多代理(Multi－Agent)技術在電力系統控制中的應用

廖恩榮

(南京高精傳動設備制造集團有限公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

跨大區聯網的逐步實現，使得電力系統的規模越來越大，不同地區的資源通過電網互聯得以合理有效的利用，發電各方通過互聯電網相互合作又相互競爭，傳統的發、輸、配電統一集中管理和運行的機制開始向發、輸、配電分別作為獨立實體而參與競爭的電力市場運行機制轉化，未來的電力系統是一個基于信息互換而協調的分散決策系統。

電力系統中的數據、控制甚至運行維護人員的行為都呈分布狀態，對其進行完全集中式的求解可能遇到信息不全、通信瓶頸或計算速度等問題。此外，不同廠商在不同時期生產的基于不同技術的軟硬件在電力系統中同時發揮作用，使得新技術的運用必須充分考慮原有系統的問題。解決復雜電力系統面臨的上述問題需不斷運用新理論、新技術，多Agent 系統(multi agent system，MAS)理論就是其中之一。MAS 理論是設計和實現復雜軟件系統和控制系統的新途徑，因其適用條件與電力系統的特征幾乎完全吻合，因而受到眾多學者的關注。本文將從電力系統控制中心、繼電保護系統、無功電壓控制、暫態緊急控制等方面論述MAS 理論和技術在電力系統控制中的應用研究現狀，并展望近期有望實用化的Agent 應用系統和研究的新動向。

1 多代理技術簡介

盡管目前還沒有關于Agent 的統一定義，但并不能阻擋該應用技術的發展。基于Agent 的應用系統已經在制造業、過程控制、電信系統、交通運輸管理、信息收集與過濾、電子商務和商業過程管理、娛樂及遠程醫療等許多方面發揮了重要作用。在這些應用系統中，Agent 系統是指能夠主動感知所處環境的變化并能作用于環境的軟硬件集合。一般來說，Agent 具備自治性、社會性、反應性和自發性，對于個別應用系統來說，也可能主要利用Agent 的移動性等特征。多Agent 應用系統往往用于解決單個Agent 無法處理的問題，因此它不但涉及設計單個Agent 時遇到的體系結構、開發手段等問題，更重要的是處理好Agent 間的組織策略、消息傳遞、沖突化解、協調協作與協商等。總的來說，多Agent 系統具備如下4 個特點［1］:1)具備解決問題的充分信息或足夠能力;2)整個系統中不存在全局的控制機構;3)數據是分布的;4)計算過程不一定同步進行。開發基于多Agent 的應用系統的一般步驟如圖1 所示。其中，問題分析過程主要完成應用領域特點的分析、系統最終目標和功能邊界的界定、系統最終目標的分解以及子目標間的關系定義等。在確定系統中不同層次的目標后，能夠獨立實現其中某一目標的實體即為Agent。Agent 的建模過程就是分析這些實體的內部狀態及其行為的關系。最后，分別以協調各Agent 為原則設計MAS 的組織體系結構，以保證各Agent 的自治性為前提設計Agent 的內部結構。

圖1 多Agent 應用系統開發步驟

多代理系統是由多個代理組成的系統［2］，它是為了解決單個代理不能夠解決的復雜問題，由多個代理協調合作形成問題的求解網絡。在這個網絡中，每個代理能夠預測其他代理的作用，其目標服務總影響其他代理的動作。在多代理系統中要研究一個代理對另一個代理的建模方法，為了能影響另一個代理，需要建立代理間的通信方法。也就是說多個代理組成的一個松散耦合又協作共事的系統，就是一個多代理系統。為了使代理之間能夠合理高效地進行協作，代理之間的通信和協調機制成為多代理系統的重點問題。同時值得強調的是，前面討論的代理的特性大多也是多代理系統所具有的特點:如交互性、社會性、協作性、適應性和分布性等。此外，多代理系統還具有如下特點:數據分布性或分散性，計算過程異步、并發或并行，每個代理都具有不完全的信息和問題求解能力，不存在全局控制。

多代理由于其應用的廣泛性現在已經發展成為一門重要的學科。雖然其設計還沒有完全標準化，但是已經有了很多規范。伴隨著多代理系統的研究和應用，出現了多種不同的平臺結構。有的研究機構和公司甚至專門進行多代理系統平臺設計，并推出了專用軟件。其中應用較多的有Agent Builder，Agent X 等等。它們大多都是用Java編寫。由于在多代理系統開發中，可以自己創建平臺，但是一般來說除了處于專門研究的目的，最好用成熟的平臺以確保系統的可靠性和較好的技術和功能支持，減少開發時間，節省投資和便于系統擴展。當然，目前很少從零開始開發多Agent 應用系統，而是采用提供了多Agent 開發工具和運行環境的某種多Agent 開發平臺，如JATLite，ZEUS 和JADE 等。因此，對Agent 體系結構的設計往往與平臺的支持密切相關。

