劉漢宇 ，邱 赟 ，牟龍華

（1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；3.中船重工第704研究所，上海 200031）

0 引言

微電網(wǎng)是為了解決分布式電源并網(wǎng)而出現(xiàn)的一個(gè)可控的小規(guī)模發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，其核心功能是規(guī)?；亟蛹{清潔能源。智能微電網(wǎng)（即微電網(wǎng)的智能化）是未來(lái)微電網(wǎng)的發(fā)展方向和新的組織形式［1-3］，能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)電力流和信息流的高度融合統(tǒng)一。未來(lái)智能微電網(wǎng)應(yīng)將先進(jìn)的信息技術(shù)、控制技術(shù)與電力技術(shù)相結(jié)合，在滿(mǎn)足不同用戶(hù)對(duì)電能個(gè)性化需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)清潔能源發(fā)電大規(guī)模平穩(wěn)地接入主電網(wǎng)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)建設(shè)中主要是集中在電力系統(tǒng)本身，并沒(méi)有充分考慮到信息通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的深入融合。這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電力信息系統(tǒng)和電力系統(tǒng)還不需要具備足夠深入的交互和控制［4］。近年智能電網(wǎng)［5］概念明確地指出未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展方向中的信息化本質(zhì)要求。顯然，作為未來(lái)智能電網(wǎng)中發(fā)揮綠色能源電力的重要環(huán)節(jié)，采用傳統(tǒng)電力信息系統(tǒng)手段建設(shè)微電網(wǎng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足未來(lái)智能化發(fā)展的需要。

信息物理融合系統(tǒng) CPS（Cyber Physical System）［6］將計(jì)算能力、通信能力和自治控制能力進(jìn)行兼容和深度整合，通過(guò)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度交互融合而形成的一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，是基于下一代高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的智能系統(tǒng)。CPS使得物理設(shè)備成為具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)信息能力和自主能力的智能行為體，如同一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)獲知環(huán)境信息而執(zhí)行指定任務(wù)的聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，同時(shí)這些“機(jī)器人”的行為是依賴(lài)于物理設(shè)備本身性質(zhì)來(lái)體現(xiàn)。

文獻(xiàn)［7-8］提出將CPS概念引入電力系統(tǒng)中，分析了CPS與智能電網(wǎng)在概念上的相通之處，提出了以電力CPS完成智能電網(wǎng)建設(shè)的想法。但若一開(kāi)始就以整個(gè)龐大的電力系統(tǒng)作為研究對(duì)象，范圍將會(huì)過(guò)大，研究比較籠統(tǒng)，技術(shù)上難以細(xì)化和深入。另一方面，目前對(duì)智能電網(wǎng)的定義和內(nèi)涵都不完善，其中的一些體系和關(guān)鍵技術(shù)都存在著爭(zhēng)議，直接以還處于完善階段的智能電網(wǎng)作為對(duì)象建立電力CPS技術(shù)，在可行性上還需商榷和論證。但是如果選擇電力大系統(tǒng)中一個(gè)“合適”的區(qū)域來(lái)建立局域性的電力CPS，其難度將會(huì)大幅降低。

文獻(xiàn)［9-10］首次將CPS引入微電網(wǎng)的信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，提出微電網(wǎng)CPS的相關(guān)概念體系。本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)微電網(wǎng)CPS環(huán)境下電氣設(shè)備端信息計(jì)算資源的融合模型及其運(yùn)行協(xié)調(diào)機(jī)制展開(kāi)研究。

