基于多代理的智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)

梅華，朱茳，崔磊

(1.華北電力大學(xué)，北京市，102206;2.銀川供電局，銀川市，750011;3.華能國際電力股份有限公司，北京市，100031)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度各環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、信息交互性等問題面臨著新的挑戰(zhàn)。其中智能配電網(wǎng)是發(fā)展的重點(diǎn)之一，主要解決傳統(tǒng)電源和新型電源，尤其是分布式電源在配網(wǎng)中的運(yùn)行問題，以及對電力用戶需求進(jìn)行智能響應(yīng)的問題。相對于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，在智能電網(wǎng)環(huán)境下發(fā)展的配電網(wǎng)應(yīng)具有高度信息化、自動化、智能化等特點(diǎn)，以提高工作效率，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵。

對于建設(shè)信息化、自動化、智能化的電力系統(tǒng)，許多學(xué)者都進(jìn)行了大量的實(shí)踐和研究工作。最初應(yīng)用在電力行業(yè)的智能思想是將行業(yè)中應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與抽離，使數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一、集中存儲、方便查詢，并逐步形成面向管理層的分析、預(yù)測、綜合查詢及輔助決策系統(tǒng)［1-2］。隨著信息化水平的不斷提高，智能配電網(wǎng)不能僅僅起到信息集成的作用，還應(yīng)將分布式發(fā)電、微網(wǎng)技術(shù)引入到智能配電網(wǎng)中，使分布式電源的能效得到提高，通過微網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式電源的接入，保證了整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)［3］。但是分布式發(fā)電、微網(wǎng)技術(shù)與智能配電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展速度存在一定差距，智能配電網(wǎng)發(fā)展較好的國家或地區(qū)，也僅完成了智能表計(jì)的鋪設(shè)。近幾年歐美發(fā)達(dá)國家的智能電網(wǎng)發(fā)展比較迅速，在配電網(wǎng)的發(fā)展上也獲得了一些突破。目前，智能配電網(wǎng)的研究重點(diǎn)放在了分布式電源、微網(wǎng)技術(shù)與智能配電網(wǎng)的整合上［4］，如對含分布式電源的電力系統(tǒng)故障恢復(fù)的研究［5］、智能電網(wǎng)繼電保護(hù)在線整定系統(tǒng)的研究等［6］。在對智能配電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究的同時(shí)，對整體智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)架構(gòu)和信息技術(shù)的研究也進(jìn)入了新的階段，如將通信技術(shù)不斷更新，建立堅(jiān)強(qiáng)的信息平臺，使其成為智能配電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)［7-8］;將多代理技術(shù)進(jìn)入到配電網(wǎng)建設(shè)中［9-11］等。

本文的研究重點(diǎn)在于通過對配電網(wǎng)信息流分析，依托信息支持技術(shù)，研究基于多代理系統(tǒng)的智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)架構(gòu)，使智能配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其保證供電質(zhì)量及穩(wěn)定性、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率及故障處理速度、創(chuàng)新用戶服務(wù)和智能響應(yīng)用戶負(fù)荷需求的目標(biāo)。

1 智能配電網(wǎng)信息流及技術(shù)支持

1.1 智能配電網(wǎng)信息流

在智能配電網(wǎng)建設(shè)的過程中，配電環(huán)節(jié)并不是獨(dú)立的，應(yīng)該考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的信息交互，建立配電、發(fā)電、輸電、用電等環(huán)節(jié)的雙向互動信息流及統(tǒng)一的接口規(guī)范。配電企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)間的信息流［12］如圖1所示。每個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分別有不同的接口標(biāo)準(zhǔn)和信息模型，但在信息承載量不斷加大時(shí)，信息重疊和數(shù)據(jù)孤島的形成將不可避免，從而不能形成統(tǒng)一的智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺，這將會阻礙系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換和信息共享。由圖1可知配電企業(yè)內(nèi)部的基本信息流向，若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息的點(diǎn)對點(diǎn)交互，就必須有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和信息系統(tǒng)架構(gòu)，這就需要根據(jù)信息流來構(gòu)建統(tǒng)一的多代理信息系統(tǒng)模型。

