智能電網的信息化系統(tǒng)管理實現

閆嵩琦

摘要：深入發(fā)展的智能電網對信息化和智能化發(fā)展要求不斷提高，海量復雜的電網信息數據呈現多源多維的發(fā)展趨勢，需通過信息化管理系統(tǒng)根據實時高效的數據處理及分析結果，實現及時調控和智能決策過程。主要構建了一種智能電網信息管理系統(tǒng)架構，該系統(tǒng)基于多智能體技術主要用于電網信息的實時監(jiān)測，主要分析了系統(tǒng)的設備級、子系統(tǒng)級及智能體功能實現的重要技術支撐，完成了基于多智能體的系統(tǒng)實現算法，為提升智能電網的管理水平提供參考。

關鍵詞：智能電網;信息管理系統(tǒng);多智能體技術;實現路徑

中圖分類號：F426.61

文獻標志碼：A

ImplementationofInformationSystemManagementinSmartGrid

YANSongqi

（StateGridShanxiElectricPowerResearchInstitute，Xian710000，China）

Abstract：Theindepthdevelopmentofsmartgridshascontinuouslyincreasedtherequirementsforinformatizationandintelligentdevelopment.Themassiveandcomplexpowergridinformationdatapresentamultisourceandmultidimensionaldevelopmenttrend.Informationmanagementsystemsneedtoimplementtimelycontrolbasedonrealtimeandefficientdataprocessingandanalysisresults，aswellasintelligentdecisionmakingprocesses.Thispapermainlybuildsasmartgridinformationmanagementsystemarchitecture.Thissystemisbasedonmultiagenttechnology，andismainlyusedforrealtimemonitoringofpowergridinformation.Itmainlyanalyzesthesystemsequipmentlevel，subsystemlevelandimportanttechnicalsupportforagentfunctionimplementation.Thesystemimplementationalgorithmbasedonmultiagentiscompleted，whichprovidesareferenceforimprovingthemanagementlevelofsmartgrid.

Keywords：smartgrid;informationmanagementsystem;multiagenttechnology;implementationpath

0引言

日益突出的能源問題對電力能源的需求與日倍增，現代先進技術及高科技產品為電力行業(yè)的持續(xù)優(yōu)化發(fā)展提供了強大的支撐，我國在智能電網方面的研究已取得一定進展，隨著智能電網的持續(xù)開展，電網呈現分布式發(fā)展趨勢，電網數據不斷增多，電力公司業(yè)務系統(tǒng)在面對龐大的客戶用電需求時系統(tǒng)的局限性日益顯露，智能電網管理的信息化及智能化發(fā)展水平仍有待提高，電網信息系統(tǒng)包括電力調度自動化網絡系統(tǒng)及其構成的、能量管理系統(tǒng)、配電網管理等子系統(tǒng)，傳統(tǒng)的電網信息管理系統(tǒng)已經難以滿足海量數據的處理和使用需求（包括存儲、檢索、分析等）。新型的信息管理系（覆蓋整個電網系統(tǒng)）成為智能電網功能實現的重要途徑。

1現狀分析

為滿足現代生產及生活的用電量需求，電網規(guī)模不斷擴大，使電力系統(tǒng)的結構復雜程度不斷提高成為一種廣域復雜大系統(tǒng)，在模型上高階非線性的智能電網需對復雜且龐大的數據量進行處理，同時需進一步提高電網全過程（包括生產、消費、控制和管理等）的智能管理水平，面對復雜的電網及外部環(huán)境信息需通過引入相應的測量系統(tǒng)實現實時高效的獲取功能，這就為信息管理系統(tǒng)的數據處理及通信等提出了更高的要求，構建并實現一套健全的信息管理系統(tǒng)成為領域內的一項研究重點，通過使用該系統(tǒng)實時監(jiān)測智能電網及外部環(huán)境的海量信息，并在此基礎上通過數據的融合、處理及綜合分析為相應控制策略及決策（包括電網設備管理和維護）的制定提供支撐，實現信息在不同設備及系統(tǒng)間的交互和使用等功能。為一項滿足智能電網管理需求，本文基于人工智能領域的多智能體（一種新型計算模型）技術完成了一種信息管理系統(tǒng)的設計，具有功能連續(xù)及自主性特征的智能體實現了對自身及外界狀態(tài)變化情況的連續(xù)不斷地感知，并據此執(zhí)行相應動作，由多智能體構成的問題求解網絡具有較好的擴展性，有效提高了不同系統(tǒng)間知識的共享和交互效率，目前該方面的研究已取得了一定的成果，例如，一種智能電網統(tǒng)一信息系統(tǒng)的設想（包含4個基本子系統(tǒng)，張之哲等）、一種多級信息融合模型（基于電力全局信息，主要面向區(qū)域電壓無功控制，沈祥等）、根據未來智能電網發(fā)展趨勢構建的一種信息系統(tǒng)體系結構（曹軍威等）、一種融合了管理思維及MAS技術的信息管理系統(tǒng)的設計思路及其可行性和優(yōu)勢分析（劉喜梅等）等[1]。本文在現有研究成果的基礎上，繼承傳統(tǒng)信息監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，通過綜合運用傳感器技術和多智能體技術構建信息管理系統(tǒng)，有效實現了電網信息的通信、監(jiān)測、交互與調控功能，進一步提高了系統(tǒng)的自愈性、智能化等性能。

