（电力系统及其自动化专业论文）客户变仿真模型及其柔性集成技术研究.pdf

a b s tr a c t t h ec u s t o m e rs u b s t a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h en e t w o r k t h es a f eo p e r a t i o no fi th a ss i g n i f i c a n t i m p a c to ns e c u r i n gt h en o r m a lf u n c t i o n i n go fn a t i o n a le c o n o m y r e c e n t l yt h et r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m sh a v e a l r e a d yb e e na l li m p o r t a n tm e a n so fp e r s o n n e lt r a i n i n g b e c a u s et h ew i r i n gi sd i v e r s i f o r ma n dt h es e c o n d a r y e q u i p m e n t sa r cv a r i o u si nc u s t o m e rs u b s t a t i o n ，t h et r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rc u s t o m e rs u b s t a t i o ns h o u l d b ea d a p t e dt od i f f e r e n td e m a n do ft r a i n i n gs i m u l a t i o n t oa p p l yt h ef l e x i b l es i m u l a t i o nm e t h o di nt h e t r a i n i n g s i m u l a t i o ns y s t e m , r e s e a r c ha n de m p o l d e rat r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rc u s t o m e rs u b s t a t i o nw h i c hc a nb e e a s i l ym a i n t a i n e d , e x p a n d e da n di n t e g r a t e dh a sas t r i n g e n tp r o c r e a t i v ea n de n g i n e e r i n gn e e da n da p p l i e dv a l u e t of i tt h ev a r i o u ss i m u l a t i o nd e m a n do fc u s t o m e rs u b s t a t i o n , t h i sp a p e rd e s i g n st h es i m u l a t i o ns y s t e mo f s o f t w a r e - o n l yp a t t e r n t h ew h o l es y s t e mh a sb e e ns e p a r a t e di n t os e v e r a ls i m u l a t i o nm o d u l e sa c c o r d i n gt o t h e i r f u n c t i o ni nt h ei d e ao fm o d u l a r i z i n gm o d e l i n g t h ep a p e rd e s i g n sf r a m e w o r ka n ds 劬c t u r eo ft h es i m u l a t i o n m o d e lb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fm u l - a g e n ts y s t e m i nr e s e a r c ho ft h ec a l c u l a t i o nm o d u l e ，ap o w e rf l o w a l g o r i t h mb a s e do np o w e rc o m p e n s a t i o na n df o r w a r d b a c k w a r ds w e e pm e t h o da n daf a u l tc a l c u l a t ea l g o r i t h m b a s e do ns u p e r p o s i t i o np r i n c i p l ea n ds