2 MAS 在電力系統控制中的應用

2.1 多代理技術在電力系統控制中心的應用

隨著多代理技術的不斷發展，其應用范圍逐漸擴大，應用規模也不斷增長。多代理技術在電力系統控制中心的應用由A zevedo 等人［3］在2000 年發表的文章中論述。A zevedo 等人認為，隨著當前電力系統的發展尤其是電力市場的建立，電力系統的控制逐步由集中式轉向分布式，而不斷增長的電力系統規模和不斷進步的計算機技術對控制中心的要求也越來越高。在這樣一種趨勢下，勢必要以分布式系統來代替原有的以EMS 為中心的集中式系統。作者在文中認為未來控制中心需要解決的問題主要有以下幾個方面:

1)由于對目標、方法和需求的不斷評估及新需求的出現，要求控制系統具有動態適應的特征，從而要求其軟件的設計具有較高程度的模塊化以及易于跟隨情況的變化而進化;

2)系統各組成部分的靈活性和能動性要求控制中心可以承受運算負荷的較大變化;

3)由于經濟性的要求，未來電力系統需要在接近臨界狀態運行，從而要求控制中心要盡可能地提高操作和控制的精度;

4)計算機技術和軟件技術的飛速發展，要求控制中心的軟件系統有高度模塊化的特征，易于適應技術的發展，延長控制中心(軟件)的壽命;

5)分布化的趨勢，作者認為當前地理位置集中的控制中心必將逐漸由不同公司和合作者組成的小規模的分布式的控制實體取代，使得控制計算軟件也必須符合這一分布性趨勢的要求。

針對以上考慮，A zevedo 等人提出由面向任務的軟件多代理系統取代原有的集中式的EMS 的建議，由不同的軟件代理系統地控制需要執行的不同任務和功能，并通過人機界面代理與用戶進行良好的交互。

圖2 CBR/Agent 電網安全控制系統示意圖

在國內相似的研究也在進行，電科院王明俊老師在分析電網調度自動化向信息化方向發展的基礎上，就采用CBR(實例推理)和Multi-Agent(多智能主體)技術輔助調度員解決電網安全控制問題，提出了基于Multi-Agent 的電網安全控制系統［4］。其采用CBR/Agent 所組成的電網安全控制系統如圖2 所示，該系統在功能上增加了緊急控制和恢復控制以適應環境變化的分布式問題求解功能。鑒于電網的預防性控制、緊急控制和恢復控制相對獨立，因此系統采用了面向任務模型。根據任務特點，預防性控制Agent 暫時先采用簡單的反應式結構，重點解決緊急/恢復控制Agent 用以適應環境變化和應用Agent 之間的協調問題，包括封裝關鍵的繼電自動裝置參與分布式問題求解。根據所選用的系統模型，主要有界面、應用和協調三類Agent。界面Agent 處理調度員所面臨的預防性控制、緊急控制和恢復控制任務，而不是面對一個個特定的應用程序。應用Agent(可由對現有應用進行封裝而成)控制和執行各種應用，抽取有關結果并送至所請求的Agent。協調Agent 協調各Agent 間并發請求的執行，完成所請求的服務。此外，還有其他一些Agent，如數據Agent、外部通信Agent 等，組成完整的Agent 系統。

2.2 多Agent 系統在繼電保護系統中的應用

目前微機保護裝置已取代傳統的模擬式保護裝置而廣泛應用于電力系統，它具有計算、分析、邏輯判斷、存儲記憶等功能，在可靠性、方便性上遠遠超過傳統保護，而成為目前繼電保護裝置的主要型式。但微機保護在原理和性能上與傳統的模擬式保護相比并沒有太大的進步，模擬式保護中存在的問題在微機保護中依然存在［5］，如保護性能不能根據電網實際情況調整到最佳，保護定值不能實現在線整定等。

多Agent 系統屬于分布式人工智能的研究領域，它是一種由底向上的設計方法，因為分散自主的Agent 首先被定義，然后研究一個或多個Agent 間協作，以完成問題求解，即多Agent 系統更強調各個Agent 在控制上的分散性，因此特別適合分布式的繼電保護領域。通過Agent 間協作能增強問題求解能力和求解的可靠性;多個智能體可并行操作，效率提高;智能體間通信協作，具有較好的容錯能力;智能體既可協同工作，也可單獨工作，具有較高的靈活性。因此微機保護中采用多Agent 技術比采用單獨的智能技術更能提高保護性能。

