多代理技術在弱點評估和控制方面的應用資料

1、多代理技術在弱點評估和控制方面的應用作者 : Juhwan Jung,Chen-Ching Liu.Abstract - Power systems can become vulnerable due to human errors, natural calamities, impacts of power markets, and cascading events caused by hidden failures of protective devices. Tbe technologies of intelligent agents and multi-agent system are

2、proposed for handling of complex, dynamic, and distributed systems. This paper reports a multi-agent system that provides preventive and corrective self-healing strategies to avoid catastrophic failures of a power system. This paper is focused on the agent technology and multi-agent system specifica

3、tions.Keywords -Intelligent system, vulnerability assessment, power infrastructure摘要 :電力系統(tǒng)會因為許多原因變得脆弱 : 比如人為故障 ,自然災難 ,電力市場的沖擊和由保護 裝置的內(nèi)在缺陷引起的級聯(lián)故障 .智能代理和多代理技術被建議應用于控制復雜的動態(tài)分布 系統(tǒng) .本論文涉及如何應用多代理系統(tǒng)來提供有預防性和自愈功能的策略,以避免電力系統(tǒng)災難性事故的發(fā)生 .本論文集中介紹代理技術和多代理系統(tǒng) .關鍵詞 :智能系統(tǒng) ,弱點評估 ,電力基礎設施I. 引言災難性故障可能由人為因素 ,計算系統(tǒng)（軟件或硬件系統(tǒng) ）故障

4、,通信系統(tǒng) ,電力 系統(tǒng)組件或保護控制裝置引起 .當電力系統(tǒng)面臨大范圍停電威脅時 ,系統(tǒng)被認為處 于脆弱狀態(tài) .電力系統(tǒng)脆弱性的潛在原因可以被歸為內(nèi)部原因和外部原因 .外部原 因包括人為因素 （例如人為破壞 ,操作失誤 , 市場博弈等等 ）和自然災難 （例如地震 , 龍卷風 ）.內(nèi)部因素包括電力網(wǎng)故障 ,通信或信息故障和不合適的電力系統(tǒng)建模與 評估 1.當電力系統(tǒng)組件發(fā)生故障時 ,保護系統(tǒng)（比如繼電器 ）會將故障部分隔離 .然而, 當繼電器有潛在缺陷時可能會引起電力系統(tǒng)災難性的事故 2.如果電力系統(tǒng)因為某些特殊或偶然事件變得脆弱 ,必須有一種有預防性的自 愈策略來減輕或隔離該事件引起的后果和可

5、能的級聯(lián)停機.然而 ,由于這種自愈控制的動作 ,電力系統(tǒng)的某些部分可能會運行在次最佳狀態(tài) .,為了讓這部分能在最 佳狀態(tài)運行 ,必須提供一種有糾正能力的自愈策略 .這兩種策略共同保證系統(tǒng)的安 全運行 .有關電力系統(tǒng)弱點和繼電器潛在缺陷的具體論述參見 1;操作人員在控制中心 （例如能源管理系統(tǒng) ）借助精確的軟件模型來實施操作 . 因此 ,大部分電力系統(tǒng)的實時信息必須被傳送到控制中心 .然而,潛在故障的發(fā)現(xiàn) 和該故障發(fā)生之間的時間可能過短以致來不及集中控制.電力系統(tǒng)由生產(chǎn) ,傳輸和分配子系統(tǒng)組成 ,對應各子系統(tǒng)的服務是分類定價的 .也就是說 ,調度,操作和控制 不再集中 .因此需要一個智能分部式控

6、制系統(tǒng)來對大規(guī)模的復雜的電力系統(tǒng)進行 實時動態(tài)控制 .3近來在分布式人工智能 （DAI） 方面的研究已經(jīng)集中于多代理系統(tǒng) （MAS）,MAS 是把解決問題 （或做出決定 ）的各個代理集中運作使得整體效果高于 各個單獨代理 4. 該研究已經(jīng)促進數(shù)字計算技術的發(fā)展 ,該技術能有效應用于基 于由多代理技術的分布式控制系統(tǒng)的設計這些代理在系統(tǒng)環(huán)境中互相競爭或/并 合作電流控制技術和策略僅限于本地子系統(tǒng)；如果電力系統(tǒng)基于大范圍控 制,1996兩次大停電就能被避免5.在大范圍工業(yè)應用中，例如大范圍網(wǎng)絡(例如傳 輸，電力系統(tǒng),通信)管理中，管理和控制子系統(tǒng)被自然分配在網(wǎng)絡的各個節(jié)點這個 任務需要大量軟硬件工

