王娟娟 王宏安

1(中國(guó)科學(xué)院軟件研究所 北京 100190)

2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(wjuanj89@126.com)

隨著智能電網(wǎng)、信息技術(shù)和新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，風(fēng)電、光伏等可再生能源的迅速建設(shè)以及電動(dòng)汽車等儲(chǔ)能設(shè)備的快速出現(xiàn)，傳統(tǒng)電網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷”三個(gè)固化環(huán)節(jié)正在向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”互動(dòng)協(xié)調(diào)的智慧能源新型運(yùn)營(yíng)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)變[1].能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，強(qiáng)有力地推動(dòng)了新能源革命的發(fā)展.能源互聯(lián)網(wǎng)以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將不同種類的電力網(wǎng)絡(luò)(如火電、核電、風(fēng)電等)、能源網(wǎng)絡(luò)(如天然氣管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)等)、信息網(wǎng)絡(luò)(如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等)、交通網(wǎng)絡(luò)等多種類型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了多種能源形態(tài)協(xié)同轉(zhuǎn)化、集中式與分布式能源協(xié)調(diào)運(yùn)行的超大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[2].因此，能源互聯(lián)網(wǎng)具有3個(gè)特點(diǎn)：

1) 彈性發(fā)電、優(yōu)質(zhì)供應(yīng).能源互聯(lián)網(wǎng)需要盡可能以可再生能源替代傳統(tǒng)能源，并以需求為向?qū)?，通過(guò)智能化管理實(shí)現(xiàn)按需供電、階梯電價(jià).

2) 多能融合、雙向流動(dòng).能源互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)Σ煌问降哪茉催M(jìn)行高效協(xié)同，將太陽(yáng)能、核能、化學(xué)能與常規(guī)能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，減少棄風(fēng)、棄水、棄光等棄網(wǎng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能源的最佳使用.

3) 高度自治、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài).以微網(wǎng)為代表的分布式發(fā)配電系統(tǒng)將成為電力網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，減少了輸配電能量損耗，提升冗余電力備份.同時(shí)，以電動(dòng)汽車為代表的大量移動(dòng)、小型儲(chǔ)能設(shè)備的接入，使電網(wǎng)具有較強(qiáng)的供需雙側(cè)隨機(jī)性變化.

可以看出，能源互聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行涉及到電力、物流、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多種知識(shí)領(lǐng)域，需要極高的自動(dòng)化、智能化的管理和調(diào)度系統(tǒng).同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)是多種網(wǎng)絡(luò)的融合，必然存在“遺傳”的安全漏洞.一旦遭受攻擊，后果不堪設(shè)想.文獻(xiàn)[3]已經(jīng)在傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)中闡述了自愈系統(tǒng)相關(guān)概念和主體結(jié)構(gòu).自愈系統(tǒng)在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)以預(yù)防為目標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障；在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)修復(fù).但該文并未提出自愈系統(tǒng)的具體軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式.隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能電網(wǎng)中的自愈系統(tǒng)需要進(jìn)一步考慮分布式發(fā)電設(shè)備、電動(dòng)汽車等對(duì)電網(wǎng)造成影響.類似地，能源互聯(lián)網(wǎng)新增的多種能源轉(zhuǎn)換、多種網(wǎng)絡(luò)融合及客戶體驗(yàn)提升等需求，給其自愈系統(tǒng)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)性，具體表現(xiàn)在3個(gè)方面：

1) 智能化程度要求更高.能源互聯(lián)網(wǎng)日常運(yùn)營(yíng)涉及多種知識(shí)領(lǐng)域，其安全操作已逐步不能滿足于手工操作、程序化操作.自愈系統(tǒng)必須內(nèi)置覆蓋多領(lǐng)域的專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行安全操作.

2) 安全性要求更高.能源互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是安全攸關(guān)系統(tǒng)[4]，不論是日常操作還是應(yīng)急故障處理，都必然進(jìn)行大量甚至海量的安全操作.這些安全操作將在不同的節(jié)點(diǎn)、不同設(shè)備上執(zhí)行，并且其次序和執(zhí)行時(shí)間有著嚴(yán)格的規(guī)定.一旦指令在錯(cuò)誤的設(shè)備上執(zhí)行、在錯(cuò)誤的時(shí)刻執(zhí)行、執(zhí)行時(shí)間超長(zhǎng)、執(zhí)行次序錯(cuò)誤都可能帶來(lái)嚴(yán)重的故障，造成巨大的損失.

3) 實(shí)時(shí)性要求更高.能源互聯(lián)網(wǎng)需要在廣域地域內(nèi)，對(duì)多種行業(yè)領(lǐng)域、海量個(gè)體設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息采集和指令下發(fā).同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行“開關(guān)”、“增減”、“并串”等物理操作，每一個(gè)操作都有相應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度.因此，在自愈系統(tǒng)對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行緊急處置的時(shí)候，其自動(dòng)執(zhí)行修復(fù)操作序列必須根據(jù)當(dāng)前的故障狀態(tài)、信息網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等多種狀態(tài)才能形成真正有效的方案.如某個(gè)設(shè)備與自愈系統(tǒng)控制中心的通信鏈路網(wǎng)絡(luò)擁塞，指令無(wú)法及時(shí)下發(fā)和執(zhí)行，則整個(gè)修復(fù)操作序列是無(wú)效方案.

因此，在能源互聯(lián)網(wǎng)中的自愈系統(tǒng)，必須能夠在全局時(shí)空范圍內(nèi)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)采集，并根據(jù)物理設(shè)備的特性、地域的特性、信息網(wǎng)絡(luò)的特性，通過(guò)智能化的專家系統(tǒng)綜合考慮、進(jìn)行決策.本文針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)和給電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的安全需求和截止期限，給出了一套初步的解決方案.主要貢獻(xiàn)有3點(diǎn):

1) 我們提出了一種帶有截止期實(shí)時(shí)約束的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)基于多智能體進(jìn)行處理的機(jī)制和可供參考的軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu).在系統(tǒng)中加入了帶有截止期約束的故障鏈和安全操作樹，以在一個(gè)完整調(diào)度周期內(nèi)求解出有效的修復(fù)解決方案，并且以總修復(fù)時(shí)間最短、持續(xù)的故障鏈長(zhǎng)度最短為目標(biāo)，以遍布電網(wǎng)中的多智能體為控制手段，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)故障進(jìn)行緊急處置.

