多代理系統(tǒng)和黑板模型結(jié)合的全景電網(wǎng)拓?fù)浞治?/h1>
2014-11-15 05:55:18郝廣濤韓學(xué)山梁正堂
電工技術(shù)學(xué)報 2014年12期
郝廣濤 韓學(xué)山 梁 軍 梁正堂
（山東大學(xué)電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250061）
1 引言
拓?fù)浞治鍪请娋W(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心，是狀態(tài)估計、潮流計算、安全分析和運(yùn)行控制等的基礎(chǔ)[1-4]。受節(jié)能減排及電力市場解除管制政策的驅(qū)使，可再生能源發(fā)電以集中、分布和微網(wǎng)等形式并入電網(wǎng)，從而使電網(wǎng)產(chǎn)生雙向潮流[5-9]。為了使整個電網(wǎng)安全、可靠且最大化地消納可再生能源，必須實(shí)施全局統(tǒng)籌[10-13]，因而就必須對電網(wǎng)進(jìn)行全景拓?fù)浞治觥?/p>
全景電網(wǎng)拓?fù)浜w了發(fā)、輸、配和用電壓等級的電網(wǎng)，由廠站（發(fā)電廠和變電站）和網(wǎng)絡(luò)共同組成。電網(wǎng)拓?fù)浞治鲇兄T多研究，如文獻(xiàn)[14,15]分別采用廣度優(yōu)先和深度優(yōu)先的搜索方法對廠站和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一進(jìn)行拓?fù)浞治?；隨后，文獻(xiàn)[16,17]又提出了鄰接矩陣的方法；接著，文獻(xiàn)[18-23]為降低內(nèi)存、提高計算效率，又進(jìn)行了更深入的研究。然而，這些研究都是以拓?fù)湫畔⒓泄芾頌榍疤徇M(jìn)行的，面對全景電網(wǎng)的拓?fù)洌捎谛畔⒎稚⒌墓芾矸绞?，使上述集中式方法無法直接使用。相應(yīng)的，同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit, PMU）引導(dǎo)的電網(wǎng)廣域量測系統(tǒng)（Wide-Area Measurement System,WAMS）日益完善和普及[24]，可實(shí)現(xiàn)廠站拓?fù)溥\(yùn)行狀態(tài)的過程化可觀測，并可通過廣域通信網(wǎng)對有輸電元件連接的廠站進(jìn)行信息協(xié)調(diào)[25]，這也是全景電網(wǎng)拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)。
在此背景下[6,26]，本文提出了分散協(xié)調(diào)的MAS與黑板模型結(jié)合的全景電網(wǎng)拓?fù)浞治?。首先，在文獻(xiàn)[27]的基礎(chǔ)上，提出了廠站MAS拓?fù)浞治龇椒ǎ垢鲝S站不僅能夠獨(dú)立、并行且異步地實(shí)現(xiàn)各自拓?fù)浞治?，而且具備廠站間拓?fù)浣换サ哪芰Γ蝗缓?，基于黑板模型，提出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膮f(xié)調(diào)和通信規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)全景電網(wǎng)拓?fù)浞治觥?/p>
2 MAS的廠站拓?fù)浞治?/h2>
文獻(xiàn)[27]提出了基于開關(guān)路徑函數(shù)集的新型廠站拓?fù)浞治龇椒ǎ浜诵氖菍S站全連通矩陣非對角元素表示為相應(yīng)開關(guān)支路狀態(tài)的函數(shù)，該函數(shù)可以離線形成、在線更新，快速得到全連通矩陣的值。
本文以該算法為基礎(chǔ)，提出了廠站的 MAS拓?fù)浞治龇椒ǎ箯S站不僅能夠獨(dú)立自主地實(shí)現(xiàn)本地拓?fù)浞治?，而且具備廠站間拓?fù)渫ㄐ藕蛥f(xié)調(diào)的能力。
2.1 廠站拓?fù)浞治?/h3>
依據(jù)文獻(xiàn)[27]有
（1）全連通矩陣中非對角元素 aij的值等于點(diǎn)邊無向圖中電氣節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間所有m條路徑的廣義布爾加
（2）式（1）中的每一條路徑vk值為該路徑上所有支路（設(shè)l條）狀態(tài)的廣義布爾乘
以圖1中典型一臺半斷路器為例，說明上述原理。
圖1 典型一臺半斷路器接線形式及其對應(yīng)點(diǎn)邊圖Fig.1 Typical one and a half breakers connection andthe corresponding node-branch diagram
在不考慮開關(guān)具體開合狀態(tài)的前提下，圖 1a可以映射成圖1b點(diǎn)邊無向圖的形式。以表示第 i條開關(guān)支路的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)處于合位時，CBi=1；當(dāng)開關(guān)處于開位時，CBi=0。那么，根據(jù)式（1）和式（2）結(jié)論，可以得到全連通矩陣的函數(shù)表示形式
式中，F(xiàn)(i,j)為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的開關(guān)函數(shù)，表達(dá)式如附錄所示。由于是對角陣，只列出上三角元素。
當(dāng)觀測到某時刻開關(guān)狀態(tài)
將其代入式（3）就可以快速得到全連通矩陣
對式（5）采用行掃描法[28]就可以確定電氣節(jié)點(diǎn) 1、3、4、6為一連通片，2、5、7、8為一連通片，每一連通片映射為一邏輯節(jié)點(diǎn)，從而完成廠站拓?fù)浞治觥?/p>
2.2 MAS的廠站拓?fù)浞治?/h3>
由 2.1節(jié)算法可以看出，廠站拓?fù)浞治鲇蓛蓚€簡單任務(wù)完成：第一，廠站 PMU將各個開關(guān)狀態(tài)按一定采集間隔傳送至廠站監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫；第二，廠站監(jiān)控中心對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行全連通矩陣計算，形成相關(guān)映射表等工作。
廠站拓?fù)浞治鐾瓿珊?，由于各個廠站拓?fù)湫畔⒅g相對獨(dú)立，因此需要廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)，才能完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?/p>
