尚安利夏 立王 征

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 4300332.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

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艦船電力系統(tǒng)一體化系統(tǒng)模型和故障恢復(fù)研究

尚安利1,2夏 立1王 征1

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033
2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

摘要為了快速解決艦船電力系統(tǒng)的故障恢復(fù)問題，提出了一種基于多智能體的圖跡分析技術(shù)（GTA）建模和故障恢復(fù)方法。該方法使用多智能建立艦船電力系統(tǒng)模型，使得物理系統(tǒng)中每個(gè)組件與多智能存在一一對應(yīng)關(guān)系，每個(gè)組件可用電壓、電流等參數(shù)以及反映該組件行為的方程式來表示，電力系統(tǒng)模型參數(shù)和組件連接關(guān)系可以實(shí)時(shí)更新。圖跡分析將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分解為組件級和系統(tǒng)級對象方程。該建模方式避免了全局觀點(diǎn)或模型的緊耦合性，在模型中改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和進(jìn)行計(jì)算都可以在局部進(jìn)行，然后依靠模型中各智能體之間的協(xié)商合作，快速解決電力系統(tǒng)的故障恢復(fù)問題。該方法可以處理負(fù)載具有任意多優(yōu)先級和帶有回路的電力系統(tǒng)的故障恢復(fù)問題，仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：圖跡分析 恢復(fù) 多智能體系統(tǒng) 綜合電力系統(tǒng) 一體化系統(tǒng)模型

國家自然科學(xué)基金（51177168）和電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（EIPE15210）資助。

0 引言

為了提高艦船在戰(zhàn)斗中的生存能力，要求其電力系統(tǒng)具有良好的故障自動(dòng)恢復(fù)能力[1]。艦船電力系統(tǒng)故障恢復(fù)基本要求是，在滿足電力系統(tǒng)過壓、過流和開關(guān)操作次數(shù)等約束條件下，通過快速調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的組合狀態(tài)以改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大限度地恢復(fù)失電負(fù)載的供電。艦船電力系統(tǒng)故障恢復(fù)技術(shù)的核心是故障恢復(fù)方案的快速求解，即根據(jù)電力系統(tǒng)故障后的運(yùn)行狀態(tài)和用電需求快速求解滿足約束條件的最優(yōu)重構(gòu)方案。目前故障恢復(fù)問題的求解方法有多種，文獻(xiàn)[2-4]采用多代理技術(shù)，由于需要響應(yīng)時(shí)間快，所以對通信要求高，且不能保證解的最優(yōu)性。文獻(xiàn)[5]用樹形結(jié)構(gòu)表示配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低了啟發(fā)式搜索的空間，減少了求解的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[6]考慮負(fù)荷的優(yōu)先級，利用排序搜索方法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[7]利用深度編碼技術(shù)避免配電網(wǎng)恢復(fù)過程中產(chǎn)生非放射狀不可行解。雖然這些算法在其假設(shè)前提下都取得了較好的求解效果，但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)存在著運(yùn)算量大和可擴(kuò)展性不強(qiáng)等不足[3]。

本文利用圖跡分析（GTA）[8,9]、MAS（multiagent system）技術(shù)[10-12]及集合理論研究艦船綜合電力系統(tǒng)故障恢復(fù)問題。這種新方法從網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征中尋找故障恢復(fù)路徑，使用拓?fù)涞骱蛨D跡集來實(shí)現(xiàn)，即基于集合理論和圖跡分析的計(jì)算機(jī)算法來計(jì)算負(fù)載恢復(fù)路徑，保證可以處理具有回路和考慮負(fù)載優(yōu)先級的電力系統(tǒng)故障恢復(fù)問題。這非常適用于對艦船故障恢復(fù)系統(tǒng)的要求，即可合理有效地調(diào)度系統(tǒng)資源、保障重要負(fù)荷的供電連續(xù)性從而提高船舶生命力。

1 艦船電力系統(tǒng)故障恢復(fù)問題的描述

1.1 故障恢復(fù)的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)和約束條件

電力系統(tǒng)故障恢復(fù)的目標(biāo)是最大限度地送達(dá)負(fù)載的容量，目標(biāo)函數(shù)

