基于ICMMS框架的多智能體泵站系統建模技術研究

王 萌，任傳勝

（中國科學技術大學 工程科學學院，合肥 230026）

當前，自動化與智能化的融合、智能控制系統的研究成為了工業控制自動化領域的焦點[1]。泵站作為水利工程中的重要設施，承擔著防洪防澇、調水灌溉以及生活供水等任務，其自動化水平在一定程度上影響著工程的運行狀況。多年來，專家學者針對泵站系統的自動化控制提出一些方法模型，如ICMMS系統、MAS系統等，但是系統內不同子系統間和設備間的信息集成和交互問題仍是難點。IEC61850是國際電工委針對變電站系統內相似問題提出的一種標準，解決了系統內信息的集成和共享問題，現已成為電力系統自動化領域唯一的全球通用標準。

本文以ICMMS框架下的多智能體泵站模型為研究對象，借鑒IEC61850標準中的相關思想，針對多智能體泵站系統模型實現的關鍵點，提出了泵站智能體的信息建模方法和系統的通信實現。

1 ICMMS框架的多智能體泵站系統

1.1 ICMMS和多智能體系統

早期，工業系統控制系統、維護系統、管理系統通常獨立設計，系統間缺乏信息交互，形成了信息孤島。針對這一現狀，自動化控制領域出現了一種新概念：智能控制維護管理系統ICMMS。ICMMS是以現場智能執行器和傳感器為基礎，借助計算機軟硬件技術、自動化技術、信息技術及管理技術，將控制、維護和管理集成到一個系統中，實現控制、維護和管理的智能化、網絡化和集成化[2-3]。

多智能體系統MAS是一種分布式系統，由多個智能體（Agent）聯合組成。每個Agent都是一個物理或抽象的實體，能獨立作用于自身及周圍環境，并能與其他Agent通信。多智能體間通過相互協調合作、通信管理、調度控制等表達系統的結構、功能行為特性[4]。

1.2 ICMMS框架的多智能體泵站系統

圖1 ICMMS框架的多智能體泵站系統Fig.1 Multi-agent pumping station system based on the structure of ICMMS

根據泵站系統的認識，結合南水北調東線工程泵站的典型實例，建立了一種ICMMS框架的MAS泵站系統，如圖1所示。現控層的Agent主要完成泵站系統各類信息如電量、溫度、壓力等的采集、機組以及站內公用系統如油、氣、水、電等系統的監控保護。管維層中控制協調Agent管理協調下層Agent的運行；維護Agent對主要設備實監測，故障分析診斷，對可能出現的故障做出判斷，給出相應的維護措施；技術管理Agent根據控制和維護Agent的報告，對系統運行和維護做出安排。應用層的Agent主要是根據實時信息給出優化方案，存儲系統被控對象或設備說句信息，與上級調度中心或外部系統如水情、氣象等信息交互。

1.3 多智能體泵站系統實現關鍵點

ICMMS框架的多智能體泵站系統是一種復雜的分布式系統，控制、維護和管理子系統集成為一體，各子系統間信息交互頻繁。泵站子系統不同Agent間需要傳遞相關狀態、控制、告警等信息。鑒于此，系統實現的關鍵點主要分為兩個方面：第一，Agent間的信息交換采用何種數據描述方式更有利于數據集成、管理和維護；第二，針對系統中不同類型的信息特點，選用什么樣的通信方式更有利于信息的傳輸。

2 多智能體泵站系統信息建模

2.1 IEC61850分層信息模型

IEC61850面向對象的建模采用分層的信息模型。如圖2所示，分層模型中上一層的類模型均是由若干個下一層類模型組成。邏輯設備（LD）、邏輯節點（LN）、數據對象（DO）、數據屬性（DA）均是從名稱類集成對象名和對象引用屬性，服務器提供設備的外部可視行為，是物理設備的通信接口，一臺物理設備映射為一個或多個服務器。邏輯設備（LD）代表一組功能，每個功能定義為一個邏輯節點（LN），每個邏輯設備至少包含2個基本邏輯節點LLN0和LPHD，用于描述對應設備的一般屬性和物理裝置信息。邏輯節點（LN）代表特定的功能如過壓保護。數據對象（DO）代表特定的信息，例如狀態或測量值。數據屬性（DA）定義可能數值的名稱、格式、范圍等。

圖2 IEC61850分層信息模型Fig.2 Hierarchical information model of IEC61850

此外標準還給出了信息傳遞的通信服務，設備間的交互實際上就是通過這些服務對LN和設備中的數據進行操作。具體的服務實現在此就不敘述，詳細信息見 IEC61850 7-1、7-2部分[5-6]。

2.2 多智能體泵站系統信息建模方法

采用IEC61850建模思想，為泵站系統內Agent建立統一信息模型，這樣不僅解決了數據的互相理解問題，提高互操作性；而且傳輸到接收方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行物理量對應、標度轉換等工作，方便了數據的管理和維護。