為了既能使廠站內(nèi)拓?fù)浞治龅膬蓚€任務(wù)完成明確化，同時又具有廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)的能力，依據(jù)MAS任務(wù)分解、協(xié)調(diào)的能力[29]，結(jié)合2.1節(jié)的方法，本文提出MAS的廠站拓?fù)浞治龇椒ā?/p>
對于廠站拓?fù)浞治龅牡谝粋€任務(wù)來說，由于反應(yīng)型Agent能夠依據(jù)提前設(shè)定的間隔快速捕捉目標(biāo)狀態(tài)，無需學(xué)習(xí)和邏輯推理[30]，因此，可以用于完成定時采集開關(guān)、刀閘等元件的運(yùn)行狀態(tài)并具有將數(shù)據(jù)傳送至廠站監(jiān)控中心的功能，本文稱其為智能監(jiān)視代理Monitor Agent（簡記為MAgent）。
對于廠站拓?fù)浞治龅牡诙€任務(wù)以及廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)來說，由于認(rèn)知型Agent能夠感知外部環(huán)境，與外部環(huán)境進(jìn)行交互，在交互過程中進(jìn)行邏輯推理[31]，因此，作為廠站監(jiān)控中心代理，用于獲取MAgent采集數(shù)據(jù)、拓?fù)溆嬎?，與其他廠站進(jìn)行協(xié)調(diào)，本文稱其為智能管理員代理Administrator Agent（簡記為AAgent）。
根據(jù)拓?fù)浞治龅娜蝿?wù)選擇好各Agent后，進(jìn)一步說明其之間的工作流程，即：對于每一個開關(guān)元件，配置一個獨(dú)立的、具有 GPS對時功能的 Magent，以一定的時間間隔采集其運(yùn)行狀態(tài)（例如對圖1中每個元件配置一個MAgent，監(jiān)視其狀態(tài)），將帶有GPS時標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過廠站局域網(wǎng)單向傳輸至AAgent；AAgent將接收到的MAgent數(shù)據(jù)保存至廠站數(shù)據(jù)庫，并能夠按 2.1節(jié)方法進(jìn)行全連通矩陣計算、劃分連通片等邏輯計算；計算完成后，AAgent將廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—邏輯節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系—電氣節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識上傳至黑板底層數(shù)據(jù)庫，并按一定的協(xié)調(diào)規(guī)則（3.2節(jié)提出）與其他廠站進(jìn)行通信，具體的通信協(xié)調(diào)方法在第3部分詳細(xì)介紹。
3 基于黑板模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h2>
黑板模型由 A.Newwell于 1962年提出[32]，它是一種高效通用的分布式求解工具，已在電力系統(tǒng)多個方面[33-35]得到應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 黑板模型Fig.2 Blackboard model
圖2中的知識源是用于解決某個特定問題的獨(dú)立系統(tǒng)；黑板是一個公用數(shù)據(jù)庫，分為底層庫和高層庫，底層庫存放各知識源解，高層庫存放全局解；控制器制定協(xié)調(diào)策略，通過協(xié)調(diào)策略，各知識源可以訪問相關(guān)知識源底層庫中的信息，并將協(xié)調(diào)結(jié)果保存至高層庫。本文利用黑板模型這種分解協(xié)調(diào)的管理模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?/p>
3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅暮诎迥Ｐ驮O(shè)計
為了使黑板模型用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，設(shè)計其各部分功能如下：
（1）知識源。為各個獨(dú)立的廠站MAS，用于實(shí)現(xiàn)本地的拓?fù)浞治?。它通過 MAgent采集數(shù)據(jù)，AAgent進(jìn)行拓?fù)浞治?，將分析結(jié)果保存至黑板底層庫相應(yīng)存儲區(qū)中。
（2）黑板。為一公共數(shù)據(jù)庫，有底層數(shù)據(jù)庫和高層數(shù)據(jù)庫，底層庫由多個存儲區(qū)組成，存放相應(yīng)廠站 AAgent上傳的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。高層庫存放網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果。
（3）控制器。本文稱其為智能協(xié)調(diào)代理 Coordinate Agent（簡記為CAgent）。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治銮?，需要制定廠站間通信和協(xié)調(diào)的規(guī)則，下發(fā)給各個廠站AAgent，各廠站依據(jù)此規(guī)則，實(shí)現(xiàn)廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)。
3.2 廠站間拓?fù)浞治龅耐ㄐ艆f(xié)調(diào)規(guī)則
由于每個知識源所代表的廠站拓?fù)湎鄬Κ?dú)立，而輸電線路兩端位于兩個不同的廠站，是廠站之間連接的橋梁。因此，本文以輸電線路為紐帶，提出黑板模型中控制器的通信協(xié)調(diào)策略：
（1）協(xié)調(diào)規(guī)則。首先對電網(wǎng)中每條輸電線路設(shè)定一個標(biāo)識，通過該標(biāo)識，具有輸電線路連接的兩個廠站 AAgent可以在黑板底層存儲區(qū)中查找對方相關(guān)信息。例如，若廠站A和B通過標(biāo)識為Lab的輸電線路連接，廠站A和B拓?fù)浞治鐾瓿珊螅纬蓮S站—邏輯節(jié)點(diǎn)—電氣節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表，通過輸電線路標(biāo)識所對應(yīng)的電氣節(jié)點(diǎn)號就能夠查找到相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)等信息。
