艦船電力系統一體化系統模型和故障恢復研究

尚安利夏 立王 征

（1.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 4300332.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049）

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艦船電力系統一體化系統模型和故障恢復研究

尚安利1,2夏 立1王 征1

（1.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033
2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049）

摘要為了快速解決艦船電力系統的故障恢復問題，提出了一種基于多智能體的圖跡分析技術（GTA）建模和故障恢復方法。該方法使用多智能建立艦船電力系統模型，使得物理系統中每個組件與多智能存在一一對應關系，每個組件可用電壓、電流等參數以及反映該組件行為的方程式來表示，電力系統模型參數和組件連接關系可以實時更新。圖跡分析將系統數學模型分解為組件級和系統級對象方程。該建模方式避免了全局觀點或模型的緊耦合性，在模型中改變系統拓撲結構和進行計算都可以在局部進行，然后依靠模型中各智能體之間的協商合作，快速解決電力系統的故障恢復問題。該方法可以處理負載具有任意多優先級和帶有回路的電力系統的故障恢復問題，仿真結果表明了該方法的有效性。

關鍵詞：圖跡分析 恢復 多智能體系統 綜合電力系統 一體化系統模型

國家自然科學基金（51177168）和電力設備電氣絕緣國家重點實驗室項目（EIPE15210）資助。

0 引言

為了提高艦船在戰斗中的生存能力，要求其電力系統具有良好的故障自動恢復能力[1]。艦船電力系統故障恢復基本要求是，在滿足電力系統過壓、過流和開關操作次數等約束條件下，通過快速調整網絡中分段開關和聯絡開關的組合狀態以改變網絡拓撲結構，最大限度地恢復失電負載的供電。艦船電力系統故障恢復技術的核心是故障恢復方案的快速求解，即根據電力系統故障后的運行狀態和用電需求快速求解滿足約束條件的最優重構方案。目前故障恢復問題的求解方法有多種，文獻[2-4]采用多代理技術，由于需要響應時間快，所以對通信要求高，且不能保證解的最優性。文獻[5]用樹形結構表示配電網結構，降低了啟發式搜索的空間，減少了求解的復雜度。文獻[6]考慮負荷的優先級，利用排序搜索方法進行求解。文獻[7]利用深度編碼技術避免配電網恢復過程中產生非放射狀不可行解。雖然這些算法在其假設前提下都取得了較好的求解效果，但在實際工程應用時存在著運算量大和可擴展性不強等不足[3]。

本文利用圖跡分析（GTA）[8,9]、MAS（multiagent system）技術[10-12]及集合理論研究艦船綜合電力系統故障恢復問題。這種新方法從網絡本身的拓撲結構特征中尋找故障恢復路徑，使用拓撲迭代器和圖跡集來實現，即基于集合理論和圖跡分析的計算機算法來計算負載恢復路徑，保證可以處理具有回路和考慮負載優先級的電力系統故障恢復問題。這非常適用于對艦船故障恢復系統的要求，即可合理有效地調度系統資源、保障重要負荷的供電連續性從而提高船舶生命力。

1 艦船電力系統故障恢復問題的描述

1.1 故障恢復的系統目標函數和約束條件

電力系統故障恢復的目標是最大限度地送達負載的容量，目標函數

式中，Lk為母線k上的負載；yk為決策變量，表示已恢復；表示未恢復；R表示斷電負載集合。由于本方法按照優先級由高到低的次序進行恢復供電，所以式（1）實質表示最大限度地恢復高優先級負載容量。

實際工作過程中，艦船綜合電力系統主要約束條件包括以下幾個方面：

（1）網絡潮流約束。不論電力系統處于何種網絡狀態，在負荷給定的情況下，都必須滿足基本的潮流方程這里u為系統的控制變量（如發電機的有功、無功出力或節點電壓模值），x為系統的狀態變量（如各節點電壓值和線路電流值等）。