圖1 配電企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)信息流Fig.1 Information flow among subsystems in distribution system

1.2 構(gòu)建智能配電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)支持

要建立智能配電網(wǎng)系統(tǒng)，僅有清晰的信息流還不夠，還需要有與系統(tǒng)相匹配的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)作為支持，本文將發(fā)展較為成熟、具有可拓展性的 Web Services技術(shù)引入到多代理智能配電網(wǎng)的建設(shè)中。Web Services技術(shù)架構(gòu)一般分為主要部分和輔助部分。主要部分一般包含4層結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)層、消息層、服務(wù)描述層和服務(wù)發(fā)現(xiàn)層;輔助部分一般包含安全層、管理層、服務(wù)質(zhì)量層。每1層都有相對應(yīng)的協(xié)議作為信息傳輸或交互的支持，并且隨著技術(shù)的發(fā)展及業(yè)務(wù)的需求，可以對各層次進(jìn)行拓展，各技術(shù)間架構(gòu)依托見表1。

表1 Web Services技術(shù)架構(gòu)支持Tab.1 Web Services technology support system

表1中由下至上，層次結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)到高級，高級層次將更多地對業(yè)務(wù)流程、個(gè)性化應(yīng)用進(jìn)行構(gòu)建，并與相應(yīng)的輔助層次配合，完成信息的相互溝通。

基于Web Services技術(shù)架構(gòu)，將配電業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分類整合，按照IEC 61968、IEC 61970等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的模型提供兼容接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的信息溝通，配電網(wǎng)兼容信息接口架構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)兼容信息接口架構(gòu)Fig.2 Compliant interface architecture of distribution network

1.3 多代理層次結(jié)構(gòu)

多代理系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)是由多個(gè)物理分散、行為自治的代理形成的松散耦合系統(tǒng)，各個(gè)分散的代理在遵守共同約定或協(xié)議的條件下，通過交互與合作來解決超出單個(gè)代理能力的問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局目標(biāo)，MAS是構(gòu)建大型復(fù)雜分布式信息處理系統(tǒng)的重要技術(shù)框架。

對多代理結(jié)構(gòu)的劃分大致分為3層［14］:交互層、應(yīng)用層和資源層，如圖3所示。其中交互層由接口代理組成，主要完成系統(tǒng)與外界的交互工作，獲取系統(tǒng)外部信息，將其轉(zhuǎn)化為規(guī)則，以支持應(yīng)用層代理動作;應(yīng)用層由協(xié)調(diào)代理和任務(wù)代理組成，完成企業(yè)一般業(yè)務(wù)過程執(zhí)行和各自及整體的決策提供工作，其技術(shù)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程動態(tài)重組和利用有限資源做出智能化決策;資源層由資源代理組成，主要完成對系統(tǒng)資源的各種操作。

圖3 多代理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與層次Fig.3 Framework and hierarchy of multi-agent system

2 智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)的構(gòu)建

多代理系統(tǒng)的核心問題在于解決復(fù)雜的系統(tǒng)問題，將其分解成為更小但相關(guān)聯(lián)的不同實(shí)體，即一種分布式的系統(tǒng)。根據(jù)多代理系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)與配電網(wǎng)的信息流，整合配電網(wǎng)子系統(tǒng)資源，構(gòu)建基于多代理的多中心智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 基于多代理的多中心智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Multi-center intelligent information system framework of distribution network based on multi-agent

從圖4中可以看出，基于多代理的多中心智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)，各中心間數(shù)據(jù)信息互通。每個(gè)中心有不同的目標(biāo)和責(zé)任，協(xié)作完成配電網(wǎng)的整體目標(biāo)任務(wù)，各中心功能如下:

(1)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)存儲整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，記錄、接收各中心間的傳遞信息和面對用戶的各類反饋信息，其他3個(gè)中心可對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行訪問，數(shù)據(jù)中心將提供相對應(yīng)的接口供用戶操作。一般用戶，如工業(yè)或居民用戶會被限制訪問權(quán)限。

