基于ICMMS框架的多智能体泵站系统建模技术研究

王 萌，任传胜

（中国科学技术大学 工程科学学院，合肥 230026）

当前，自动化与智能化的融合、智能控制系统的研究成为了工业控制自动化领域的焦点[1]。泵站作为水利工程中的重要设施，承担着防洪防涝、调水灌溉以及生活供水等任务，其自动化水平在一定程度上影响着工程的运行状况。多年来，专家学者针对泵站系统的自动化控制提出一些方法模型，如ICMMS系统、MAS系统等，但是系统内不同子系统间和设备间的信息集成和交互问题仍是难点。IEC61850是国际电工委针对变电站系统内相似问题提出的一种标准，解决了系统内信息的集成和共享问题，现已成为电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。

本文以ICMMS框架下的多智能体泵站模型为研究对象，借鉴IEC61850标准中的相关思想，针对多智能体泵站系统模型实现的关键点，提出了泵站智能体的信息建模方法和系统的通信实现。

1 ICMMS框架的多智能体泵站系统

1.1 ICMMS和多智能体系统

早期，工业系统控制系统、维护系统、管理系统通常独立设计，系统间缺乏信息交互，形成了信息孤岛。针对这一现状，自动化控制领域出现了一种新概念：智能控制维护管理系统ICMMS。ICMMS是以现场智能执行器和传感器为基础，借助计算机软硬件技术、自动化技术、信息技术及管理技术，将控制、维护和管理集成到一个系统中，实现控制、维护和管理的智能化、网络化和集成化[2-3]。

多智能体系统MAS是一种分布式系统，由多个智能体（Agent）联合组成。每个Agent都是一个物理或抽象的实体，能独立作用于自身及周围环境，并能与其他Agent通信。多智能体间通过相互协调合作、通信管理、调度控制等表达系统的结构、功能行为特性[4]。

1.2 ICMMS框架的多智能体泵站系统

图1 ICMMS框架的多智能体泵站系统Fig.1 Multi-agent pumping station system based on the structure of ICMMS

根据泵站系统的认识，结合南水北调东线工程泵站的典型实例，建立了一种ICMMS框架的MAS泵站系统，如图1所示。现控层的Agent主要完成泵站系统各类信息如电量、温度、压力等的采集、机组以及站内公用系统如油、气、水、电等系统的监控保护。管维层中控制协调Agent管理协调下层Agent的运行；维护Agent对主要设备实监测，故障分析诊断，对可能出现的故障做出判断，给出相应的维护措施；技术管理Agent根据控制和维护Agent的报告，对系统运行和维护做出安排。应用层的Agent主要是根据实时信息给出优化方案，存储系统被控对象或设备说句信息，与上级调度中心或外部系统如水情、气象等信息交互。

1.3 多智能体泵站系统实现关键点

ICMMS框架的多智能体泵站系统是一种复杂的分布式系统，控制、维护和管理子系统集成为一体，各子系统间信息交互频繁。泵站子系统不同Agent间需要传递相关状态、控制、告警等信息。鉴于此，系统实现的关键点主要分为两个方面：第一，Agent间的信息交换采用何种数据描述方式更有利于数据集成、管理和维护；第二，针对系统中不同类型的信息特点，选用什么样的通信方式更有利于信息的传输。

2 多智能体泵站系统信息建模

2.1 IEC61850分层信息模型

IEC61850面向对象的建模采用分层的信息模型。如图2所示，分层模型中上一层的类模型均是由若干个下一层类模型组成。逻辑设备（LD）、逻辑节点（LN）、数据对象（DO）、数据属性（DA）均是从名称类集成对象名和对象引用属性，服务器提供设备的外部可视行为，是物理设备的通信接口，一台物理设备映射为一个或多个服务器。逻辑设备（LD）代表一组功能，每个功能定义为一个逻辑节点（LN），每个逻辑设备至少包含2个基本逻辑节点LLN0和LPHD，用于描述对应设备的一般属性和物理装置信息。逻辑节点（LN）代表特定的功能如过压保护。数据对象（DO）代表特定的信息，例如状态或测量值。数据属性（DA）定义可能数值的名称、格式、范围等。

图2 IEC61850分层信息模型Fig.2 Hierarchical information model of IEC61850

此外标准还给出了信息传递的通信服务，设备间的交互实际上就是通过这些服务对LN和设备中的数据进行操作。具体的服务实现在此就不叙述，详细信息见 IEC61850 7-1、7-2部分[5-6]。

2.2 多智能体泵站系统信息建模方法

采用IEC61850建模思想，为泵站系统内Agent建立统一信息模型，这样不仅解决了数据的互相理解问题，提高互操作性；而且传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行物理量对应、标度转换等工作，方便了数据的管理和维护。