（2）考慮系統的電流限制和電壓約束

（3）系統的容量限制。容量限制指非故障斷電區的負荷轉移到待恢復負荷上時，不能引起支路或發電機過載。

1.2 艦船綜合電力系統簡化模型

圖1　艦船綜合電力系統Fig.1 Warship integrated power system

圖1是區域配電模式的艦船綜合電力系統簡化模型，11、12、17、18、23和24為不同電壓等級的功率變換器（SCM）；1、33為交流發電機組（G）；5、7、8、29、30和32為傳輸線和母線（B）；3、35為脈沖負載；4、36為推進負載（L）；6、31為交-直流電源（PS）；9、14、20、26、10、16、22 和28為母線分段斷路器（BSB）；15、21和27分別為恒功率負載、電機或其他用電負載（L）。

2 多智能體和圖跡分析技術

2.1 多智能體

多Agent系統（Multi Agent System，MAS）是設計和實現復雜軟件系統和控制系統的新途徑，它是由多個可執行并行計算的Agent組成的集合，通常每個Agent被認為是一個物理的或者抽象的實體，各個Agent是獨立自主的，能作用于自身和環境，能對環境的變化做出反應，更為重要的是能夠與其他Agent通信、交互和彼此協同工作，共同完成復雜任務。

2.2 圖跡分析技術

圖跡分析（Graph Trace Analysis，GTA）是一種基于模型的分析和控制大型復雜可重構系統的技術，而GTA模型是一個基于圖論的面向對象的模型，其包括圖形化模型和數字圖模型。在GTA圖形化模型中，系統拓撲結構由邊組成的圖來表示，物理系統中的每一個組件對應圖中的一個邊，即GTA圖形化模型是一個邊-邊圖形，這樣物理系統中的組件與GTA模型中的邊（也就是組件對象）之間建立了一一對應關系。

如圖2所示的輻射型電力系統，為了表示系統中組件之間的連接關系，圖跡分析技術定義了四種迭代器：前向迭代器（f）、后向迭代器（b）、饋線路徑迭代器（fp）和兄弟迭代器（br），它們分別從一個組件指向另一個組件，迭代器的值表示其所指向的組件，如果組件p的某一迭代器的值為0，表明其所指向的組件和組件跡不存在。另外，在系統中，當閉合一個開關可形成一個回路時，則這個閉合的開關被稱為余樹元件，可使用鄰迭代器（adj）來管理和跟蹤余樹元件。

圖2　用迭代器表示系統組件之間的連接關系Fig.2 Using iterators to traverse system components

這樣反復使用同類型迭代器會產生組件的跟蹤集，即組件跡，也就是說，組件的每種跡表示跟蹤該組件的一種特定的組件序列，也是算法處理系統組件信息的次序，例如，組件p的5種跡：ftp表示從組件p開始的前向跡組件序列；btp表示從組件p開始的后向跡組件序列；fptp表示從組件p開始的饋線路徑跡組件序列；brtp表示從組件p開始的兄弟跡組件序列；adjtp表示從組件p開始形成回路的組件序列。另外，雖然電力系統中的某些組件可能有多個電源，但在GTA模型中，規定每個組件有且僅有一個參考源。

3 基于多Agent的艦船電力系統一體化系統模型

基于多Agent的艦船電力故障恢復系統如圖3所示，分為三層：電力系統物理層、與物理層相對應的組件MAS層（組件Agent容器）和算法MAS層（算法Agent容器），它包括系統級Agent和中央控制Agent（CCAgent）。