（2）通信規(guī)則。由于輸電線路連接的兩個廠站AAgent能夠互訪信息，而電網(wǎng)拓?fù)涫菬o向圖，因此只要廠站 A（或廠站 B）訪問廠站B（或廠站A）就可實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋮f(xié)調(diào)，而無需互相訪問。因此為了消除冗余通信，提出單向通信規(guī)則，即：設(shè)兩個可以協(xié)調(diào)的廠站A和B，根據(jù)拓?fù)渫瓿傻南群箜樞?，?dāng)A先完成拓?fù)浞治龊?，發(fā)消息通知B，使B完成拓?fù)浞治龊笤L問A的拓?fù)浣Y(jié)果。
3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ托纬?/h3>
各個廠站拓?fù)浞治鐾瓿珊?，形成統(tǒng)一的映射表（廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—邏輯節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系—電氣節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表）存儲至底層庫。由于各廠站拓?fù)浣Y(jié)果中邏輯節(jié)點(diǎn)編號只在本廠站范圍內(nèi)有效，為了形成全景電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，需要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋袑⑵湫纬上到y(tǒng)節(jié)點(diǎn)，下面介紹形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的方法。
設(shè)全景電網(wǎng)共有N個廠站，在N個廠站并行拓?fù)浞治鲞^程中，設(shè)廠站B首先依據(jù)協(xié)調(diào)和通信規(guī)則訪問廠站A的拓?fù)浣Y(jié)果，那么，從廠站B相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)編號，形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表，保存至黑板高層庫，然后對廠站A協(xié)調(diào)的相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，并形成映射表。依次進(jìn)行，在此過程中有以下兩種情況：
（1）若兩個相同廠站對應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)有多條輸電線路連接，那么對應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)只編號一次。
（2）若廠站 B的同一個邏輯節(jié)點(diǎn)與廠站 A、C對應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)都有輸電線路連接，并且B、A協(xié)調(diào)時已經(jīng)完成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)編號，當(dāng)B與C協(xié)調(diào)時需要對已經(jīng)編號的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，若已存在，則無需繼續(xù)編號，只需在相應(yīng)信息中添加輸電線路標(biāo)識，其他信息不變。
當(dāng)所有廠站協(xié)調(diào)結(jié)束后，在高層庫中形成完整的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路映射表，根據(jù)該映射表，利用傳統(tǒng)的堆棧搜索技術(shù)[36]可以容易地得到系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—子系統(tǒng)映射表，確定各子系統(tǒng)，從而完成全景拓?fù)浞治觥?/p>
4 求解流程
本文方法的求解過程如圖3所示。
圖3 本文算法流程圖Fig.3 Flow chart of the algorithm
5 算例分析
本文采用如圖4所示的某實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行仿真。該仿真系統(tǒng)有10個廠站、11條輸電線路和51個開關(guān)，包含3/2、雙母線分段和單母線等典型接線方式。電壓等級由 500kV、220kV、110kV、35kV和 10kV組成，在10kV變電站中接入了可再生能源發(fā)電。
本文使用Microsoft Visual Studio 2008編程工具和SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。使用Visual Studio 2008多線程并行實(shí)現(xiàn)各個廠站的MAS拓?fù)浞治觯⑹褂孟C(jī)制實(shí)現(xiàn)線程之間的通信；SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫分別建有廠站庫、底層庫和該廠站共有 9個開關(guān) CB1～CB9，使用 MAgent2_1～MAgent2_9分別采集其運(yùn)行狀態(tài)，并設(shè)置每20ms采集一次，傳輸至數(shù)據(jù)庫。
圖4 某實(shí)際電網(wǎng)一次接線圖Fig.4 Primary connection diagram of some real system
廠站 2管理員AAgent2根據(jù)圖 5，按照 2.1節(jié)方法得到以開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)為函數(shù)的全連通矩陣高層庫。廠站庫建有相關(guān)表，存放各廠站開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)；底層庫由各個廠站表組成，存放各廠站拓?fù)浞治鼋Y(jié)果；高層庫存放網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。
5.1 廠站拓?fù)浞治?/h3>
以圖4廠站2為例，說明本文MAS廠站拓?fù)浞治龇椒?，其電氣?jié)點(diǎn)編號如圖 5所示。圖 5中，
圖5 廠站2電氣節(jié)點(diǎn)編號Fig.5 The junction number of substation 2
由于為對角陣，只寫出上三角元素，其元素表達(dá)式見表1。
表1 廠站2全連通矩陣元素表達(dá)式Tab.1 The formula of the complete connection matrix elements of substation 2
當(dāng)AAgent2獲得某時刻開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)
