent之間可以進(jìn)行交互。各個(gè)Agent在完成所屬區域的調壓和優(yōu)化任務(wù)時(shí)，并不只考慮本Agent區域的信息，而是在考慮了各個(gè)Agent之間相互聯(lián)系的基礎上實(shí)現的。
　　反應性：當某一電壓無(wú)功控制設備發(fā)生故障或新增加電壓無(wú)功控制設備時(shí)，在所屬的Agent中注銷(xiāo)或登記。
　　主動(dòng)性：各個(gè)Agent對收集到的數據信息進(jìn)行分析，并結合自身情況，得出最優(yōu)化的事件處理方式。
　　從組織結構中的各種Agent的功能特點(diǎn)來(lái)看，調度Agent與控制Agent、控制Agent與采集Agent之間存在比較弱的控制與被控制的關(guān)系，更多的是一種協(xié)調管理的作用，各控制Agent之間可以通過(guò)直接的通信和交互解決問(wèn)題；采集Agent通過(guò)控制Agent之間的橋梁，與其他控制域中的采集Agent通信。
　　因此，AVC系統可以看作是一種分層分布協(xié)調式MAS組織結構，這種結構的優(yōu)點(diǎn)在于具有較強的擴展性，可實(shí)現電力系統這樣一個(gè)復雜分散系統的整體協(xié)調控制。
4.2 AVC Agent仿真模擬實(shí)驗
　　為了探討基于多Agent系統在IEC61850通信模型應用的可行性，本文根據AVC Agent系統原理，設計了一個(gè)模擬實(shí)驗原型系統，利用開(kāi)源框架結構JADE（Java Agent Development Framework）作為開(kāi)發(fā)框架。該實(shí)驗由兩臺PC機組成，PC機通過(guò)局域網(wǎng)相連接，兩臺PC機上分別配置JADE作為控制Agent和調度Agent，它們之間發(fā)送模擬電流、電壓和功率因數等數值量。實(shí)驗原理如圖4所示。

JADE平臺中，有且只有一個(gè)主容器，當其他的容器啟動(dòng)時(shí)，必須在主容器中注冊。因此將調度Agent PC當作主容器，控制Agent PC當作其他容器，當實(shí)驗平臺啟動(dòng)時(shí)，控制Agent PC在調度Agent PC中注冊（類(lèi)似于TCP三次握手）；容器間通信過(guò)程采用異步消息傳遞模式，每個(gè)容器都有一個(gè)消息隊列，如果需要與其他容器通信時(shí)，就把相應消息投遞到隊列中。當消息隊列中出現消息時(shí)，相應的Agent被通知；被通知的Agent并不是立即作出反應，它根據自身環(huán)境的情況，依靠?jì)?yōu)先級來(lái)決定對到來(lái)的消息做怎樣的處理；被通知的Agent將處理的結果返回通知發(fā)出方Agent，通知發(fā)出方Agent根據返回的結果決定等待或者繼續發(fā)送其他Agent。
　　通過(guò)控制Agent PC和調度Agent PC間發(fā)送消息，觀(guān)測實(shí)時(shí)數據、延遲、反應時(shí)間來(lái)分析原型系統通信性能，實(shí)驗步驟如下：
　　(1) 啟動(dòng)兩臺PC機的JADE服務(wù)，載入調度Agent和控制Agent，控制Agent在調度Agent中注冊(三次握手)，初始化發(fā)送參數，記錄整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間。
　　(2) 控制Agent向調度Agent發(fā)送模擬電流、電壓和功率因數消息，記錄消息實(shí)時(shí)數據、發(fā)送和排隊延遲、以及調度Agent自身調節(根據約束條件確定返回參數，如電壓合格、設備動(dòng)作次數最少)狀況。
　　(3) 調度Agent自動(dòng)向控制Agent返回調節消息，記錄消息實(shí)時(shí)數據、發(fā)送和排隊延遲、以及控制Agent自身調節（降低電壓、電流等發(fā)送參數）狀況。
　　實(shí)驗結果顯示，裝載在各個(gè)容器中的Agent相互通信，根據自身的情況處理來(lái)自其他容器的消息，產(chǎn)生了自適應能力，具備了智能化的要求。
　　本文詳細闡述了多Agent系統和IEC61850的特點(diǎn)和聯(lián)系，重點(diǎn)分析了多Agent系統理論在在基于智能通信服務(wù)器（ICS）的IEC61850通信模型中的應用；并通過(guò)AVC應用實(shí)例分析以及原型的設計與實(shí)現，驗證了多Agent系統應用于IEC61850通信模型中的可行性。