圖3　基于Agent的電力重構系統分層Fig.3 Agents and current path structure for ship system

利用GTA方法可以將系統方程和編程結構分解為組件級和系統級，這樣算法也可以相應地分為組件級算法和系統級算法。組件級算法可由組件MAS層中相應組件Agent來完成，它根據描述該組件物理行為的方程來計算其電壓或電流。每個組件Agent還可以監測所對應組件的狀態信息，并控制其動作，組件Agent內的組件信息也可以被其他組件級Agent訪問。在實施故障恢復過程中，組件MAS層中的失電負載組件Agent與其備用恢復路徑上的組件Agent之間交換信息，根據協議實施社會行為，如合作、商議和協調等行為，它是建立在電力系統拓撲特征之上，包含了實際電網的物理布局和組件連接性等信息。系統級算法由算法MAS層中的系統級Agent執行，系統級Agent根據系統守恒方程：①流入一個多邊連接點的電流量等于流出它的電流量，即基爾霍夫電流定律（KCL）；②沿邊構成的回路電壓之和為零，即基爾霍夫電壓定律（KVL），來計算相關的系統參數，系統級Agent可以有多個。算法MAS層中的Agent只與組件MAS層中的Agent進行通信，獲取組件的當前信息用來進行計算，并將計算結果或控制命令返回給相應的組件Agent，以供其他算法Agent使用，這意味著所有算法通過組件MAS層協調工作。算法MAS層中的系統級Agent通過組件MAS層中的組件Agent協調工作，這樣在算法MAS層支持下，組件MAS層中組件Agent相互交互的方式與它們實際物理系統的作用方式非常相似，這樣由組件MAS層和算法MAS層中的Agent構成了電力系統基于多Agent的數字圖模型。CCAgent的功能是維持整個MAS的故障恢復過程，其接收、斷電組件的恢復請求，建立一個待恢復組件列表，并按照其優先級選擇相應的組件來推進恢復過程。

這樣在面向Agent的軟件開發中，采用程序編寫組件Agent和算法Agent，這些Agent之間通過通信語言可以進行比普通消息傳遞更規范、更明確的通信。同時采用這種建模、分析和計算模式，避免了全局觀點或模型的緊耦合性，非常適用于分布式處理，具有更快的計算速度，而且這種模型形式能夠反映電網的物理布局和連接性，能夠解決非線性、時變大規模系統的建模困難。所建立的模型是一個可以用于電力系統設計、規劃、操作和控制的一體化數字圖模型。

4 艦船電力系統故障恢復算法

圖4為艦船電力系統的圖跡分析圖形化模型，用線段“─”表示系統的組件，如組件、母線、傳輸線和斷路器等，也表示其對應的Agent。

圖4　艦船綜合電力系統GTA模型圖Fig.4 Integrated power system GTA model

為了進行電力系統故障恢復算法分析和設計的需要，每個組件可用一個具有多個分量的組元來表示，即

式中，ID為組件的標識符；pri為組件的優先級；Pmax為組件的最大功率；VLmin、VLmax為組件的安全電壓限；P為組件的功率，P≤Pmax，其可通過計算或測量獲得；V為組件的電壓（可通過計算或測量獲得），VLmax≥V≥VLmin；Ic為組件的電流（可通過計算或測量獲得）；Ap為可用功率；Status為組件狀況：ON,OFF,Failed（開，關，失效）；ft,bt,fpt,brt分別為與C相關的前向跡、后向跡、饋線路徑跡和兄弟跡組件集，值為0，表明所指向的組件跡不存在。

這樣該組元C反映了組件的主要屬性：如組件性質，與系統穩定性和安全性相關的約束條件，當前工作狀態和工作條件，組件之間拓撲結構關系等。這樣通過訪問組件組元的屬性，可進行與故障恢復算法相關的跡集合運算。在故障恢復過程中，需要檢查是否滿足這些與穩定性和安全性相關的約束條件，以判斷所選恢復路徑的有效性，這些約束條件可以通過容器外的算法實時計算，也可以是事先計算或經驗值，存于各組件的Agent中。另外，在系統實際運行過程中，當組件工作狀態發生改變時，可通過Agent通信更新組件的屬性。