1 微電網(wǎng)CPS信息資源環(huán)境分析

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)只考慮如何將電能經(jīng)濟(jì)可靠地單向輸送給用戶(hù)。而隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟，分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等新設(shè)備的應(yīng)用，現(xiàn)有電力系統(tǒng)中的信息模式已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)隨之產(chǎn)生的問(wèn)題，如：根據(jù)動(dòng)態(tài)電價(jià)調(diào)整用戶(hù)的用電模式；收集并快速分析電氣和環(huán)境參數(shù)的變化；區(qū)分不同信息的時(shí)效性和安全等級(jí)，海量數(shù)據(jù)處理方式（并行計(jì)算、云計(jì)算）。因此，需在微電網(wǎng)及其內(nèi)部設(shè)備2個(gè)層面都考慮全網(wǎng)的雙向互動(dòng)信息流。而目前的電力信息系統(tǒng)，如DSCADA/DMS、PMS、OMS和WMS等，在數(shù)據(jù)量急劇增加時(shí)，從全局來(lái)看,信息重疊和異構(gòu)數(shù)據(jù)孤島的局面將不可避免，根本無(wú)法方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息共享，特別是在故障情況下，電力信息系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)獲取、分析或者電源等系統(tǒng)也會(huì)受到一定影響。若不加以注意和克服，當(dāng)故障比較嚴(yán)重時(shí)，其造成的破壞完全有可能使微電網(wǎng)成為電力孤島的同時(shí)還變成信息孤島。

構(gòu)建微電網(wǎng)CPS的目的就是利用CPS技術(shù)將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和微電網(wǎng)物理環(huán)境進(jìn)行多維融合與相互協(xié)作，只需在微電網(wǎng)層面就能夠完成所有的信息化控制要求，完全避免微電網(wǎng)信息孤島的產(chǎn)生，因此首先需要分析和研究微電網(wǎng)CPS的存在模式及其所需配置的信息資源能力。根據(jù)文獻(xiàn)［9-10］所述，微電網(wǎng)CPS中的設(shè)備應(yīng)具備“云端計(jì)算”能力，能夠?qū)⑺神詈系姆植际接?jì)算資源和具有嵌入式信息資源的電氣物理設(shè)備通過(guò)下一代互聯(lián)網(wǎng)連接，在應(yīng)用層面上實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、通信、控制和微電網(wǎng)的電氣等物理裝置的緊密關(guān)聯(lián)。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的微電網(wǎng)CPS分層描述，可建立如圖1所示的微電網(wǎng)CPS的架構(gòu)。

圖中，微電網(wǎng)CPS是作為未來(lái)電力CPS中的一個(gè)局域網(wǎng)。微電網(wǎng)CPS中的電力設(shè)備也被賦予了連入CPS網(wǎng)絡(luò)的能力，電力設(shè)備通過(guò)CPS路由器與電力CPS網(wǎng)絡(luò)相連。CPS路由器應(yīng)能方便地實(shí)現(xiàn)IP地址編址和異構(gòu)數(shù)據(jù)之間格式的轉(zhuǎn)換。CPS的網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)意義上的Internet，而是由傳感器網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的組合通信網(wǎng)絡(luò)，可以采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）和企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)（ESB）實(shí)現(xiàn)具有松散耦合特性的消息傳遞，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的組件適配器，完成不同應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和服務(wù)分享。

圖1 微電網(wǎng)CPS體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of microgrid CPS

微電網(wǎng)CPS的主要組成部分分別是通信網(wǎng)絡(luò)、控制中心、分布式計(jì)算設(shè)備、微電網(wǎng)電力設(shè)備等。要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的深度融合，其電氣設(shè)備不僅要具有發(fā)電、輸電和用電等特征，還必須能夠進(jìn)行自主狀態(tài)下的環(huán)境感知和物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)控制。特別是在其連接到互聯(lián)網(wǎng)后，微電網(wǎng)的分布式電源，儲(chǔ)能裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置，相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置，智能電力儀表和各種負(fù)荷、儀表等設(shè)備都應(yīng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治五大功能。這意味著微電網(wǎng)CPS中的電氣設(shè)備等物理裝置必須擁有一定的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等資源，它不再僅僅是傳統(tǒng)電網(wǎng)中的冰冷的完成電能轉(zhuǎn)化和執(zhí)行的裝置，而是嵌入了傳感器、執(zhí)行器和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，能夠?qū)Υ笙到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息采取和自主行為感控的智能體。因此，微電網(wǎng)CPS中的電氣物理設(shè)備連入CPS網(wǎng)絡(luò)后，可以看成是CPS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的信息資源節(jié)點(diǎn)，成為網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的提供者。