2) 針對(duì)具有實(shí)時(shí)截止期約束條件下的安全操作序列求解問(wèn)題，提出了一種基于多智能體的混合關(guān)鍵性調(diào)度任務(wù)模型.當(dāng)故障發(fā)生并將信息傳遞到自愈系統(tǒng)控制中心時(shí)，故障鏈節(jié)點(diǎn)將被激活.在其對(duì)應(yīng)的安全操作樹(即解決故障的操作方法集合)中，根據(jù)物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)狀況、地域分布等多種特性，求解有效的安全操作序列.此后，系統(tǒng)會(huì)下發(fā)有效安全操作序列到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中駐留的智能體代理，讓這些代理去執(zhí)行這些安全操作.如果在其截止期實(shí)時(shí)約束之內(nèi)能夠完成執(zhí)行，后續(xù)可能產(chǎn)生的故障將被避免.

3) 本文給出了電網(wǎng)自愈多智能體進(jìn)行混合調(diào)度的方法，給出了優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，用混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)模型求解；并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了智能電網(wǎng)自愈多智能體混合關(guān)鍵性調(diào)度方法有效地增加了故障結(jié)點(diǎn)安全操作處理的成功率(平均17.74%)，并減少了故障鏈?zhǔn)降暮罄m(xù)觸發(fā)率(平均7.72%).

1 相關(guān)概念

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念

能源和環(huán)保是人類生存和發(fā)展的兩大主題，也是相互影響和相互制約的矛盾.隨著“霧霾”、“酸雨”等環(huán)境污染問(wèn)題的不斷加劇，以石油和煤炭為核心的化石能源時(shí)代必須進(jìn)行改變，形成了以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心、以新能源和化石能源為互補(bǔ)的“能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[5]”.能源互聯(lián)網(wǎng)將以可再生能源為主要能量供應(yīng)方式，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量流與信息流實(shí)時(shí)流動(dòng)，多種能源供應(yīng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)及能源技術(shù)、信息技術(shù)高度耦合的新型能源利用體系[6].

可以看出，與傳統(tǒng)電網(wǎng)、智能電網(wǎng)有所不同，能源互聯(lián)網(wǎng)將匯聚“火電”、“水電”、“核電”、“風(fēng)電”、“光伏”多種能量的相互轉(zhuǎn)化，并以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)、以電力系統(tǒng)為中心，將電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)、交通、建筑系統(tǒng)等緊密耦合，橫向?qū)崿F(xiàn)電、氣、熱、可再生能源等“多源互補(bǔ)”，縱向?qū)崿F(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)高度協(xié)調(diào).可以預(yù)計(jì)，能源互聯(lián)網(wǎng)將對(duì)電力、運(yùn)輸、信息[7]等諸多方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響.

能源互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的地域如此之廣、能源類型如此之多、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模如此之復(fù)雜，如何通過(guò)自動(dòng)化、智能化的系統(tǒng)，在全網(wǎng)范圍內(nèi)構(gòu)建能夠快速自我修復(fù)的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)，就變得更加重要.

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)中的智能化自愈系統(tǒng)

自愈系統(tǒng)能夠在日常運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)自我控制、預(yù)防和故障恢復(fù)的功能.電網(wǎng)自愈系統(tǒng)是對(duì)電網(wǎng)的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、核心設(shè)備中的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視和測(cè)量，能夠快速準(zhǔn)確地評(píng)估當(dāng)前的健康狀態(tài)，選取恰當(dāng)?shù)目刂撇呗圆⑦M(jìn)行有效執(zhí)行.當(dāng)電網(wǎng)經(jīng)受擾動(dòng)或故障時(shí)，自愈系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行故障檢測(cè)、隔離、恢復(fù)供電來(lái)進(jìn)行自我修復(fù).文獻(xiàn)[8]提出了電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)分模塊的設(shè)計(jì)方案及自愈時(shí)間、自愈率等評(píng)價(jià)指標(biāo).但是，該文僅僅是“記錄”電網(wǎng)從發(fā)出警報(bào)信號(hào)到自愈完成的時(shí)間長(zhǎng)度，并未在系統(tǒng)中引入與自愈修復(fù)動(dòng)作相關(guān)的時(shí)間約束和次序約束.

能源互聯(lián)網(wǎng)電網(wǎng)的自愈系統(tǒng)是在日常運(yùn)行過(guò)程中能夠維持能源互聯(lián)網(wǎng)橫向能源轉(zhuǎn)換和縱向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”配電的正常運(yùn)行，同時(shí)盡量提升可再生能源和清潔能源的能效，實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行.當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，將根據(jù)故障發(fā)生的原因找到備選的解決方案，并根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的物理狀態(tài)求解出有效的安全操作序列，并進(jìn)行執(zhí)行.自愈系統(tǒng)將通過(guò)部署在全網(wǎng)范圍的智能硬件設(shè)備和軟件代理，對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)上傳，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷預(yù)測(cè)和判斷當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)用和能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的一切可用資源，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障.

1.3 多智能體的基本概念

由于能源互聯(lián)網(wǎng)本身的復(fù)雜性和多知識(shí)領(lǐng)域相互交織，因此，僅僅采用人工的方式進(jìn)行調(diào)度和修復(fù)時(shí)無(wú)法滿足電網(wǎng)自愈的要求；同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)還具有分布式[9]、自管理的特性，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，有可能在局部上具有能夠完成電網(wǎng)自愈的資源和能力.