式中，Lk為母線k上的負(fù)載；yk為決策變量，表示已恢復(fù)；表示未恢復(fù)；R表示斷電負(fù)載集合。由于本方法按照優(yōu)先級由高到低的次序進(jìn)行恢復(fù)供電，所以式（1）實(shí)質(zhì)表示最大限度地恢復(fù)高優(yōu)先級負(fù)載容量。

實(shí)際工作過程中，艦船綜合電力系統(tǒng)主要約束條件包括以下幾個(gè)方面：

（1）網(wǎng)絡(luò)潮流約束。不論電力系統(tǒng)處于何種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在負(fù)荷給定的情況下，都必須滿足基本的潮流方程這里u為系統(tǒng)的控制變量（如發(fā)電機(jī)的有功、無功出力或節(jié)點(diǎn)電壓模值），x為系統(tǒng)的狀態(tài)變量（如各節(jié)點(diǎn)電壓值和線路電流值等）。

（2）考慮系統(tǒng)的電流限制和電壓約束

（3）系統(tǒng)的容量限制。容量限制指非故障斷電區(qū)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到待恢復(fù)負(fù)荷上時(shí)，不能引起支路或發(fā)電機(jī)過載。

1.2 艦船綜合電力系統(tǒng)簡化模型

圖1　艦船綜合電力系統(tǒng)Fig.1 Warship integrated power system

圖1是區(qū)域配電模式的艦船綜合電力系統(tǒng)簡化模型，11、12、17、18、23和24為不同電壓等級的功率變換器（SCM）；1、33為交流發(fā)電機(jī)組（G）；5、7、8、29、30和32為傳輸線和母線（B）；3、35為脈沖負(fù)載；4、36為推進(jìn)負(fù)載（L）；6、31為交-直流電源（PS）；9、14、20、26、10、16、22 和28為母線分段斷路器（BSB）；15、21和27分別為恒功率負(fù)載、電機(jī)或其他用電負(fù)載（L）。

2 多智能體和圖跡分析技術(shù)

2.1 多智能體

多Agent系統(tǒng)（Multi Agent System，MAS）是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軟件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的新途徑，它是由多個(gè)可執(zhí)行并行計(jì)算的Agent組成的集合，通常每個(gè)Agent被認(rèn)為是一個(gè)物理的或者抽象的實(shí)體，各個(gè)Agent是獨(dú)立自主的，能作用于自身和環(huán)境，能對環(huán)境的變化做出反應(yīng)，更為重要的是能夠與其他Agent通信、交互和彼此協(xié)同工作，共同完成復(fù)雜任務(wù)。

2.2 圖跡分析技術(shù)

圖跡分析（Graph Trace Analysis，GTA）是一種基于模型的分析和控制大型復(fù)雜可重構(gòu)系統(tǒng)的技術(shù)，而GTA模型是一個(gè)基于圖論的面向?qū)ο蟮哪Ｐ?，其包括圖形化模型和數(shù)字圖模型。在GTA圖形化模型中，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由邊組成的圖來表示，物理系統(tǒng)中的每一個(gè)組件對應(yīng)圖中的一個(gè)邊，即GTA圖形化模型是一個(gè)邊-邊圖形，這樣物理系統(tǒng)中的組件與GTA模型中的邊（也就是組件對象）之間建立了一一對應(yīng)關(guān)系。

如圖2所示的輻射型電力系統(tǒng)，為了表示系統(tǒng)中組件之間的連接關(guān)系，圖跡分析技術(shù)定義了四種迭代器：前向迭代器（f）、后向迭代器（b）、饋線路徑迭代器（fp）和兄弟迭代器（br），它們分別從一個(gè)組件指向另一個(gè)組件，迭代器的值表示其所指向的組件，如果組件p的某一迭代器的值為0，表明其所指向的組件和組件跡不存在。另外，在系統(tǒng)中，當(dāng)閉合一個(gè)開關(guān)可形成一個(gè)回路時(shí)，則這個(gè)閉合的開關(guān)被稱為余樹元件，可使用鄰迭代器（adj）來管理和跟蹤余樹元件。

圖2　用迭代器表示系統(tǒng)組件之間的連接關(guān)系Fig.2 Using iterators to traverse system components

