面向代理的智能電網(wǎng)自愈設(shè)計(jì)

王春林

摘 要：電網(wǎng)是高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于最終消費(fèi)者服務(wù)，可能是不可靠的、不穩(wěn)定的、效率低的。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)面向代理的仿真，這個(gè)仿真能夠幫助理解智能電網(wǎng)并且找到改進(jìn)電網(wǎng)的方法。該文主要關(guān)注自愈問(wèn)題，也就是在問(wèn)題發(fā)生后能使控制系統(tǒng)采取預(yù)防措施或者解決問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：多代理系統(tǒng) 智能電網(wǎng) 分布式通信 智能系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

由于智能電網(wǎng)規(guī)模很大而且復(fù)雜，很難預(yù)測(cè)所有可能出現(xiàn)的情況，從而導(dǎo)致性能失效。電力傳輸系統(tǒng)的可靠性、可用性和效率是很難準(zhǔn)確預(yù)估的，因此決策者在智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)方面會(huì)猶豫而導(dǎo)致結(jié)果的不確定性。目前大多數(shù)的研究集中在減輕這些不確定性方面。

1 不安全因素和自我修復(fù)功能

電力系統(tǒng)是暴露在自然災(zāi)害，恐怖主義分子面前的設(shè)施，也可能因操作方面的原因而導(dǎo)致崩潰。一旦一次故障發(fā)生，必須迅速地將其余部分與故障部分進(jìn)行隔離。電源故障可能是由本地故障引起的一個(gè)相對(duì)影響較小的事故，也可能是由恐怖性襲擊造成的災(zāi)難性的地域性斷電。對(duì)于緊急情況的準(zhǔn)備，有時(shí)候是非常缺乏的。最常見(jiàn)的電網(wǎng)中斷類型如下所述。

動(dòng)力故障：又稱為電源故障或者停電，這是一種短期的或者長(zhǎng)期的在一定區(qū)域內(nèi)的功率損耗。原因包括電力線的損壞，或者輸配電設(shè)備的任何故障。

電壓不穩(wěn)：電壓不穩(wěn)指的是電力系統(tǒng)不能維持電壓在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)波動(dòng)，尤其是在系統(tǒng)的電壓崩潰之后。電壓穩(wěn)定的評(píng)估可以有多種模型，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯系統(tǒng)、遺傳搜索和統(tǒng)計(jì)方法。

功率流的不平衡：發(fā)電和消耗必須維持平衡，因?yàn)樗ǔ２皇莾?chǔ)存電能。如果一個(gè)部件有部分的或者完全的故障，并將負(fù)載重定向到其他的沒(méi)有準(zhǔn)備好或者沒(méi)有能力接受負(fù)載的組件，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)負(fù)載的結(jié)果。隨后負(fù)載的重定向可以級(jí)聯(lián)到其他的組件并且導(dǎo)致更為嚴(yán)重的故障。這樣的故障連鎖反應(yīng)是非常嚴(yán)重的，可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰。

安全性故障：一個(gè)電力系統(tǒng)由于安全故障而導(dǎo)致被破壞或者失效是無(wú)奈的。對(duì)電力系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的攻擊可能有多種形式。例如，無(wú)線部件是在物理層面被干擾或者篡改，路由信息能夠在網(wǎng)絡(luò)層面被操控，過(guò)量的信息會(huì)在傳輸層面崩潰一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)智慧型的對(duì)手可以設(shè)計(jì)多種類型的攻擊來(lái)破壞通訊網(wǎng)絡(luò)的安全。大多數(shù)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，最初是為私人設(shè)計(jì)的的通信網(wǎng)絡(luò)，是通過(guò)間接地連接到互聯(lián)網(wǎng)來(lái)保證他們的安全性的。

2 仿真設(shè)計(jì)

