多Agent在IEC61850通信模型中的应用研究

多Agent系统MAS（Muti-Agent System）处理模式是近年来在社会各领域研究的热点，它具有很好的自主性和自发性。在此模式下，以往需要整个系统才能完成的任务，可以通过几个子系统来完成。不同子系统之间既相对独立又相互联系，它们之间通过信息的交流，以协同合作的方式进行工作。
　　IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准，其目标是最大限度地应用现有的标准和被广泛接受的通信原理，在不同制造商的智能电子设备（IED）之间实现良好的互操作性，并且能适应通信及应用技术的快速发展。
　　本文根据IEC61850的特点和功能，综合多Agent系统的优点和结构，提出了一种针对IEC61850标准的分层分布协调式MAS组织结构模型。将这种模型应用到智能通信服务器(ICS)，既满足了IEC61850标准的要求，又极大地提高了智能通信服务器的智能化水平。最后本文通过开发自动电压控制系统（AVC）的实验原型系统进行了测试。
1 多Agent系统简介
　　多Agent系统是指一些自主的Agent通过协作完成某些任务或者实现某些目标的计算系统，它侧重研究如何协调一组Agent的行为。多Agent应用系统往往用于解决单个Agent无法处理的问题，一般具有以下基本特性[1]：
　　(1) 自主性：Agent 具有属于其自身的计算资源和局部于自身行为控制的机制，能够根据其内部状态和感知到的（外部）环境信息，决定和控制自身的行为；
　　(2) 交互性：能与其他Agent进行多种形式的交互，能有效地与其他Agent协同工作；
　　(3) 反应性：能感知所处的环境，并对相关事件做出适时反应；
　　(4) 主动性：能遵循承诺采取主动行动，表现出面向目标的行为。
2 IEC61850分层分布式信息交换功能
　　IEC61850标准规定，变电站自动化系统的功能在逻辑上可分配在三个不同的层次（变电站层、间隔层、过程层）。层次及逻辑接口IF1～IF10之间的逻辑关系如图1所示[2]。

过程层功能：包含所有与过程接口的功能，即普通的二进制和模拟I/O功能。这些功能通过逻辑接口IF4和IF5与间隔层通信。
　　间隔层功能：主要使用一个间隔的数据并且对这个间隔的一次设备进行操作。间隔意味着变电站的任意一个部分，如一条馈线、一个串、一个线路变压器组。间隔的定义考虑变电站一次配置的一些有意义的子结构以及二次系统（变电站自动化）的本地功能和自治能力。这些功能通过逻辑接口IF4和IF5与过程层通信，通过逻辑接口IF3与间隔层通信。
　　变电站层功能：过程层关联的变电站层功能，即使用多个间隔或者整站的数据，并且对多个间隔或整站的一次设备进行监视和控制。这些功能主要通过接口IF8通信；站级功能相关的接口表示变电站自动化系统SAS与本站操作人机接口（HMI）的接口，与远方控制中心（TCI）的接口，与远方监视和维护工程师站（TMI）的接口。这些功能通过逻辑接口IF1和IF6以及逻辑接口IF7通信，并经远方控制接口同外部通信。
3 多Agent系统在IEC61850通信模型中的应用
　　IEC61850采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使数据对象具备了自描述的能力；智能通信服务器（ICS）作为电力自动化系统的数据处理和转换平台，降低了层与层之间的耦合性，增强了分布式系统的性能，为不同厂商的IED实现互操作和系统的无缝集成提供了途径。IEC61850对变电站设备与数据的建模，规范了Agent间通信的本体问题，这是实现任何MAS的必要步骤[3]。
　　在IEC61850的数据模型中，服务器(SERVER)包含逻辑设备LD(Logical Device)，LD中包含逻辑节点LN（Logical Node），LN中包含数据对象DO（Data Object），DO中包含数据属性DA（Data Attribute），DA也可能属于某个DA，对象隶属层次关系如图2所示[4]。

从图2可以看出，LN是IEC61850中最主要的抽象独立体，是能够独立存在的最小功能单元。它能够与其他的LN或者客户端应用交互信息，具有自我描述、配置、锁定的功能；LN可以根据环境的变化改变自身的状态，并上报状态参数。
　　因此，它符合多Agent系统所规定的四个基本特点的，可以将LN看作是MAS中的Agent。根据接口模型，将LN分类：变电站层Agent、间隔层Agent、过程层Agent。Agent之间通过不同的LN交互，体现了IEC61850分层分布式系统的特点。
4 AVC Agent系统应用实例
　　自动电压控制系统AVC（Automatic Voltage Control）是未来电力自动化发展方向，符合IEC61850标准特性。以AVC作为平台进行分析，具有典型性和代表性。
4.1 设计思想
　　AVC实时监测受控点的电压和功率因数，根据不同时间段、不同运行方式等给出相应的全网、区域、厂站的闭环控制、开环控制等控制方案，实现电压无功控制全过程自动化[5]。
　　AVC系统由上位机和下位机两部分构成。上位机与主站通信，向主站系统上传所需的实时信息，接受主站端的控制指令，并与下位机间实现闭环运行，优化机组的实时无功输出。下位机接受上位机下传的控制指令，通过调节发电机励磁电流，实现发电机的自动电压控制。
　　鉴于AVC系统的智能性和自适应性，运用Agent理论能够提高AVC系统的性能。因此，分层分布式多Agent AVC系统模型如图3所示。