7、具多代理系統(tǒng)的性能決定于各個不同代理間的交互作用.代理間的合作能比各自獨立運行產(chǎn)生更好的效果.然而，由于各個代理的自治能力，各個代理的結果必 須協(xié)調并解決不同結果間的沖突.另一個難題是多代理系統(tǒng)的調和性必須基于各 代理的自治.也就是說,各代理必須交換各自的資源，知識和決定來決定由哪個代 理處理子問題.一個方法是賦予各代理之間協(xié)調決定的能力.KQML(Knowledge Query and Man ipulatio n Lan guage和 FIPA(F oun dati on for In tellige nt Physical Agents)是流行的代理通訊語言6-7.論文的其余部分闡述一個

8、多代理系統(tǒng)的框架，具有自愈策略以防止電力系統(tǒng) 受各種弱點的擾亂.本論文也闡述了多代理系統(tǒng)中各代理間的交互作用.該系統(tǒng)(SPID)正由先進能源技術協(xié)會(APT)開發(fā)(APT由華盛頓大學，亞利桑那州大學，愛 荷華州大學和弗吉尼亞工學院組成).II.多代理技術1970年代中期，DAI的研究者們開始開發(fā)基礎理論，體系和實驗來證明復雜系 統(tǒng)中各個部分如何交互作用.結果顯示系統(tǒng)智能和理性的行為不是由獨立的計算 實體產(chǎn)生，而是由實體間的交互作用產(chǎn)生8.代理是模擬理性行為并具有在獨特 領域相互通信來實現(xiàn)共同目標的實體.和常規(guī)軟件系統(tǒng)不同的地方是這些代理不是被管理而是各自運行的.此外多代理系統(tǒng)和常規(guī)軟件系統(tǒng)之間

9、還有其他一些不同點本節(jié)簡要討論多代理相較傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)所具有的優(yōu)點，列于表1和表2.表格中 的對比可能因不同系統(tǒng)而不適用于某些環(huán)境.表1多代理和專家系統(tǒng)的比較TABLE 1. Age nts versus Expert Systems代理專豕系統(tǒng)自控能力多代理集合一些狀態(tài) 并自主做出決定專家系統(tǒng)能解決問題或者 在某學科幫助人類操作.一 些專家系統(tǒng)需要人員操作9;反應能力多代理能通過傳感器 感知環(huán)境并根據(jù)環(huán)境 變化實時反應專家系統(tǒng)通過人工產(chǎn)生的 數(shù)據(jù)庫來獲取信息10.合作能力代理之間通過代理通 訊語言互相作用.它們 能通過合作來解決冋 題或通過談判來達到 共同的目標.一些專家系統(tǒng)能互換信息 和決疋

10、，但僅限于預先設計 的程度.通訊語言是”符號 級”程丿予對程序協(xié)議表2面向代理和面向對象程序技術對比TABLE 2. Age nt-orie nted versus Object-orie nted Programmi ng Tech nique面向代理程序面向對象程序自控能力多代理具有自控能力.多 代理應要求觸發(fā)而做出 決定.對象可以具有自控能力.對象 調用方法來做出決定.交互作用代理間的交互是動態(tài)有 彈性的.當環(huán)境改變時， 多代理的結構能適應環(huán) 境變化.一個代理的通訊 能隨環(huán)境變化.對象間的交互由程序員固定.系統(tǒng)性能多代理系統(tǒng)中各代理的 行為是協(xié)調的.也就是 說,每個代理有獨自的任 務控制

11、.面向對象模型中，系統(tǒng)只有一 個任務控制.合作能力代理需有合作，競爭或者 談判的能力.在標準面向對象結構中沒有 該能力的具體規(guī)范.如表1表2所示多代理和常規(guī)軟件系統(tǒng)間有很多重要的不同點 ，但多代理技 術是由人工智能和面向對象技術發(fā)展而來的.多代理概念是為解決普通技術無法 解決的復雜問題而設計的.III多代理系統(tǒng)(MAS)體系MAS是由多樣化的具有自治能力的軟硬件實體組成的，具有如下特征：*每個代理具有完全解決本地問題的能力，但缺乏達到整體目標的能力，*每個代理有獨立的數(shù)據(jù)輸入/輸出通道，因此整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是分散的，*沒有全局管理系統(tǒng)控制，但一組代理有一個協(xié)調方案來解決各代理的決定間 的沖突問題