根據圖4所示的艦船電力系統圖跡分析模型，可以預先設計各組件的備用恢復路徑跡。結果可能有多條，將這些恢復路徑跡中的組件存儲于各組件的Agent中。由于本方案采用從待恢復組件開始向電源方向搜索恢復路徑，這樣恢復路徑的最后組件通常為母線或發電機等能源，其算法稱為從負載開始的搜索算法。

為了恢復斷電組件的供電，設計了船舶電力系統故障恢復算法步驟（為了便于書寫和分析，該算法用OCL（object constraint language）語言表示，其與具體的編程語言無關，在工程實現時，可采用具體的編程語言來實現，由于基于JADE平臺，具體的實現代碼采用JAVA語言）。為了便于Agent之間通信的需要，各Agent的消息遵循FIPA（foundation for intelligent physical agents）規范，同時，FIPA還為Agent交互規定了一套標準協議，它們可以作為建立多Agent對話的標準模板。對于Agent間的每次會話來說，JADE將雙方分為發起者Agent和響應者Agent。遵照FIPA交互協議，JADE為對話中的這兩種角色提供了行為類。在本算法步驟中，發起者為待恢復負載Agent，而恢復路徑上的其他Agent為響應者Agent。這樣在船舶電力系統工作過程中，如果發生了故障，在故障隔離后，為了恢復船舶電力系統工作，本文所設計的電力系統故障恢復算法步驟如下。

（1）CCAgent接收到所有斷電負載Agent（LA）的恢復供電請求信息后，創建待恢復負載集

上式表示為斷電狀態，這里使用了OCL的箭頭運算符“→”表示。當其作用于一個集合時，這個運算符對集合中的每個對象進行操作；當作用于一個組件時，該運算符被用于選擇組件屬性的值。

（2）分別計算待恢復負載所需總功率（即所有需要恢復供電負載功率之和）和系統可用功率之和，如果系統當前可用功率小于所需總功率，依據發電機組運行效率的約束條件，立即起動相應備用電源。

（3）選擇負載集FC中優先級最高的負載，從該最高優先級負載開始進行恢復；一次僅恢復一個組件的供電，然后按負載優先級遞降次序恢復其他負載供電。

（4）根據艦船電力系統網絡拓撲特點和FIPA合同網協議（FIPA-Contract-Net Protocol），所選待恢復組件的Agent（發起者Agent）向其各恢復路徑跡上的組件Agent發出恢復供電提議CFP（call for proposal）消息，消息中說明了需要完成的任務以及承擔任務應具備的條件，例如：

（5）各恢復路徑跡上的組件Agent（響應者Agent）接到該組件Agent的CFP消息后，立即調用各自Contract Net Responder行為的Prepare Responce（）方法，計算其可用功率（可用功率＝最大功率-當前功率；如果其處于OFF狀態，則可用功率為最大功率）；如果響應者組件為失效（Failed）狀態，或其無可用功率（即組件滿負荷工作），或為負載組件，則響應者組件Agent直接回復Refuse（拒絕）消息來拒絕該提議，則該響應者組件所在的路徑跡不能作為恢復路徑；如果各響應者組件可以提供或通過全部或部分所需功率，則它的Agent會向發起者Agent回復Proposal（提議）消息，同時說明所能承擔的功率。

（6）到規定時間或收到所有回復消息后，待恢復組件Agent利用模板匹配方法，依照各條備用恢復路徑跡中的組件次序，依次對接收到的各回復消息進行檢查，并對各恢復路徑進行評估，根據開關操作次數最少、恢復路徑最短和條數最少原則，最終選擇一條或幾條路徑作為恢復路徑。

