基于MAS的配电网复电系统设计

高大棚，叶兴旺，兰启奎



基于MAS的配电网复电系统设计

高大棚1，叶兴旺2，兰启奎3

(1.四川石油管理局川南矿区，四川 泸州 646001；2.西南油气田公司重庆气矿，重庆 401220；3.西南油气田公司蜀南气矿，四川 自贡 643000)

针对配电网负荷失电后的复电问题，基于多代理技术和JADE开发平台，设计了一个配电网主动复电系统，其中主要包含代表实际配电网支线的支线代理和代表配电网负荷的负荷代理。当配电网支线上发生故障时，失电的负荷代理向其所在的支线代理发送故障报告，请求为其恢复供电。故障支线的代理通过与网络中其他支线的协调，通过负荷开关将失电负荷转供到邻近正常支线上，从而恢复故障负荷的供电。在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了一个简单配电网络模型，将所设计的多代理系统用于解决该配电网的负荷复电问题，验证了该多代理系统的可行性和有效性。

多代理系统；系统设计；配电网络；复电重构；负荷转供

0 引言

配电网是连接发输电系统和用户的桥梁，担负着直接向用户供应和分配电能的任务[1]，其可靠性的高低直接影响着社会和用户的经济效益[2-3]，因此配电网络发生故障后，应采取及时有效的故障恢复措施以减少停电损失[4]。当前配电网的研究和发展方向主要包括配电网的安全稳定运行、分布式电源的利用、用电效率和电能质量的提高等[5]，而建设高可靠性、经济性、实用性、自愈性的智能配电系统则是电力系统的重大科技创新和自动化技术发展的必然趋势[6]。

随着配电网的结构和运行方式日益复杂[7]，对配电网络可靠性水平提出了更高的要求[8]。如何保证用户的不间断供电，如何尽快缩短用户停电时间，如何实现配电网故障后的自愈恢复供电等问题，都需要进一步的研究[9]。文献[10]提出了一种以动态规划算法为基础的配网复电重构方案，该方案将配电网的故障重构过程转化为一个多阶段决策过程；文献[11]提出了一种针对含分布式电源的复杂配电网故障恢复方案，能在确定各孤岛系统的最佳供电范围后，根据启发式规则对剩余失电网络进行复电和优化；文献[12]将满足初始化约束条件的所有备选重构支路作为网络重构可选方案的集合，根据联络开关两端的电压差大小将该集合分为两个子集，对这两个子集进行不同的操作以实现重构。而近年来，随着多代理技术(Multi-Agent System, MAS)在电力系统中的应用越来越广泛[13-14]，其在提高配电网络供电可靠性方面也有着十分重要的作用。文献[15]提出了高压配电网的多代理控制结构，研究了高压配电网自愈恢复供电策略，利用多代理技术对高压配电网进行分布式控制，提高了配电网的供电可靠性。为了在配电网发生故障时能快速切除故障并恢复供电，文献[16]提出了一种基于多代理技术的分布式电网自愈控制模型，设计了含有馈线代理和负荷开关代理的多代理系统，并给出了配电网的处理算法，实现了电网的自愈多代理控制。文献[17]建立了配电网无功优化的多智能体免疫模型，提出了一种新的多智能体免疫算法，用于求解配电网中存在分布式发电时的无功优化问题。文献[18]针对电网信息分散且关联的特点，提出了MAS结合黑板模型的全景电网拓扑分析方法。

为了保证配电网负荷的不间断供电和实现配电系统的故障自愈恢复，本文基于多代理技术，利用JADE开发平台，设计了一个配电网络主动复电系统，简述了该系统的工作原理及实现自愈恢复的过程，利用该系统对在Matlab/Simulink仿真环境下搭建的一个简单配电网络进行了仿真验证，表明了该系统的可行性和有效性。