12、.*代理們做決定的過程是異步的基于上述需求，本節(jié)從多代理系統(tǒng)的結構方面來分析.SPID系統(tǒng)中有兩種不 同的代理形式(此后稱為SPIDMAS)一個是認知能力的代理另一個是有反應的代 理.一個認知代理具有認知基礎，具備所有數(shù)據(jù)以及如何執(zhí)行任務的方法，能和其 他代理及環(huán)境間交互作用.MAS中包含反應代理，每個代理無需具有獨立智能，但 整個系統(tǒng)能根據(jù)設計好的協(xié)調規(guī)劃來解決負責問題.SPIDMAS中的反應代理工作于刺激反應狀態(tài)，這些代理根據(jù)規(guī)則和邏輯做出反應，因此,一個有反應能力的MAS有一個精準的環(huán)境模型.因為一個反應性的MAS在負責環(huán)境中的編碼和維持 代價高昂，因此該系統(tǒng)不適用于大范圍控制應用然而,

13、一個反應性的MAS對本地 控制很合適因為該系統(tǒng)的反應速度很快12.包容結構由Brooks提出13該結構為自動機械控制系統(tǒng)的快速反應而設 計.自動機械的傳感指示器必須對激勵器的指令快速地做出指示包容結構由幾個垂直分布的階層組成，上層的代理能運用抑止信號阻止下層代理的決定或者動 作.包容結構基于 Markov域,即在任何時間，都能根據(jù)現(xiàn)階段環(huán)境狀況推論出接 下來的最佳決定在Brook體系中，只有反應代理用于短期推理過程SPIDMAS遵循包容結構理論但SPIDMAS&能執(zhí)行長期計劃編制（例如弱點評 估）.也就是,下層代理只控制本地系統(tǒng)，如果有需要管理全局的，上層代理能阻止 下次代理的控制SPIDMA

14、S有三層,示于圖1.最下層是反應層，存在于所有本地子系統(tǒng)，執(zhí)行需 要立刻反應的預設自愈合行為中層（協(xié)調層）代理通過運用知識基礎，檢查由反 應層接受的事件或警報是重要如果突發(fā)結果超過了一個極限值，協(xié)調層的代理 能允許該事件傳遞到最上層代理，例如,決策層協(xié)調層的另外一個任務是更新電 力系統(tǒng)的模型因為決策層的代理不是始終對現(xiàn)狀響應，決策層和電力系統(tǒng)現(xiàn)狀間會有矛盾因此協(xié)調層把決策層的計劃/決定和實時模型校檢如果該計劃和真 實世界模型不一致，協(xié)調層能是決策層修改計劃決策層的計劃對于反應層的代 理可能過于濃縮因此協(xié)調層分析決策層的計劃并分解后變?yōu)閷嶋H控制信號電力系統(tǒng)圖1 SPIDMAS混合結構Fig. 1

15、. The Hybrid SPIDMAS ArchitectureSPIDMAS數(shù)學方程式為：SPIDMAS = E, S, A, Al, Op , 和E (environment) := Op X Scurrent l E(Snew)=0pl,0pl, Opn) X S1, S2,.S1,其中* E是環(huán)境,即具有容量的一個空間* A是代理的集合 A=al, a2, . . . ak,* AA 是問題解決中的活動代理的集合， AA=aal, aa2, . . . aam, m k, AA A* S是代表當前環(huán)境狀態(tài)的一組有限元 S= s, s2, . . . si上述定義表明：當活動代理AA執(zhí)

16、行一組動作Op,環(huán)境使SPIDMAS從當前狀態(tài) Scurrent變化到下一狀態(tài)Snew.符號代表MAS和環(huán)境間相互作用產(chǎn)生的狀態(tài) 變化函數(shù) .IVSPIDMAS 中的軟件多代理圖2說明SPID系統(tǒng)的軟件多代理結構.如上節(jié)所述，混合性SPIDMAS的審議能 力被用于弱點評估和自愈策略的開發(fā) .最低層對系統(tǒng)混亂快速反應 ,最高層從全局 分析整個系統(tǒng) .如果有需要 ,最低層的動作能被上次阻止 .例如 ,一個保護代理 （存在 于反應層 ）根據(jù)本地目標使斷路器跳閘 ;然而 ,如果其他代理 （位于決策層 ）根據(jù)全局 阻止了跳閘，那么保護代理的動作會被阻止.SPIDMAS中的每個代理是互相獨立 的并且努力達