這樣反復(fù)使用同類型迭代器會(huì)產(chǎn)生組件的跟蹤集，即組件跡，也就是說，組件的每種跡表示跟蹤該組件的一種特定的組件序列，也是算法處理系統(tǒng)組件信息的次序，例如，組件p的5種跡：ftp表示從組件p開始的前向跡組件序列；btp表示從組件p開始的后向跡組件序列；fptp表示從組件p開始的饋線路徑跡組件序列；brtp表示從組件p開始的兄弟跡組件序列；adjtp表示從組件p開始形成回路的組件序列。另外，雖然電力系統(tǒng)中的某些組件可能有多個(gè)電源，但在GTA模型中，規(guī)定每個(gè)組件有且僅有一個(gè)參考源。

3 基于多Agent的艦船電力系統(tǒng)一體化系統(tǒng)模型

基于多Agent的艦船電力故障恢復(fù)系統(tǒng)如圖3所示，分為三層：電力系統(tǒng)物理層、與物理層相對應(yīng)的組件MAS層（組件Agent容器）和算法MAS層（算法Agent容器），它包括系統(tǒng)級Agent和中央控制Agent（CCAgent）。

圖3　基于Agent的電力重構(gòu)系統(tǒng)分層Fig.3 Agents and current path structure for ship system

利用GTA方法可以將系統(tǒng)方程和編程結(jié)構(gòu)分解為組件級和系統(tǒng)級，這樣算法也可以相應(yīng)地分為組件級算法和系統(tǒng)級算法。組件級算法可由組件MAS層中相應(yīng)組件Agent來完成，它根據(jù)描述該組件物理行為的方程來計(jì)算其電壓或電流。每個(gè)組件Agent還可以監(jiān)測所對應(yīng)組件的狀態(tài)信息，并控制其動(dòng)作，組件Agent內(nèi)的組件信息也可以被其他組件級Agent訪問。在實(shí)施故障恢復(fù)過程中，組件MAS層中的失電負(fù)載組件Agent與其備用恢復(fù)路徑上的組件Agent之間交換信息，根據(jù)協(xié)議實(shí)施社會(huì)行為，如合作、商議和協(xié)調(diào)等行為，它是建立在電力系統(tǒng)拓?fù)涮卣髦?，包含了?shí)際電網(wǎng)的物理布局和組件連接性等信息。系統(tǒng)級算法由算法MAS層中的系統(tǒng)級Agent執(zhí)行，系統(tǒng)級Agent根據(jù)系統(tǒng)守恒方程：①流入一個(gè)多邊連接點(diǎn)的電流量等于流出它的電流量，即基爾霍夫電流定律（KCL）；②沿邊構(gòu)成的回路電壓之和為零，即基爾霍夫電壓定律（KVL），來計(jì)算相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)級Agent可以有多個(gè)。算法MAS層中的Agent只與組件MAS層中的Agent進(jìn)行通信，獲取組件的當(dāng)前信息用來進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果或控制命令返回給相應(yīng)的組件Agent，以供其他算法Agent使用，這意味著所有算法通過組件MAS層協(xié)調(diào)工作。算法MAS層中的系統(tǒng)級Agent通過組件MAS層中的組件Agent協(xié)調(diào)工作，這樣在算法MAS層支持下，組件MAS層中組件Agent相互交互的方式與它們實(shí)際物理系統(tǒng)的作用方式非常相似，這樣由組件MAS層和算法MAS層中的Agent構(gòu)成了電力系統(tǒng)基于多Agent的數(shù)字圖模型。CCAgent的功能是維持整個(gè)MAS的故障恢復(fù)過程，其接收、斷電組件的恢復(fù)請求，建立一個(gè)待恢復(fù)組件列表，并按照其優(yōu)先級選擇相應(yīng)的組件來推進(jìn)恢復(fù)過程。

這樣在面向Agent的軟件開發(fā)中，采用程序編寫組件Agent和算法Agent，這些Agent之間通過通信語言可以進(jìn)行比普通消息傳遞更規(guī)范、更明確的通信。同時(shí)采用這種建模、分析和計(jì)算模式，避免了全局觀點(diǎn)或模型的緊耦合性，非常適用于分布式處理，具有更快的計(jì)算速度，而且這種模型形式能夠反映電網(wǎng)的物理布局和連接性，能夠解決非線性、時(shí)變大規(guī)模系統(tǒng)的建模困難。所建立的模型是一個(gè)可以用于電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、操作和控制的一體化數(shù)字圖模型。