2智能電網信息管理系統(tǒng)總體架構

針對電壓等級在550、330、110kV及以下的局部電網的智能電網信息管理系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

系統(tǒng)以電網為對象主要可分為3層（以電壓等級、覆蓋范圍及影響力等為依據）。

（1）設備級結構如圖2所示。

基于各項測量數據（通過監(jiān)測系統(tǒng)獲取），對各類輸電線、斷路器、變壓器等設備狀態(tài)采用信息分析模塊（面向具體設備和環(huán)境的算法）進行監(jiān)測和調控。接入系統(tǒng)的成員間可協同分析和融合這些電網測量數據獲取更加科學準確的設備級的調控策略。針對復雜環(huán)境中的電網設備狀態(tài)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)（包括SCADA、EMS、DMS、WAMS等）的基礎上，通過無線傳感器網絡監(jiān)測模塊XBEE（DIGI公司，基于ZIGBEE協議）實現監(jiān)測功能，以有效滿足系統(tǒng)對數據種類和數量的要求。使用微處理器設備完成系統(tǒng)網絡節(jié)點狀態(tài)信息數據的初步處理，采用可自動組網的XBP24BWIT模塊具備可靠的數據傳輸能力，在室外空曠區(qū)域可達到3200m的傳輸距離，包含豐富的標準串行接口（包括UART、RS232、COM接口），對處于復雜環(huán)境下的電網設施的適應能力較強。

（2）以各級變電站為主的子系統(tǒng)級，以下級系統(tǒng)的分析信息作為數據源，結合變電站運行狀態(tài)監(jiān)測信息進行決策分析和調控，并可與同級和上級系統(tǒng)共享分析結果。

（3）總系統(tǒng)級，具有最高管理權限、以下級子系統(tǒng)的分析結果作為信息源作最后融合，負責智能電網的綜合決策分析及調控。為提高系統(tǒng)功能實用性和豐富性，采用多智能體技術實現上述各級信息管理系統(tǒng)功能，各智能體均具備自身智能處理能力及同其他智能體交互能力，從而建立起多層次、分布式的信息管理系統(tǒng)[2]。

3智能電網信息管理系統(tǒng)優(yōu)化設計

3.1單個智能體設計

由多個智能體構成的多智能體系統(tǒng)MAS（按一定拓撲結構）是實現信息管理系統(tǒng)功能的基礎和關鍵，本文系統(tǒng)主要總系統(tǒng)、子系統(tǒng)級和設備級3類智能體構成，由這些子智能體Agent完成電網數據信息（包括自身及環(huán)境狀態(tài)）的實時獲取、分析評估，同其他智能體共享結果，并據此制定接下來的調控策略（根據電網實際狀態(tài)），同其他Agent合作完成相應的調控任務，再以日志的形式向上級Agent上報分析結果和調控策略后等待指示。單個智能體的設計如圖3所示。

主要包括：（1）狀態(tài)監(jiān)測模塊，主要負責監(jiān)測電網工作狀態(tài)及各方面信息以供其他智能體模塊調用，初步處理測量到的原始數據（包括去除冗余數據、整理排序）并存儲到實時數