多智能體系統(tǒng)由多個(gè)可以既彼此獨(dú)立又可以相互協(xié)作的智能體組成.其中，智能體具有自治性、交互性、協(xié)作性、主動(dòng)性等特點(diǎn).在多智能體系統(tǒng)中，智能體可以根據(jù)自己的目標(biāo)，結(jié)合已有的知識(shí)，規(guī)劃出需要采取的行為，并通過(guò)與其他智能體的通信協(xié)商來(lái)完成某項(xiàng)特定的任務(wù)[10].多智能體技術(shù)可以通過(guò)智能體間協(xié)作解決單個(gè)智能體無(wú)法獨(dú)立完成的復(fù)雜任務(wù)，提高了系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力.目前多智能體技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、交通控制、智能機(jī)器人、面向智能體軟件開發(fā)等領(lǐng)域[11].

隨著技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同領(lǐng)域的多智能體系統(tǒng)越來(lái)越多，因此，用多智能體系統(tǒng)構(gòu)建電網(wǎng)自愈系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，而且在智能電網(wǎng)中基于多智能體構(gòu)建電網(wǎng)自愈系統(tǒng)已有相應(yīng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn)[12]考慮微網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)的影響，提出了“2-3-10”的自愈控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了自愈控制的仿真，能夠使配電網(wǎng)保持在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，并提供良好質(zhì)量的電能.該文雖然給出了基于智能體的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并引入了實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模塊，在當(dāng)前時(shí)刻對(duì)下一個(gè)時(shí)間周期的電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是，并未考慮到在電網(wǎng)故障已經(jīng)出現(xiàn)時(shí)且對(duì)修復(fù)時(shí)間有強(qiáng)制性要求時(shí)，如何進(jìn)行快速修復(fù).文獻(xiàn)[13]提出了基于多智能體的智能配電網(wǎng)分層保護(hù)思路，并且融入了免疫算法，完成電網(wǎng)的自愈控制.該文的配電系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)為關(guān)聯(lián)矩陣并進(jìn)行矩陣運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)故障的隔離.但是，該文是通過(guò)將物理節(jié)點(diǎn)抽象為節(jié)點(diǎn)模型并進(jìn)行故障識(shí)別運(yùn)算的，考慮到了空間受限的問(wèn)題，但未引入受限于操作時(shí)間、操作序列固定的修復(fù)動(dòng)作的計(jì)算和編排.

但是，在能源互聯(lián)網(wǎng)中這種安全攸關(guān)的領(lǐng)域中，電網(wǎng)自愈系統(tǒng)對(duì)操作時(shí)間的要求十分嚴(yán)格.一個(gè)小小的時(shí)延可能會(huì)造成重大的災(zāi)難.目前，雖然已經(jīng)有不少成熟的多智能體平臺(tái)被不斷設(shè)計(jì)與開發(fā)，如JADE，Mobile-C，JACK等，但是這些平臺(tái)并沒(méi)有提供對(duì)實(shí)時(shí)的支持，無(wú)法保障電網(wǎng)內(nèi)任務(wù)的實(shí)時(shí)約束.能源互聯(lián)網(wǎng)的日常維護(hù)需要進(jìn)行大量甚至海量的安全操作，這些安全操作將在不同地域、不同設(shè)備上執(zhí)行，并且其次序和執(zhí)行時(shí)間有著嚴(yán)格的規(guī)定.

目前，只有少數(shù)研究針對(duì)多智能體平臺(tái)提出了實(shí)時(shí)性方面的改進(jìn)，如設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)多智能體平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)以優(yōu)化平臺(tái)內(nèi)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間、為平臺(tái)中任務(wù)引入截止期屬性使任務(wù)盡可能在截止期內(nèi)完成等.然而這些工作都無(wú)法對(duì)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，也就無(wú)法保證任務(wù)的截止期約束，從而限制了多智能體平臺(tái)在實(shí)時(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用.更進(jìn)一步地，基于多智能體平臺(tái)，如何實(shí)現(xiàn)在操作時(shí)間受限、操作序列受限的硬實(shí)時(shí)環(huán)境下進(jìn)行規(guī)則調(diào)度，保證在事故截止期到達(dá)前完成全部安全操作序列，防止事故的進(jìn)一步惡化是一個(gè)新的問(wèn)題，并逐步成為當(dāng)前實(shí)時(shí)調(diào)度領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

隨著智能電網(wǎng)系統(tǒng)或能源互聯(lián)網(wǎng)的日趨復(fù)雜，電網(wǎng)安全操作越來(lái)越涉及多知識(shí)領(lǐng)域的交織，本文提出電網(wǎng)自愈多智能體混合實(shí)時(shí)調(diào)度方法，對(duì)電網(wǎng)自愈過(guò)程中的安全運(yùn)行和故障處理提出減少后繼故障的實(shí)時(shí)性需求，要求在此過(guò)程中同時(shí)滿足保證不同關(guān)鍵性的故障鏈截止期和安全操作樹截止期.

2 多智能混合實(shí)時(shí)電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)中對(duì)多智能體電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的需求

圖1展示了能源互聯(lián)網(wǎng)主要運(yùn)行模式，能源互聯(lián)網(wǎng)在“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”之間有著緊密的合作和銜接；同時(shí)，自愈系統(tǒng)在全網(wǎng)范圍內(nèi)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)[14]技術(shù)，對(duì)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)遍布全網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的智能體進(jìn)行信息采集和設(shè)備操控.

Fig. 1 The concept of energy Internet圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)的概念圖

能源互聯(lián)網(wǎng)的自愈系統(tǒng)日常運(yùn)行的內(nèi)容包括：

1) 多種能源的轉(zhuǎn)換控制.自愈系統(tǒng)將通過(guò)發(fā)電廠與清潔能源進(jìn)行不同時(shí)間段、不同地域的協(xié)調(diào)互補(bǔ)；同時(shí)，不同能源還能夠通過(guò)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，提升能源利用率.

2) 協(xié)調(diào)電廠并網(wǎng).遍布在廣泛地域的光伏、風(fēng)能或類似可再生能源發(fā)電廠的發(fā)電效率和時(shí)長(zhǎng)并不穩(wěn)定，需通過(guò)與主干電網(wǎng)互補(bǔ)協(xié)作，才能在保證穩(wěn)定供電的基礎(chǔ)上，降低一次性能源消耗，提升用電效能.