4 艦船電力系統(tǒng)故障恢復(fù)算法

圖4為艦船電力系統(tǒng)的圖跡分析圖形化模型，用線段“─”表示系統(tǒng)的組件，如組件、母線、傳輸線和斷路器等，也表示其對應(yīng)的Agent。

圖4　艦船綜合電力系統(tǒng)GTA模型圖Fig.4 Integrated power system GTA model

為了進(jìn)行電力系統(tǒng)故障恢復(fù)算法分析和設(shè)計(jì)的需要，每個(gè)組件可用一個(gè)具有多個(gè)分量的組元來表示，即

式中，ID為組件的標(biāo)識符；pri為組件的優(yōu)先級；Pmax為組件的最大功率；VLmin、VLmax為組件的安全電壓限；P為組件的功率，P≤Pmax，其可通過計(jì)算或測量獲得；V為組件的電壓（可通過計(jì)算或測量獲得），VLmax≥V≥VLmin；Ic為組件的電流（可通過計(jì)算或測量獲得）；Ap為可用功率；Status為組件狀況：ON,OFF,Failed（開，關(guān)，失效）；ft,bt,fpt,brt分別為與C相關(guān)的前向跡、后向跡、饋線路徑跡和兄弟跡組件集，值為0，表明所指向的組件跡不存在。

這樣該組元C反映了組件的主要屬性：如組件性質(zhì)，與系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性相關(guān)的約束條件，當(dāng)前工作狀態(tài)和工作條件，組件之間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系等。這樣通過訪問組件組元的屬性，可進(jìn)行與故障恢復(fù)算法相關(guān)的跡集合運(yùn)算。在故障恢復(fù)過程中，需要檢查是否滿足這些與穩(wěn)定性和安全性相關(guān)的約束條件，以判斷所選恢復(fù)路徑的有效性，這些約束條件可以通過容器外的算法實(shí)時(shí)計(jì)算，也可以是事先計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)值，存于各組件的Agent中。另外，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)組件工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，可通過Agent通信更新組件的屬性。

根據(jù)圖4所示的艦船電力系統(tǒng)圖跡分析模型，可以預(yù)先設(shè)計(jì)各組件的備用恢復(fù)路徑跡。結(jié)果可能有多條，將這些恢復(fù)路徑跡中的組件存儲(chǔ)于各組件的Agent中。由于本方案采用從待恢復(fù)組件開始向電源方向搜索恢復(fù)路徑，這樣恢復(fù)路徑的最后組件通常為母線或發(fā)電機(jī)等能源，其算法稱為從負(fù)載開始的搜索算法。

為了恢復(fù)斷電組件的供電，設(shè)計(jì)了船舶電力系統(tǒng)故障恢復(fù)算法步驟（為了便于書寫和分析，該算法用OCL（object constraint language）語言表示，其與具體的編程語言無關(guān)，在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，可采用具體的編程語言來實(shí)現(xiàn)，由于基于JADE平臺(tái)，具體的實(shí)現(xiàn)代碼采用JAVA語言）。為了便于Agent之間通信的需要，各Agent的消息遵循FIPA（foundation for intelligent physical agents）規(guī)范，同時(shí)，F(xiàn)IPA還為Agent交互規(guī)定了一套標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它們可以作為建立多Agent對話的標(biāo)準(zhǔn)模板。對于Agent間的每次會(huì)話來說，JADE將雙方分為發(fā)起者Agent和響應(yīng)者Agent。遵照FIPA交互協(xié)議，JADE為對話中的這兩種角色提供了行為類。在本算法步驟中，發(fā)起者為待恢復(fù)負(fù)載Agent，而恢復(fù)路徑上的其他Agent為響應(yīng)者Agent。這樣在船舶電力系統(tǒng)工作過程中，如果發(fā)生了故障，在故障隔離后，為了恢復(fù)船舶電力系統(tǒng)工作，本文所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)故障恢復(fù)算法步驟如下。

（1）CCAgent接收到所有斷電負(fù)載Agent（LA）的恢復(fù)供電請求信息后，創(chuàng)建待恢復(fù)負(fù)載集

上式表示為斷電狀態(tài)，這里使用了OCL的箭頭運(yùn)算符“→”表示。當(dāng)其作用于一個(gè)集合時(shí)，這個(gè)運(yùn)算符對集合中的每個(gè)對象進(jìn)行操作；當(dāng)作用于一個(gè)組件時(shí)，該運(yùn)算符被用于選擇組件屬性的值。