但是，電氣設(shè)備端作為信息資源（包括負(fù)載、智能電表、電源等）卻是不穩(wěn)定的。這是因?yàn)樵贑PS環(huán)境下，雖然微電網(wǎng)中所有的電氣智能設(shè)備都被嵌入了芯片和軟件，并被賦予一個(gè)CPS網(wǎng)絡(luò)地址，成為一個(gè)信息資源節(jié)點(diǎn)（具備CPU、GPU、RAM、ROM等硬件和應(yīng)用軟件資源，能夠參與對(duì)自身設(shè)備的信息收集、加工處理、儲(chǔ)存、發(fā)布和表示），但是這些末端資源節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行將被設(shè)定為與其電力設(shè)備自身的工作條件相適應(yīng)，只在電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)提供服務(wù)（CPU低負(fù)荷狀態(tài)下，參與處理一定的非本地任務(wù)），而在電氣設(shè)備停運(yùn)時(shí)，雖然仍舊保持通信，但只限于少量的狀態(tài)應(yīng)答信息，不會(huì)繼續(xù)作為信息節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。因此，它們會(huì)隨著電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，動(dòng)態(tài)地、隨機(jī)地加入或者退出微電網(wǎng)CPS信息服務(wù)環(huán)境。顯然這樣的服務(wù)是不可靠的，服務(wù)質(zhì)量難以保障。但是當(dāng)這樣的設(shè)備端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較大時(shí)，還是可以用冗余來(lái)提高性能。

微電網(wǎng)CPS中的信息計(jì)算資源環(huán)境主要是由3個(gè)部分組成：電力CPS中心長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的高性能服務(wù)器節(jié)點(diǎn)；微電網(wǎng)CPS的本地集群服務(wù)器節(jié)點(diǎn)；電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)。其模型如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)CPS的信息計(jì)算資源環(huán)境模型Fig.2 Information computing resource environment model of microgrid CPS

高性能服務(wù)器節(jié)點(diǎn)處于微電網(wǎng)CPS信息計(jì)算資源環(huán)境的內(nèi)層；集群服務(wù)器節(jié)點(diǎn)處于中間層；電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)處于外層。微電網(wǎng)CPS涉及到的信息資源環(huán)境從內(nèi)到外是由穩(wěn)定的內(nèi)層、次穩(wěn)定的中間層和不穩(wěn)定的外層構(gòu)成，下層節(jié)點(diǎn)與上層節(jié)點(diǎn)的信息彼此交互。內(nèi)層由核心服務(wù)器構(gòu)成；中間層由集群服務(wù)器組成；外層則具有開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)通信能力的電氣物理設(shè)備端節(jié)點(diǎn)組成。由于外層節(jié)點(diǎn)依附于微電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，其中的一些節(jié)點(diǎn)服務(wù)就具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，通常是不可信賴(lài)的。顯然，微電網(wǎng)CPS信息計(jì)算資源模型能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵就在于對(duì)其提供一套工作機(jī)制，保證外層節(jié)點(diǎn)能穩(wěn)定地貢獻(xiàn)資源和協(xié)同工作。

2 設(shè)備物理端節(jié)點(diǎn)融合模型與工作機(jī)制

2.1 電氣設(shè)備物理端的融合模型

采用Agent技術(shù)［11-12］描述微電網(wǎng)CPS下電氣設(shè)備端被賦予的計(jì)算、通信、控制和本地環(huán)境感知能力，在由每個(gè)設(shè)備中的信息資源構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建Agent和Agent的運(yùn)行平臺(tái)。盡管不同的電力物理設(shè)備中計(jì)算和存儲(chǔ)能力、操作系統(tǒng)、軟件平臺(tái)等方面差別明顯，但是通過(guò)抽象模型定義的方法仍然能夠?qū)ζ溥M(jìn)行描述。這是因?yàn)?，微電網(wǎng)CPS執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不必關(guān)心物理設(shè)備的具體形態(tài)和功能，只需要關(guān)心此設(shè)備中的信息資源是否能夠完成分配給它的任務(wù)即可。