3) 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)調(diào)度.在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，用電負(fù)荷側(cè)被認(rèn)為是固定的、具有周期性或可預(yù)測(cè)的.但是隨著電動(dòng)汽車、蓄電池等儲(chǔ)能的需求，用電側(cè)也是可以進(jìn)行配置的.因此，自愈網(wǎng)絡(luò)需要主動(dòng)地對(duì)用電負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行控制，引導(dǎo)用戶主動(dòng)使用可再生能源，提升用電效能.

4) 故障處理.自愈網(wǎng)絡(luò)在發(fā)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠快速定位故障位置，診斷故障原因，執(zhí)行修復(fù)方案.

Fig. 2 The architecture of self-heal system圖2 自愈系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

因此，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的需求滿足3方面的要求：

1) 高速高效地實(shí)時(shí)監(jiān)控.能夠在能源互聯(lián)網(wǎng)中涉及到的相關(guān)領(lǐng)域都具有足夠、及時(shí)的信息收集、傳遞、執(zhí)行的能力.如供熱系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)、微網(wǎng)系統(tǒng)中，都需要有傳感節(jié)點(diǎn)采集和傳遞信息，并且有智能軟件代理接收和執(zhí)行操作指令.

2) 智能化任務(wù)計(jì)算系統(tǒng).能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具有高速通信網(wǎng)絡(luò)及云端信息處理系統(tǒng)，能夠完成大量復(fù)雜的并行任務(wù)處理，用于對(duì)全網(wǎng)范圍內(nèi)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并計(jì)算出相應(yīng)的電力維護(hù)和異常處理任務(wù)序列以完成任務(wù).

3) 符合實(shí)際情況的硬實(shí)時(shí)操作序列推理.在日常維護(hù)(特別是故障緊急處理)過(guò)程中，自愈系統(tǒng)需要對(duì)各種關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行諸如“開關(guān)”、“增減”、“并串”等物理操作.其中，每項(xiàng)操作都有相應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度，并且，多項(xiàng)操作之間存在先后次序.因此，自愈系統(tǒng)必須正確計(jì)算出在當(dāng)前狀態(tài)下，滿足一定時(shí)長(zhǎng)、一定次序的安全操作序列，并下發(fā)給智能代理進(jìn)行執(zhí)行.

可以看出，能源互聯(lián)網(wǎng)必須具有高速高效的通信網(wǎng)絡(luò)、足夠的計(jì)算能力、遍及全網(wǎng)的神經(jīng)感知末梢硬件基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)合理的、可實(shí)現(xiàn)的軟硬件系統(tǒng)，執(zhí)行正確的任務(wù)序列.

本文將重點(diǎn)在第3節(jié)中討論在具備以上硬件的條件下，如何實(shí)現(xiàn)避免后繼故障的硬實(shí)時(shí)任務(wù)序列的生成和執(zhí)行.

2.2 基于多智能體的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的整體框架

多智能體電網(wǎng)自愈系統(tǒng)由大量可計(jì)算的、駐留在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的智能代理組成，系統(tǒng)內(nèi)的智能體既彼此獨(dú)立又可以相互作用.不同的智能體之間可以進(jìn)行通信、交互.

圖2展示了多智能體電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的概貌，包括了橫向、縱向和垂向：

1) 從橫向上看，包括了不同領(lǐng)域內(nèi)的智能體代理，如電網(wǎng)系統(tǒng)、電廠系統(tǒng)、微網(wǎng)系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)等，在每個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，都會(huì)有與本領(lǐng)域知識(shí)相關(guān)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行管控.

2) 從縱向上看，包括了不同層次的代理，如中央級(jí)代理、區(qū)域級(jí)代理.

3) 從垂向上看，包括了不同地域的智能體代理，如不同省市、不同地區(qū)、不同小區(qū)的智能體代理.

圖2給出的僅是一個(gè)參考架構(gòu)，其本質(zhì)上是一個(gè)自相似圖形系統(tǒng)，在省內(nèi)、市內(nèi)、區(qū)縣內(nèi)甚至小區(qū)內(nèi)都能以類似的軟件架構(gòu)為參考，實(shí)現(xiàn)分層、分級(jí)、分區(qū)域的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”互通協(xié)作.

本文的重點(diǎn)是提出和論證自愈系統(tǒng)中需要加入實(shí)時(shí)截止期約束，提出求解方法，這里并不針對(duì)每個(gè)知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)的智能體系統(tǒng)進(jìn)行具體軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).在此，僅對(duì)每種領(lǐng)域抽象出3類智能代理用于完成基本的功能，包括通信代理、信息采集代理和命令執(zhí)行代理.

能源互聯(lián)網(wǎng)的多智能體自愈系統(tǒng)日常工作可以抽象為若干任務(wù)的計(jì)算、分配、下發(fā)和執(zhí)行，如圖3所示.電網(wǎng)自愈系統(tǒng)包括決策和執(zhí)行2個(gè)層面.決策層包括信息預(yù)處理系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和實(shí)時(shí)截止期約束推理機(jī).信息預(yù)處理系統(tǒng)用于完成信息的收集、去掉冗余信息和矛盾信息，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定性判斷.

Fig. 3 The process of self-heal system圖3 自愈系統(tǒng)工作流程

電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的主要工作流程包括：

1) 在能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”中各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中部署的智能代理，通過(guò)相關(guān)傳感器收集相應(yīng)的信息，并上傳到該分級(jí)決策系統(tǒng).

2) 該級(jí)的決策系統(tǒng)將會(huì)先對(duì)收集的信息進(jìn)行處理，去偽存真，而后判斷當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)是否正常.如果正常，將在安全操作樹中計(jì)算需要執(zhí)行的日常維護(hù)操作任務(wù)；如果發(fā)生故障，將在安全操作序列樹中計(jì)算需要執(zhí)行的日常維護(hù)操作任務(wù).