機組監控是泵站系統中非常重要的一環，現以機組LCU Agent的信息建模為例。

第一步 了解機組LCU Agent功能。機組LCU主要對主輔設備運行狀態、安全運行進行監控、異常報警、越線檢查等，接受和完成遠方控制操作等。

第二步 劃分機組LCU的LD類。機組LCU功能主要分為控制、監視、接口日志三個方面。因此分別定義為LD1、LD2和LD3。

第三步 具體到每個LD中，定義所含功能LN，詳細信息如圖3所示。首先確定各個LD包含的功能，判斷IEC61850標準中提供的邏輯節點類是否滿足功能要求，若滿足則選用該邏輯節點類；若不滿足，則需新建邏輯節點類。新建LN類時，名稱首字母應當遵從標準中給出的LN組表，如M表示計量和測量，S表示監控等。

圖3 機組LCU模型Fig.3 Model of the pumping LCU

第四步 確定每個LN的數據對象（DO）和數據屬性（DA）。IEC61850 7-410中定義了許多水電站公用數據信息和公用數據類（CDC），泵站系統與水電站系統類似，因此從參照標準中選取LN的DO和DA[7]。

LD1：控制LD模型。ACTM控制模式選擇；KMOT電機信息；KPMP水泵信息；KERD接地裝置信息；KEXF排風機；KBRK制動器

LD2：保護LD模型。SPRS壓力監控；STMP溫度監控；SVBR振動監控；SLEV液位監控；SFLW流量監控；SOPM操作機械監控。

LD3：接口和日志LD模型。IHND物理人機模型；ITCI遠方控制接口；GGIO通用過程；GLOG通用日志。

以KPMP類為例，其具體描述如表1所示。此LN的DO主要分為狀態信息、定值、測量值和控制4個方面。表1中CDC表示公用數據類，包含若干數據屬性（DA）。SPS表示單點狀態，ASG表示模擬量定值等，CDC具體信息見IEC61850標準中的7-3、7-4部分[8-9]；T表示瞬變數據，帶有該標識的數據狀態瞬時變化；M/O，M表示“必備”，O表示“可選”，為實例化過程中數據對象的選取提供參考，條件C1下的數據屬性可采用一個或兩個，但至少采用其中一個。此外，圖3中定義的LN均為邏輯節點類，在具體到某個設備時，需要進行實例化處理。

表1 KPMP邏輯節點詳細信息Tab.1 Detail of the logical node BPMP

3 多智能體泵站系統通信實現

3.1 IEC61850通信服務

IEC61850標準提供了多種通信服務模型，如采樣值（SV）服務模型、面向通用對象的變電站事件（GOOSE）服務模型、以及制造報文規范（MMS）服務模型等。SV報文以固定時間間隔傳輸采樣值信息；GOOSE報文在無事件觸發情況下以固定時間間隔傳輸報文信息，當事件觸發時，快速發送當前狀態信息。SV和GOOSE通信直接從通信七層模型中的應用層、表示層映射到第二層數據鏈路層，減少了中間層間協議解析時間，傳輸的實時性更高，可組播通信。而MMS傳輸需要經過應用層、表示層、TCP/IP層再到數據鏈路層間，實時性相對較低，對等通信[10]。

3.2 多智能體泵站系統信息交互

綜上所述，提出了泵站系統信息交互模型如圖4所示。應用層內與管維層間主要交互一些控制信息、指令、文件等，通信實時性要求不高，采用MMS傳輸即可滿足要求；管維層內、現控層內以及兩層間信息交互大多是一些設備運行狀態、開關量信息，采用GOOSE傳輸事件驅動的開入開出信號、事故信號及告警等服務，從而保證實時性和可靠性；智能采集Agent交互信息多是溫度量、轉速、振動等周期性的采集值，采用SV通信規約即可保證傳輸的實時性和快速性[11]。

圖4 信息交互模型Fig.4 Model of information exchange

4 結語

泵站系統設備采用統一的數據描述和特定的通信方式，有利于提高不同廠商設備間的互操作，便于系統的集成與擴展，為優化MAS泵站系統的信息交互提供了一種新的思路。IEC61850是一個復雜通信標準技術體系，在具體應用時，應結合泵站系統特點，不斷探索和優化，逐步實現泵站系統的標準化、智能化。

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[5] IEC 61850-7-1 Communication networks and systems in substations-Part 7-1：Basic communication structure for substations and feeder equipment Principles and models[S]．ED2.0.2011

[6] IEC 61850-7-2 Communication networks and systems in substations-Part 7-2：Basic communication structure for substation and feeder equipment Abstract communication service interfaces[S]．ED2.0.2010．

[7] IEC 61850-7-2 Communication networks and systems for power utility automation-Part7-410：Basic communica-tion structure-Hydroelectric power plants-Communication for monitoring and control[S]．ED2.0.2012．

[8] IEC 61850-7-3 Communication networks and systems in substations-Part 7-3：Basic communication structure for substation and feeder equipment Common data classes[S]．ED2.0.2010．

[9] IEC 61850-7-4 Communication networks and systems in substations-Part 7-4：Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes[S]．ED2.0.2011．

[10] 胡瑛俊，韓霄漢，姚力，等．基于IEC61850標準的直流數字化電能表分層信息與通信服務的建模和實現[J]．電測與儀表，2016，53（23）：57-61．

[11] 郭建勇，張蘭芝，田華燕，等．泵站監控系統綜合平臺的實現[J]．自動化與儀表，2014，29（6）：37-40． ■