多Agent在IEC61850通信模型中的應(yīng)用研究

多Agent系統(tǒng)MAS（Muti-Agent System）處理模式是近年來在社會各領(lǐng)域研究的熱點，它具有很好的自主性和自發(fā)性。在此模式下，以往需要整個系統(tǒng)才能完成的任務(wù)，可以通過幾個子系統(tǒng)來完成。不同子系統(tǒng)之間既相對獨立又相互聯(lián)系，它們之間通過信息的交流，以協(xié)同合作的方式進(jìn)行工作。
　　IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是最大限度地應(yīng)用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和被廣泛接受的通信原理，在不同制造商的智能電子設(shè)備（IED）之間實現(xiàn)良好的互操作性，并且能適應(yīng)通信及應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。
　　本文根據(jù)IEC61850的特點和功能，綜合多Agent系統(tǒng)的優(yōu)點和結(jié)構(gòu)，提出了一種針對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的分層分布協(xié)調(diào)式MAS組織結(jié)構(gòu)模型。將這種模型應(yīng)用到智能通信服務(wù)器(ICS)，既滿足了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的要求，又極大地提高了智能通信服務(wù)器的智能化水平。最后本文通過開發(fā)自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）的實驗原型系統(tǒng)進(jìn)行了測試。
1 多Agent系統(tǒng)簡介
　　多Agent系統(tǒng)是指一些自主的Agent通過協(xié)作完成某些任務(wù)或者實現(xiàn)某些目標(biāo)的計算系統(tǒng)，它側(cè)重研究如何協(xié)調(diào)一組Agent的行為。多Agent應(yīng)用系統(tǒng)往往用于解決單個Agent無法處理的問題，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(jù)其內(nèi)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(yīng)性：能感知所處的環(huán)境，并對相關(guān)事件做出適時反應(yīng)；
　　(4) 主動性：能遵循承諾采取主動行動，表現(xiàn)出面向目標(biāo)的行為。
2 IEC61850分層分布式信息交換功能
　　IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變電站自動化系統(tǒng)的功能在邏輯上可分配在三個不同的層次（變電站層、間隔層、過程層）。層次及邏輯接口IF1～I(xiàn)F10之間的邏輯關(guān)系如圖1所示[2]。

過程層功能：包含所有與過程接口的功能，即普通的二進(jìn)制和模擬I/O功能。這些功能通過邏輯接口IF4和IF5與間隔層通信。
　　間隔層功能：主要使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且對這個間隔的一次設(shè)備進(jìn)行操作。間隔意味著變電站的任意一個部分，如一條饋線、一個串、一個線路變壓器組。間隔的定義考慮變電站一次配置的一些有意義的子結(jié)構(gòu)以及二次系統(tǒng)（變電站自動化）的本地功能和自治能力。這些功能通過邏輯接口IF4和IF5與過程層通信，通過邏輯接口IF3與間隔層通信。
　　變電站層功能：過程層關(guān)聯(lián)的變電站層功能，即使用多個間隔或者整站的數(shù)據(jù)，并且對多個間隔或整站的一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。這些功能主要通過接口IF8通信；站級功能相關(guān)的接口表示變電站自動化系統(tǒng)SAS與本站操作人機接口（HMI）的接口，與遠(yuǎn)方控制中心（TCI）的接口，與遠(yuǎn)方監(jiān)視和維護(hù)工程師站（TMI）的接口。這些功能通過邏輯接口IF1和IF6以及邏輯接口IF7通信，并經(jīng)遠(yuǎn)方控制接口同外部通信。
3 多Agent系統(tǒng)在IEC61850通信模型中的應(yīng)用