近幾年，對Agent 在繼電保護中的應用研究越來越多，也越來越深入。其中有利用專用通訊網構成的基于Agent 的電流差動保護方案［6］，該方案通過對通訊結構、同步問題以及軟件Agent 的優缺點等進行分析，并在通訊網絡輕度、中等、重度負荷的情況下電網區內、區外故障進行了仿真，能有效檢測設備故障并利用通訊網傳輸相關信息。但是實時性要求極高的繼電保護用因特網(重度負荷)進行通訊是不切實際的，必須采用專門的通訊網(即輕度或中等負荷的網絡)。

國外有學者研究了用于分布式發電系統的基于Agent的保護［7］。分布式發電系統中分布式發電機通常安裝于中、低壓電網，使得電網的阻抗和潮流方向隨著發電機的投退經常發生改變，傳統的用于輻射形電網的保護很難在分布式發電系統中實現配合，因此必須采用新穎的保護方案實現保護配合和高阻接地故障的檢測與定位。具有自治、協作和通訊能力的Agent 成為構成新保護方案的基礎。在基于通訊的多Agent 保護方案中，采用了小波分析和人工神經網絡技術用于故障檢測，用模糊集理論進行故障定位。由于故障切除后分布式發電系統可能被分裂成許多不相關的子系統，有些子系統由于發電和負荷不平衡，可能導致電壓崩潰或頻率降低，也可能情況相反。為保證故障切除后各子系統的電能品質，各Agent 必須協同工作保證故障切除后各子系統的發電和負荷平衡。基于Agent 的保護方案能有效應對分布式發電系統的負荷變化，高阻接地故障和電網突變情況。

還有學者提出了基于Agent 的合作保護系統概念［8］，對該保護系統中的Agent 進行了分類，如設備Agent 有:線路Agent，母線Agent，CT Agent，PT Agent 和開關Agent，此外，還有多種移動Agent，保護Agent 和自組織Agent。并針對主保護功能、斷路器失靈時的后備保護功能、以及運行方式變化后的自適應功能進行了多Agent 間合作的仿真，結果表明能在各種電網運行方式下有效切除故障，但其可靠性取決于處理器的速度、通訊數據量和通訊的可靠性。

2.3 多Agent 系統在電壓無功控制中的應用

電壓無功控制是提高電壓品質，降低網損的重要手段，如何從全網無功優化的角度進行電壓無功控制對于電網安全、經濟運行具有非常重要的意義。全網電壓無功控制是一個復雜的、分布式的優化控制問題，傳統的電壓無功優化控制系統，首先將分布采集的數據集中傳給中央主機，由主機分配任務給多臺從機并行計算，再將計算結果集中分發給執行系統。這樣的系統存在主機任務過于繁重，數據通信量大，網絡結構復雜，控制的實時性、可靠性難以滿足要求，系統不易擴展。針對這種情況，有學者提出了基于多Agent 系統電壓無功優化控制的原理、結構及實現框架［9］，并對全局無功電壓優化控制的數學模型和目標函數進行了分析與改進。在此基礎上，張明軍等人構建了三級優化控制系統［10］。該系統考慮了多分區全網優化的協調，各分區進行分布式并行計算，多Agent 技術的采用使得不同分區可以根據本分區的實際情況選擇不同的優化算法。這種三級系統結構，將現有的管理分區與優化控制分區結合起來，符合我國調度控制的體系結構，容易在實際中推廣應用，而且便于不同電壓等級、不同區域的無功電壓控制系統根據自己的特點，歸納、采用能夠反映這些特點的分區內優化算法，從而使整個系統的可靠性得到提高。

近年來，還有一些研究將多Agent 控制技術用于二級電壓分散協調控制，取得了滿意的效果。其中王海風老師提出多Agent 的協調機制用于二級電壓控制的思路［11］，首次將Agent 技術應用于電力系統電壓控制，該方法在電力系統緊急狀態下能較好地進行二級調壓以快速恢復電壓至正常范圍。盛戈皓等人則基于多Agent 的分層分布式控制系統的原理，提出了基于多Agent 的分級電壓控制系統的結構、功能、特點和實現技術方案［9］，較好地解決了二級電壓調節的分散協調控制問題，在正常和緊急情況下都能更好地進行系統無功電壓的調節。

