多代理(Multi－Agent)技术在电力系统控制中的应用

廖恩荣

(南京高精传动设备制造集团有限公司，江苏 南京 210012)

0 引言

跨大区联网的逐步实现，使得电力系统的规模越来越大，不同地区的资源通过电网互联得以合理有效的利用，发电各方通过互联电网相互合作又相互竞争，传统的发、输、配电统一集中管理和运行的机制开始向发、输、配电分别作为独立实体而参与竞争的电力市场运行机制转化，未来的电力系统是一个基于信息互换而协调的分散决策系统。

电力系统中的数据、控制甚至运行维护人员的行为都呈分布状态，对其进行完全集中式的求解可能遇到信息不全、通信瓶颈或计算速度等问题。此外，不同厂商在不同时期生产的基于不同技术的软硬件在电力系统中同时发挥作用，使得新技术的运用必须充分考虑原有系统的问题。解决复杂电力系统面临的上述问题需不断运用新理论、新技术，多Agent 系统(multi agent system，MAS)理论就是其中之一。MAS 理论是设计和实现复杂软件系统和控制系统的新途径，因其适用条件与电力系统的特征几乎完全吻合，因而受到众多学者的关注。本文将从电力系统控制中心、继电保护系统、无功电压控制、暂态紧急控制等方面论述MAS 理论和技术在电力系统控制中的应用研究现状，并展望近期有望实用化的Agent 应用系统和研究的新动向。

1 多代理技术简介

尽管目前还没有关于Agent 的统一定义，但并不能阻挡该应用技术的发展。基于Agent 的应用系统已经在制造业、过程控制、电信系统、交通运输管理、信息收集与过滤、电子商务和商业过程管理、娱乐及远程医疗等许多方面发挥了重要作用。在这些应用系统中，Agent 系统是指能够主动感知所处环境的变化并能作用于环境的软硬件集合。一般来说，Agent 具备自治性、社会性、反应性和自发性，对于个别应用系统来说，也可能主要利用Agent 的移动性等特征。多Agent 应用系统往往用于解决单个Agent 无法处理的问题，因此它不但涉及设计单个Agent 时遇到的体系结构、开发手段等问题，更重要的是处理好Agent 间的组织策略、消息传递、冲突化解、协调协作与协商等。总的来说，多Agent 系统具备如下4 个特点［1］:1)具备解决问题的充分信息或足够能力;2)整个系统中不存在全局的控制机构;3)数据是分布的;4)计算过程不一定同步进行。开发基于多Agent 的应用系统的一般步骤如图1 所示。其中，问题分析过程主要完成应用领域特点的分析、系统最终目标和功能边界的界定、系统最终目标的分解以及子目标间的关系定义等。在确定系统中不同层次的目标后，能够独立实现其中某一目标的实体即为Agent。Agent 的建模过程就是分析这些实体的内部状态及其行为的关系。最后，分别以协调各Agent 为原则设计MAS 的组织体系结构，以保证各Agent 的自治性为前提设计Agent 的内部结构。

图1 多Agent 应用系统开发步骤

多代理系统是由多个代理组成的系统［2］，它是为了解决单个代理不能够解决的复杂问题，由多个代理协调合作形成问题的求解网络。在这个网络中，每个代理能够预测其他代理的作用，其目标服务总影响其他代理的动作。在多代理系统中要研究一个代理对另一个代理的建模方法，为了能影响另一个代理，需要建立代理间的通信方法。也就是说多个代理组成的一个松散耦合又协作共事的系统，就是一个多代理系统。为了使代理之间能够合理高效地进行协作，代理之间的通信和协调机制成为多代理系统的重点问题。同时值得强调的是，前面讨论的代理的特性大多也是多代理系统所具有的特点:如交互性、社会性、协作性、适应性和分布性等。此外，多代理系统还具有如下特点:数据分布性或分散性，计算过程异步、并发或并行，每个代理都具有不完全的信息和问题求解能力，不存在全局控制。

多代理由于其应用的广泛性现在已经发展成为一门重要的学科。虽然其设计还没有完全标准化，但是已经有了很多规范。伴随着多代理系统的研究和应用，出现了多种不同的平台结构。有的研究机构和公司甚至专门进行多代理系统平台设计，并推出了专用软件。其中应用较多的有Agent Builder，Agent X 等等。它们大多都是用Java编写。由于在多代理系统开发中，可以自己创建平台，但是一般来说除了处于专门研究的目的，最好用成熟的平台以确保系统的可靠性和较好的技术和功能支持，减少开发时间，节省投资和便于系统扩展。当然，目前很少从零开始开发多Agent 应用系统，而是采用提供了多Agent 开发工具和运行环境的某种多Agent 开发平台，如JATLite，ZEUS 和JADE 等。因此，对Agent 体系结构的设计往往与平台的支持密切相关。