將其代入式（6），可以快速得到
對式（8）進(jìn)行行掃描，可以得到：電氣節(jié)點(diǎn)1、2、3、4、5劃分為一連通片；電氣節(jié)點(diǎn) 6、7、8、9、10、11劃分為一連通片，每個連通片映射為一個邏輯節(jié)點(diǎn)，并將有阻抗元件的邊賦值為1，形成如圖6所示的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。其中，L251、L252表示廠站2與廠站5連接的兩條輸電線路標(biāo)識；L23表示廠站2與廠站3連接的輸電線路標(biāo)識。
圖6 廠站2拓?fù)浞治鼋Y(jié)果
表2 廠站2拓?fù)浞治鼋Y(jié)果Tab.2 The topology analysis results of substation 2
該表表明了站內(nèi)邏輯節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系；對于有輸電線路連接的廠站間，通過輸電線路標(biāo)識查找對應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)、電氣節(jié)點(diǎn)等信息，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?/p>
5.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h3>
在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋埃o出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)調(diào)的規(guī)則，見表3，符號?表示信息可以互訪。
表3 協(xié)調(diào)規(guī)則Tab.3 The rule of coordination
由于各廠站拓?fù)浞治鍪遣⑿?、異步進(jìn)行的，各廠站完成拓?fù)浞治龅捻樞蚣皡f(xié)調(diào)過程見表4。
表4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲞^程Tab.4 The coordination process of network topology
從表4中可以看出，廠站9首先對廠站7進(jìn)行拓?fù)鋮f(xié)調(diào)，以廠站9內(nèi)相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)開始形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射，見表5。
表5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果Tab.5 The results of network topology analysis
根據(jù)表5得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果，可以容易地形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—輸電線路映射表、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—子系統(tǒng)映射表和輸電線路—子系統(tǒng)映射表等相關(guān)信息，并得到如圖7所示的全景拓?fù)淠Ｐ汀?/p>
圖7 全景拓?fù)淠Ｐ虵ig.7 The model of panorama topology analysis
5.3 拓?fù)涓?/h3>
上述拓?fù)浞治鲞^程可以視為初始時刻，在后續(xù)時刻，各廠站的 MAgent按照設(shè)定的時間間隔采集開關(guān)狀態(tài)，定時上傳至廠站數(shù)據(jù)庫，廠站 AAgent對此數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)：若與上時刻狀態(tài)相同，則不進(jìn)行拓?fù)浞治?；若與上時刻狀態(tài)不同，則按照 4.1節(jié)方法進(jìn)行拓?fù)浞治?。由于各個廠站內(nèi)開關(guān)狀態(tài)是否變化只有本廠站知道，其他廠站無法獲得，因此仍然需要廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)。
設(shè)在初始時刻后的某一時刻，廠站5開關(guān)5501由合位變?yōu)殚_位，其他開關(guān)不變化，其他廠站通過開關(guān)變位檢測后發(fā)現(xiàn)無狀態(tài)變化，因此無需拓?fù)浞治觯鶕?jù)規(guī)則發(fā)送消息進(jìn)行拓?fù)鋮f(xié)調(diào)；廠站5通過檢測，需要進(jìn)行拓?fù)浞治觯⑦M(jìn)行廠站協(xié)調(diào)，過程見表6。
表6 拓?fù)涓欉^程Fig.6 The process of topology tracking
拓?fù)鋮f(xié)調(diào)完成后，根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表等信息得到如圖8所示的模型。
圖8 拓?fù)涓櫧Y(jié)果Fig.8 The results of topology tracking
6 結(jié)論
未來電網(wǎng)“雙向潮流”運(yùn)行與調(diào)控時需要統(tǒng)籌發(fā)、輸、配、用問題，因此必須獲取電網(wǎng)的全景拓?fù)洹Ｓ捎陔娋W(wǎng)全景拓?fù)涫欠稚⒐芾淼?，因此，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上提出了分散協(xié)調(diào)的電網(wǎng)全景拓?fù)浞治龇椒?，并以?shí)際系統(tǒng)為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：
（1）從電網(wǎng)全景拓?fù)鋵用嫔现v，廠站拓?fù)湫畔⑹欠稚⒐芾淼模梅稚f(xié)調(diào)的拓?fù)浞治龇椒ㄊ强尚械摹?/p>
（2）廠站拓?fù)浞治隹梢苑稚?、?dú)立地進(jìn)行，但廠站之間又有關(guān)聯(lián)性，把握分散協(xié)調(diào)規(guī)則對于實(shí)現(xiàn)廠站拓?fù)浞治龊途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲇幸妗?/p>
本文從最基本的角度，提出并實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)全景拓?fù)浞治?，在此基礎(chǔ)上，下一步將細(xì)致地研究全景環(huán)境下電網(wǎng)“雙向潮流”的基本分析和調(diào)控理論。
附 錄