基于多Agent 的二級電壓控制系統將MAS 的協調和協作原理應用于緊急情況下的電壓控制，采用基于合同網的協調和協作策略實現控制系統中多Agent 的優化協調，以最少的控制設備和最有效的控制手段對電壓越限節點的電壓恢復控制，從而改善緊急情況下的控制系統性能。其優點可以從Agent 自身的特性以及MAS 的協調能力中得到體現:在多Agent 模式下，即使某些通信線路發生故障，或某些Agent 失效，其他Agent 也可以在一定程度上替代它的工作;采用并行工作方式的多Agent 模式，與集中控制相比，增加了系統的靈活性和通用性;由于每個Agent具有自主性，因而它們可以按照任務的要求進行組合，使整個系統適應動態的環境;通過修改Agent 規則庫、控制算法和協調方式可以滿足不同的電壓控制要求。在系統正常運行時，協調級Agent 每隔1～3 min 給出各執行級Agent的整定值，保證系統優化運行和維持較好的無功儲備。在電壓突然下降過多的緊急情況下，就近的執行級Agent 能感知到系統異常，通過自治方式迅速提升相應設備電壓，增加無功出力，盡快將節點電壓恢復至允許范圍。

2.4 多Agent 系統在暫態穩定緊急控制中的應用

我國極為重視區域系統的暫態穩定性預測和緊急控制，從20 世紀80 年代就開始該項研究和應用，積累了豐富的研究和運行經驗。目前，對電力系統中緊急控制的研究主要仍為對傳統的集中控制方面的研究。隨著電力系統非管制化的提出并逐漸實施，獨立電力生產者的參與將日益加強，在此情況下，單一在控制中心計算機上處理各種控制信息將變得很困難。

針對上述問題，天津大學的王成山老師提出了一種基于Multi-Agent 系統的分布式協調緊急控制系統［12］，將傳統集中方式的緊急控制變為分布式控制，該系統由一個中心服務器Agent 和多個發電機Agent 構成。由中心服務器Agent 判斷電力系統的運行狀態，并在電力系統不穩定時發出請求控制信息，啟動各發電機Agent。中心服務器Agent 和發電機Agent 之間使用消息對象通過請求/響應的方式傳遞信息。其工作過程是:由中心服務器Agent 實時檢測電力系統運行狀態，當電力系統發生故障時，服務器Agent 采用直接法進行計算，判斷電力系統是否失穩，若不穩定，則服務器Agent 向各發電機Agent 發出請求控制信號;各發電機Agent 收到信號后分別判斷本身發電機是否失穩，若失穩，則給出控制方案，執行緊急控制。Multi-Agent 系統結構如圖3 所示。每個Agent 之間相互獨立又相互協作，實現實時暫態穩定性控制。

圖3 分布式控制Multi-Agent 系統結構示意圖

目前國外還有些學者將多代理技術應用于電力系統在線暫態穩定性分析［13-14］，將多代理系統分為預測代理和控制代理，由于發電機組相對轉角的變化能反映其是否同步，該多代理系統選擇相對轉角作為表述機組狀態的參數。擾動發生以后，該系統通過預測相對轉角的擺動軌跡，確定即將失去同步的發電機組，并對之采取相應的控制措施，從而使系統恢復穩定。當預測代理將發電機組的轉角輸出到控制代理后，控制代理分析轉角的時間特性，判斷發電機組的狀態，判斷出即將失步的機組。因為在故障前后，發電機組的輸出功率不同，根據最大不匹配功率原則，可從所有不穩定的機組中判斷出應作快關汽門動作的機組。

在以往的集中式控制中，由調度中心根據所獲取的電力系統資料實現統一判斷、統一調度。然而在電力系統的市場化情況下，由于商業機密等原因，調度中心已難以獲得完整的資料，所以實行統一判斷和統一調度很困難。另外，集中控制也不容易處理突發事件，而且調度中心一旦發生事故，則將威脅到整個電力系統的安全。分布式控制能有效地解決這些問題。它可將發電機發電功率的調度權分散到各發電機，由各發電機根據自身和電力系統的情況調度自身的發電功率，而且即使局部發生事故也不容易影響全系統的安全。

3 結語

多代理技術是由計算機技術、網絡技術和人工智能等多學科交叉而形成的新興分支。該理論是設計和實現復雜軟件系統和控制系統的新途徑，計算機科學研究已經在理論上為其設計了許多結構與交互算法，它在信息系統與生產過程控制中已有成功的應用，但在電力系統中仍處在理論與應用的邊緣。本文在介紹MAS 基本理論特點的基礎上，綜述其在電力系統控制中應用的研究現狀。由于MAS 在電力系統中的應用研究涉及很多方面，而且大多缺乏對具體問題領域的模型規范，所以多Agent 技術在電力系統中的廣泛實用化還是一個漫長的過程。本文旨在介紹MAS 在電力系統控制中的應用研究現狀，展望最具實用化潛力與基礎較完備的分支，以推動多Agent 技術在這些領域的廣泛應用。

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