（2）分別計(jì)算待恢復(fù)負(fù)載所需總功率（即所有需要恢復(fù)供電負(fù)載功率之和）和系統(tǒng)可用功率之和，如果系統(tǒng)當(dāng)前可用功率小于所需總功率，依據(jù)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率的約束條件，立即起動(dòng)相應(yīng)備用電源。

（3）選擇負(fù)載集FC中優(yōu)先級最高的負(fù)載，從該最高優(yōu)先級負(fù)載開始進(jìn)行恢復(fù)；一次僅恢復(fù)一個(gè)組件的供電，然后按負(fù)載優(yōu)先級遞降次序恢復(fù)其他負(fù)載供電。

（4）根據(jù)艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮攸c(diǎn)和FIPA合同網(wǎng)協(xié)議（FIPA-Contract-Net Protocol），所選待恢復(fù)組件的Agent（發(fā)起者Agent）向其各恢復(fù)路徑跡上的組件Agent發(fā)出恢復(fù)供電提議CFP（call for proposal）消息，消息中說明了需要完成的任務(wù)以及承擔(dān)任務(wù)應(yīng)具備的條件，例如：

（5）各恢復(fù)路徑跡上的組件Agent（響應(yīng)者Agent）接到該組件Agent的CFP消息后，立即調(diào)用各自Contract Net Responder行為的Prepare Responce（）方法，計(jì)算其可用功率（可用功率＝最大功率-當(dāng)前功率；如果其處于OFF狀態(tài)，則可用功率為最大功率）；如果響應(yīng)者組件為失效（Failed）狀態(tài)，或其無可用功率（即組件滿負(fù)荷工作），或?yàn)樨?fù)載組件，則響應(yīng)者組件Agent直接回復(fù)Refuse（拒絕）消息來拒絕該提議，則該響應(yīng)者組件所在的路徑跡不能作為恢復(fù)路徑；如果各響應(yīng)者組件可以提供或通過全部或部分所需功率，則它的Agent會(huì)向發(fā)起者Agent回復(fù)Proposal（提議）消息，同時(shí)說明所能承擔(dān)的功率。

（6）到規(guī)定時(shí)間或收到所有回復(fù)消息后，待恢復(fù)組件Agent利用模板匹配方法，依照各條備用恢復(fù)路徑跡中的組件次序，依次對接收到的各回復(fù)消息進(jìn)行檢查，并對各恢復(fù)路徑進(jìn)行評估，根據(jù)開關(guān)操作次數(shù)最少、恢復(fù)路徑最短和條數(shù)最少原則，最終選擇一條或幾條路徑作為恢復(fù)路徑。

（7）發(fā)起者Agent向所選擇恢復(fù)路徑上的組件Agent，按照由遠(yuǎn)到近的次序，分別發(fā)送Accept Proposal（接受提議）消息。所選組件Agent一旦完成委托的任務(wù)，就會(huì)給發(fā)起者發(fā)送Inform（通知）消息。在此過程中，當(dāng)發(fā)起者Agent接收到當(dāng)前所委托Agent的Inform（通知）消息后，才向下一個(gè)組件Agent發(fā)送Accept Proposal（接受協(xié)議）消息。另外，向其余未選中路徑中的組件Agent發(fā)送Reject Proposal（拒絕提議）消息，而如果所選Agent未能完成委托的任務(wù)，就利用通信動(dòng)作Failure向發(fā)起者Agent發(fā)出Failure（失?。┫ⅰ．?dāng)然，如果找不出中標(biāo)Agent，則協(xié)商過程直接就結(jié)束了。

（8）在此過程中，各相關(guān)組件Agent分別檢查是否滿足自身約束條件，如果滿足約束條件，轉(zhuǎn)到步驟（10），否則轉(zhuǎn)到步驟（9）。

（9）從受影響的最低優(yōu)先級和最小功率負(fù)載開始，執(zhí)行分級卸載，一次僅卸載一個(gè)負(fù)載，直到所有約束條件滿足為止。

（10）該負(fù)載Agent向CCAgent發(fā)送Inform消息，表明該負(fù)載已恢復(fù)供電，則CCAgent從未恢復(fù)供電負(fù)載集FC中刪除該負(fù)載，轉(zhuǎn)到步驟（3）。