3) 計(jì)算符合當(dāng)前狀態(tài)需要的任務(wù)序列，并將任務(wù)序列進(jìn)行實(shí)時(shí)截止期約束下的計(jì)算.如當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，對(duì)應(yīng)的故障鏈上的結(jié)點(diǎn)將被觸發(fā)；推理機(jī)將根據(jù)故障結(jié)點(diǎn)在安全操作樹求解安全操作序列，當(dāng)安全操作序列的操作時(shí)間滿足故障結(jié)點(diǎn)時(shí)間截止期時(shí)，則視為成功操作序列；若該操作序列不滿足，則求解新的操作序列；若所有求解的操作序列均不能滿足截止期，則視為該故障結(jié)點(diǎn)無(wú)法及時(shí)自動(dòng)修復(fù)，后繼的故障結(jié)點(diǎn)也將被觸發(fā).此時(shí)，將已觸發(fā)故障結(jié)點(diǎn)和后繼結(jié)點(diǎn)的截止期疊加，并以改截止期求解新的安全操作序列.

4) 向智能代理下發(fā)符合條件的任務(wù)序列進(jìn)行執(zhí)行，完成工作周期內(nèi)的任務(wù).

專家系統(tǒng)中包括了能源互聯(lián)網(wǎng)涉及到的各種領(lǐng)域知識(shí)，我們將其抽象為3個(gè)集合：故障鏈集合、正常狀態(tài)集合和安全操作樹集合.

故障鏈集合是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的故障狀態(tài)，每一個(gè)故障狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度，在此定義為截止期，如果不能在截止期完成，將引發(fā)新的故障.不屬于故障鏈的集合將屬于正常狀態(tài).安全操作樹包括了日常維護(hù)和故障處理的全部安全的任務(wù)處理序列，以有向圖的方式進(jìn)行存儲(chǔ).

任何一個(gè)故障鏈或正常狀態(tài)鏈，都至少對(duì)應(yīng)了一個(gè)安全操作樹中的一個(gè)完整操作序列子樹；當(dāng)對(duì)應(yīng)的智能代理完成全部操作序列后，該故障排除；如果不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，故障無(wú)法排除，并產(chǎn)生新的故障，故障鏈進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，需要完成更多的安全操作序列，如圖4所示:

Fig. 4 The mapping between fault chain and security operation tree圖4 故障鏈和安全操作樹的映射

由于電網(wǎng)自愈系統(tǒng)是分級(jí)系統(tǒng)，在每一級(jí)中具有相應(yīng)的決策系統(tǒng)，對(duì)該級(jí)別以下的所有區(qū)域、所有領(lǐng)域內(nèi)的代理進(jìn)行集中式協(xié)調(diào)，由該決策系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)自愈系統(tǒng)需要完成的日常維護(hù)或故障處理目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃和分配.

本文將電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的行為抽象成為電網(wǎng)自愈多智能體混合關(guān)鍵性實(shí)時(shí)調(diào)度下的實(shí)時(shí)推理系統(tǒng)，并通過(guò)多智能體進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行實(shí)現(xiàn).

本文的先期工作在文獻(xiàn)[15]中有所描述.該文對(duì)已有的多智能體平臺(tái)AgiBuilder進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)建了原型系統(tǒng)，可以運(yùn)算和執(zhí)行硬實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù).本文在此基礎(chǔ)上，針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)，提出和設(shè)計(jì)了基于多智能體的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)軟件架構(gòu)，以落實(shí)圖2所示的橫向(多種知識(shí)領(lǐng)域的融合)和縱向(多層級(jí)控制調(diào)度)電網(wǎng)自愈過(guò)程.

首先，在縱向上，電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的多智能體包括設(shè)備級(jí)、小區(qū)級(jí)、中央級(jí)3種層次.在3種層次中，分別對(duì)應(yīng)著不同知識(shí)領(lǐng)域的智能體進(jìn)行相互協(xié)作和集中決策.

1) 設(shè)備級(jí)智能體，即能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備中部署的智能體.具體包括產(chǎn)線智能體、管網(wǎng)智能體、轉(zhuǎn)儲(chǔ)智能體，作用有3點(diǎn)：

① 產(chǎn)線智能體.部署在電廠、微網(wǎng)、化工廠等能源生產(chǎn)場(chǎng)所，完成數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和指令接收.當(dāng)發(fā)生故障時(shí),可通過(guò)專用裝置隔離和消除故障，減少損失.

② 管網(wǎng)智能體.在多種管網(wǎng)中的核心裝置中部署智能體，完成管線狀態(tài)實(shí)時(shí)采集、管線的開關(guān)等功能.

③ 轉(zhuǎn)儲(chǔ)智能體.在儲(chǔ)能設(shè)備和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備中部署智能體，用于完成儲(chǔ)能、能源轉(zhuǎn)化過(guò)程的監(jiān)控.

在設(shè)備級(jí)智能體這一層次中，在各自領(lǐng)域設(shè)備中部署的智能體的設(shè)計(jì)與設(shè)備類型有關(guān)，軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)各有不同，核心目標(biāo)是完成對(duì)該類設(shè)備的監(jiān)控.

2) 小區(qū)級(jí)智能體，即可以匯聚該區(qū)域內(nèi)設(shè)備級(jí)代理回傳的信息并進(jìn)行處理.當(dāng)小區(qū)級(jí)智能代理在收集本區(qū)域的信息后發(fā)現(xiàn)某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，將立即進(jìn)入修復(fù)過(guò)程；如果依靠本小區(qū)無(wú)法解決問(wèn)題時(shí)，將會(huì)向中央級(jí)智能代理發(fā)送資源協(xié)調(diào)請(qǐng)求.

在小區(qū)級(jí)智能體這一層次中，各知識(shí)領(lǐng)域的智能體軟件結(jié)構(gòu)是類似的，主要的區(qū)別在于內(nèi)部的操作邏輯不同；每一領(lǐng)域的智能體擁有該領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)以及故障事件到安全操作的映射法則.