（7）發起者Agent向所選擇恢復路徑上的組件Agent，按照由遠到近的次序，分別發送Accept Proposal（接受提議）消息。所選組件Agent一旦完成委托的任務，就會給發起者發送Inform（通知）消息。在此過程中，當發起者Agent接收到當前所委托Agent的Inform（通知）消息后，才向下一個組件Agent發送Accept Proposal（接受協議）消息。另外，向其余未選中路徑中的組件Agent發送Reject Proposal（拒絕提議）消息，而如果所選Agent未能完成委托的任務，就利用通信動作Failure向發起者Agent發出Failure（失敗）消息。當然，如果找不出中標Agent，則協商過程直接就結束了。

（8）在此過程中，各相關組件Agent分別檢查是否滿足自身約束條件，如果滿足約束條件，轉到步驟（10），否則轉到步驟（9）。

（9）從受影響的最低優先級和最小功率負載開始，執行分級卸載，一次僅卸載一個負載，直到所有約束條件滿足為止。

（10）該負載Agent向CCAgent發送Inform消息，表明該負載已恢復供電，則CCAgent從未恢復供電負載集FC中刪除該負載，轉到步驟（3）。

在步驟5中，響應者Agent接收到待恢復組件Agent的CFP消息后，立即調用Contract Net Responder行為的方法Prepare Responce（ ），該方法的工作流程如圖5所示。

圖5　Prepare Responce（ ）方法工作流程Fig.5 Flowchart for Prepare Response method of Contract Net Reponder

與文獻[2-4]相比，本方法可以將所有負載按照其重要性可以劃分為多個優先級，而且負載的優先級可以通過監控系統進行修改，這樣可以充分保證艦船的安全性和戰斗力。

5 實驗算例

為了說明本故障恢復算法的有效性，將采用兩個典型算例來說明。

5.1 算例1：完全恢復斷電負載供電

如圖6所示，在系統運行過程中，如果組件11、17發生故障，造成負載15、21發生電力中斷。圖中負載旁邊圓括號內的實數為其額定功率；母線旁邊方括號內的實數表示功率容量（左）和可用功率（右）。為了便于說明問題，用“?”表示組件處于斷開或停機狀態；用“○”表示組件處于故障狀態。

圖6　情況1故障后的網絡Fig.6 Network after fault for case 1

在故障隔離后，斷電負載LA15、LA21向CCAgent發送電能恢復請求CFP消息，CCAgent收到恢復供電請求后，建立待恢復負載集{LA15,LA21}，并按照負載優先級進行排序，假設負載15的優先級高于負載21，則優先恢復負載15的供電。CCAgent向LA15發送允許“恢復”命令。

根據電力系統網絡拓撲結構的特點，可以預定義每個組件的恢復路徑跡，并存儲在其對應的Agent內。根據圖6所示，負載15的恢復路徑組件序列（跡）為

當負載15的AgentLA15接收到允許“恢復”命令后，按照預定義的恢復路徑進行搜索。LA15分別給這4條跡上的各部件Agent發出CFP消息，說明所需要的功率。各組件的Agent接收到CFP消息后，檢查和分析各組件的狀態，然后做出相應回復。由于組件11處于Failed狀態，則其SCMA11 向LA15回復Refuse消息。則其所在的路徑跡fpt115、adjt115不能作為負載15的恢復路徑；而路徑fpt215和adjt215上的各組件Agent向LA15回復Propose消息，表明各自當前的狀態以及完成任務的條件。當LA15接收到所有的回復或者超過規定的時間之后，將分別沿路徑fpt215，adjt215上組件的排列次序，按照由近到遠的次序依次對各組件的Agent所回復的消息進行評估。