據庫。（2）數據庫管理模塊，作為智能體的數據存儲和交換中心，用于存儲和處理（分類和整理）采集到的信息數據，在數據庫中存儲歷史數據（包括基本調度及運行管理信息、Agent的公共信息）。（3）通信管理模塊，遵從TCP/IP協議負責同系統(tǒng)的其他Agent進行通信，打包整理信息為Agent通信標準格式（FIPA制定）并打上時間戳，通過局域網接收和發(fā)送信息。（4）協調模塊，針對不同的智能體的信息包間的沖突問題（以信息相關屬性為依據）作出協調控制，提高系統(tǒng)的運行質量和效率。（5）分析與決策模塊（系統(tǒng)的信息處理中心），主要功能在于融合各項數據信息，對電網狀態(tài)進行綜合評估和決策分析，并據此得出相應的調控策略。（6）執(zhí)行模塊，根據接收到的調控策略（分析決策模塊發(fā)送）及電網實際狀態(tài)執(zhí)行具體操作完成相應任務，并反饋操作執(zhí)行狀況[3]。

3.2系統(tǒng)功能設計

本文所構建的信息管理系統(tǒng)屬于一個復合分布式多智能體系統(tǒng)（分工合作、分層遞階），多智能體系統(tǒng)由多個Agent構成（具備松散耦合、粗粒度特點），集成了單個Agent的優(yōu)點，由功能獨立的Agent相互協作完成分布式任務，智能體間的協作方式包括：（1）橫向合作，指同級間的信息共享與協作（如不同設備級間），共享信息的智能體結合環(huán)境信息做出更準確的分析;（2）不同級別的智能體間的縱向合作（如變電站級同設備級間的交流協作），上級智能體根據下級的分析結果作進一步分析處理，下級智能體優(yōu)先執(zhí)行上級調控指令，使電網整體評估質量得到有效提升。單個智能體難以獨立完成的操作任務會尋求其他智能體的幫助、協同完成任務（按照一定的規(guī)則約束）。多智能體系統(tǒng)的關鍵在于智能體間的信息交互，包括信息傳遞和解析兩部分，以滿足智能電網海量信息的交互尋求，本文系統(tǒng)通信模式采用星型網絡，各上級智能體的通信模塊（信息流動的中轉站）作為各子智能體的中心服務器，各子智能體信息存儲于系統(tǒng)數據庫中（包括電氣屬性、網絡地址、地理位置等），包括總系統(tǒng)智能體、最高電壓等級與次電壓等級的子系統(tǒng)（變電站）、設備子智能體間的相互通信，智能體間的通信連接分為靜態(tài)連接（系統(tǒng)啟動后連接固定存在）和動態(tài)連接（存在信息交互需求時才建立雙向連接），通信信息采用FIPA標準格式，智能體間的交互主要用于實現信息共享和任務協同完成，智能體根據需要發(fā)送任務協助請求，其他智能體判斷和處理收到的請求并返回處理結果供請求者據此做出進一步的動作，分析模塊根據具有不同標簽的各類信息調用相應算法完成信息的處理。為使智能體交互有序進行，通過協調模塊協調解決消息沖突問題（同時接收到多條請求）[4]。

4信息化管理系統(tǒng)的實現

4.1多智能體系統(tǒng)的構建

采用.NET開發(fā)平臺，參考應用較多的BDI模型完成多智能體系統(tǒng)模型的設計，為確保系統(tǒng)通信效率和兼容性，根據Agent通信標準規(guī)范（由權威開放性組織FIPA制定）規(guī)范Agent的通信和管理標準，智能體間遵循TCP/IP通信協議，使用C#語言編寫模型程序，消息的發(fā)送者和接受者由Sender和Receiver表示，消息內容由Content表示（Language表示采用的語言名稱）、其所使用的實體集名稱由Ontology表示，下條消息對本消息的響應（由inReplytoXX語句做出）由Replywith表示，具體語言模型如下[5]。

SenderAgent1

ReceiverAgent2

Contentmessage

Ontology

Model1

ReplywithM01

LanguagePROLOG

構成多智能體系統(tǒng)的單個智能體（智能體閑時為待機狀態(tài)）工作流程喚醒方式包括主動和被動兩種[6]如圖4所示。

4.1.1智能體喚醒方式

（1）主動喚醒，智能體會定期作出評估和調控，具體步驟包括：智能體定期發(fā)出測量命令后及面向其他智能體的信息共享請求，由各測量單元從數據庫中遠程獲取相關監(jiān)測數據;準備完數據后，智能體據此進行分析評估，并以工作日志形式向上級智能體報告，系統(tǒng)根據評估結果進行決策分析;若能獨立完成任務則記錄此活動并報告至上級智能體后結束流程，若不能獨立完成任務則請求其它智能體協助完成任務后，等待上級綜合調控。