3) 中央級(jí)智能體，即在一個(gè)廣泛區(qū)域內(nèi)掌控較充分資源的智能體.在收到小區(qū)級(jí)智能體資源協(xié)調(diào)需求后，中央級(jí)智能體將根據(jù)相應(yīng)預(yù)案進(jìn)行快速資源調(diào)度，計(jì)算相關(guān)安全操作序列，并將符合時(shí)間約束條件的指令序列經(jīng)由小區(qū)級(jí)智能體下發(fā)到設(shè)備級(jí)智能體進(jìn)行執(zhí)行.

在中央級(jí)智能體這一層次中，其軟件結(jié)構(gòu)與小區(qū)級(jí)智能體是類似的.兩者的區(qū)別在于中央級(jí)智能體擁有了該區(qū)域內(nèi)全部的知識(shí)領(lǐng)域智能體，并擁有更高等級(jí)、更深層次、更大力度的安全操作能力及相應(yīng)的映射法則.

通過(guò)這三級(jí)智能體，并結(jié)合原有的原系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)適用于電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件架構(gòu).但是，以上的軟件體系僅僅是基礎(chǔ)設(shè)施層的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并未解決電網(wǎng)自愈系統(tǒng)的操作序列固定、操作時(shí)間受限的調(diào)度問(wèn)題.本文第3節(jié)和第4節(jié)分別對(duì)該調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行建模和求解.

3 電網(wǎng)自愈多智能體混合實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)建模

為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自愈多智能體混合實(shí)時(shí)調(diào)度，我們基于正常狀態(tài)集合、故障鏈集合、安全操作樹和智能體建立起調(diào)度任務(wù)模型，如圖5所示.

Υ={Υ(l),1≤l≤n},
Υ(l)={τi|ri,Di,Gi,{τi,j|Cij,1≤j≤ni},1≤i≤k}.
Ψ={Ψ(r),1≤h≤m},
Ψ(r)={τi,k∈G(τi),…,τj,h∈G(τj),…,τp,q∈G(τp)}.

該模型有8點(diǎn)內(nèi)容需要說(shuō)明：

1)Υ是由n個(gè)故障鏈Υ(l)組成的；

2) 每一條Υ(l)上有k個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)代表了一個(gè)安全操作子圖，把這個(gè)操作子圖的處理過(guò)程看成一個(gè)調(diào)度任務(wù)τi,若Υ(l)上第1個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的調(diào)度任務(wù)在其截止期內(nèi)完成執(zhí)行，則該故障鏈不向后傳播，否則觸發(fā)該故障鏈上的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的調(diào)度任務(wù)；

Fig. 5 Task model for scheduling圖5 調(diào)度任務(wù)模型

3) 就緒時(shí)間ri:τi進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間，即故障觸發(fā)進(jìn)入安全操作樹的時(shí)間；

4) 相對(duì)截止期Di:τi所允許的最大響應(yīng)時(shí)間；

5) 偏序圖Gi(graph):該有向圖定義了組成任務(wù)τi的ni個(gè)子任務(wù)之間的偏序關(guān)系，Gi代表了安全操作樹，決定了任務(wù)τi的執(zhí)行流；

6) 執(zhí)行時(shí)間Cij:通過(guò)最壞執(zhí)行時(shí)間分析技術(shù)所預(yù)定義的子任務(wù)τij所需要執(zhí)行的時(shí)間；

7) 多智能體有m類智能體給任務(wù)提供處理器資源，調(diào)度的目標(biāo)是讓這些智能體能成功調(diào)度Υ中的所有子任務(wù)即Ψ=Υ，同時(shí)故障鏈上向后觸發(fā)的故障數(shù)最少；

8) 分屬不同Υ(l)的子任務(wù)根據(jù)操作類型的不同，被指定給對(duì)應(yīng)類別的智能體上去執(zhí)行，則智能體上能執(zhí)行的子任務(wù)集合記為Ψ(r).

偏序圖Gi中，如果存在有向邊從子任務(wù)τi,u指向子任務(wù)τi,v，則τi,v被稱為τi,u的子結(jié)點(diǎn)直接后繼，τi,u被稱為τi,v的父結(jié)點(diǎn)直接前驅(qū).子任務(wù)τi,j的直接前驅(qū)集合記為preddirect(τi,j)和τi,j的直接后繼集合記為succdirect(τi,j).如果存在有向邊路徑從子任務(wù)τi,u可達(dá)子任務(wù)τi,v，則τi,v被稱為τi,u的后繼，τi,u則被稱為τi,v的前驅(qū).子任務(wù)τi,j的所有前驅(qū)集合記為pred(τi,j)和τi,j的所有后繼集合記為succ(τi,j).沒(méi)有前驅(qū)的子任務(wù)稱為源結(jié)點(diǎn)，沒(méi)有后繼的子任務(wù)稱為終結(jié)點(diǎn).

表1中列出了每個(gè)任務(wù)?τi(i≥1)及其對(duì)應(yīng)的子任務(wù)τi,k，k∈{1,2,…,j}在調(diào)度中可以用到的參數(shù).

Table 1 Parameters of Tasks and Sub-Tasks表1 任務(wù)及子任務(wù)的調(diào)度參數(shù)

1) 開始時(shí)間si和si,k:τi和τi,k開始執(zhí)行的時(shí)間；

2) 執(zhí)行時(shí)間Ci,k:通過(guò)最壞執(zhí)行時(shí)間(worst-cast execution time, WCET)分析技術(shù)所預(yù)定義的τi,k所需要執(zhí)行的時(shí)間；

3) 時(shí)刻t的剩余執(zhí)行時(shí)間Ci(t)和Ci,k(t):Ci和Ci,k減去到時(shí)刻t為止已執(zhí)行過(guò)的累積時(shí)間；

4) 完成時(shí)間fi和fi,k:τi和τi,k執(zhí)行結(jié)束的時(shí)間，即Ci(t)=0和Ci,k(t)=0的時(shí)刻，fi=min{t|Ci(t)=0}，fi,k=min{t|Ci,k(t)=0}；