定義 微電網(wǎng)CPS電氣物理端應(yīng)該是同時(shí)具有感知和執(zhí)行功能的端節(jié)點(diǎn)，其Agent模型定義為一個(gè)九元組：

其中，ID為此Agent在微電網(wǎng)CPS網(wǎng)絡(luò)的唯一身份標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)此Agent的位置。由于同一個(gè)物理設(shè)備端節(jié)點(diǎn)可能駐留有多個(gè)Agent，所以Agent網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識(shí)ID應(yīng)該起碼包含節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)和該節(jié)點(diǎn)Agent的序號(hào)兩部分信息，表示為：

Env是Agent根據(jù)當(dāng)前任務(wù)需要采集的本地信息，包括電氣和環(huán)境氣象等相關(guān)參數(shù)。

Time是時(shí)間點(diǎn)的集合，是調(diào)度Agent的自適應(yīng)定值整定的任務(wù)周期，包括通信耗時(shí)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜臅r(shí)、整定定值等。

Layer是Agent在微電網(wǎng)CPS中的網(wǎng)絡(luò)層次歸屬，標(biāo)明內(nèi)層、次內(nèi)層還是外層。

Role是Agent在此節(jié)點(diǎn)中承擔(dān)的角色和該角色所應(yīng)具備的條件。微電網(wǎng)CPS的電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)在孤島或并網(wǎng)狀態(tài)下可能承擔(dān)的角色包含以下幾種：用戶(hù)、信使、任務(wù)執(zhí)行者；在特殊條件下，如偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型微電網(wǎng)CPS，資源相對(duì)充裕的電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)也可能承擔(dān)任務(wù)調(diào)度者或者管理員的角色。

Resource是Agent的資源約束，它描述其擁有的資源數(shù)量，包括內(nèi)存、CPU等硬資源，以及數(shù)據(jù)、文件、程序等軟資源。

State狀態(tài)描述了當(dāng)前Agent的工作狀態(tài)，如繁忙、閑置、歷史信息記錄等。

Act是根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀況和Agent的先前設(shè)置意愿所實(shí)施的動(dòng)作行為，Act是一組集合，即：Act=｛act1，act2，…，actn｝。 行為直接作用于 Agent的所處環(huán)境。在通常的微電網(wǎng)并網(wǎng)情況下，各節(jié)點(diǎn)上的不同Agent必須通過(guò)其通信模塊每隔一定時(shí)間持續(xù)向內(nèi)層節(jié)點(diǎn)發(fā)送“心跳”信息，以讓管理者掌握其當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)的在線(xiàn)狀態(tài)和監(jiān)視當(dāng)前任務(wù)的承擔(dān)情況。

Credit是Agent所在節(jié)點(diǎn)的可信度，區(qū)分當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在線(xiàn)地提供可靠服務(wù)的物理端節(jié)點(diǎn)，還是不能長(zhǎng)期在線(xiàn)運(yùn)行或者隨機(jī)性很強(qiáng)的不可信賴(lài)的端節(jié)點(diǎn)。