y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o di sp r e s e n t e d n e n ，t h ep a p e rc a r r i e so u t ar e s e a r c hi nt h es i m u l a t i o no ft h er e l a ya n da u t o m a t i cd e v i c e s p r e s e n t sa na c t i o nl o g i cs i m u l a t i o nm o d e l w h i c hi sb a s e do nt h et i m es e q u e n c es w i t c h i n gn e t w o r k , a n dd e s i g n st h ed a t as t r u c t u r e f i n a l l y , t h ef l e x i b l e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h es i m u l a t i o ns y s t e m f o rc u s t o m e rs u b s t a t i o n ，a n dt h ef l e x i b l ei n t e g r a t i o no fs i m u l a t i o nm o d u l eb a s e do nc o m p o n e n tt e c h n o l o g yi s p r o p o s e dt a k i n gt h ed e s i g no f t h ep o w e rf l o wc a l c u l a t i o nc o m p o n e n ta n dt h er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c es i m u l a t i o n c o m p o n e n tf o re x a m p l e t h ef a c tp r o v e st h 巩t h em e t h o dt h a tt h i sa r t i c l ep r o p o s e st or e a l i z et h es i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so fs h o r td e v e l o p m e n t - c y c l e ，h i g he f f i c i e n c y , c o n v e n i e n ti n t e g r a t i o na n de a s ye x p a n d e d n e s s ，a n d h a st h ev e r ys t r o n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：c u s t o m e rs u b s t a t i o n ；t r a i n i n gs i m u l a t i o n ；m u l t i - a g e n ts y s t e m ；f l e x i b l ei n t e g r a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名：刁么舻。导师签名砂复 日期：0 乎够，i 第一章绪论 第一章绪论 由于电力系统运行的特殊性，运行中的事故和突发事件难以遇到，运行人员的事故处理能力在实际 系统中无法得到培训。电力系统培训仿真系统作为一种有效的培训电力系统运行人员的工具已得到广泛 应用。用于培训的仿真系统有火电机组的培训仿真、水电机组的培训仿真、调度员培训仿真、变电站培 训仿真等等。数十年的实践证明，这些培训仿真系统对于提高运行人员在正常状态下的监控能力，在异 常和事故状态下的正确判断和处理能力发挥了重要作用，取得了巨大的社会效益和经济效益。运行人员 利用培训仿真系统进行周期性的培训，并获得上岗资格已成为硬性措施。因此，培训仿真系统有着广阔 的应用前景，提供技术先进功能强大的培训仿真系统已成为必然趋势。 1 1 变电站培训仿真系统概述 变电站是电力系统的重要组成部分，变电站的安全可靠运行对维持电力系统的稳定运行和保证供电 的可靠性具有十分重要的意义。电力系统归根到底是一个人工制造的系统，需要人工的参与和决策，硬 件设施确定以后，运行人员的技术、经验、熟练程度和应变能力是影响电力系统安全运行的重要因素之 一。因此，需要周期性的对运行人员进行培训，增强他们对系统的了解，提高他们运行操作和事故处理 的技能。 由于电力系统的操作不允许随意进行，电力系统的故障又很少发生，不能在真实设备上进行实际操 作试验，更不允许设置一些事故让学员观察并进行处理，运行人员难以在实际的电力系统中得到充分的 训练。通过在图纸或模拟板上练习操作，可以培养运行人员的操作技能以及处理事故的能力，但因脱离 实际环境，缺乏真实感和整体感，受训学员没有身临其境的感觉，培训效果不佳。