5) 就緒時(shí)間ri,k是其Gi上所有直接前驅(qū)結(jié)點(diǎn)都完成的時(shí)刻，即ri,k=max(fi,j)，τi,j=preddirect(τi,k)；

6) 響應(yīng)時(shí)間Ri:τi從就緒到執(zhí)行完成的時(shí)間長(zhǎng)度，Ri=fi-ri，Ri≤Di；

7) 絕對(duì)截止期di:di=ri+Di，fi≤di；

succ(τi,k),Pi,k,l∈Pi,k；

因?yàn)镋DF在調(diào)度上的最優(yōu)性[16-17]，在每個(gè)智能體上使用EDF對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度.那么，Ψ(r)被EDF成功調(diào)度的充分必要條件是?τi,k,τj,h∈Ψ(r),ri,k≤dj,h,dj,h-ri,k≥∑Cp,q(?τp,q∈Ψ(r),ri,k≤rp,q,dp,q≤dj,h).

4 電網(wǎng)自愈多智能體混合實(shí)時(shí)調(diào)度方法

電網(wǎng)自愈多智能體混合實(shí)時(shí)調(diào)度整體過(guò)程如下：

Step1. 對(duì)安全關(guān)鍵的任務(wù)子集合Υcri進(jìn)行調(diào)度：通過(guò)給Υcri在多智能體上分布式地給每個(gè)任務(wù)偏序圖上的子任務(wù)找到一種可調(diào)度的局部截止期分配方案來(lái)確保多智能體的處理器資源可成功地調(diào)度所有的安全關(guān)鍵任務(wù),并同時(shí)給剩余的其他任務(wù)留出盡可能多的空閑處理器資源；

Step2. 對(duì)其他任務(wù)Υnon-cri進(jìn)行調(diào)度，重復(fù)執(zhí)行Step2.1～Step2.3直至所有任務(wù)都執(zhí)行完畢或沒(méi)有空閑的處理器資源：

Step2.1. 任務(wù)的默認(rèn)當(dāng)前等級(jí)為L(zhǎng)evel1;

Step2.2. 根據(jù)其鏈的結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)前等級(jí)的執(zhí)行時(shí)間需求和截止期內(nèi)來(lái)分析能否在多智能體上找到足夠長(zhǎng)的空閑處理器長(zhǎng)度來(lái)完成執(zhí)行；

Step2.3. 如果任務(wù)可被成功調(diào)度，則將該任務(wù)按當(dāng)前等級(jí)準(zhǔn)入并執(zhí)行；否則，該任務(wù)進(jìn)入下一個(gè)等級(jí)，轉(zhuǎn)到Step2.2進(jìn)行執(zhí)行.

其中，Step1需通過(guò)對(duì)各子任務(wù)劃分局部截止期保證其能夠被成功調(diào)度.

通過(guò)給子任務(wù)τi,k分配局部截止期di,k，使所有子任務(wù)在各自的智能體上分別完成其執(zhí)行需求，同時(shí)任意子任務(wù)的截止期di,k都不超過(guò)其所屬任務(wù)τi的截止期di，從而Υcri中所有任務(wù)τi都能被成功調(diào)度.為此，前驅(qū)子任務(wù)不能過(guò)度使用智能體上的松弛時(shí)間而要給后繼子任務(wù)留出足夠的時(shí)間來(lái)完成執(zhí)行.合適的局部截止期分配不僅要考慮調(diào)度任務(wù)在執(zhí)行路徑上的執(zhí)行工作總量，還要考慮與其他任務(wù)共享的智能體上處理器資源的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.

每個(gè)智能體上的局部截止期分配方法的優(yōu)化目標(biāo)是最大化子任務(wù)的最小松弛時(shí)間[18-19]，為后續(xù)其他子任務(wù)留出盡可能多的松弛時(shí)間來(lái)幫助滿足其所屬任務(wù)總截止期的約束.同時(shí)，也要保證不同任務(wù)在該智能體上的所有子任務(wù)是可調(diào)度的.

把上述目標(biāo)和約束用數(shù)學(xué)形式化表述如下：

約束條件：

② ?τi,k,τj,h∈Ψ(r),ri,k≤dj,h,dj,h-ri,k≥∑Cp,q(?τp,q∈Ψ(r),ri,k≤rp,q,dp,q≤dj,h).

在完成Step1后，每個(gè)多智能體將根據(jù)子任務(wù)的局部截止期，對(duì)其Ψ(r)上的子任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，其核心算法如下：

挑選Ψ(r)中局部截止期最小的τi,k去執(zhí)行，di,k=min{dj,h|τj,h∈Ψ(r)}.

當(dāng)Ψ(r)的子任務(wù)τi,k完成執(zhí)行時(shí)，

1) 將τi,k的完成信息通知給τi,j,其中，?τi,j∈succdirect(τi,k)∩τi,j∈Ψ(l)；

2) 把τi,k從Ψ(r)中丟棄Ψ(r)=Ψ(r)-{τi,k}；

3) 挑選Ψ(r)中局部截止期最小的子任務(wù)τp,q去執(zhí)行，dp,q=min{dj,h|τj,h∈Ψ(r)}.

Ψ(l)獲得τi,k的完成信息后，

1) 讓?duì)觟,j就緒，τi,j∈succdirect(τi,k)∩τi,j∈Ψ(l)；

3) 如果劃分局部截止期失敗，采取以下步驟：

① 可借鑒文獻(xiàn)[21]的任務(wù)丟棄處理策略，用傳播的方式通知其對(duì)應(yīng)智能體上的后繼succ(τi,j)并將τi丟棄；

② 若是Υnon-cri中的任務(wù)，再將τi轉(zhuǎn)入下一個(gè)等級(jí)分配到多智能體上.

重復(fù)上述操作直至所有任務(wù)執(zhí)行完畢.