　　IEC61850采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使數(shù)據(jù)對象具備了自描述的能力；智能通信服務(wù)器（ICS）作為電力自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換平臺，降低了層與層之間的耦合性，增強了分布式系統(tǒng)的性能，為不同廠商的IED實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)的無縫集成提供了途徑。IEC61850對變電站設(shè)備與數(shù)據(jù)的建模，規(guī)范了Agent間通信的本體問題，這是實現(xiàn)任何MAS的必要步驟[3]。
　　在IEC61850的數(shù)據(jù)模型中，服務(wù)器(SERVER)包含邏輯設(shè)備LD(Logical Device)，LD中包含邏輯節(jié)點LN（Logical Node），LN中包含數(shù)據(jù)對象DO（Data Object），DO中包含數(shù)據(jù)屬性DA（Data Attribute），DA也可能屬于某個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或者客戶端應(yīng)用交互信息，具有自我描述、配置、鎖定的功能；LN可以根據(jù)環(huán)境的變化改變自身的狀態(tài)，并上報狀態(tài)參數(shù)。
　　因此，它符合多Agent系統(tǒng)所規(guī)定的四個基本特點的，可以將LN看作是MAS中的Agent。根據(jù)接口模型，將LN分類：變電站層Agent、間隔層Agent、過程層Agent。Agent之間通過不同的LN交互，體現(xiàn)了IEC61850分層分布式系統(tǒng)的特點。
4 AVC Agent系統(tǒng)應(yīng)用實例
　　自動電壓控制系統(tǒng)AVC（Automatic Voltage Control）是未來電力自動化發(fā)展方向，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計思想
　　AVC實時監(jiān)測受控點的電壓和功率因數(shù)，根據(jù)不同時間段、不同運行方式等給出相應(yīng)的全網(wǎng)、區(qū)域、廠站的閉環(huán)控制、開環(huán)控制等控制方案，實現(xiàn)電壓無功控制全過程自動化[5]。
　　AVC系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分構(gòu)成。上位機與主站通信，向主站系統(tǒng)上傳所需的實時信息，接受主站端的控制指令，并與下位機間實現(xiàn)閉環(huán)運行，優(yōu)化機組的實時無功輸出。下位機接受上位機下傳的控制指令，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，實現(xiàn)發(fā)電機的自動電壓控制。
　　鑒于AVC系統(tǒng)的智能性和自適應(yīng)性，運用Agent理論能夠提高AVC系統(tǒng)的性能。因此，分層分布式多Agent AVC系統(tǒng)模型如圖3所示。

主站、上位機、下位機分別設(shè)計為調(diào)度Agent、控制Agent和采集Agent；采集Agent連接現(xiàn)場控制級設(shè)備、控制發(fā)電機的自動電壓調(diào)節(jié)器；將管理級的任務(wù)分散給各個控制Agent來完成，控制Agent通過點對點的通信直接將數(shù)據(jù)傳給調(diào)度Agent；調(diào)度Agent負(fù)責(zé)管理各個控制域的信息，根據(jù)信息進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的無功優(yōu)化，并對控制Agent進(jìn)行協(xié)調(diào)。
系統(tǒng)模型的特點體現(xiàn)在以下方面:
　　自主性：Agent可以根據(jù)自己檢測到的信息對一些緊急情況進(jìn)行及時的處理，對于來自其他Agent的命令，也可以根據(jù)自己的利益做出合適的反應(yīng)（接收或拒絕）。
　　交互性：Agent之間可以進(jìn)行交互。各個Agent在完成所屬區(qū)域的調(diào)壓和優(yōu)化任務(wù)時，并不只考慮本Agent區(qū)域的信息，而是在考慮了各個Agent之間相互聯(lián)系的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。