2.2 電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)的協(xié)同管理

即插即用特性是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)靈活方便供電的基本要求，它使得微電網(wǎng)能夠自動(dòng)配置設(shè)備層中的各種底層電力一次設(shè)備，并且告訴對(duì)應(yīng)的設(shè)備所承擔(dān)的角色和執(zhí)行的任務(wù)。微電網(wǎng)中設(shè)備即插即用的特性將要求在新增設(shè)備接入微電網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)CPS的中心管理節(jié)點(diǎn)能夠識(shí)別新增節(jié)點(diǎn)的相關(guān)屬性信息，同時(shí)要對(duì)微電網(wǎng)中已有的管理秩序進(jìn)行修改。新增的節(jié)點(diǎn)具體可以分為以下3類(lèi)：一是增加的節(jié)點(diǎn)是已有的節(jié)點(diǎn)，中心管理節(jié)點(diǎn)可以對(duì)其進(jìn)行完全描述和管理，對(duì)這樣的設(shè)備節(jié)點(diǎn)只需要修改其Agent的ID屬性值和關(guān)聯(lián)即可；二是增加的節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前已有設(shè)備的不同升級(jí)版本時(shí)，中心管理節(jié)點(diǎn)只能夠部分對(duì)其進(jìn)行描述，此時(shí)需要對(duì)新增的屬性和關(guān)聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)展描述，修改其 Agent的 ID、Env、Time和 Resource等屬性；三是增加一種全新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，則需要向微電網(wǎng)CPS節(jié)點(diǎn)庫(kù)中增加新類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的完全描述。

按照CPS的要求，微電網(wǎng)CPS中的電氣儀表等設(shè)備構(gòu)成的外層端節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)的自組織重構(gòu)功能。就算微電網(wǎng)CPS內(nèi)部某些資源或者管理節(jié)點(diǎn)已經(jīng)失效，如感知到某一設(shè)備故障退出外層，附近的設(shè)備端節(jié)點(diǎn)能夠自主進(jìn)行資源補(bǔ)充，迅速地重建相互協(xié)作關(guān)系。另外，由于微電網(wǎng)普遍采用“即插即用”的設(shè)備接入工作方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大時(shí)，就很容易導(dǎo)致系統(tǒng)隨著節(jié)點(diǎn)資源的增多而趨于混亂的狀態(tài)，相互之間的協(xié)作不能建立，嚴(yán)重時(shí)節(jié)點(diǎn)相互封鎖之間通信，產(chǎn)生信息孤島的情況。如果采用集中控制管理模式，作為任務(wù)執(zhí)行者向微電網(wǎng)CPS中間層節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送心跳信息，防止節(jié)點(diǎn)失效是可行的。但是要提高被分配至外層節(jié)點(diǎn)任務(wù)執(zhí)行的成功率，并確保任務(wù)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提交結(jié)果，則不能采用心跳機(jī)制，原因是數(shù)量龐大的電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)都向內(nèi)層節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期心跳信息將會(huì)帶來(lái)大量額外的網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)，并容易大量消耗云核心層節(jié)點(diǎn)的資源，產(chǎn)生類(lèi)似于分布式拒絕服務(wù)攻擊［13］的效果。由此可見(jiàn)，“即插即用”的微電網(wǎng)設(shè)備接入方式在帶來(lái)方便的同時(shí)，也存在著使整體效益隨著節(jié)點(diǎn)的增多而降低的可能性。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用節(jié)點(diǎn)環(huán)形協(xié)同管理機(jī)制，如圖3所示。具體而言，就是將微電網(wǎng)CPS外層的電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)最短路徑［14］的原則，依次相互建立聯(lián)系，組成邏輯上的節(jié)點(diǎn)環(huán)。微電網(wǎng)CPS外層節(jié)點(diǎn)和中間層節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大時(shí)均可以采用相互感知、監(jiān)視的機(jī)制，兩相鄰節(jié)點(diǎn)相互之間定時(shí)發(fā)送心跳信息來(lái)確認(rèn)彼此是否在線(xiàn)。當(dāng)電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大時(shí)，外層節(jié)點(diǎn)環(huán)可采用分布式散列表作為存儲(chǔ)架構(gòu)，將微電網(wǎng)CPS外層分為若干組進(jìn)行管理，使其具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)融合性。

圖3 微電網(wǎng)CPS電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)環(huán)形協(xié)同管理示意圖Fig.3 Schematic diagram of annular collaborative management of microgrid CPS electrical physical device nodes