（2）被動喚醒，系統(tǒng)在智能體接收到其他智能體的請求后對其進行分析和評估，并作出回應，同意執(zhí)行對方請求任務則發(fā)送具體任務指示信息，若拒絕此次請求則重新進入待機狀態(tài)（發(fā)送拒絕信息）[7]。

4.1.2智能體間的通信流程

啟動智能體后先初始化通信模塊，將注冊信息（包括名稱、位置、類別、工作方式、IP地址等）發(fā)送到通信管理智能體進行登記注冊，由通信管理智能體將其存入到數據庫并添加到在線智能體列表，開啟可通信狀態(tài)。多智能體通信模式包括縱向和橫向兩種，采用TCP/IP協議（以UDP協議通信作為備用通信方式），以提高信息傳輸的準確性和安全性等，智能體間的通信流程為：

（1）發(fā)送方動作流程，向協調模塊傳遞發(fā)送包括信息種類標簽和具體內容在內的原始信息（通過分析決策模塊），協調模塊據此評判本條消息的優(yōu)先度;然后再由通信模塊格式化打包和封裝信息，分別在內容項和語言項中放入原始信息及其所采用的語言協議，再向接收方智能體發(fā)送信息包。

（2）接收方動作流程，通信模塊通過拆封接收信息獲取信息屬性和內容后向協調模塊傳遞，由其根據相關指標（包括綜合時間、發(fā)送者優(yōu)先度等）評判消息的優(yōu)先級，據此在協調模塊的消息緩存區(qū)插入信息等待處理;然后由分析模塊調用相應的算法處理信息（根據消息種類），對于共享類信息先判斷其是否為種類，是回復信息則返回信息發(fā)出進程完成下一步動作，不是回復信息則調用相應算法完成分析處理過程后返回至發(fā)送者智能體;對于任務請求類信息，若是回復信息則返回信息發(fā)出進程完成相應動作，不是回復信息則調用任務請求信息處理算法并向智能體發(fā)送者回復此請求的處理方式[8]。

4.2應用實例

對系統(tǒng)工作模以某變電站的1號主變壓器的溫度測量和評估為例闡述系統(tǒng)的工作模式，預存到數據庫的測量數據分為變動數據（包括溫度、電場強度等）、固定數據（變壓器參數等）及部分來自其他設備的共享信息，智能體能夠基于變壓器運行狀態(tài)及環(huán)境信息（由無線傳感器網絡獲取）調用其分析模塊中的相應算法評估變壓器狀態(tài)，以基于DGA故障診斷結果為主，得到變壓器老化嚴重的判斷結果（故障概率較高），結合獲取的其他同級的評估結果調用故障診斷及預測算法進一步分析變壓器狀態(tài)，預測該變壓器低能放電的發(fā)生概率為45.8%、低能放電兼過熱發(fā)生概率為為33%），并且系統(tǒng)能夠據此作出相應的調控決策及策略，即需電氣隔離此變壓器，向維護人員發(fā)送檢修和更換的報警信息。執(zhí)行模塊能夠據此執(zhí)行電氣隔離任務，并結合人工輔助給出具體操作方案，斷開斷路器（同變壓器相連）33103312、3501、連接輸電線2設備級智能體的1101（由智能體同輸電線智能體協作完成），最終反饋執(zhí)行結果，上層系統(tǒng)智能體接收到日志報告后，根據1號變壓器檢修申請對其斷開時的電網運行模式進行重新規(guī)劃，由變壓器2、3分擔變壓器1負荷（通過執(zhí)行模塊操作）[9]。

5總結

具有獨立處理問題能力的智能體能夠更好的適應電網智能化發(fā)展需求，本文充分利用多智能體技術的問題協作解決能力設計了一種智能電網信息管理系統(tǒng)，完成了基于分層遞階結構的系統(tǒng)總體架構的構建，面對海量繁雜的電網信息由系統(tǒng)各級智能體完成多次并行分析處理及結果共享（包括原始數據信息）過程，在此基礎上協作完成各項調控任務，有效實現信息監(jiān)測處理、狀態(tài)評估、電網調控及狀態(tài)維護功能。該系統(tǒng)通過任務分解模式的應用實現了對復雜信息的處理質量及效率，采用智能體合作模式實現了信息高質高效的共享，為電網管理及檢修提供技術支持。

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（收稿日期：2020.03.11）