1  MAS技术简介

1.1代理及多代理简介

分布式人工智能是人工智能研究的一个重要分支，而代理(Agent)及多代理系统(Multi-Agent System，MAS)是当前分布式人工智能研究的重要方面，为大规模、分布式和具有适应性的复杂软件的实现提供了一种全新的途径[19]。MAS技术自20世纪80年代初提出，到90年代后期开始得到越来越多的重视，是近年来新兴的计算机软件工程技术之一[20]。目前代理的定义还没有一个公认的标准，但一般认为，代理是处于一定环境下的实体，能独立自主地通过传感器感知环境参数，根据获得的参数及与其他代理的通信交互结果灵活地制定满足设计目标的控制策略，并通过效应器作用于周围环境[21-22]。多代理系统是由多个代理组成的一种松散的协同工作系统，具有良好的灵活性和精干性，其中的代理成员之间相互协调、相互服务[23]，能使逻辑上和物理上分散的系统并行、协调地实现问题的求解，往往用于解决单个代理无法处理的问题。由于多代理系统主要研究一组自治代理在分布式开放动态环境下的交互过程，因此其设计不但涉及设计单个代理时遇到的体系结构、开发手段等问题，更重要的是要处理好各个代理之间的组织策略、信息交互、合作方式、竞争手段等[24-25]。由于多代理系统是设计和实现复杂软件系统和控制系统的新途径，其适用条件与电力系统的特征几乎完全吻合，能解决电力系统面临的分布式控制、分布式计算、分布式数据传输等问题，因而受到了众多学者的关注[24-26]。

目前，多代理系统的开发工具和平台有很多，如JAFMAS、Agent Builder、Zeus、JATLite、JADE等，这些平台的出现大大缩短了MAS的开发周期，减小了MAS开发的难度。JADE(Java Agent DEvelopment Framework)平台是一个完全由Java语言编写的多Agent开发框架，遵循FIPA规范，可有效地与其他Java开发平台和技术集成，极大简化了开发多Agent系统的各个环节。本文采用JADE平台进行MAS的开发。

1.2 MAS主动复电系统框架

本文基于JADE平台开发的配电网主动复电MAS系统中，当配电系统发生故障并导致部分负荷停电时，该多代理系统能够指导停电的负荷快速寻找网络中的其他供电途径，以恢复供电。图1所示为本文设计的MAS复电系统结构图，该系统具有两层结构，其上层结构主要包含为支线代理(FeederAgent, FA)，下层结构中则主要为负荷代理(LoadAgent, LA)，各代理根据自身的运行规则执行相应功能，通过协商与合作共同恢复停电负荷的供电。FA代表网络中的各支线，其主要任务是管理其该支线上的负荷，当网络发生故障时导致负荷失电时，FA通过与网络中其他FA的协商，最终完成停电负荷的转供复电。各LA与配电网络中各负荷节点相对应，其主要任务是实时监测负荷数据，当网络发生故障导致其对应的负荷停电时，及时向其所在支线的FA报告故障情况并请求其为停电负荷恢复供电。

图1 多代理系统层次结构图

2 MAS主动复电流程

本文设计的MAS复电系统可为配电系统中失电的负荷寻找另外的供电途径，从而为其恢复供电。当配电网络中发生故障时，将导致部分负荷失电，与失电负荷相对应的LA则会立即将故障情况上报给与之对应的FA，请求该FA为停电的负荷恢复供电。FA接收到LA的请求后，将会启动相应进程以试图恢复停电负荷的供电，其实质是通过网络中分布的联络开关将停电负荷转供到相邻的支线上。

从操作角度来说，FA利用的联络开关主要有三类：A类，B类和C类。A类联络开关处于从相同变电站的相同变压器获得电力供应的支线之间，B类联络开关处于从相同变电站的不同变压器获得电力供应的支线之间，C类联络开关处于从不同变电站获得电力供应的支线之间。本文设定FA对以上三类联络开关的选择优先级如下：首先选择并闭合A类联络开关，直到失电负荷全部恢复供电；否则再选择并闭合B类联络开关，直到失电负荷全部恢复供电；否则再选择并闭合C类联络开关，直到失电负荷全部恢复供电。

本文MAS复电系统中，故障支线对应的FA主导复电的过程如图2所示，具体分析如下。

1) 注册黄页服务

注册黄页服务，即是各代理在一个公共平台上发布其可以提供的相应服务的过程。而当代理不再提供相应服务时，则需注销其黄页服务。当某个代理需要某种类型的服务时，可以在该公共平台上搜索该类型的服务，这可大大减少代理之间解决问题的时间。当程序开始运行时，假设整个系统运行正常，则具有富余功率的各支线代理都会在黄页上注册其功率服务，表示其可以为部分停电的负荷提供电力。