2 MAS 在电力系统控制中的应用

2.1 多代理技术在电力系统控制中心的应用

随着多代理技术的不断发展，其应用范围逐渐扩大，应用规模也不断增长。多代理技术在电力系统控制中心的应用由A zevedo 等人［3］在2000 年发表的文章中论述。A zevedo 等人认为，随着当前电力系统的发展尤其是电力市场的建立，电力系统的控制逐步由集中式转向分布式，而不断增长的电力系统规模和不断进步的计算机技术对控制中心的要求也越来越高。在这样一种趋势下，势必要以分布式系统来代替原有的以EMS 为中心的集中式系统。作者在文中认为未来控制中心需要解决的问题主要有以下几个方面:

1)由于对目标、方法和需求的不断评估及新需求的出现，要求控制系统具有动态适应的特征，从而要求其软件的设计具有较高程度的模块化以及易于跟随情况的变化而进化;

2)系统各组成部分的灵活性和能动性要求控制中心可以承受运算负荷的较大变化;

3)由于经济性的要求，未来电力系统需要在接近临界状态运行，从而要求控制中心要尽可能地提高操作和控制的精度;

4)计算机技术和软件技术的飞速发展，要求控制中心的软件系统有高度模块化的特征，易于适应技术的发展，延长控制中心(软件)的寿命;

5)分布化的趋势，作者认为当前地理位置集中的控制中心必将逐渐由不同公司和合作者组成的小规模的分布式的控制实体取代，使得控制计算软件也必须符合这一分布性趋势的要求。

针对以上考虑，A zevedo 等人提出由面向任务的软件多代理系统取代原有的集中式的EMS 的建议，由不同的软件代理系统地控制需要执行的不同任务和功能，并通过人机界面代理与用户进行良好的交互。

图2 CBR/Agent 电网安全控制系统示意图

在国内相似的研究也在进行，电科院王明俊老师在分析电网调度自动化向信息化方向发展的基础上，就采用CBR(实例推理)和Multi-Agent(多智能主体)技术辅助调度员解决电网安全控制问题，提出了基于Multi-Agent 的电网安全控制系统［4］。其采用CBR/Agent 所组成的电网安全控制系统如图2 所示，该系统在功能上增加了紧急控制和恢复控制以适应环境变化的分布式问题求解功能。鉴于电网的预防性控制、紧急控制和恢复控制相对独立，因此系统采用了面向任务模型。根据任务特点，预防性控制Agent 暂时先采用简单的反应式结构，重点解决紧急/恢复控制Agent 用以适应环境变化和应用Agent 之间的协调问题，包括封装关键的继电自动装置参与分布式问题求解。根据所选用的系统模型，主要有界面、应用和协调三类Agent。界面Agent 处理调度员所面临的预防性控制、紧急控制和恢复控制任务，而不是面对一个个特定的应用程序。应用Agent(可由对现有应用进行封装而成)控制和执行各种应用，抽取有关结果并送至所请求的Agent。协调Agent 协调各Agent 间并发请求的执行，完成所请求的服务。此外，还有其他一些Agent，如数据Agent、外部通信Agent 等，组成完整的Agent 系统。

2.2 多Agent 系统在继电保护系统中的应用

目前微机保护装置已取代传统的模拟式保护装置而广泛应用于电力系统，它具有计算、分析、逻辑判断、存储记忆等功能，在可靠性、方便性上远远超过传统保护，而成为目前继电保护装置的主要型式。但微机保护在原理和性能上与传统的模拟式保护相比并没有太大的进步，模拟式保护中存在的问题在微机保护中依然存在［5］，如保护性能不能根据电网实际情况调整到最佳，保护定值不能实现在线整定等。

多Agent 系统属于分布式人工智能的研究领域，它是一种由底向上的设计方法，因为分散自主的Agent 首先被定义，然后研究一个或多个Agent 间协作，以完成问题求解，即多Agent 系统更强调各个Agent 在控制上的分散性，因此特别适合分布式的继电保护领域。通过Agent 间协作能增强问题求解能力和求解的可靠性;多个智能体可并行操作，效率提高;智能体间通信协作，具有较好的容错能力;智能体既可协同工作，也可单独工作，具有较高的灵活性。因此微机保护中采用多Agent 技术比采用单独的智能技术更能提高保护性能。