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郝廣濤 韓學(xué)山 梁 軍 梁正堂
（山東大學(xué)電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250061）
1 引言
拓?fù)浞治鍪请娋W(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心，是狀態(tài)估計、潮流計算、安全分析和運(yùn)行控制等的基礎(chǔ)[1-4]。受節(jié)能減排及電力市場解除管制政策的驅(qū)使，可再生能源發(fā)電以集中、分布和微網(wǎng)等形式并入電網(wǎng)，從而使電網(wǎng)產(chǎn)生雙向潮流[5-9]。為了使整個電網(wǎng)安全、可靠且最大化地消納可再生能源，必須實(shí)施全局統(tǒng)籌[10-13]，因而就必須對電網(wǎng)進(jìn)行全景拓?fù)浞治觥?/p>
全景電網(wǎng)拓?fù)浜w了發(fā)、輸、配和用電壓等級的電網(wǎng)，由廠站（發(fā)電廠和變電站）和網(wǎng)絡(luò)共同組成。電網(wǎng)拓?fù)浞治鲇兄T多研究，如文獻(xiàn)[14,15]分別采用廣度優(yōu)先和深度優(yōu)先的搜索方法對廠站和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一進(jìn)行拓?fù)浞治?；隨后，文獻(xiàn)[16,17]又提出了鄰接矩陣的方法；接著，文獻(xiàn)[18-23]為降低內(nèi)存、提高計算效率，又進(jìn)行了更深入的研究。然而，這些研究都是以拓?fù)湫畔⒓泄芾頌榍疤徇M(jìn)行的，面對全景電網(wǎng)的拓?fù)洌捎谛畔⒎稚⒌墓芾矸绞?，使上述集中式方法無法直接使用。相應(yīng)的，同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit, PMU）引導(dǎo)的電網(wǎng)廣域量測系統(tǒng)（Wide-Area Measurement System,WAMS）日益完善和普及[24]，可實(shí)現(xiàn)廠站拓?fù)溥\(yùn)行狀態(tài)的過程化可觀測，并可通過廣域通信網(wǎng)對有輸電元件連接的廠站進(jìn)行信息協(xié)調(diào)[25]，這也是全景電網(wǎng)拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)。
在此背景下[6,26]，本文提出了分散協(xié)調(diào)的MAS與黑板模型結(jié)合的全景電網(wǎng)拓?fù)浞治?。首先，在文獻(xiàn)[27]的基礎(chǔ)上，提出了廠站MAS拓?fù)浞治龇椒ǎ垢鲝S站不僅能夠獨(dú)立、并行且異步地實(shí)現(xiàn)各自拓?fù)浞治?，而且具備廠站間拓?fù)浣换サ哪芰Γ蝗缓?，基于黑板模型，提出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膮f(xié)調(diào)和通信規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)全景電網(wǎng)拓?fù)浞治觥?/p>
2 MAS的廠站拓?fù)浞治?/h2>
文獻(xiàn)[27]提出了基于開關(guān)路徑函數(shù)集的新型廠站拓?fù)浞治龇椒ǎ浜诵氖菍S站全連通矩陣非對角元素表示為相應(yīng)開關(guān)支路狀態(tài)的函數(shù)，該函數(shù)可以離線形成、在線更新，快速得到全連通矩陣的值。
本文以該算法為基礎(chǔ)，提出了廠站的 MAS拓?fù)浞治龇椒ǎ箯S站不僅能夠獨(dú)立自主地實(shí)現(xiàn)本地拓?fù)浞治?，而且具備廠站間拓?fù)渫ㄐ藕蛥f(xié)調(diào)的能力。
2.1 廠站拓?fù)浞治?/h3>
依據(jù)文獻(xiàn)[27]有
（1）全連通矩陣中非對角元素 aij的值等于點(diǎn)邊無向圖中電氣節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間所有m條路徑的廣義布爾加
（2）式（1）中的每一條路徑vk值為該路徑上所有支路（設(shè)l條）狀態(tài)的廣義布爾乘
以圖1中典型一臺半斷路器為例，說明上述原理。
圖1 典型一臺半斷路器接線形式及其對應(yīng)點(diǎn)邊圖Fig.1 Typical one and a half breakers connection andthe corresponding node-branch diagram
在不考慮開關(guān)具體開合狀態(tài)的前提下，圖 1a可以映射成圖1b點(diǎn)邊無向圖的形式。以表示第 i條開關(guān)支路的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)處于合位時，CBi=1；當(dāng)開關(guān)處于開位時，CBi=0。那么，根據(jù)式（1）和式（2）結(jié)論，可以得到全連通矩陣的函數(shù)表示形式
式中，F(xiàn)(i,j)為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的開關(guān)函數(shù)，表達(dá)式如附錄所示。由于是對角陣，只列出上三角元素。
當(dāng)觀測到某時刻開關(guān)狀態(tài)
將其代入式（3）就可以快速得到全連通矩陣
對式（5）采用行掃描法[28]就可以確定電氣節(jié)點(diǎn) 1、3、4、6為一連通片，2、5、7、8為一連通片，每一連通片映射為一邏輯節(jié)點(diǎn)，從而完成廠站拓?fù)浞治觥?/p>
2.2 MAS的廠站拓?fù)浞治?/h3>
由 2.1節(jié)算法可以看出，廠站拓?fù)浞治鲇蓛蓚€簡單任務(wù)完成：第一，廠站 PMU將各個開關(guān)狀態(tài)按一定采集間隔傳送至廠站監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫；第二，廠站監(jiān)控中心對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行全連通矩陣計算，形成相關(guān)映射表等工作。
廠站拓?fù)浞治鐾瓿珊?，由于各個廠站拓?fù)湫畔⒅g相對獨(dú)立，因此需要廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)，才能完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?/p>
為了既能使廠站內(nèi)拓?fù)浞治龅膬蓚€任務(wù)完成明確化，同時又具有廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)的能力，依據(jù)MAS任務(wù)分解、協(xié)調(diào)的能力[29]，結(jié)合2.1節(jié)的方法，本文提出MAS的廠站拓?fù)浞治龇椒ā?/p>