(2)客服信息中心。客服中心負(fù)責(zé)為用電用戶提供各種服務(wù)。通過用戶行為跟蹤代理，用戶的用電習(xí)慣會被記錄下來;負(fù)荷響應(yīng)代理會接收用戶自身用電習(xí)慣的申請，并與客戶體驗(yàn)代理給出的用電方案進(jìn)行綜合平衡，保證用戶對于電能的需求。電力營銷代理除了具有傳統(tǒng)的營銷功能外，還肩負(fù)著為用戶提供個(gè)性化服務(wù)、拓展新用戶等功能。用戶故障監(jiān)控代理會實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的電能穩(wěn)定性，一旦發(fā)生故障能及時(shí)反映給供電公司進(jìn)行維修。同時(shí)，客服中心還允許用戶在基于整體負(fù)荷的前提下，優(yōu)先使用預(yù)定義負(fù)荷及用戶作為電源向配網(wǎng)供電。用戶的這些行為會被控制中心監(jiān)控，在保證配電網(wǎng)系統(tǒng)整體穩(wěn)定的條件下進(jìn)行操作。

(3)配調(diào)信息中心。配調(diào)中心負(fù)責(zé)配電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流計(jì)算、故障維修、操作人員培訓(xùn)等工作。配調(diào)中心通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)及故障信息系統(tǒng)收集準(zhǔn)確的信息，并發(fā)送給通信服務(wù)和指揮協(xié)調(diào)代理，進(jìn)行任務(wù)分配和協(xié)調(diào)調(diào)用，將信息處理后傳輸給網(wǎng)絡(luò)層的穩(wěn)態(tài)分析、故障處理、智能操作票、模擬培訓(xùn)等代理，得出解決方案，將最后執(zhí)行方案通過圖形化界面提供給調(diào)度員或?qū)＜遥{(diào)度員或?qū)＜医Y(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)做出合理的調(diào)度決策。

(4)控制信息中心。控制中心負(fù)責(zé)獲得電網(wǎng)信息，并接受控制信號、執(zhí)行控制命令，對電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。規(guī)則庫代理收集、保存、轉(zhuǎn)發(fā)來自優(yōu)化代理的信息;擾動分析代理提供電網(wǎng)停電和故障信息，對最有可能發(fā)生的故障或擾動進(jìn)行可靠性和后果分析，把異常脆弱運(yùn)行工況信息發(fā)送給優(yōu)化代理;優(yōu)化代理則實(shí)施電網(wǎng)在正常和事故后的優(yōu)化控制，再把結(jié)果信息發(fā)送給規(guī)則庫代理或監(jiān)控代理。

(5)信息安全中心。信息安全中心在各中心的業(yè)務(wù)終端處建立信息安全保護(hù)，并且為每個(gè)中心間的信息交流提供信息安全過濾，包括內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)間的交流信息及內(nèi)網(wǎng)間的交流信息。根據(jù)國家規(guī)定的信息安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合配電網(wǎng)自身特點(diǎn)，利用第三方開發(fā)的安全防護(hù)手段，如數(shù)字認(rèn)證、數(shù)據(jù)安全盾等，逐步建立高水平的安全中心，達(dá)到配電網(wǎng)物理安全、運(yùn)行安全、數(shù)據(jù)安全。

綜合上述分析，4個(gè)中心對配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了全覆蓋，信息安全中心保證信息的安全順暢互通，每個(gè)中心具有相對的獨(dú)立性，當(dāng)某個(gè)中心出現(xiàn)故障時(shí)，其他中心能夠正常運(yùn)行，提高了信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

通過多中心智能配電網(wǎng)信息系統(tǒng)的構(gòu)建及對各中心多代理子系統(tǒng)的功能分析，可以看出在智能配電網(wǎng)中構(gòu)建統(tǒng)一的多代理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠很好地解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺共享、信息流通速度、業(yè)務(wù)流程穩(wěn)定和系統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)性、智能配電網(wǎng)響應(yīng)效率等問題，體現(xiàn)了多中心架構(gòu)的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，更智能的人機(jī)接口、終端設(shè)備會被應(yīng)用到系統(tǒng)架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)智能化、自動化、集成化的管理。

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