當BA13、SCMA12、BSBA10、BA8、PSA6、BA5和GA1分別向LA15回復了Propose消息，說明可提供和可通過的功率，LA15對這些Propose消息進行評估，以確定整條路徑fpt215可提供和可通過的功率。以同樣方式，LA15再確定路徑adjt215可提供和可通過的功率，如果兩條路徑均能向負載15提供所需的功率，還需要依據開關操作次數最少的要求，選擇合適的恢復路徑。如圖6所示，要為負載15恢復供電，路徑fpt215需要進行兩次操作，閉合斷路器10和啟動功率變換器12，而adjt215需要進行3次斷路器操作，閉合斷路器22、16，啟動功率變換器12，所以選擇路徑fpt215作為負載15的恢復路徑。然后，LA15依次向BSBA10、SCMA12發送Accept Proposal消息。當負載15成功恢復供電后，LA15向CCAgent回復Inform消息，表明負載15啟動成功，CCAgent將LA15請求從待恢復集中清除；然后采用相同的過程，恢復負載21的供電。負載15、21恢復供電后的系統GTA模型如圖7所示。

圖7　情況1故障重構后的網絡Fig.7 Network after reconfiguration for case 1

5.2 算例2：多條恢復路徑

與算例1同樣，當組件11、17發生故障后，如圖8所示，母線5、32上的可用功率分別為18、15。在算例1中，當LA15接收到路徑fpt215、adjt215上的組件Agent的Propose消息后，對這些Propose消息進行評估后，發現路徑fpt215、adjt215中的任意一條恢復路徑均不足以為負載LA15提供所需恢復功率，而這兩條路徑的總功率卻可以滿足負載15的功率需求，則LA15可以向路徑fpt215、adjt215上的負載Agent，逆著路徑跡的方向，由遠到近依次發送Accept Proposal消息，每條恢復路徑一次僅發送一條消息，即待收到響應者Agent的Inform消息后，才向下一個Agent發送Accept Proposal消息。圖9為負載15恢復后的GTA模型圖。另外，從圖9還可以看出，兩條母線的可用功率不足于再為負載21提供恢復功率，則故障恢復工作停止。

圖8　情況2故障后的網絡Fig.8 Network after fault for case 2

圖9　情況2故障重構后的網絡Fig.9 Network after reconfiguration for case 2

6 結論

本文采用圖跡分析方法建立了基于多Agent的艦船電力系統數字圖模型，這種建模、分析、計算和控制模式，避免了模型的緊耦合性，具有更快的計算速度，非常適用于分布式實時分析和控制。而且這種模型形式能夠反映電網的物理布局和組件之間的連接關系，能夠解決非線性、時變大規模系統的建模困難問題，可為設計人員、系統規劃人員、操作人員和可靠性工程師提供一個統一的系統視圖，這樣既減少了系統建模成本，又促進了分工不同人員的協作，提高了工作效率。本建模、分析、計算和控制模式可應用于具有監控網絡和網絡化管理平臺的各型艦船。

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尚安利 男，1971年生，博士，講師，主要研究方向為船舶功率管理系統。

E-mail:sxsal001@sina.com（通信作者）

夏 立 男，1964年生，教授，博士生導師，主要研究方向為船舶電力自動化。

E-mail:xiali1964@126.com

Research on Integrated System Model and Service Restoration Method for Warship Power System

Shang Anli1,2Xia Li1Wang Zheng1
（1.School of Electrical and Information Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033 China 2.State Key Labonitory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

AbstractRegarding the service restoration of shipboard electrical power system,a multi agent based modeling and service restoration method is presented.The system is modeled using multi agents,and there is a one-to-one correspondence between each agent in the model and each item（often equipment）modeled in the physical system.Each component in the system is represented by a set of voltage and current variables and equations that describe the component’s behaviors.Real-time data are attached to the model on-the-fly.GTA can decompose system into component-level and system-level object equations.The model avoids a global view or tight-coupling,in which topology changes and calculation can be handled locally.Then depending on negotiation and cooperation between various agents of the model,the power system service restoration problem can be solved.As a result,the proposed method can handle the service restoration issue of the systems with loops and arbitrary number of priority level load.Simulation results have verified the method.

Keywords：Graph trace analysis,service restoration,multi-agent system,integrated power system integrated system model

作者簡介

收稿日期2013-12-23 改稿日期 2014-08-26

中圖分類號：TM76