對于廠站拓?fù)浞治龅牡谝粋€任務(wù)來說，由于反應(yīng)型Agent能夠依據(jù)提前設(shè)定的間隔快速捕捉目標(biāo)狀態(tài)，無需學(xué)習(xí)和邏輯推理[30]，因此，可以用于完成定時采集開關(guān)、刀閘等元件的運(yùn)行狀態(tài)并具有將數(shù)據(jù)傳送至廠站監(jiān)控中心的功能，本文稱其為智能監(jiān)視代理Monitor Agent（簡記為MAgent）。
對于廠站拓?fù)浞治龅牡诙€任務(wù)以及廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)來說，由于認(rèn)知型Agent能夠感知外部環(huán)境，與外部環(huán)境進(jìn)行交互，在交互過程中進(jìn)行邏輯推理[31]，因此，作為廠站監(jiān)控中心代理，用于獲取MAgent采集數(shù)據(jù)、拓?fù)溆嬎?，與其他廠站進(jìn)行協(xié)調(diào)，本文稱其為智能管理員代理Administrator Agent（簡記為AAgent）。
根據(jù)拓?fù)浞治龅娜蝿?wù)選擇好各Agent后，進(jìn)一步說明其之間的工作流程，即：對于每一個開關(guān)元件，配置一個獨(dú)立的、具有 GPS對時功能的 Magent，以一定的時間間隔采集其運(yùn)行狀態(tài)（例如對圖1中每個元件配置一個MAgent，監(jiān)視其狀態(tài)），將帶有GPS時標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過廠站局域網(wǎng)單向傳輸至AAgent；AAgent將接收到的MAgent數(shù)據(jù)保存至廠站數(shù)據(jù)庫，并能夠按 2.1節(jié)方法進(jìn)行全連通矩陣計算、劃分連通片等邏輯計算；計算完成后，AAgent將廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—邏輯節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系—電氣節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識上傳至黑板底層數(shù)據(jù)庫，并按一定的協(xié)調(diào)規(guī)則（3.2節(jié)提出）與其他廠站進(jìn)行通信，具體的通信協(xié)調(diào)方法在第3部分詳細(xì)介紹。
3 基于黑板模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h2>
黑板模型由 A.Newwell于 1962年提出[32]，它是一種高效通用的分布式求解工具，已在電力系統(tǒng)多個方面[33-35]得到應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 黑板模型Fig.2 Blackboard model
圖2中的知識源是用于解決某個特定問題的獨(dú)立系統(tǒng)；黑板是一個公用數(shù)據(jù)庫，分為底層庫和高層庫，底層庫存放各知識源解，高層庫存放全局解；控制器制定協(xié)調(diào)策略，通過協(xié)調(diào)策略，各知識源可以訪問相關(guān)知識源底層庫中的信息，并將協(xié)調(diào)結(jié)果保存至高層庫。本文利用黑板模型這種分解協(xié)調(diào)的管理模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?/p>
3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅暮诎迥Ｐ驮O(shè)計
為了使黑板模型用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，設(shè)計其各部分功能如下：
（1）知識源。為各個獨(dú)立的廠站MAS，用于實(shí)現(xiàn)本地的拓?fù)浞治?。它通過 MAgent采集數(shù)據(jù)，AAgent進(jìn)行拓?fù)浞治?，將分析結(jié)果保存至黑板底層庫相應(yīng)存儲區(qū)中。
（2）黑板。為一公共數(shù)據(jù)庫，有底層數(shù)據(jù)庫和高層數(shù)據(jù)庫，底層庫由多個存儲區(qū)組成，存放相應(yīng)廠站 AAgent上傳的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。高層庫存放網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果。
（3）控制器。本文稱其為智能協(xié)調(diào)代理 Coordinate Agent（簡記為CAgent）。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治銮?，需要制定廠站間通信和協(xié)調(diào)的規(guī)則，下發(fā)給各個廠站AAgent，各廠站依據(jù)此規(guī)則，實(shí)現(xiàn)廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)。
3.2 廠站間拓?fù)浞治龅耐ㄐ艆f(xié)調(diào)規(guī)則
由于每個知識源所代表的廠站拓?fù)湎鄬Κ?dú)立，而輸電線路兩端位于兩個不同的廠站，是廠站之間連接的橋梁。因此，本文以輸電線路為紐帶，提出黑板模型中控制器的通信協(xié)調(diào)策略：
（1）協(xié)調(diào)規(guī)則。首先對電網(wǎng)中每條輸電線路設(shè)定一個標(biāo)識，通過該標(biāo)識，具有輸電線路連接的兩個廠站 AAgent可以在黑板底層存儲區(qū)中查找對方相關(guān)信息。例如，若廠站A和B通過標(biāo)識為Lab的輸電線路連接，廠站A和B拓?fù)浞治鐾瓿珊螅纬蓮S站—邏輯節(jié)點(diǎn)—電氣節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表，通過輸電線路標(biāo)識所對應(yīng)的電氣節(jié)點(diǎn)號就能夠查找到相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)等信息。
（2）通信規(guī)則。由于輸電線路連接的兩個廠站AAgent能夠互訪信息，而電網(wǎng)拓?fù)涫菬o向圖，因此只要廠站 A（或廠站 B）訪問廠站B（或廠站A）就可實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋮f(xié)調(diào)，而無需互相訪問。因此為了消除冗余通信，提出單向通信規(guī)則，即：設(shè)兩個可以協(xié)調(diào)的廠站A和B，根據(jù)拓?fù)渫瓿傻南群箜樞?，?dāng)A先完成拓?fù)浞治龊?，發(fā)消息通知B，使B完成拓?fù)浞治龊笤L問A的拓?fù)浣Y(jié)果。