G1中的外層節(jié)點(diǎn)環(huán)與中間層節(jié)點(diǎn)m2進(jìn)行信息交互，但是m2并不會(huì)與環(huán)中的節(jié)點(diǎn)頻繁通信。G1中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)還是依靠節(jié)點(diǎn)彼此之間的感知進(jìn)行。例如，節(jié)點(diǎn)n5平時(shí)受n6與n4的監(jiān)視，同時(shí)n5也會(huì)監(jiān)視n6與n4的狀態(tài)。若節(jié)點(diǎn)n5因?yàn)槟撤N原因退出微電網(wǎng)CPS網(wǎng)絡(luò)，則n6和n4在一定的時(shí)間間隔后收不到n5發(fā)來(lái)的心跳信息，就會(huì)立即向m2上發(fā)n5的異常信息，得到確認(rèn)后，n6與n4建立相互監(jiān)視關(guān)系。下面給出具體的實(shí)施步驟。

（1）內(nèi)層節(jié)點(diǎn)m2將相互監(jiān)控任務(wù)發(fā)送到電氣物理端節(jié)點(diǎn)n1～n5上執(zhí)行。

（2）節(jié)點(diǎn)n1偵聽(tīng)到節(jié)點(diǎn)n2的狀態(tài)結(jié)果時(shí)暫停；等待節(jié)點(diǎn)n3偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)n2的狀態(tài)結(jié)果。

（3）當(dāng)?shù)却焦?jié)點(diǎn)n3的偵聽(tīng)結(jié)果時(shí)，與節(jié)點(diǎn)n2提交的結(jié)果進(jìn)行比較。

（4）如果結(jié)果相同，則采用該結(jié)果，進(jìn)而決定是否向節(jié)點(diǎn)m2匯報(bào)；如果不同，則再次重復(fù)上面的步驟。

（5）若經(jīng)過(guò)2次比較后仍然不一致，則節(jié)點(diǎn)n1或者n3向節(jié)點(diǎn)m2匯報(bào)節(jié)點(diǎn)環(huán)異常信息。

（6）n1與n3建立相互監(jiān)視關(guān)系。

微電網(wǎng)CPS環(huán)境下的電氣設(shè)備物理端節(jié)點(diǎn)和中間層節(jié)點(diǎn)將充當(dāng)任務(wù)執(zhí)行者的角色。相對(duì)重要的任務(wù)由中間層節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，內(nèi)層節(jié)點(diǎn)主要起調(diào)度程序的作用，一般不會(huì)直接參與具體的任務(wù)中。電氣設(shè)備物理端節(jié)點(diǎn)擁有相對(duì)較弱的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源，而且還不能夠保證全部資源都投入到處理其他非本地任務(wù)中，因此分配到電氣設(shè)備物理端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)工作量應(yīng)相對(duì)較小。采用基于合同網(wǎng)［15］的思想，將每個(gè)任務(wù)采用任務(wù)招標(biāo)的方式，將投標(biāo)值作為Agent之間任務(wù)分配的控制變量，通過(guò)互相協(xié)商和競(jìng)爭(zhēng)，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配和調(diào)整。標(biāo)書(shū)對(duì)所有外層節(jié)點(diǎn)上的Agent開(kāi)放，各Agent根據(jù)自身狀態(tài)和當(dāng)前可用的資源，通過(guò)決策模型計(jì)算投標(biāo)值，決定對(duì)公布的任務(wù)是否具有能力申請(qǐng)。中間層節(jié)點(diǎn)通過(guò)優(yōu)化算法或協(xié)調(diào)算法計(jì)算選擇最適合完成合同的Agent節(jié)點(diǎn)，將子任務(wù)交給它。