机组监控是泵站系统中非常重要的一环，现以机组LCU Agent的信息建模为例。

第一步 了解机组LCU Agent功能。机组LCU主要对主辅设备运行状态、安全运行进行监控、异常报警、越线检查等，接受和完成远方控制操作等。

第二步 划分机组LCU的LD类。机组LCU功能主要分为控制、监视、接口日志三个方面。因此分别定义为LD1、LD2和LD3。

第三步 具体到每个LD中，定义所含功能LN，详细信息如图3所示。首先确定各个LD包含的功能，判断IEC61850标准中提供的逻辑节点类是否满足功能要求，若满足则选用该逻辑节点类；若不满足，则需新建逻辑节点类。新建LN类时，名称首字母应当遵从标准中给出的LN组表，如M表示计量和测量，S表示监控等。

图3 机组LCU模型Fig.3 Model of the pumping LCU

第四步 确定每个LN的数据对象（DO）和数据属性（DA）。IEC61850 7-410中定义了许多水电站公用数据信息和公用数据类（CDC），泵站系统与水电站系统类似，因此从参照标准中选取LN的DO和DA[7]。

LD1：控制LD模型。ACTM控制模式选择；KMOT电机信息；KPMP水泵信息；KERD接地装置信息；KEXF排风机；KBRK制动器

LD2：保护LD模型。SPRS压力监控；STMP温度监控；SVBR振动监控；SLEV液位监控；SFLW流量监控；SOPM操作机械监控。

LD3：接口和日志LD模型。IHND物理人机模型；ITCI远方控制接口；GGIO通用过程；GLOG通用日志。

以KPMP类为例，其具体描述如表1所示。此LN的DO主要分为状态信息、定值、测量值和控制4个方面。表1中CDC表示公用数据类，包含若干数据属性（DA）。SPS表示单点状态，ASG表示模拟量定值等，CDC具体信息见IEC61850标准中的7-3、7-4部分[8-9]；T表示瞬变数据，带有该标识的数据状态瞬时变化；M/O，M表示“必备”，O表示“可选”，为实例化过程中数据对象的选取提供参考，条件C1下的数据属性可采用一个或两个，但至少采用其中一个。此外，图3中定义的LN均为逻辑节点类，在具体到某个设备时，需要进行实例化处理。

表1 KPMP逻辑节点详细信息Tab.1 Detail of the logical node BPMP

3 多智能体泵站系统通信实现

3.1 IEC61850通信服务

IEC61850标准提供了多种通信服务模型，如采样值（SV）服务模型、面向通用对象的变电站事件（GOOSE）服务模型、以及制造报文规范（MMS）服务模型等。SV报文以固定时间间隔传输采样值信息；GOOSE报文在无事件触发情况下以固定时间间隔传输报文信息，当事件触发时，快速发送当前状态信息。SV和GOOSE通信直接从通信七层模型中的应用层、表示层映射到第二层数据链路层，减少了中间层间协议解析时间，传输的实时性更高，可组播通信。而MMS传输需要经过应用层、表示层、TCP/IP层再到数据链路层间，实时性相对较低，对等通信[10]。

3.2 多智能体泵站系统信息交互

综上所述，提出了泵站系统信息交互模型如图4所示。应用层内与管维层间主要交互一些控制信息、指令、文件等，通信实时性要求不高，采用MMS传输即可满足要求；管维层内、现控层内以及两层间信息交互大多是一些设备运行状态、开关量信息，采用GOOSE传输事件驱动的开入开出信号、事故信号及告警等服务，从而保证实时性和可靠性；智能采集Agent交互信息多是温度量、转速、振动等周期性的采集值，采用SV通信规约即可保证传输的实时性和快速性[11]。

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

4 结语

泵站系统设备采用统一的数据描述和特定的通信方式，有利于提高不同厂商设备间的互操作，便于系统的集成与扩展，为优化MAS泵站系统的信息交互提供了一种新的思路。IEC61850是一个复杂通信标准技术体系，在具体应用时，应结合泵站系统特点，不断探索和优化，逐步实现泵站系统的标准化、智能化。

[1] 彭科峰．自动化下一步：与智能化深度融合[N]．中国科学报，2017-10-30（6）．

[2] 傅闯，叶鲁卿，刘永前，等．基于多Agent的智能控制-维护-管理系统的研究[J]．控制与决策，2003，18（3）：371-374．

[3] 杨汉成，孙京忠，索丽生，等．基于Agent的泵站智能控制-维护-管理集成系统[J]．计算机工程与应用，2002，38（17）：46-48．

[4] 徐跃增，黄莉．基于多智能体的水闸泵站综合自动化系统[J]．水利水电科技进展，2009，29（3）：64-65．

[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，韩霄汉，姚力，等．基于IEC61850标准的直流数字化电能表分层信息与通信服务的建模和实现[J]．电测与仪表，2016，53（23）：57-61．

[11] 郭建勇，张兰芝，田华燕，等．泵站监控系统综合平台的实现[J]．自动化与仪表，2014，29（6）：37-40． ■