3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ托纬?/h3>
各個廠站拓?fù)浞治鐾瓿珊?，形成統(tǒng)一的映射表（廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—邏輯節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系—電氣節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表）存儲至底層庫。由于各廠站拓?fù)浣Y(jié)果中邏輯節(jié)點(diǎn)編號只在本廠站范圍內(nèi)有效，為了形成全景電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，需要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋袑⑵湫纬上到y(tǒng)節(jié)點(diǎn)，下面介紹形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的方法。
設(shè)全景電網(wǎng)共有N個廠站，在N個廠站并行拓?fù)浞治鲞^程中，設(shè)廠站B首先依據(jù)協(xié)調(diào)和通信規(guī)則訪問廠站A的拓?fù)浣Y(jié)果，那么，從廠站B相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)編號，形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表，保存至黑板高層庫，然后對廠站A協(xié)調(diào)的相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，并形成映射表。依次進(jìn)行，在此過程中有以下兩種情況：
（1）若兩個相同廠站對應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)有多條輸電線路連接，那么對應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)只編號一次。
（2）若廠站 B的同一個邏輯節(jié)點(diǎn)與廠站 A、C對應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)都有輸電線路連接，并且B、A協(xié)調(diào)時已經(jīng)完成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)編號，當(dāng)B與C協(xié)調(diào)時需要對已經(jīng)編號的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，若已存在，則無需繼續(xù)編號，只需在相應(yīng)信息中添加輸電線路標(biāo)識，其他信息不變。
當(dāng)所有廠站協(xié)調(diào)結(jié)束后，在高層庫中形成完整的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路映射表，根據(jù)該映射表，利用傳統(tǒng)的堆棧搜索技術(shù)[36]可以容易地得到系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—子系統(tǒng)映射表，確定各子系統(tǒng)，從而完成全景拓?fù)浞治觥?/p>
4 求解流程
本文方法的求解過程如圖3所示。
圖3 本文算法流程圖Fig.3 Flow chart of the algorithm
5 算例分析
本文采用如圖4所示的某實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行仿真。該仿真系統(tǒng)有10個廠站、11條輸電線路和51個開關(guān)，包含3/2、雙母線分段和單母線等典型接線方式。電壓等級由 500kV、220kV、110kV、35kV和 10kV組成，在10kV變電站中接入了可再生能源發(fā)電。
本文使用Microsoft Visual Studio 2008編程工具和SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。使用Visual Studio 2008多線程并行實(shí)現(xiàn)各個廠站的MAS拓?fù)浞治觯⑹褂孟C(jī)制實(shí)現(xiàn)線程之間的通信；SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫分別建有廠站庫、底層庫和該廠站共有 9個開關(guān) CB1～CB9，使用 MAgent2_1～MAgent2_9分別采集其運(yùn)行狀態(tài)，并設(shè)置每20ms采集一次，傳輸至數(shù)據(jù)庫。
圖4 某實(shí)際電網(wǎng)一次接線圖Fig.4 Primary connection diagram of some real system
廠站 2管理員AAgent2根據(jù)圖 5，按照 2.1節(jié)方法得到以開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)為函數(shù)的全連通矩陣高層庫。廠站庫建有相關(guān)表，存放各廠站開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)；底層庫由各個廠站表組成，存放各廠站拓?fù)浞治鼋Y(jié)果；高層庫存放網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。
5.1 廠站拓?fù)浞治?/h3>
以圖4廠站2為例，說明本文MAS廠站拓?fù)浞治龇椒?，其電氣?jié)點(diǎn)編號如圖 5所示。圖 5中，
圖5 廠站2電氣節(jié)點(diǎn)編號Fig.5 The junction number of substation 2
由于為對角陣，只寫出上三角元素，其元素表達(dá)式見表1。
表1 廠站2全連通矩陣元素表達(dá)式Tab.1 The formula of the complete connection matrix elements of substation 2
當(dāng)AAgent2獲得某時刻開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)
將其代入式（6），可以快速得到