3 微電網(wǎng)CPS的服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

雖然CPS中的認(rèn)證技術(shù)、下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)尚未成型，但從微電網(wǎng)中物理設(shè)備和CPS技術(shù)特征相結(jié)合的應(yīng)用層面考慮，就可以設(shè)計(jì)出符合微電網(wǎng)CPS需求的平臺(tái)?？紤]上述的物理端融合模型與微電網(wǎng)CPS的運(yùn)行需求，在Hadoop的軟件框架下，利用Java語(yǔ)言及其開(kāi)發(fā)工具Eclipse IDE具體構(gòu)建出電氣設(shè)備物理端節(jié)點(diǎn)的Agent平臺(tái)?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4中的端節(jié)點(diǎn)平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)新一代單頁(yè)Web服務(wù)，使得面向服務(wù)的架構(gòu)和微電網(wǎng)的擴(kuò)展公共信息模型（CIM）具備異構(gòu)平臺(tái)之間互操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)能力。Web服務(wù)接口封裝物理端節(jié)點(diǎn)的CAgent，為外部的Web服務(wù)提供智能協(xié)作。如通過(guò)Web通信使得各控制設(shè)備能夠自主參與電壓與頻率控制、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化和電價(jià)競(jìng)價(jià)等業(yè)務(wù)。平臺(tái)內(nèi)通過(guò)身份認(rèn)證為微電網(wǎng)CPS內(nèi)的各種智能服務(wù)提供服務(wù)注冊(cè)，包括消息數(shù)據(jù)的類(lèi)型、消息通信機(jī)制、服務(wù)操作及定義如何用所選通信技術(shù)處理消息，Web通信服務(wù)代理負(fù)責(zé)不同節(jié)點(diǎn)與上層的服務(wù)信息傳遞。

進(jìn)而可以給出基于微電網(wǎng)CPS物理端節(jié)點(diǎn)融合模型的孤島控制策略，如圖5所示。物理端的信息資源能力使得其也能夠參與系統(tǒng)的運(yùn)行服務(wù)中，整個(gè)運(yùn)行管理以智能服務(wù)為主。

圖4 電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)平臺(tái)架構(gòu)示意圖Fig.4 Architecture of electrical physical device node platform

圖5 微電網(wǎng)CPS的孤島控制策略Fig.5 Islanding control strategy of microgrid CPS

每一個(gè)微電網(wǎng)CPS中的物理設(shè)備都能夠提供或者被提供獨(dú)立的智能服務(wù)，每個(gè)智能服務(wù)由預(yù)先定義的基本功能服務(wù)組成，負(fù)責(zé)各自的任務(wù)，如新電源發(fā)電控制服務(wù)、用戶(hù)電價(jià)制定服務(wù)、可控發(fā)電經(jīng)濟(jì)控制服務(wù)等。微電網(wǎng)CPS的集群服務(wù)器將根據(jù)內(nèi)部的各個(gè)計(jì)算或資源調(diào)度任務(wù)以消息的形式發(fā)下去，由各個(gè)設(shè)備物理端智能服務(wù)執(zhí)行。比如如果某一臺(tái)風(fēng)能與太陽(yáng)能接受量下降，則物理端上CAgent自動(dòng)接受與最近處的環(huán)境傳感器Agent信息服務(wù)，快速調(diào)整出力策略，無(wú)需上層調(diào)度，從而節(jié)省上級(jí)資源并形成對(duì)上級(jí)計(jì)算資源的有效支持。

4 結(jié)論

本文在建設(shè)智能微電網(wǎng)方面進(jìn)行了探索性研究，在前期研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化了對(duì)CPS技術(shù)在未來(lái)微電網(wǎng)智能化過(guò)程中可能發(fā)揮作用的認(rèn)識(shí)。

微電網(wǎng)CPS是CPS概念在新能源發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的具體體現(xiàn)，有望對(duì)未來(lái)智能微電網(wǎng)的建設(shè)提供有力的支持，其核心內(nèi)涵是如何有效地將控制、通信和計(jì)算能力集成體現(xiàn)在微電網(wǎng)的具體設(shè)備運(yùn)行中。在CPS的環(huán)境下，電網(wǎng)的運(yùn)行特性必將發(fā)生根本性的變化。本文通過(guò)分析微電網(wǎng)CPS體系架構(gòu)中的資源環(huán)境，提出電氣設(shè)備端節(jié)點(diǎn)的抽象模型和運(yùn)行機(jī)制；基于此模型設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)CPS的運(yùn)行平臺(tái)，該平臺(tái)將Agent封裝為服務(wù)主體來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此之間的相互通信與協(xié)作。