17、到各自目標 .然而,整個系統(tǒng)能由前后交互合作達到全局目標 .各個 軟件代理角色的定義如下 .參考1有更具體的解釋 .* 保護代理 ： 每個代理保護表現(xiàn)為計算機保護裝置 （ 例如繼電器 ）.* 發(fā)生代理:每個發(fā)生代理提供一組包含 MW和MVA輸出值和其他相關控制系統(tǒng) 的數(shù)據(jù) .* 故障隔離代理 : 一個故障隔離代理能分析故障或者干擾 , 然后把檢查結果傳 遞到事件 / 警報過濾代理 .* 頻率穩(wěn)定代理 : 頻率穩(wěn)定代理是頻率反應和控制動作間精確關系的模型 .* 事件 / 警報過濾代理 : 這種代理過濾電力系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)來得到必須數(shù)據(jù) .* 模型更新代理 : 這種代理更新當前實時模型并檢查決策層的

18、計劃 （ 命令） 是否 反應系統(tǒng)的當前狀態(tài) .* 命令翻譯代理 : 決策層的命令被翻譯后識別成具體的動作 .* 事件鑒定代理 : 當這個代理發(fā)現(xiàn)擾動 , 它檢查網(wǎng)絡的停機范圍 .* 弱點評估代理 : 一組弱點評估代理持續(xù)分析系統(tǒng)弱點并計算出弱點索引 . 每 個代理也考慮到潛在故障監(jiān)視代理所監(jiān)控的潛在故障 .* 通訊弱點評估代理 : 該代理持續(xù)監(jiān)考網(wǎng)絡通訊狀況或從通訊代理傳送的請求 計算通訊弱點索引并將其傳送到通訊代理或事件檢查代理 .* 通訊代理 : 當通訊系統(tǒng)變得脆弱 , 自愈合代理能控制網(wǎng)絡中的路由器 , 使危急 控制信號能有高優(yōu)先權得到處理 .* 重置代理 : 該模型包含自愈合算法 ,

19、能在系統(tǒng)處于脆弱狀態(tài)時施行例如絕緣 控制或負載切斷等重置動作 .弱點評估代理可靠性驚張評估連陰性溝在故隨監(jiān)控 代理申牛檢茂代理jA計劃代理 j 出蝕譚厲賣世理1阻止信號b 4電力生產(chǎn)代理1 nrw .it rfir-5自控, 快連 控制對戦翔信號Fig. 2. The Software Agents in the SPIDMAS.* 潛在故障監(jiān)控代理：該代理持續(xù)監(jiān)控電力系統(tǒng)中的故障來源（例如：繼電器, 發(fā)電機和負載）,來確定弱點來源.* 復位代理:該代理以運用一般復位方法的復位算法為模型.* 計劃代理:該代理解決由決策層中各代理做出的計劃和決定間的沖突問題，同時鑒定最佳的計劃或決定切換順序.V

20、.SPIDMAS中代理間的合作性交流即使每個代理間是互相獨立的，一個多代理系統(tǒng)能通過合作性交流來達到全 局目標.本節(jié)討論合作性交流來證明整個系統(tǒng)如何運用自愈合策略使電力系統(tǒng)減 少弱點.本節(jié)中所有提到的代理示于圖2.下面的交互作用按照FIPA規(guī)范7編碼.*反應層的交互作用保護代理檢測故障并采取相應控制信號來隔離故障.故障事件被轉椅到故障隔離 代理.上標 代表發(fā)送代理，漲示接受代理.首單詞表示通訊行為的關鍵詞,引 用符號中的詞表示交互作用的主題.Inform保護代理(S),故障隔離代理(R),”故障事件”* 協(xié)調層的交互作用模型更新代理時刻根據(jù)和事件 / 警報過濾代理來更新電力系統(tǒng)模型 .一旦命令