一旦事故来临，运行 人员往往不知所措，事故得不到及时处理，甚至造成事故扩大的现象时常发生。因此，建立一个与实际 变电站运行状况相同或相似的仿真环境来进行培训是十分必要的。 电力系统仿真培训技术是计算机技术与电力系统仿真技术相结合的产物，是进行电力系统知识教学 与培训的一种强有力的手段。国内外电力系统的培训仿真器从7 0 年代开始发展，开始主要集中在火电 厂机组，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。我国于1 9 8 2 年研制成功了第一套火电仿真机组， 期间电网调度仿真机和变电站仿真机也在开发，并从8 0 年代末期开始陆续建立了电网和变电站的仿真 培训系统，1 9 9 0 年研制出了第一台d t s 东北电网仿真系统。从9 0 年代中期开始，国内有关科研 单位和高等院校与运行单位相结合，对变电站仿真培训系统的研究和开发越来越多，一批5 0 0 k v 、2 2 0 k v 的变电站仿真培训系统相继建成，并取得了良好的效果。最初研制的变电站培训仿真系统沿用电厂仿真 的模式，创建仿真用的计算机工作站和硬件盘台，投资很大。随着新技术的产生和发展，变电站培训仿 真系统出现了仿真模式和培训模式多样化的景象。 从仿真系统组成模式上，主要分为盘台模式和纯软件模式。盘台模式是指用与实际变电站l ：l 的 控制屏和保护屏硬件组成变电站培训仿真系统的主控室和保护室。屏柜上的开关量和模拟量( 操作开关 把手、投退压板、小开关、保险和按钮等) 的变化通过数据采集卡送到后台计算机，后台计算机完成仿 真的实时计算，并用计算结果刷新屏柜上的模拟量( 表计指示) 和开关量( 光字牌、信号灯等) 。后台 计算机通常有多台，它们以网络的形式相互联接在一起，共同完成对控制屏和保护屏的检测和控制。纯 软件模式是指变电站内的所有控制屏、保护屏、室外和室内的主设备及主接线等全都用软件仿真，除计 算机外没有任何硬件。仿真系统由多台计算机组成，每台计算机配置不同的软件资源。图形界面软件可 按主控室、保护室、室内外电气设备原则划分，使它们分布在一台或几台计算机上。通常，图形界面软 件分布在1 台 2 台计算机上，作为一组学员台。可以设置多组学员台，这些学员台可以独立工作，也 可以受教员台统一管理。这样，可以同时培训多组学员，学员既可以自学也可以在教员指导下学习。采 用专用网线和图像声音传输卡可实现远程培训，学员可随时随地得到培训。 东南大学硕士学位论文 变电站形式多种多样，分散性很强，不可能为每个变电站都配备一套针对自身的培训仿真系统。通 常，仿真变电站的主接线不是一个特定变电站的接线方式，而是综合了一个地区的各电压等级的典型接 线，是一个虚拟变电站。站外等值为无穷大系统或一个虚拟的小网络，网络中包含几个变电站，每个站 等值为一个节点。这样，既能模拟虚拟站本身的运行工况和对外系统的影响，又能模拟站外系统的运行 工况对虚拟站的影响。当选择多个虚拟变电站时，还可以模拟站与站之间的相互影响。 不管是盘台模式还是纯软件模式构成的变电站培训仿真系统，从培训功能上都有正常运行监视及工 况调整培训功能、巡视培训功能、正常操作培训功能、事故仿真及处理培训功能和变电站知识学习培训 等功能。 1 2 变电站培训仿真系统的发展现状 变电站培训仿真系统的提出虽然已经有一段时间了，但由于电力系统中变电站的数目众多，而且早 期变电站容量不大，自动化水平较低，其运行操作的要求也不高，使得变电站仿真培训系统的作用没有 得到充分体现。但随着电力系统的发展，一些采用先进自动化技术的变电站投运，此外，随着国民经济 的发展，对供电的质量和安全性要求也越来越高，这就对运行人员提出了比较高的要求，也推动了变电 站培训仿真系统的研究与开发。 最先出现的变电站仿真系统主要采取带盘台的模式，典型的如天津大学和大港油田水电厂共同研制 开发的大港油田变电站仿真培训系统【5 】，该系统包括模拟控制盘、模拟继电器保护盘、配电装置、主接 线模拟操作盘和计算机控制仿真系统几部分。该模式占用空间较大，一般集中布置在培训中心内。随着 计算机技术、网络技术和多媒体技术的发展和基于微机平台和基于网络的变电站仿真系统( 这是一种全 软件模式的仿真) 的出现，学员的所有操作都可在计算机屏幕上完成。如南昌5 0 0 k v 站的仿真培训系 统1 6 1 ，整个系统只有计算机硬件、仿真软件和网络组成。该种方式更加灵活，可直接安装在现场，满足 各具体变电站仿真培训要求。 培训仿真技术的发展和相关领域技术的进步为变电站培训仿真提供了多种新的手段和方法，如面向 对象技术、人工智能技术运用。文献【7 】详细讨论了面向对象建模技术、面向对象方法学以及面向对象 技术的优越性。重点介绍了面向对象技术在潮流计算、电力系统仿真、电力系统安全分析与控制、数据 库、人机界面、人工智能、调度员培训仿真中的应用。文献【8 】使用面向对象建模技术来开发大型培- p i l 仿真系统，围绕对象来组织系统，使系统易于修改和扩充。文献【9 】介绍了一种通用的智能化的变电站 培训仿真系统，阐述了采用人工智能方法开发研制具有通用性、用户可维护性、智能性的在线式变电站 培训仿真系统的几个关键性问题，并给出了相应的实现方法。