2) 接收LA的故障报告

MAS中的各LA都会不间断地监测负荷的运行状态，当负荷电压为零时，即判定负荷已经失电，并立即向其对应的FA报告故障情况，请求为失电负荷恢复供电。FA接收到故障报告后，分别统计各停电负荷需要的功率大小。

3) 搜索黄页服务

图2 MAS复电流程

接收到LA的故障报告后，FA启动复电进程，尝试为失电负荷复电。首先，LA会搜索黄页上已经注册了功率服务的FA。如果搜索结果为空，则表示网络中没有FA可以提供富余电力，为失电负载恢复供电的尝试失败。如果搜索结果不为空，则表示至少有一个FA注册了功率服务，可以尝试将失电的负荷转供到这些FA对应的支线上。

4) 确定可用的联络开关

确定了网络中有支线可以提供富余功率后，FA将找出其对应支线上连接着故障区域与非故障区域的联络开关类型及数量。由于联络开关连接着的正常支线可能无法提供富余功率(即没有注册功率服务)，因此FA将以第3)步中获取的结果为基础对找到的联络开关进行筛选：若该联络开关连接着的正常支线未注册功率服务，表示该联络开关不可用，将该联络开关去除；若该联络开关连接着的正常支线已注册功率服务，表示该联络开关可用，保留该联络开关。若最终没有可用的联络开关，则为失电负荷恢复供电的尝试失败；否则FA将尝试利用这些开关恢复失电负荷的供电。

5) 利用可用联络开关进行复电

确定有可用联络开关后，FA将依次选择并闭合A类、B类及C类联络开关，直到所有失电负荷全部恢复供电或没有可用的联络开关。首先，FA选取某类联络开关中的一个，向该开关连接着的正常支线的FA发出供电请求信息(CFP)。该正常支线的代理接收到信息后，根据自身情况决定是否同意故障FA的请求：若同意则回复一条建议信息(PROPOSE)，并告知其可以提供的最大富余功率；否则回复拒绝信息(REFUSE)，表示其无法为其提供功率。FA根据各正常运行支线可提供的最大富余功率值以及各失电负荷所需的功率大小确定负荷的复电过程。

3  系统模型

3.1 简单配电网络模型

为了验证本文所设计的多代理复电系统的有效性，将其应用到如图3所示的简单配电网络模型中。

图3 简单配电网络模型

如图3所示，该模型包含两个变电站(As/s和Bs/s)，每个变电站分别有两台变压器(#1A和#2A，#1B和#2B)；整个模型中有8条支线(F11，F12，F13，F14，F21，F22，F23，F24)，设每条支线允许通过的最大有功为2 000 W，分别为每条支线设置一个支线代理(FA11，FA12，FA13，FA14，FA21，FA22，FA23，FA24)；其中共有44个开关，包括32个分段开关(S1~S32)、4个A类联络开关(A1~A4)、4个B类联络开关(B1~B4)和4个C类联络开关(C1~C4)；系统中共有32个负荷(L1~L32)，分别为每个负荷都设置一个负荷代理(LA1~LA32)，各负荷的有功功率大小如表1所示，则各支线可以提供的富余功率分别为700 W、770 W、550 W、400 W、580 W、380 W、460 W、400 W。

表1 系统各负荷的有功大小

3.2Simulink模型及数据接口简介

为便于分析和观察本文所提方法的效果，在Matlab/Simulink环境中搭建了图3所示的配电网络模型。在搭建的Simulink模型中，用“Series RLC Load”表示网络中各负荷，将各负荷的额定电压设为相等；用“Ideal Switch”表示网络中的开关，可通过信号控制其通断；分别用可控电流源作为各支路的电源，通过改变各电流源的输出可调节各支路上流过的有功功率。

本文搭建的Simulink模型表示实际的配电网络，而设计的MAS复电系统是运行于JADE环境中的上层决策控制系统。为了将Simulink模型的实时运行数据上传到MAS中，也为了将MAS分析计算后的信号反馈到Simulink模型中，需要在Simulink和JADE之间建立数据接口。图4为本文所使用的数据接口，可实现Simulink和JADE环境中数据的双向传输。S-Function和多代理协调器用于建立Simulink与JADE的交互通道，负责将自身数据传递给对方并接收来自对方的数据。多代理数据处理器则根据各FA和LA所需处理数据的不同，将多代理协调器获得的数据分发给各FA和LA。各FA和LA将获得的的实时数据经过处理后依次反馈给多代理数据处理器、多代理协调器、S-Function，最终用于控制Simulink模型中的开关动作或修改模型中电源的参数。