本模擬設(shè)計(jì)的目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)靈活的、適應(yīng)性強(qiáng)的和可擴(kuò)展的軟件系統(tǒng)。模擬的目的是使模擬環(huán)境能支持具有選擇性知識(shí)庫(kù)的多個(gè)代理，在抽象層面上，從多個(gè)角度運(yùn)行各種決策模型。本次模擬利用JADE框架，是因?yàn)樗耆С諭EEE標(biāo)準(zhǔn)下的智能代理的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)（FIPA），這能保證系統(tǒng)工作在不同的系統(tǒng)和平臺(tái)，并且使他們能夠無(wú)間隙地交互作用。

模擬的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

封裝設(shè)備模型：電網(wǎng)中的設(shè)備代理被設(shè)計(jì)成具有良好接口的能通訊的黑盒子。它允許模擬連續(xù)運(yùn)行而不用考慮代理的具體實(shí)施情況。最初的設(shè)備是相對(duì)簡(jiǎn)單的。我們預(yù)計(jì)設(shè)備代理將進(jìn)階到能利用MATLAB/SIMULINK 來(lái)提高裝置電子行為的準(zhǔn)確性。

松散耦合：所有的代理節(jié)點(diǎn)作為松散的耦合來(lái)運(yùn)行，只有通過(guò)代理通信語(yǔ)言來(lái)交流。這種交流方式承載了過(guò)量的計(jì)算，但是避免了選擇性，例如共享的內(nèi)存通訊提供了很大的靈活性來(lái)適應(yīng)任何一個(gè)部件，范圍從小的鏈路到完整的微電網(wǎng)不等。

管理的復(fù)雜性：智能電網(wǎng)的復(fù)雜程度很高，是通過(guò)定義軟件功能的個(gè)人代理所提供的模塊來(lái)代理。這提供了一個(gè)靈活的、適應(yīng)性強(qiáng)的、可進(jìn)階的并且易于維護(hù)和擴(kuò)展的設(shè)計(jì)。

橫切關(guān)注點(diǎn)：從軟件工程的角度來(lái)看，一些要求和屬性不能被模塊化，因?yàn)樗麄児逃械臋M切關(guān)注點(diǎn)。這些抵制模塊化是因?yàn)楸旧矸植嫉膯?wèn)題以及對(duì)于軟件的耦合存在負(fù)面影響。智能電網(wǎng)中最初的橫切關(guān)注點(diǎn)是安全的，值得信賴的、被證明了的以及策略性強(qiáng)的。為了支持這些問(wèn)題，我們對(duì)于確認(rèn)代理，保護(hù)代理的知識(shí)基礎(chǔ)，建立信任關(guān)系，執(zhí)行代理角色的兩個(gè)層次堅(jiān)持一致的協(xié)議。如果封裝成模塊，橫切關(guān)注點(diǎn)將會(huì)在模型中產(chǎn)生重復(fù)代碼并且使它們相互依賴。這樣會(huì)導(dǎo)致大量的更新給沒(méi)有直接關(guān)系的模塊，并且對(duì)于軟件的耦合產(chǎn)生負(fù)面影響。橫切關(guān)注點(diǎn)不利于軟件的維護(hù)，重復(fù)利用和進(jìn)階。AOP將橫切關(guān)注點(diǎn)封裝成為模塊。橫切關(guān)注點(diǎn)的代碼是與這個(gè)相位的模塊相聯(lián)系的。把這種模塊應(yīng)用在我們的設(shè)計(jì)中能夠避免橫切關(guān)注點(diǎn)產(chǎn)生的大量問(wèn)題。

知識(shí)陳述：支持智能決策，代理必須維護(hù)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。我們的基本方法是利用BDI模型來(lái)代表和利用知識(shí)。在最初的工作中，計(jì)劃本身是一連串的預(yù)先指定和規(guī)定的動(dòng)作來(lái)完成電網(wǎng)的自愈。

決策支持模型：在很多情況下，代理必須利用決策支持模型來(lái)評(píng)估當(dāng)前的情況并且決定行動(dòng)方針。智能電網(wǎng)是一個(gè)有著大量節(jié)點(diǎn)的巨大的異構(gòu)系統(tǒng)。一些通訊的渠道可能是禁用的或者不可靠的。魯棒性需要決策分散的建議。因此，獲取代理在決策制定方面的完整信息可能需要大量時(shí)間，是非常昂貴，甚至不可能完成的。