近几年，对Agent 在继电保护中的应用研究越来越多，也越来越深入。其中有利用专用通讯网构成的基于Agent 的电流差动保护方案［6］，该方案通过对通讯结构、同步问题以及软件Agent 的优缺点等进行分析，并在通讯网络轻度、中等、重度负荷的情况下电网区内、区外故障进行了仿真，能有效检测设备故障并利用通讯网传输相关信息。但是实时性要求极高的继电保护用因特网(重度负荷)进行通讯是不切实际的，必须采用专门的通讯网(即轻度或中等负荷的网络)。

国外有学者研究了用于分布式发电系统的基于Agent的保护［7］。分布式发电系统中分布式发电机通常安装于中、低压电网，使得电网的阻抗和潮流方向随着发电机的投退经常发生改变，传统的用于辐射形电网的保护很难在分布式发电系统中实现配合，因此必须采用新颖的保护方案实现保护配合和高阻接地故障的检测与定位。具有自治、协作和通讯能力的Agent 成为构成新保护方案的基础。在基于通讯的多Agent 保护方案中，采用了小波分析和人工神经网络技术用于故障检测，用模糊集理论进行故障定位。由于故障切除后分布式发电系统可能被分裂成许多不相关的子系统，有些子系统由于发电和负荷不平衡，可能导致电压崩溃或频率降低，也可能情况相反。为保证故障切除后各子系统的电能品质，各Agent 必须协同工作保证故障切除后各子系统的发电和负荷平衡。基于Agent 的保护方案能有效应对分布式发电系统的负荷变化，高阻接地故障和电网突变情况。

还有学者提出了基于Agent 的合作保护系统概念［8］，对该保护系统中的Agent 进行了分类，如设备Agent 有:线路Agent，母线Agent，CT Agent，PT Agent 和开关Agent，此外，还有多种移动Agent，保护Agent 和自组织Agent。并针对主保护功能、断路器失灵时的后备保护功能、以及运行方式变化后的自适应功能进行了多Agent 间合作的仿真，结果表明能在各种电网运行方式下有效切除故障，但其可靠性取决于处理器的速度、通讯数据量和通讯的可靠性。

2.3 多Agent 系统在电压无功控制中的应用

电压无功控制是提高电压品质，降低网损的重要手段，如何从全网无功优化的角度进行电压无功控制对于电网安全、经济运行具有非常重要的意义。全网电压无功控制是一个复杂的、分布式的优化控制问题，传统的电压无功优化控制系统，首先将分布采集的数据集中传给中央主机，由主机分配任务给多台从机并行计算，再将计算结果集中分发给执行系统。这样的系统存在主机任务过于繁重，数据通信量大，网络结构复杂，控制的实时性、可靠性难以满足要求，系统不易扩展。针对这种情况，有学者提出了基于多Agent 系统电压无功优化控制的原理、结构及实现框架［9］，并对全局无功电压优化控制的数学模型和目标函数进行了分析与改进。在此基础上，张明军等人构建了三级优化控制系统［10］。该系统考虑了多分区全网优化的协调，各分区进行分布式并行计算，多Agent 技术的采用使得不同分区可以根据本分区的实际情况选择不同的优化算法。这种三级系统结构，将现有的管理分区与优化控制分区结合起来，符合我国调度控制的体系结构，容易在实际中推广应用，而且便于不同电压等级、不同区域的无功电压控制系统根据自己的特点，归纳、采用能够反映这些特点的分区内优化算法，从而使整个系统的可靠性得到提高。

近年来，还有一些研究将多Agent 控制技术用于二级电压分散协调控制，取得了满意的效果。其中王海风老师提出多Agent 的协调机制用于二级电压控制的思路［11］，首次将Agent 技术应用于电力系统电压控制，该方法在电力系统紧急状态下能较好地进行二级调压以快速恢复电压至正常范围。盛戈皓等人则基于多Agent 的分层分布式控制系统的原理，提出了基于多Agent 的分级电压控制系统的结构、功能、特点和实现技术方案［9］，较好地解决了二级电压调节的分散协调控制问题，在正常和紧急情况下都能更好地进行系统无功电压的调节。