图4 数据接口示意图

4  案例分析

在仿真过程中，本文做出如下设定：各分段开关由与之编号相同的后端LA操作，各联络开关可由其两端的LA操作；只要某条支线可以提供富余功率，其对应的FA将同意故障FA提出的供电请求。在验证MAS复电系统的有效性的过程中，本文做了多次故障模拟，但由于篇幅有限，仅分析其中两种典型案例。

4.1发生单一故障

假设配电网络中在支线F12上发生了如图5所示的单一故障，则整条支线上的负荷均失电，MAS复电系统中相应FA及LA的复电过程详细分析如下。

图5 系统单一故障复电后的网络结构

支线F12发生故障后，负荷L5、L6、L7、L8均失电，其对应的负荷代理LA5、LA6、LA7、LA8在断开相应分段开关S5、S6、S7、S8后，分别向支线代理FA12上报故障情况，将其故障前的负荷水平(分别为380 W、320 W、280 W和250 W)告知FA12并请求FA12恢复这些负荷的供电。FA12接收到故障报告后，判定线路上发生故障，立即注销其功率服务并启动复电程序。

首先，FA12搜索黄页上注册了功率服务的FA。由于此时系统中的其他支线均运行正常且都可以提供富余功率，FA12经过搜索可得到除自身以外的其他支线代理均注册了功率服务。

然后，FA12将统计连接着停电区域的所有可用联络开关的类型和数量。由于连接着停电区域的所有联络开关包括1个A类联络开关A1、1个B类联络开关B1以及1个C类联络开关C2，且这些联络开关连接着的正常支线都注册了功率服务，可通过这些联络开关将失电的负荷转供到正常支线上，因此以上3个联络开关均可用。

接下来，FA12将按照前文所述的联络开关操作优先级，依次尝试利用A1、B1以及C2为失电负荷恢复供电。

由于联络开关A1连接着支线F11和F12，FA12将首先向FA11发出供电请求(CFP)。FA11接收到CFP信息后，计算出F11当前可提供的富余功率为700 W，因此FA11将向FA12回复同意信息(AGREE)，告知其最大可用的功率为700 W。FA12接收到FA11的同意信息后，将根据FA11可提供的最大功率和各失电负荷的功率确定相应开关的状态。由于L5需要的功率为380 W，小于FA11可提供的700 W，因此FA12将命令LA5闭合A1，尝试恢复L5的供电。当LA5完成开关操作后，F11可提供的最大功率就变为了320 W。由于L6需要的功率为320 W，等于此时F11可提供的最大功率，因此FA12将命令LA6闭合S6，尝试恢复L6的供电。LA6完成开关操作后，F11的负荷已达到上限，已不能提供富余的功率，因此FA11将注销其功率服务。通过以上过程，FA12完成了L5和L6的复电，但此时仍有L7和L8未复电，并且没有了可用的A类联络开关，因此FA12将尝试通过联络开关B1为其余负荷恢复供电。

由于B1连接着F12和F13，FA12向FA13发出供电请求。完成相应计算后，FA13回复同意请求的信息，并告知FA12当前可提供的最大功率为550 W。由于L7需要的功率为280 W，小于550 W，FA12将命令LA7闭合B1，以尝试恢复L7的供电。LA7完成开关操作后，F13当前可提供的富余功率就变为了270 W。由于L8需要的功率为250 W，小于270 W，FA12将命令LA8闭合S8，以尝试恢复L8的供电。当LA8完成开关操作后，F13当前可提供的富余功率变为了20 W。

通过以上过程，F12上所有失电的负荷就全部恢复了供电，复电后的网络结构如图5所示。图6是在复电过程中观测到的L5~L8的有功曲线，由图6可见，各负荷的复电顺序依次是L5、L6、L7、L8，与上述分析结果一致。