主站、上位机、下位机分别设计为调度Agent、控制Agent和采集Agent；采集Agent连接现场控制级设备、控制发电机的自动电压调节器；将管理级的任务分散给各个控制Agent来完成，控制Agent通过点对点的通信直接将数据传给调度Agent；调度Agent负责管理各个控制域的信息，根据信息进行整个网络的无功优化，并对控制Agent进行协调。
系统模型的特点体现在以下方面:
　　自主性：Agent可以根据自己检测到的信息对一些紧急情况进行及时的处理，对于来自其他Agent的命令，也可以根据自己的利益做出合适的反应（接收或拒绝）。
　　交互性：Agent之间可以进行交互。各个Agent在完成所属区域的调压和优化任务时，并不只考虑本Agent区域的信息，而是在考虑了各个Agent之间相互联系的基础上实现的。
　　反应性：当某一电压无功控制设备发生故障或新增加电压无功控制设备时，在所属的Agent中注销或登记。
　　主动性：各个Agent对收集到的数据信息进行分析，并结合自身情况，得出最优化的事件处理方式。
　　从组织结构中的各种Agent的功能特点来看，调度Agent与控制Agent、控制Agent与采集Agent之间存在比较弱的控制与被控制的关系，更多的是一种协调管理的作用，各控制Agent之间可以通过直接的通信和交互解决问题；采集Agent通过控制Agent之间的桥梁，与其他控制域中的采集Agent通信。
　　因此，AVC系统可以看作是一种分层分布协调式MAS组织结构，这种结构的优点在于具有较强的扩展性，可实现电力系统这样一个复杂分散系统的整体协调控制。
4.2 AVC Agent仿真模拟实验
　　为了探讨基于多Agent系统在IEC61850通信模型应用的可行性，本文根据AVC Agent系统原理，设计了一个模拟实验原型系统，利用开源框架结构JADE（Java Agent Development Framework）作为开发框架。该实验由两台PC机组成，PC机通过局域网相连接，两台PC机上分别配置JADE作为控制Agent和调度Agent，它们之间发送模拟电流、电压和功率因数等数值量。实验原理如图4所示。

JADE平台中，有且只有一个主容器，当其他的容器启动时，必须在主容器中注册。因此将调度Agent PC当作主容器，控制Agent PC当作其他容器，当实验平台启动时，控制Agent PC在调度Agent PC中注册（类似于TCP三次握手）；容器间通信过程采用异步消息传递模式，每个容器都有一个消息队列，如果需要与其他容器通信时，就把相应消息投递到队列中。当消息队列中出现消息时，相应的Agent被通知；被通知的Agent并不是立即作出反应，它根据自身环境的情况，依靠优先级来决定对到来的消息做怎样的处理；被通知的Agent将处理的结果返回通知发出方Agent，通知发出方Agent根据返回的结果决定等待或者继续发送其他Agent。
　　通过控制Agent PC和调度Agent PC间发送消息，观测实时数据、延迟、反应时间来分析原型系统通信性能，实验步骤如下：
　　(1) 启动两台PC机的JADE服务，载入调度Agent和控制Agent，控制Agent在调度Agent中注册(三次握手)，初始化发送参数，记录整个过程经历时间。
　　(2) 控制Agent向调度Agent发送模拟电流、电压和功率因数消息，记录消息实时数据、发送和排队延迟、以及调度Agent自身调节(根据约束条件确定返回参数，如电压合格、设备动作次数最少)状况。
　　(3) 调度Agent自动向控制Agent返回调节消息，记录消息实时数据、发送和排队延迟、以及控制Agent自身调节（降低电压、电流等发送参数）状况。
　　实验结果显示，装载在各个容器中的Agent相互通信，根据自身的情况处理来自其他容器的消息，产生了自适应能力，具备了智能化的要求。
　　本文详细阐述了多Agent系统和IEC61850的特点和联系，重点分析了多Agent系统理论在在基于智能通信服务器（ICS）的IEC61850通信模型中的应用；并通过AVC应用实例分析以及原型的设计与实现，验证了多Agent系统应用于IEC61850通信模型中的可行性。