基于多Agent 的二级电压控制系统将MAS 的协调和协作原理应用于紧急情况下的电压控制，采用基于合同网的协调和协作策略实现控制系统中多Agent 的优化协调，以最少的控制设备和最有效的控制手段对电压越限节点的电压恢复控制，从而改善紧急情况下的控制系统性能。其优点可以从Agent 自身的特性以及MAS 的协调能力中得到体现:在多Agent 模式下，即使某些通信线路发生故障，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，与集中控制相比，增加了系统的灵活性和通用性;由于每个Agent具有自主性，因而它们可以按照任务的要求进行组合，使整个系统适应动态的环境;通过修改Agent 规则库、控制算法和协调方式可以满足不同的电压控制要求。在系统正常运行时，协调级Agent 每隔1～3 min 给出各执行级Agent的整定值，保证系统优化运行和维持较好的无功储备。在电压突然下降过多的紧急情况下，就近的执行级Agent 能感知到系统异常，通过自治方式迅速提升相应设备电压，增加无功出力，尽快将节点电压恢复至允许范围。

2.4 多Agent 系统在暂态稳定紧急控制中的应用

我国极为重视区域系统的暂态稳定性预测和紧急控制，从20 世纪80 年代就开始该项研究和应用，积累了丰富的研究和运行经验。目前，对电力系统中紧急控制的研究主要仍为对传统的集中控制方面的研究。随着电力系统非管制化的提出并逐渐实施，独立电力生产者的参与将日益加强，在此情况下，单一在控制中心计算机上处理各种控制信息将变得很困难。

针对上述问题，天津大学的王成山老师提出了一种基于Multi-Agent 系统的分布式协调紧急控制系统［12］，将传统集中方式的紧急控制变为分布式控制，该系统由一个中心服务器Agent 和多个发电机Agent 构成。由中心服务器Agent 判断电力系统的运行状态，并在电力系统不稳定时发出请求控制信息，启动各发电机Agent。中心服务器Agent 和发电机Agent 之间使用消息对象通过请求/响应的方式传递信息。其工作过程是:由中心服务器Agent 实时检测电力系统运行状态，当电力系统发生故障时，服务器Agent 采用直接法进行计算，判断电力系统是否失稳，若不稳定，则服务器Agent 向各发电机Agent 发出请求控制信号;各发电机Agent 收到信号后分别判断本身发电机是否失稳，若失稳，则给出控制方案，执行紧急控制。Multi-Agent 系统结构如图3 所示。每个Agent 之间相互独立又相互协作，实现实时暂态稳定性控制。

图3 分布式控制Multi-Agent 系统结构示意图

目前国外还有些学者将多代理技术应用于电力系统在线暂态稳定性分析［13-14］，将多代理系统分为预测代理和控制代理，由于发电机组相对转角的变化能反映其是否同步，该多代理系统选择相对转角作为表述机组状态的参数。扰动发生以后，该系统通过预测相对转角的摆动轨迹，确定即将失去同步的发电机组，并对之采取相应的控制措施，从而使系统恢复稳定。当预测代理将发电机组的转角输出到控制代理后，控制代理分析转角的时间特性，判断发电机组的状态，判断出即将失步的机组。因为在故障前后，发电机组的输出功率不同，根据最大不匹配功率原则，可从所有不稳定的机组中判断出应作快关汽门动作的机组。

在以往的集中式控制中，由调度中心根据所获取的电力系统资料实现统一判断、统一调度。然而在电力系统的市场化情况下，由于商业机密等原因，调度中心已难以获得完整的资料，所以实行统一判断和统一调度很困难。另外，集中控制也不容易处理突发事件，而且调度中心一旦发生事故，则将威胁到整个电力系统的安全。分布式控制能有效地解决这些问题。它可将发电机发电功率的调度权分散到各发电机，由各发电机根据自身和电力系统的情况调度自身的发电功率，而且即使局部发生事故也不容易影响全系统的安全。

3 结语

多代理技术是由计算机技术、网络技术和人工智能等多学科交叉而形成的新兴分支。该理论是设计和实现复杂软件系统和控制系统的新途径，计算机科学研究已经在理论上为其设计了许多结构与交互算法，它在信息系统与生产过程控制中已有成功的应用，但在电力系统中仍处在理论与应用的边缘。本文在介绍MAS 基本理论特点的基础上，综述其在电力系统控制中应用的研究现状。由于MAS 在电力系统中的应用研究涉及很多方面，而且大多缺乏对具体问题领域的模型规范，所以多Agent 技术在电力系统中的广泛实用化还是一个漫长的过程。本文旨在介绍MAS 在电力系统控制中的应用研究现状，展望最具实用化潜力与基础较完备的分支，以推动多Agent 技术在这些领域的广泛应用。

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