在步驟5中，響應(yīng)者Agent接收到待恢復(fù)組件Agent的CFP消息后，立即調(diào)用Contract Net Responder行為的方法Prepare Responce（ ），該方法的工作流程如圖5所示。

圖5　Prepare Responce（ ）方法工作流程Fig.5 Flowchart for Prepare Response method of Contract Net Reponder

與文獻(xiàn)[2-4]相比，本方法可以將所有負(fù)載按照其重要性可以劃分為多個(gè)優(yōu)先級，而且負(fù)載的優(yōu)先級可以通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行修改，這樣可以充分保證艦船的安全性和戰(zhàn)斗力。

5 實(shí)驗(yàn)算例

為了說明本故障恢復(fù)算法的有效性，將采用兩個(gè)典型算例來說明。

5.1 算例1：完全恢復(fù)斷電負(fù)載供電

如圖6所示，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果組件11、17發(fā)生故障，造成負(fù)載15、21發(fā)生電力中斷。圖中負(fù)載旁邊圓括號內(nèi)的實(shí)數(shù)為其額定功率；母線旁邊方括號內(nèi)的實(shí)數(shù)表示功率容量（左）和可用功率（右）。為了便于說明問題，用“?”表示組件處于斷開或停機(jī)狀態(tài)；用“○”表示組件處于故障狀態(tài)。

圖6　情況1故障后的網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Network after fault for case 1

在故障隔離后，斷電負(fù)載LA15、LA21向CCAgent發(fā)送電能恢復(fù)請求CFP消息，CCAgent收到恢復(fù)供電請求后，建立待恢復(fù)負(fù)載集{LA15,LA21}，并按照負(fù)載優(yōu)先級進(jìn)行排序，假設(shè)負(fù)載15的優(yōu)先級高于負(fù)載21，則優(yōu)先恢復(fù)負(fù)載15的供電。CCAgent向LA15發(fā)送允許“恢復(fù)”命令。

根據(jù)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以預(yù)定義每個(gè)組件的恢復(fù)路徑跡，并存儲(chǔ)在其對應(yīng)的Agent內(nèi)。根據(jù)圖6所示，負(fù)載15的恢復(fù)路徑組件序列（跡）為

當(dāng)負(fù)載15的AgentLA15接收到允許“恢復(fù)”命令后，按照預(yù)定義的恢復(fù)路徑進(jìn)行搜索。LA15分別給這4條跡上的各部件Agent發(fā)出CFP消息，說明所需要的功率。各組件的Agent接收到CFP消息后，檢查和分析各組件的狀態(tài)，然后做出相應(yīng)回復(fù)。由于組件11處于Failed狀態(tài)，則其SCMA11 向LA15回復(fù)Refuse消息。則其所在的路徑跡fpt115、adjt115不能作為負(fù)載15的恢復(fù)路徑；而路徑fpt215和adjt215上的各組件Agent向LA15回復(fù)Propose消息，表明各自當(dāng)前的狀態(tài)以及完成任務(wù)的條件。當(dāng)LA15接收到所有的回復(fù)或者超過規(guī)定的時(shí)間之后，將分別沿路徑fpt215，adjt215上組件的排列次序，按照由近到遠(yuǎn)的次序依次對各組件的Agent所回復(fù)的消息進(jìn)行評估。

當(dāng)BA13、SCMA12、BSBA10、BA8、PSA6、BA5和GA1分別向LA15回復(fù)了Propose消息，說明可提供和可通過的功率，LA15對這些Propose消息進(jìn)行評估，以確定整條路徑fpt215可提供和可通過的功率。以同樣方式，LA15再確定路徑adjt215可提供和可通過的功率，如果兩條路徑均能向負(fù)載15提供所需的功率，還需要依據(jù)開關(guān)操作次數(shù)最少的要求，選擇合適的恢復(fù)路徑。如圖6所示，要為負(fù)載15恢復(fù)供電，路徑fpt215需要進(jìn)行兩次操作，閉合斷路器10和啟動(dòng)功率變換器12，而adjt215需要進(jìn)行3次斷路器操作，閉合斷路器22、16，啟動(dòng)功率變換器12，所以選擇路徑fpt215作為負(fù)載15的恢復(fù)路徑。然后，LA15依次向BSBA10、SCMA12發(fā)送Accept Proposal消息。當(dāng)負(fù)載15成功恢復(fù)供電后，LA15向CCAgent回復(fù)Inform消息，表明負(fù)載15啟動(dòng)成功，CCAgent將LA15請求從待恢復(fù)集中清除；然后采用相同的過程，恢復(fù)負(fù)載21的供電。負(fù)載15、21恢復(fù)供電后的系統(tǒng)GTA模型如圖7所示。