文献【1 0 】介绍了用于电气运行人员培- 0 1 i 的 动态仿真专家系统的设计思想、实现方法及其应用效果。它所开发的系统采用专家系统技术、动态计算 技术以及友好的人机接口技术，能够完成操作票自动生成、事故自动触发等任务，具有较好的智能性。 另一方面，可视化技术、图形图像技术、多媒体技术、虚拟现实技术的开发和应用为人机界面的虚拟模 拟提供了可能，采用虚拟软盘台取代硬件模拟盘台，完全可以达到基于实体仿真的效果，而且更加灵活， 性价比更高，尤其是对于变电站系统及设备原理的学习。文献【1 1 】采用虚拟软盘台技术，以全新的人机 界面替代传统的操作盘台，不仅具有良好的用户界面，易于受训人员接受和理解，而且降低了硬件成本， 增强了系统维护与扩充的灵活性，提高了性能价格比。 总的来说，当前变电站培训仿真技术己经日趋成熟，在仿真原理的改进，逼真程度的提高，先进技 术的不断运用以及系统的通用性与开放性上，都有了长足的进展，已经成为培养合格变电运行人员的有 力工具。 但是，目前对于客户变配电系统的仿真培训系统为数甚少，尤其是对能适用于客户变配电仿真不同 需求的仿真系统的研究更是风毛麟角。另一方面，客户变接线方式多样，二次设备类型繁多，每个用户 都建设一套仿真系统显然不经济也不合理。将仿真领域的柔性仿真方法应用到客户变仿真系统中，研究 开发可维护性、可扩展性和集成性强，系统升级方便，能适应于客户变仿真不同需求的仿真系统具有迫 切的生产工程需求和实际的应用价值。文献d r 将柔性仿真技术引入客户变配电仿真系统，并进行了相 关的研究，提出了层次化的系统软件体系结构，但对于整个客户变仿真系统模型体系的构建方法以及仿 2 第一章绪论 真模型实现和柔性集成的方法没有进行具体的阐述。 1 3 客户变配电柔性仿真培训系统 客户变电站是电网的重要组成部分，遍及各个地区，它们运行情况的好坏直接影响到工业企业单位 的正常运营及人民生活的稳定，是国民经济健康发展的保证。客户变电站与高压变电站相比，虽然在结 构上相似，但存在很多不同的特点，如客户变电站分布广泛、数量众多，接线方式多样，设备类型繁多 等。因此，客户变电站培训仿真系统的功能结构及开发过程与5 0 0 k v 以及2 2 0 k v 变电站培训仿真系统 也是即相似又有区别。 1 3 1 客户变配电柔性仿真培训系统概述 纯软件模式构成的变电站培训仿真系统硬件结构简单，造价低廉，可扩展性好，组成灵活，能根据 实际需要实现分布式或网络教室配置【1 2 】，同时接受多人培训。而且随着可视化技术、图形图像技术、 多媒体技术等现代计算机技术的发展，软件仿真的真实感也越来越好，完全可以达到基于实体仿真的效 果，而且更加灵活，性能价格比更高。客户变电站分布广，数最多，结构复杂，扩展性强，对其进行仿 真尤其适用纯软件模式的仿真系统，本文所研究的客户变柔性仿真培训系统正是由这种纯软件模式构成 的。 1 3 1 1 客户变配电培训仿真系统的仿真范围 客户变电站的仿真范围主要包括变电站一次系统仿真、二次系统仿真以及监控系统仿真。 一次系统仿真主要是对客户变电站内母线、线路、断路器、隔离开关、两绕组变压器、三绕组变 压器、电流互感器、电压互感器、负荷、电抗器、电容器、带电指示器、避雷器等一次设备的仿真，包 括设备状态、动作以及外观的仿真。 二次系统仿真主要是对变电站内站用电系统、直流系统、控制回路、继电保护装置、自动控制装 置、测量仪表、计量仪表、信号装置及绝缘监察装置等设备的仿真。包括各种二次设备的外观、功能以 及操作界面的仿真。 监控系统仿真对应客户变电站中的监控系统。监控系统虽然是一个软件系统，但是从系统仿真的 角度来看，监控系统的仿真是客户变配电培训仿真系统中的一部分。我们可以把监控系统作为一种特殊 的“二次设备”，像仿真二次设备一样，对其进行仿真。 1 3 1 2 客户变配电培训仿真系统的总体结构和特点 客户变配电培训仿真系统是为了对客户变电站运行人员进行培训而开发的。通过仿真客户变电站正 常及故障时的运行状态和操作，来提高运行人员对于日常操作的熟练程度以及故障处理能力。由此出发， 客户变配电培训仿真系统必须具备如下结构和特点： 仿真系统总体结构： 教员台仿真界面：教员通过该界面来进行仿真任务的设置、教案设置、培训管理和学员成绩评 估等教员功能。 学员台仿真界面：学员通过该界面来进行日常巡视、倒闸操作和事故处理等学员培训功能。 系统仿真程序：仿真客户变电站内一次设备、二次设备以及监控系统的运行状态和设备操作功 能。 数据库管理程序：对仿真数据库进行工程化管理。 系统组态平台：是整个客户变仿真系统的构建平台，通过该平台可以搭建出客户变的一次系统、 二次系统以及监控系统的整体模型。 3 东南大学硕士学位论文 二仿真系统特点 真实性，即仿真系统要真实地反映实际变电站中系统及各设备的运行状态，包括正常和故障条 件下母线电压、线路电流以及二次设备的保护动作等。这是最基本也是最重要的特点。 实时性。客户变培训仿真系统是一个实时的仿真系统，系统开发时，必须考虑仿真计算的实时 性能。 生动性。该系统是为人员培训服务的，因此必须要有生动形象的图形界面和声音效果，尽可能 地再现真实变电站现场的情景，这样才能取得良好的培训效果。 