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)基于本文提出的電網(wǎng)自愈多智能體混合任務(wù)模型，隨機(jī)生成任務(wù)測(cè)試集，對(duì)EDF簡(jiǎn)單調(diào)度和第4節(jié)調(diào)度方法下的任務(wù)成功率進(jìn)行對(duì)比.

5.1 度量標(biāo)準(zhǔn)

1) 調(diào)度成功率STSR.STSR=N(STS)N(TS)×100%，其中，N(STS)是能被成功調(diào)度的任務(wù)集個(gè)數(shù),N(TS)是隨機(jī)產(chǎn)生的任務(wù)集總個(gè)數(shù).用于Υcri任務(wù)調(diào)度效果對(duì)比.

2) 故障出現(xiàn)率DTR.DTR=N(DT)N(T)×100%，其中，N(DT)是被調(diào)度丟棄的任務(wù)次數(shù)(丟棄的次數(shù)越多，故障個(gè)數(shù)也就越多),N(T)是隨機(jī)產(chǎn)生的任務(wù)總個(gè)數(shù).DTR用于Υnon-cri任務(wù)的調(diào)度效果對(duì)比.

5.2 數(shù)據(jù)集

系統(tǒng)中有8個(gè)智能體提供處理器資源，隨機(jī)生成100個(gè)故障鏈，每條鏈上結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是取值于[3,9]中的隨機(jī)值，每個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的任務(wù)具有泊松分布的到達(dá)時(shí)間ri,泊松分布的參數(shù)范圍是[10,150]之間(該值為就緒時(shí)間間隔的期望值),模擬生成不同的負(fù)載情況.隨機(jī)任務(wù)的相對(duì)截止期Di服從均勻分布U[100,500].

隨機(jī)任務(wù)在隨機(jī)鏈生成的基礎(chǔ)上添加1～5條路徑形成安全操作樹，書上結(jié)點(diǎn)的執(zhí)行時(shí)間Ci,j服從參數(shù)為100Di的指數(shù)分布的隨機(jī)變量.若生成的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間超過(guò)Di，則該任務(wù)不被采納.在不同的任務(wù)集負(fù)載①(50,150,…,500)各隨機(jī)生成100個(gè)任務(wù)集.

5.3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

本節(jié)將觀察隨機(jī)任務(wù)測(cè)試集負(fù)載不同的情況下,用EDF簡(jiǎn)單調(diào)度的策略和第4節(jié)調(diào)度方法下的調(diào)度成功率和故障出現(xiàn)率的變化，如圖6所示.

調(diào)度成功率的變化曲線如圖6(a)所示，這里比較的是在每個(gè)任務(wù)集負(fù)載下生成的100個(gè)任務(wù)集通過(guò)簡(jiǎn)單EDF調(diào)度方法和本文提出的調(diào)度方法能成功調(diào)度的任務(wù)集個(gè)數(shù).能被某個(gè)方法調(diào)度成功的任務(wù)集也稱為可行的任務(wù)集，那么，圖6(a)表明了本文提出的調(diào)度方法可比簡(jiǎn)單EDF調(diào)度方法能找到的可行任務(wù)集個(gè)數(shù)要平均多出17.74%.本文提出的調(diào)度方法隨著任務(wù)集負(fù)載的增加調(diào)度成功率的降低比較平穩(wěn)，是因?yàn)楸疚牡恼{(diào)度方法始終都不斷逼近第4節(jié)中提出的優(yōu)化目標(biāo)；而簡(jiǎn)單EDF調(diào)度則隨著任務(wù)集負(fù)載的增加、調(diào)度成功率的降低，根據(jù)隨機(jī)任務(wù)集參數(shù)的不同而時(shí)緩時(shí)急.

故障出現(xiàn)率的變化曲線如圖6(b)所示，故障個(gè)數(shù)增多伴隨著丟棄任務(wù)的次數(shù)增加，一個(gè)任務(wù)之所以會(huì)被丟棄，要么是因?yàn)樵诤?jiǎn)單EDF調(diào)度下該任務(wù)的截止期限無(wú)法得到滿足，要么在本文提出的調(diào)度方法下找不到給該任務(wù)的子任務(wù)劃分局部截止期的方案.從圖6(b)可以看出，本文提出的調(diào)度方法在隨機(jī)任務(wù)集不同負(fù)載的情況下，故障出現(xiàn)率都保持在一個(gè)較低的水平，尤其是高負(fù)載的情況下，故障出現(xiàn)率仍然令人滿意；而簡(jiǎn)單EDF在較高負(fù)載下的故障出現(xiàn)率急劇增長(zhǎng).本文提出的調(diào)度方法比簡(jiǎn)單EDF調(diào)度方法所丟棄的任務(wù)數(shù)，即出現(xiàn)故障幾率，要平均減少7.72%.

Fig. 6 Performance comparison on Simple EDF and Our Approach圖6 簡(jiǎn)單EDF調(diào)度和第4節(jié)調(diào)度方法的結(jié)果比較

① 任務(wù)負(fù)載為密度之和比智能體個(gè)數(shù)：U(T)=sum(CiDi)m

6 總 結(jié)

本文提出了一種帶有截止期實(shí)時(shí)約束的電網(wǎng)自愈系統(tǒng)基于多智能體進(jìn)行處理的機(jī)制和可供參考的軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu).針對(duì)具有實(shí)時(shí)截止期約束條件下的安全操作序列求解問(wèn)題，提出了一種基于多智能體的混合關(guān)鍵性調(diào)度任務(wù)模型；并給出了電網(wǎng)自愈多智能體進(jìn)行混合關(guān)鍵性調(diào)度的求解方法，給出了優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，用混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)模型求解.通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了智能電網(wǎng)自愈多智能體混合關(guān)鍵性調(diào)度模型及其求解算法有效地增加了故障結(jié)點(diǎn)安全操作處理的成功率，并減少了故障鏈?zhǔn)降暮罄m(xù)觸發(fā)率.在下一步工作中，我們將把故障鏈擴(kuò)展為故障樹，在此基礎(chǔ)上建立基于故障樹的調(diào)度任務(wù)模型并分析其調(diào)度方法.