圖7　情況1故障重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Network after reconfiguration for case 1

5.2 算例2：多條恢復(fù)路徑

與算例1同樣，當(dāng)組件11、17發(fā)生故障后，如圖8所示，母線5、32上的可用功率分別為18、15。在算例1中，當(dāng)LA15接收到路徑fpt215、adjt215上的組件Agent的Propose消息后，對這些Propose消息進(jìn)行評估后，發(fā)現(xiàn)路徑fpt215、adjt215中的任意一條恢復(fù)路徑均不足以為負(fù)載LA15提供所需恢復(fù)功率，而這兩條路徑的總功率卻可以滿足負(fù)載15的功率需求，則LA15可以向路徑fpt215、adjt215上的負(fù)載Agent，逆著路徑跡的方向，由遠(yuǎn)到近依次發(fā)送Accept Proposal消息，每條恢復(fù)路徑一次僅發(fā)送一條消息，即待收到響應(yīng)者Agent的Inform消息后，才向下一個(gè)Agent發(fā)送Accept Proposal消息。圖9為負(fù)載15恢復(fù)后的GTA模型圖。另外，從圖9還可以看出，兩條母線的可用功率不足于再為負(fù)載21提供恢復(fù)功率，則故障恢復(fù)工作停止。

圖8　情況2故障后的網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Network after fault for case 2

圖9　情況2故障重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)Fig.9 Network after reconfiguration for case 2

6 結(jié)論

本文采用圖跡分析方法建立了基于多Agent的艦船電力系統(tǒng)數(shù)字圖模型，這種建模、分析、計(jì)算和控制模式，避免了模型的緊耦合性，具有更快的計(jì)算速度，非常適用于分布式實(shí)時(shí)分析和控制。而且這種模型形式能夠反映電網(wǎng)的物理布局和組件之間的連接關(guān)系，能夠解決非線性、時(shí)變大規(guī)模系統(tǒng)的建模困難問題，可為設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)規(guī)劃人員、操作人員和可靠性工程師提供一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)視圖，這樣既減少了系統(tǒng)建模成本，又促進(jìn)了分工不同人員的協(xié)作，提高了工作效率。本建模、分析、計(jì)算和控制模式可應(yīng)用于具有監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)的各型艦船。

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尚安利 男，1971年生，博士，講師，主要研究方向?yàn)榇肮β使芾硐到y(tǒng)。

E-mail:sxsal001@sina.com（通信作者）

夏 立 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇半娏ψ詣?dòng)化。

E-mail:xiali1964@126.com

Research on Integrated System Model and Service Restoration Method for Warship Power System

Shang Anli1,2Xia Li1Wang Zheng1
（1.School of Electrical and Information Engineering Naval University of Engineering Wuhan 430033 China 2.State Key Labonitory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

AbstractRegarding the service restoration of shipboard electrical power system,a multi agent based modeling and service restoration method is presented.The system is modeled using multi agents,and there is a one-to-one correspondence between each agent in the model and each item（often equipment）modeled in the physical system.Each component in the system is represented by a set of voltage and current variables and equations that describe the component’s behaviors.Real-time data are attached to the model on-the-fly.GTA can decompose system into component-level and system-level object equations.The model avoids a global view or tight-coupling,in which topology changes and calculation can be handled locally.Then depending on negotiation and cooperation between various agents of the model,the power system service restoration problem can be solved.As a result,the proposed method can handle the service restoration issue of the systems with loops and arbitrary number of priority level load.Simulation results have verified the method.

Keywords：Graph trace analysis,service restoration,multi-agent system,integrated power system integrated system model

作者簡介

收稿日期2013-12-23 改稿日期 2014-08-26

中圖分類號：TM76