可维护、可扩展性。随着技术的进步和用电量的增加，客户变电站可能会进行相应的升级和改 造，因此，客户变培训仿真系统要有良好的可维护和可扩展性。 1 3 1 3 系统主要功能 1 培训功能 变电站培训仿真系统主要是为培训变电站运行人员而设计的，因此其功能应围绕变电站运行 人员的工作而设置。变电站运行人员的日常工作有以下几个方面： ( 1 ) 监视记录及调整工况； ( 2 ) 正常及事故巡视； ( 3 ) 正常倒闸操作和改变运行方式： ( 4 ) 事故处理及恢复操作； ( 5 ) 继电保护装置定值调整； ( 6 ) 变电站系统知识学习。 2 仿真系统功能 ( 1 ) 工程师教员台功能； ( 2 ) 就地站仿真功能； ( 3 ) 监控站仿真功能； ( 4 ) 控制保护模拟屏等屏柜系统仿真功能； 1 3 2 系统硬件结构 客户变配电柔性仿真系统硬件由服务器、教员机、多台学员机、网络设备构成，系统硬件结构如图 1 1 所示。 嬲器 凰霆 教员机 ，稽 囡：匿 若虞 学员机l ，鬻二翟；髑2 囡i 氍圜。匦国：星 蕊蘑搽磊露美蘸 学员机2学员机3学员机n 图1 - 1 系统硬件结构图 数据库服务器采用w m d o w s 2 0 0 0s e r v e r 或w i n d o w s 2 0 0 3s e r v e r 操作系统，并安装s q ls e r v e r2 0 0 0 作为数据库服务器，为仿真支撑和仿真运行提供数据。 4 第一章绪论 教员机由教员使用，完成教学任务，包括教案设置、仿真进程控制、故障设置、发送操作命令、学 员管理、学员考核评分等。 学员机是受训学员进行操作的地方，其分布在培训基地的局域网内。 数据库服务器、教员机和学员机之间通过i o i o o m 以太网连接。 1 3 3 层次化的系统软件体系结构 变电站培训仿真系统的设计是一项非常复杂的软件工程。要改善变电站仿真培训系统的适应性，必 须从系统结构入手，使模型、方法和系统等具有灵活可变的结构关系。为了满足客户变电站培训仿真柔 性构建的需要，系统采用了文献【1 3 】介绍的层次化的体系结构，该体系机构组要包括三个层次：仿真应 用层、仿真构造层、仿真组件层。仿真应用层是生成的具体仿真应用，它实现了特定客户变电站的仿真 培训功能。仿真构造层能够快速地使用下层仿真组件层提供的组件，通过组合这些组件并定义其交互， 以搭积木的方式建立被仿真客户交电站的原型，底层是仿真组件层，它是已经定义好的仿真模型组件。 其层次关系如图1 - 2 所示。 图1 2 层次化的系统体系结构 1 仿真组件层 仿真组件层位于层次化系统体系结构中的最底层，面向软件工程师，其主要作用是为上层结构提供 定义好的模型组件。所谓定义好的模型组件可以理解为两个方面的含义，一是对上层结构来说可以方便 的使用，二是对仿真组件层来说建立的模型具有可重用性和可扩展性，即建模的过程具有柔性。 仿真组件层首先按照客户变电站中设备元件的实际特点对模型进行了分类整理，其中一次设备模型 是对一次设备元件的抽象描述，二次设备模型是对二次设备元件和监控系统的抽象描述，除此之外，仿 真过程中所涉及的算法也将其模型化，形成一类特殊的算法模型。其中，二次设备模型还按照柔性化建 模的思想将其分为基本模型、组合模型、应用模型，以实现二次设备模型的可重用性和可扩展性。 2 仿真构造层 仿真构造层位于层次化系统体系结构的中间，面向系统工程师，其主要作用是根据下层定义好的模 型组件来构造实际的仿真运行系统。 实际客户变电站的搭建工作是通过该层设计的图形组态软件来完成的，图形组态软件通过使用仿真 组件层中定义的模型c + + 类来为用户提供可供操作的图形元素，系统工程师使用该软件来完成主接线 生成、二次设备生成、监控画面生成等客户变电站的搭建工作，并产生与其相对应的画面文件。随后， 图形组态软件将根据用户实际选择的图形元素，在对象模型模板中找到与其相对应的对象模型类，根据 该对象模型类所定义的属性、参数等信息，将其实例化，并将结果保存在仿真运行数据文件中，供仿真 运行时使用。由此可实现客户变电站仿真培训系统建模过程的柔性化 3 仿真应用层 东南大学硕士学位论文 仿真应用层位于层次化系统体系结构中的最项层，面向教员、学员。在这一层实现了客户变配电仿 真培训应用框架中所定义的应用部件，这些应用部件根据仿真构造层的构造结果，同时利用仿真引擎提 供的接口服务，实现了客户变电站的仿真培训功能。 应用部件是构成客户变配电仿真培训应用的实际功能部件，教员和学员通过对应用部件的实际操作 来完成客户变电站的仿真培训任务。各个应用部件在仿真引擎的协调下，共同实现一个具体的客户变配 电仿真培训应用。 1 4 论文的意义 客户变是电网的重要组成部分，遍及各个地区。客户变运行情况好坏直接影响到工业企业单位的正 常运营及人民生活的稳定，是国民经济健康发展的保证。客户变运行人员的培训面广量大，以2 0 0 4 年 为例，0 4 年南京地区社会电工复审培训7 0 5 4 人、取证培训2 6 1 1 人，南京供电公司电工复审培训4 0 6 人、取证培训2 7 4 人。但目前客户变值班员培训方式落后，远不能满足电力行业对运行人员培训的需求。 