對式（8）進(jìn)行行掃描，可以得到：電氣節(jié)點(diǎn)1、2、3、4、5劃分為一連通片；電氣節(jié)點(diǎn) 6、7、8、9、10、11劃分為一連通片，每個連通片映射為一個邏輯節(jié)點(diǎn)，并將有阻抗元件的邊賦值為1，形成如圖6所示的拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。其中，L251、L252表示廠站2與廠站5連接的兩條輸電線路標(biāo)識；L23表示廠站2與廠站3連接的輸電線路標(biāo)識。
圖6 廠站2拓?fù)浞治鼋Y(jié)果
表2 廠站2拓?fù)浞治鼋Y(jié)果Tab.2 The topology analysis results of substation 2
該表表明了站內(nèi)邏輯節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系；對于有輸電線路連接的廠站間，通過輸電線路標(biāo)識查找對應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)、電氣節(jié)點(diǎn)等信息，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥?/p>
5.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h3>
在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋埃o出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)調(diào)的規(guī)則，見表3，符號?表示信息可以互訪。
表3 協(xié)調(diào)規(guī)則Tab.3 The rule of coordination
由于各廠站拓?fù)浞治鍪遣⑿?、異步進(jìn)行的，各廠站完成拓?fù)浞治龅捻樞蚣皡f(xié)調(diào)過程見表4。
表4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲞^程Tab.4 The coordination process of network topology
從表4中可以看出，廠站9首先對廠站7進(jìn)行拓?fù)鋮f(xié)調(diào)，以廠站9內(nèi)相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)開始形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射，見表5。
表5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果Tab.5 The results of network topology analysis
根據(jù)表5得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果，可以容易地形成系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—輸電線路映射表、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—子系統(tǒng)映射表和輸電線路—子系統(tǒng)映射表等相關(guān)信息，并得到如圖7所示的全景拓?fù)淠Ｐ汀?/p>
圖7 全景拓?fù)淠Ｐ虵ig.7 The model of panorama topology analysis
5.3 拓?fù)涓?/h3>
上述拓?fù)浞治鲞^程可以視為初始時刻，在后續(xù)時刻，各廠站的 MAgent按照設(shè)定的時間間隔采集開關(guān)狀態(tài)，定時上傳至廠站數(shù)據(jù)庫，廠站 AAgent對此數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)：若與上時刻狀態(tài)相同，則不進(jìn)行拓?fù)浞治?；若與上時刻狀態(tài)不同，則按照 4.1節(jié)方法進(jìn)行拓?fù)浞治?。由于各個廠站內(nèi)開關(guān)狀態(tài)是否變化只有本廠站知道，其他廠站無法獲得，因此仍然需要廠站間拓?fù)鋮f(xié)調(diào)。
設(shè)在初始時刻后的某一時刻，廠站5開關(guān)5501由合位變?yōu)殚_位，其他開關(guān)不變化，其他廠站通過開關(guān)變位檢測后發(fā)現(xiàn)無狀態(tài)變化，因此無需拓?fù)浞治觯鶕?jù)規(guī)則發(fā)送消息進(jìn)行拓?fù)鋮f(xié)調(diào)；廠站5通過檢測，需要進(jìn)行拓?fù)浞治觯⑦M(jìn)行廠站協(xié)調(diào)，過程見表6。
表6 拓?fù)涓欉^程Fig.6 The process of topology tracking
拓?fù)鋮f(xié)調(diào)完成后，根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)—廠站—邏輯節(jié)點(diǎn)—輸電線路標(biāo)識映射表等信息得到如圖8所示的模型。
圖8 拓?fù)涓櫧Y(jié)果Fig.8 The results of topology tracking
6 結(jié)論
未來電網(wǎng)“雙向潮流”運(yùn)行與調(diào)控時需要統(tǒng)籌發(fā)、輸、配、用問題，因此必須獲取電網(wǎng)的全景拓?fù)洹Ｓ捎陔娋W(wǎng)全景拓?fù)涫欠稚⒐芾淼?，因此，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上提出了分散協(xié)調(diào)的電網(wǎng)全景拓?fù)浞治龇椒?，并以?shí)際系統(tǒng)為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：
（1）從電網(wǎng)全景拓?fù)鋵用嫔现v，廠站拓?fù)湫畔⑹欠稚⒐芾淼模梅稚f(xié)調(diào)的拓?fù)浞治龇椒ㄊ强尚械摹?/p>
（2）廠站拓?fù)浞治隹梢苑稚?、?dú)立地進(jìn)行，但廠站之間又有關(guān)聯(lián)性，把握分散協(xié)調(diào)規(guī)則對于實(shí)現(xiàn)廠站拓?fù)浞治龊途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲇幸妗?/p>
本文從最基本的角度，提出并實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)全景拓?fù)浞治?，在此基礎(chǔ)上，下一步將細(xì)致地研究全景環(huán)境下電網(wǎng)“雙向潮流”的基本分析和調(diào)控理論。
附 錄
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