模糊邏輯是一種解決控制系統(tǒng)問(wèn)題的方法，這種方法在從簡(jiǎn)單的，小的，嵌入式的微型控制器到大型的，網(wǎng)絡(luò)化的，多通道數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)中都取得了成功。它可以在硬件，軟件或者兩者結(jié)合中都獲得成功。決策樹(shù)可以在模糊邏輯的幫助下通過(guò)部分的信息來(lái)建立。這種方法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單直接的方式來(lái)根據(jù)模糊的、模棱兩可的、不準(zhǔn)確的、含糊的或缺少輸入的信息得到明確的結(jié)論。模糊決策技術(shù)使用邏輯規(guī)則來(lái)制定決策。在應(yīng)用模糊邏輯決策方法來(lái)自我修復(fù)，一個(gè)尋求目標(biāo)的代理利用故障的數(shù)據(jù)和證據(jù)來(lái)填充邏輯規(guī)則。

這個(gè)模糊決策方法把地方數(shù)據(jù)如電壓等級(jí)，不穩(wěn)定的措施和已知的斷電轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的范圍（如高、中、低）。這個(gè)推理引擎將會(huì)評(píng)估決策結(jié)果是真或假，達(dá)到自愈性決定的鑒定，如重新配置電源等。隨著時(shí)間的推移和知識(shí)的提高，這個(gè)系統(tǒng)的代理能夠推理并作出決定，如設(shè)置斷路器，減少負(fù)載，重新配置能源來(lái)尋求最優(yōu)配置。

整數(shù)線性規(guī)劃是一個(gè)封閉的優(yōu)化方法，這個(gè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)資源的優(yōu)化配置。在此次應(yīng)用中，有一個(gè)類似的方法來(lái)分配任務(wù)給代理，能夠開(kāi)展具體的行動(dòng)來(lái)糾正電網(wǎng)的錯(cuò)誤。當(dāng)任務(wù)明確要求合作時(shí)，這種模式能夠鑒別優(yōu)化代理資源中可能存在的問(wèn)題以及他們應(yīng)該承擔(dān)的角色。

統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)提供了一個(gè)歷史悠久的在數(shù)據(jù)豐富的環(huán)境中支持決策的方法。對(duì)于每一個(gè)確定的電網(wǎng)中的問(wèn)題，有一套替代假說(shuō)的方法，每一個(gè)問(wèn)題都能夠被數(shù)據(jù)檢驗(yàn)來(lái)確定證據(jù)是否支持假說(shuō)的真實(shí)性。當(dāng)一個(gè)特定的假說(shuō)被給定的事實(shí)支持時(shí)，相關(guān)的糾正措施將被觸發(fā)。

許多其他的決策模型可以被包含。例如，考慮貝葉斯信念的網(wǎng)絡(luò)，它能夠可靠地對(duì)數(shù)據(jù)的不同解釋的可能性進(jìn)行評(píng)估。其他的可能性包括啟發(fā)式搜索，例如分發(fā)樹(shù)問(wèn)題（DTP），最小生成樹(shù)（MST），模擬退火法（SIMA）和禁忌搜索（TS）等技術(shù)。本設(shè)計(jì)的仿真中，代理在決策模型的使用中是獨(dú)立的，允許簡(jiǎn)單的替代模型的實(shí)驗(yàn)。

還可以進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)，比如增加簡(jiǎn)單的呼救功能，需要來(lái)自于分布式的能源來(lái)幫助系統(tǒng)的平衡。代理接受實(shí)時(shí)的信息數(shù)據(jù)，將有一個(gè)基本的知識(shí)庫(kù)作為規(guī)則來(lái)控制決策，并且執(zhí)行在不確定條件下自我恢復(fù)的決策。

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