据了解，目前国内开发的变电站事故仿真培训系统，一般都是针对某一特定的变电所开发的，这种 针对具体变电所开发的仿真系统通用性较差，且不易于扩展和维护，使其推广受到了限制，尤其是对 于数量众多、设备类型繁多的客户变电站更加难以得到应用。为此本文将柔性仿真技术应用到客户变配 电仿真培训系统的实际开发过程当中，在层次化的系统软件体系结构的基础上，提出了基于多a g e n t 的仿真系统模型体系结构，将a g e n t 及多a g e n t 理论引入到变电站培训仿真系统中来，利用多a g e n t 的概念和方法设计一种新型的变电站培训仿真系统的仿真模型。这种仿真模型结构具有分布式、良好的 交互性、高度的柔性和敏捷的反应性等特点，能够较好地适应客户变仿真系统复杂并且开放的仿真环境， 相比传统的建模方法，可以更好地实现培训仿真功能。本文重点介绍了客户变培训仿真系统的两个重要 仿真模块仿真计算模块和继电保护及自动装置仿真模块的设计和开发过程，研究了能适应客户变培训 仿真需求的仿真计算和保护逻辑算法，并开发了相应的软件程序。最后，本文讨论了仿真模型柔性化集 成的方法，采用组件对象模型( c o m ) 技术对各仿真模型进行柔性集成和封装，使所建立的仿真模型 具有良好的独立性和可重用性，并增强客户变配电仿真培训系统的适应性、扩展性和集成性。 1 5 本论文完成的工作 本文的主要t 作及成果如下： ( 1 ) 在分析研究客户变培训仿真系统功能和结构的基础上，从柔性化模型构建的角度出发，提出了基于 多a g e n t 的客户变仿真系统建模方法，将整个仿真系统分解成多个既相对独立，又相互作用、相互 通信的仿真a g e n t ，设计了基于多a g e n t 的仿真系统模型的总体框架结构以及各仿真a g e n t 的内部 结构，并设计了各仿真a g e n t 间的通讯与协作机制； ( 2 ) 讨论了仿真计算模块的设计与开发。首先介绍了仿真计算模块的功能与组成，然后根据客户变培训 仿真系统的特点，重点对潮流计算与故障计算子模块的算法进行了研究，给出了适应该仿真需要的 潮流和故障算法，并实现了该算法，实际应用表明，计算结果满足仿真应用需求； ( 3 ) 讨论了继电保护及自动装置仿真模块的设计与开发。阐述了保护装置仿真策略和仿真模型的设计， 提出了基于时序开关网络的继电保护动作逻辑仿真算法，设计了继电保护仿真的数据结构并开发实 现了该仿真模块； ( 4 ) 将组件对象模型( c o m ) 技术应用到该仿真系统的开发中，将设计的仿真模型组件化、集成化， 并设计适当的接口为用户提供服务，以潮流计算模型和继电保护装置仿真模型为例，详细阐述了仿 真模型的组件化集成和接口的设计。 6 第二章基于多a g e n t 的仿真系统模型构建 第二章基于多a g e n t 的仿真系统模型构建 2 1 客户变柔性培训仿真系统建模及模型的设计目标 客户变培训仿真系统是以真实的客户变电站为原型，用软件方法在计算机上模拟变电站内一次设 备、二次设备以及监控系统的形态、功能、运行状态以及人员操作，从而能让受培训人员进行变电站虚 拟运行和控制的培训型仿真系统。除了能够仿真变电站内各设备以及整个系统的功能和状态外，作为一 个培训系统，它还必须有培训系统的基本功能，如培训管理功能、教案设置功能以及学员成绩评定功能 等。由此可见，客户变培训仿真系统是一个功能和结构相当复杂的庞大系统，对其进行建模时必须采用 模块化的建模方法，先按照一定的规则将整个系统分解为几个相对独立的模块，然后再对这些模块建立 详细的模型，最终构成整个系统的模型体系。从实现的仿真功能不同来分，整个客户变培训仿真系统可 分为以下几个仿真模块： ( 1 ) 教员台仿真模块 ( 2 ) 一次系统仿真模块 ( 3 ) 继电保护及自动装置仿真模块 ( 4 ) s c a d a 系统仿真模块 ( 5 ) 实时数据库管理模块 ( 6 ) 配置数据库管理模块 ( 7 ) 通讯模块 ( 8 ) 系统仿真控制模块 其中，教员台仿真模块实现培训管理、教案设置、成绩评定等教员台功能；一次系统仿真模块实现 变电站一次系统的分析与计算功能，包括正常运行时的潮流计算和故障条件下的计算功能；继电保护及 自动装置仿真模块实现变电站控制室内各保护和控制装置的仿真，它是学员进行虚拟操作的主要平台， 学员通过该模块模拟变电站控制室的巡视和操作；s c a d a 系统仿真模块实现变电站监控系统的功能；实 时数据库管理模块实现仿真系统实时数据库的管理和操作功能，为其它仿真模块提供有关实时数据库访 问的服务；配置数据库管理模块提供有关系统配置数据库操作的服务；通讯模块负责仿真系统各模块间 的本地通讯以及远程通讯功能：系统仿真控制模块是整个仿真系统的指挥和调度中心，负责控制、协调 各仿真模块的运行。 为了使整个客户变培训仿真系统能够有条不紊的运行，并且系统具有良好的适应性、可维护性和可 扩展性，各仿真模块的设计有如下目标和要求： ( 1 ) 各模块要有充分的独立性 ( 2 ) 各模块之间能够进行通讯 ( 3 ) 各模块能够进行合作和协调 ( 4 ) 各模块具有良好的可维护性和可扩展性 代理( a g e n t ) 和多代理技术是一种新兴的人工智能技术，是目前a l 和计算机领域最活跃的研究内 容之一。