21、解 釋代理收到?jīng)Q策層的計劃 , 命令解釋代理要求模型更新代理檢驗該計劃 .模型更 新代理把正確計劃提供給命令解釋代理 . 如果該計劃過時 , 命令解釋代理要求事 件/預警過濾代理去觸發(fā)決策層的代理修改該計劃下面的關鍵詞(SK)是一種次 交流動作關鍵詞 , 表示交互作用的目的 . 一下交互作用能用如下公式表示 :Inform Event /Alarm Filtering Agents), Model UpdateAgent(R), “current states of the power systemRequest Command Interpretation Agent(s), ModelUp

22、date Agent R,) Check _Validity(sK),plans ”) 通知事件/預警過濾代理(S)，模型更新代理(R),電力系統(tǒng)現(xiàn)狀” 需求命令解釋代理(S)，模型更新代理(R)，檢查合法性(SK),”計劃”* 決策層的交互作用一旦事件檢查代理被觸發(fā)，它要求弱點評估代理計算弱點索引(VI).同時，潛在故障 監(jiān)控代理提供弱點區(qū)域和潛在故障信息給弱點評估代理.弱點索引被發(fā)送到事件檢查代理并發(fā)送到其他代理 (例如重置代理或復位代理 ).重置代理提供的自愈合 動作被傳遞到計劃代理 .在計劃代理安排好計劃的最佳順序后,它將計劃發(fā)送到協(xié)s), Vulnerability“ vi rtua

23、l tmheodpeolwoef r systems),“ vuilndeeraxbility調層的命令解釋代理 .需要注意的是 ,通訊弱點評估代理也計算一個通訊弱點索引 并要求通訊代理去識別一個預防 /糾正動作 ,以使通訊系統(tǒng)故障的影響最小化 .一 些交互作用方程式如下 :RequestEvent Identljication Agent Assessment Agent(R), Calculate VI(SK), Broadcast Event Identcation AgentSubmit Reconfiguration Agents), Planning Agent(R), lans需

24、求事件檢查代理(S)，弱點評估代理(R)，計算VI(SR),”電力系統(tǒng)虛擬模型” 傳播事件檢查代理(S),”弱點索引”遞交重組代理(S)，計劃代理(R),”計劃”VI 結論SPID多代理系統(tǒng)要達到下列目標：* 有能力從不同來源獲取并翻譯實時信息 .* 有快速計算電力和通訊系統(tǒng)弱點的能力 , 來減輕故障的影響* 能根據(jù)系統(tǒng)評估調整保護裝置的性能* 能運用預防性和糾正性的自愈合動作來重組電網(wǎng) ,一般的,一個能源管理系統(tǒng)(EMS)控制中心鑒別弱點來源，并采取措施使系統(tǒng)安全 然而，當一個電力系統(tǒng)的大小和結構快速變化時，EMSS統(tǒng)的開放性和彈性很有 限.SPIDMAS勺主要目的是運用多代理系統(tǒng)技術使自治

25、代理能快速采取本地動作 自愈合計劃能通過合作/交互作用代理來提供.本論文也檢查了 FIPAffi訊語言在 代理間交流的可行性 . 既然每個代理獨立運行 , 系統(tǒng)能有效運行 .例如, 反應層的 代理能最小化干擾的沖擊 ,即使決策層的代理無法提供自愈合動作 ,反之宜然 .多代理系統(tǒng)中的代理需要系統(tǒng)的重要知識和信息 . 在開發(fā)階段 ,組隊合作難 以決定.多代理概念并沒有減少常規(guī)算法在電力系統(tǒng)分析中的應用 ;它的目標是 提供組隊策略來解決動態(tài)環(huán)境中的復雜問題 .VII. ACKNOWLEDGEMENTThis research is sponsored by Electric F ower ReIsn

26、esatitructhe and the U.S. Department of Defense through the Initiative on Complex Interactive Netwcmks / Systems(W08333-01). The authors would like to acknowledge the contributions of the APT Consortium team members and the guidance from Drs. Massoud Amin and Robert Launer. The authors also thank Dr

27、. Jal.nes McCalley and Mr. Vijayanand Vishwanathan at Iowa State for their contributions in the development of the proposed multiagent technology.VIII. REFERENCES1 C. C. Liu, J. Jung, G. T. Heydt, V. Vittal, and A. G. Phadke,“ Conceptual Design of the- Strategic PoweInfrastructure Defense(SPID) Syst

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