　　反應(yīng)性：當(dāng)某一電壓無功控制設(shè)備發(fā)生故障或新增加電壓無功控制設(shè)備時，在所屬的Agent中注銷或登記。
　　主動性：各個Agent對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，并結(jié)合自身情況，得出最優(yōu)化的事件處理方式。
　　從組織結(jié)構(gòu)中的各種Agent的功能特點來看，調(diào)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(diào)管理的作用，各控制Agent之間可以通過直接的通信和交互解決問題；采集Agent通過控制Agent之間的橋梁，與其他控制域中的采集Agent通信。
　　因此，AVC系統(tǒng)可以看作是一種分層分布協(xié)調(diào)式MAS組織結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于具有較強的擴展性，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)這樣一個復(fù)雜分散系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制。
4.2 AVC Agent仿真模擬實驗
　　為了探討基于多Agent系統(tǒng)在IEC61850通信模型應(yīng)用的可行性，本文根據(jù)AVC Agent系統(tǒng)原理，設(shè)計了一個模擬實驗原型系統(tǒng)，利用開源框架結(jié)構(gòu)JADE（Java Agent Development Framework）作為開發(fā)框架。該實驗由兩臺PC機組成，PC機通過局域網(wǎng)相連接，兩臺PC機上分別配置JADE作為控制Agent和調(diào)度Agent，它們之間發(fā)送模擬電流、電壓和功率因數(shù)等數(shù)值量。實驗原理如圖4所示。

JADE平臺中，有且只有一個主容器，當(dāng)其他的容器啟動時，必須在主容器中注冊。因此將調(diào)度Agent PC當(dāng)作主容器，控制Agent PC當(dāng)作其他容器，當(dāng)實驗平臺啟動時，控制Agent PC在調(diào)度Agent PC中注冊（類似于TCP三次握手）；容器間通信過程采用異步消息傳遞模式，每個容器都有一個消息隊列，如果需要與其他容器通信時，就把相應(yīng)消息投遞到隊列中。當(dāng)消息隊列中出現(xiàn)消息時，相應(yīng)的Agent被通知；被通知的Agent并不是立即作出反應(yīng)，它根據(jù)自身環(huán)境的情況，依靠優(yōu)先級來決定對到來的消息做怎樣的處理；被通知的Agent將處理的結(jié)果返回通知發(fā)出方Agent，通知發(fā)出方Agent根據(jù)返回的結(jié)果決定等待或者繼續(xù)發(fā)送其他Agent。
　　通過控制Agent PC和調(diào)度Agent PC間發(fā)送消息，觀測實時數(shù)據(jù)、延遲、反應(yīng)時間來分析原型系統(tǒng)通信性能，實驗步驟如下：
　　(1) 啟動兩臺PC機的JADE服務(wù)，載入調(diào)度Agent和控制Agent，控制Agent在調(diào)度Agent中注冊(三次握手)，初始化發(fā)送參數(shù)，記錄整個過程經(jīng)歷時間。
　　(2) 控制Agent向調(diào)度Agent發(fā)送模擬電流、電壓和功率因數(shù)消息，記錄消息實時數(shù)據(jù)、發(fā)送和排隊延遲、以及調(diào)度Agent自身調(diào)節(jié)(根據(jù)約束條件確定返回參數(shù)，如電壓合格、設(shè)備動作次數(shù)最少)狀況。
　　(3) 調(diào)度Agent自動向控制Agent返回調(diào)節(jié)消息，記錄消息實時數(shù)據(jù)、發(fā)送和排隊延遲、以及控制Agent自身調(diào)節(jié)（降低電壓、電流等發(fā)送參數(shù)）狀況。
　　實驗結(jié)果顯示，裝載在各個容器中的Agent相互通信，根據(jù)自身的情況處理來自其他容器的消息，產(chǎn)生了自適應(yīng)能力，具備了智能化的要求。
　　本文詳細(xì)闡述了多Agent系統(tǒng)和IEC61850的特點和聯(lián)系，重點分析了多Agent系統(tǒng)理論在在基于智能通信服務(wù)器（ICS）的IEC61850通信模型中的應(yīng)用；并通過AVC應(yīng)用實例分析以及原型的設(shè)計與實現(xiàn)，驗證了多Agent系統(tǒng)應(yīng)用于IEC61850通信模型中的可行性。