从2 0 世纪9 0 年代初开始，多代理技术开始被广泛应用于电力系统各领域，到本世纪初期，其 应用已经遍及分布式负荷预测计算、电力系统保护系统设计与仿真、动态环境中的电力系统故障定位以 及火型电力系统控制中心分布式系统等方面，并都取得了良好的效果。由于多代理系统( m a s ) 对开 放、动态的现实环境具有良好的灵活性和适应性，本文将多代理技术和多代理系统应用到客户变培训仿 真系统中，设计了基于多a g e n t 的客户变仿真系统模型体系结构，使整个仿真系统具有良好的开放性和 灵活性，系统中的仿真模型具有较好的交互性、高度的柔性和敏捷的反应性等特点。 7 东南大学硕士学位论文 2 2a g e n t 技术及多a g e n t 系统 2 。2 1 智能a g e n t 的概念与特点 a g e n t 的概念出现2 0 世纪7 0 年代的人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t , a d 中【h l ，8 0 年代后期才成长起 来。由于分布并行处理技术、面向对象技术、多媒体技术、计算机网络技术，特别是i n t e r a c t 和w w w 技术的发展。a g e n t 成为a i 和计算机领域最活跃的研究内容之一。a g e n t 技术已在许多领域广泛展开， 如分布式人工智能、机器人学、人工生命、分布式对象计算、人机交互、智能和适应性界面、智能搜索 和筛选、信息检索、知识获取、终端用户程序设计等。目前学术界仍没有对“a g e n t ”的确切含义达成 一致意见。 s t a n f r a n k l i n 对a g e n t 的定义是：a g e n t 是位于某一特定环境中并且其自身是该环境的组成部分之一 的一种实体系统，它能够感知环境的变化并通过相应的行为作用于环境以达到其自身的目的。该定义强 调了a g e n t 的智能和自治属性。j e r m i n g s 和w o o l d d d g e 在描述a g e n t 属性时强调了a g e n t 的三个属性， 即情景性( s i t u a t e d n e s s ) 、自治性( a u t o n o m y ) 和适应性( a d a p t a b i l i t y ) 。他们认为a g e n t 就是处于某个环境 中的计算机系统，该系统接收来自环境的传感输入并执行行动，以某种方式改变其所处的环境；自治性 是指a g e n t 能够在没有人或其他a g e n t 直接干预的情况下持续运行，并能采取灵活自主的行动控制和改 变自身的行为与内部状态；适应性是指a g e n t 能够对其感知到的环境变化做出反应，能够与共处相同情 境中的人或其他a g e n t 进行社交活动。 概括起来a g e n t 具有如下特点： ( 1 ) 自主性( a u t o n o m o u s ) ； ( 2 ) 智能性( i n t e l l i g e n c e ) ； ( 3 ) 反应性( r e a c t i v i t y ) ； ( 4 ) 柔性( f l e x i b i l i t y ) ： ( 5 ) 适应性( a d a p t a b i l i t y ) ； ( 6 ) 交互性( i n t e r a c f i v i t y ) 。 2 2 2 智能a g e n t 结构模型 从建造a g e n t 的角度出发，单个a g e n t 的结构通常分为慎思型a g e n t 、反应型a g e n t 和混和型a g e n t 三种【15 】： ( 1 ) 慎思型a g e n t ( d e l i b e r a t i v ea g e n t ) 建造a g e n t 的经典方法是将其看作是一种特殊的知识系统，即通过符号a l 的方法来实现a g e n t 的 表示和推理。这就是所谓的慎思型a g e n t 。慎思型a g e n t 能够模拟或表现出被代理者具有的所谓意识态 度( i n t e n t i o n a ls t a n c e ) ，如信念、愿望、意图、目标、承诺、责任等。r a t ) a n dg e o r g e f f 提出著名的b d i ( b e l i e f d e s i r e i n t e n t i o n ：信念一愿望一意图) 模型， 在该模型中用信念、愿望、意图这三类意识态度来刻画 a g e n t 的结构，并最终通过规划库来研究b d i 模型的抽象性质和推理过型1 4 】 ( 2 ) 反应型a g e n t ( r e a c t i v ea g e n t ) 反应型a g e n t 包含了感知内外部状态变化的感知器，一组对相关事件作出反应的过程和一个依据感 知器所获信息来激活某过程执行的控制系统。反应型a g e n t 的支持者认为，a g e n t 不需要知识，不需要 表示，也不需要推理。a g e n t 可以像人类一样逐步进化，a g e n t 的行为只能在现实世界与周围环境的交 互作用中表现出来。 ( 3 ) 混合型a g e n t ( h y b r i da g e n t ) 反应型a g e n t 能及时而快速地响应外来信息及环境变化，但其智能程度较低，也缺乏足够的灵活性。 8 第二章基于多a g e n t 的仿真系统模型构建 慎思型a g e n t 具有较高的智能，但无法对环境的变化作出快速响应，而且执行效率相对较低。混合型 a g e n t 综合了二者的优点，具有较强的灵活性和快速响应性。 从当前的研究和应用状况来看，慎思型a g e n t 占据主导地位，反应型a g e n t 的研究和应用尚处于初 级阶段。混合型a g e n t 由于集中了上述两种a g e n t 的优点而成为当前的研究热点。 a g e n t 的基本结构如图2 1 所示，由局部感知模块、执行模块、决策模块、信息处理模块、通信模 块和知识库等组成。 局部感知模块、执行模块和通讯模块负责a g e n t 与环境和系统内其它a g e n t 进行交互，接收信息， 并把经决策模块推理得到的结果施加于外部环境。 信息处理模块负责对感知和接收到的信息进行初步地加工、处理和存储。 决策模块是赋予a g e n t 智能的关键部件。它运用知识库中的知识对信息处理模块处理得到的外部信 息和其它a g e n t 的通讯信息进行进一步的分析、推理，制订决策。 通信模块是a g e n t 与系统中其它a g e n t 进行交互的桥梁。 执行模块根据决策模块得到的决策结果执行预定义的操作。 知识库存放了a g e n t 所有自身的局部信息以及与其它a g e n t 实现协作问题求解所必须具备的各种知 识。 一、 a g e n t 一毒 口由仃d ，l l 拦；自 k 埘挺 士h l 一 局鄙感 7 l 1 - 思处鞋俣扶r | 一 境 知模块 一l 、，赢 通 其它 信 +呻 a g e n t ，一 资 执行 决策 令 0 ” 模块 模块b 2 2 3 多a g e n t 系统 图2 - 1a g e n t 的典型结构 由于单个a g e n t 的知识、能力是有限的，可以通过某种合理的体系组织结构将多个a g e n t 组织起来， 形成一个多a g e n t 系统，从而弥补单个a g e n t 知识、能力不足的缺陷。多代理系统m a s ( m u l t i a g e n t s y s t e m ) 就是一些自主的a g e n t 通过遵守某种协议来完成某些任务，或达到某些目标而构成的系统。这 些a g e n t 的结构可能是相同的，也可能是异质的，它们在物理上或逻辑上是分散的，其行为是自治的， 但他们彼此之间能相互通信，通过交互与合作解决超出单个a g e n t 能力或知识范围的问题，完成一些更 为复杂的工作。 多代理系统是一个由多个a g e n t 组成的分布式的、可扩展的、合作的系统，提供了一种普遍、开放、 一致的框架结构，支持各种业务的开发。多智能代理系统是由多个可计算的智能代理组成的集合，其中 每个智能代理是一个物理的或抽象的实体，能作用于自身和环境，并与其它智能代理通讯。多智能代理 技术是人工智能技术的一次质的飞跃。首先，通过智能代理之间的通讯，可以开发新的规划或求解方法， 用以处理不完全、不确定的知识；其次，通过智能代理之间的协作，不仅改善了每个智能代理的基本能 力，而且可以从智能代理的交互中进一步理解社会行为；最后，可以用模块化的风格来组织系统。如果 说模拟人是单智能代理的目标，那么模拟社会则是多智能代理系统的最终目标。 m a s 体系结构是指系统中a g e n t 之间的信息关系和控制关系，以及问题求解能力的分布模式。在 早期的m a s 研究中己经有许多经典的组织结构如：d a v i s r 和s m i t h r g 提出的合同网概念【1 6 】，l e s s e r vr 和c o r k i1 1 d d 提出的功能精确、协作求解模型【1 7 】。张士杰、郭宏伟从通信的角度出发，提出三 种多代理系统的体系结构【l 卅等。到了9 0 年代，人们对m a s 的研究更注重多a g e n t 协作，多a g e n t 的 9 东南大学硕士学位论文 知识、意图、规划、行为协调甚至到达协作是m a s 研究的主要目标。其中比较著名的结构有：m 结 构【例、o m a rb e l a k h d a r l 2 0 j 提供的m a s 的开发平台( c o p r o m 合作协议建模) 、s i m - a g e n t 系统提 供的a g e n t 开发工具集以及d a i s y 的面向对象的d a i 系统1 2 1 1 等等。 总结这些已有的研究，m a s 主要有以下几种典型结构，如图2 - 2 所示： ( 1 ) 智能主体结构( 如图2 - 2 a ) ：m a s 中每个a g e n t 是完全自治的、独立的、平等的。若采用招 标、竞标方式，则一般设立一个任务报告板，公布任务。 ( 2 ) 联邦式结构( 如图2 - 2 b ) ：系统中的代理组成若干联邦，每个联邦都有一个管理a g e