图6 L5~L8的有功曲线

4.2发生多处故障

假设配电网络中在支线F11和F23上同时发生了故障，如图7所示，则FA11和FA23将分别针对各自支线上负载的停电情况，同时进行复电。

1) FA11的复电过程

在F11上发生的故障将导致L1、L2、L3、L4失电，失电的负荷代理将打开开关S1、S2、S3、S4，为随后的复电做准备。经过相应查询和判断，FA11确定了可用的联络开关包括A1、B2、C1。由于F12可提供的富余功率为770 W，大于L1和L2需求的700 W，因此FA11会依次命令L1和L2分别闭合A1和S2，从而恢复L1和L2的供电。此时，F12可提供的富余功率仅为70 W，小于L3需求的250 W，不能满足L3的功率需求，因此FA11将尝试通过B2恢复L3和L4的供电。由于F14当前可提供的富余功率为400 W，大于L4所需的350 W，FA11将命令L4闭合B2，从而恢复L4的供电。此后，F14可提供的功率仅为50 W，不能满足L3需求的250 W，FA11将尝试通过C1恢复L3的供电。由于F21当前可提供的富余功率为580 W，可满足L3的需求，FA11会命令LA4依次闭合C1和S4，最终恢复L3的供电。通过以上过程，FA11恢复了其支线上所有失电负荷的供电。

2) FA23的复电过程

在F23上发生的故障会导致L27和L28失电，S27和S28也会被打开以准备复电。此时，FA23可用的联络开关仅有A3和C3。由于F24可提供400 W功率，仅能恢复L27的供电，因此L27闭合A3完成复电后，FA23将尝试通过C3恢复L28的供电。由于F13当前可提供的富余功率为550 W，大于L28需求的440 W，因此FA23将命令L28闭合C3，从而恢复L28的供电。通过以上过程， FA23恢复了其支线上失电负荷的供电。

FA11和FA23的复电过程同时进行，最终复电后的网络结构如图7所示。

图7 多故障复电后的网络结构

5  结论

多代理技术是集分布性、智能性、主动性等特点的新技术，其在电力系统中的应用越来越广泛。本文基于多代理技术，利用JADE开发平台，设计了一个基于MAS的配电网主动复电系统，阐述了该MAS指导复电的原理和过程。在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了一个简单的配电网模型，将本文所设计的MAS用于解决负荷的复电问题，详细分析了MAS复电的过程及结果，证明了本文所设计的MAS在指导复电时的可行性和有效性。尽管MAS在电力系统中的研究和应用所涉及的方面越来越广泛，但大都还未形成针对具体实例和领域的标准模型和规范，而且多代理技术还处于实验研究阶段，因此MAS在电力系统中的广泛使用还需要很长的时间。但基于MAS的技术优势，其在提高供电可靠性、优化电力系统效能、加快主动配电网规划以及促进智能电网建设等方面必将发挥十分重大的作用。

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(编辑 周金梅)

Design of active power restoration system for distribution network based on MAS

GAO Dapeng1, YE Xingwang2, LAN Qikui3

(1. Southern Sichuan District of Sichuan Petroleum Administration, Luzhou 646001, China; 2. Chongqing Gas District of PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chongqing 401220, China; 3. Southern Sichuan Gas District of PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Zigong 643000, China)

Aiming at the power restoration problem after the black out of distribution network, an active restoration system of distribution network is proposed based on multi-agent technology and JADE platform. There are two kinds of agent in the proposed system, i.e., the FeederAgent which represents the actual feeder in the distribution network, and the LoadAgent which stands for the actual load. When failure occurs on the feeder, the blackout loads send failure reports to the corresponding FeederAgent, requesting for restoring the power supply. Through coordination with other FeederAgengs in the distribution network, the FeederAgent with faults transfers the blackout loads to the adjacent normal feeders, and then restores the power supply of those loads. The proposed multi-agent system is utilized to solve the power restoration problem of a simple distribution network model built under the Matlab/Simulink environment, and its feasibility and effectiveness is verified.

multi-agent system; system design; distribution network; power restoration; load transfer

10.7667/PSPC150711

2015-04-27；

2015-08-30

高大棚(1989-)，男，通信作者，本科，助理电气工程师，主要从事电气设备管理及安全管理；E-mail: gaodpsc@ 163.com

叶兴旺(1988-)，男，本科，助理工程师，主要从事仪器仪表及自动化；

兰启奎(1989-)，男，本科，助理工程师，主要从事电气、机械技术管理工作。