Sisteme multiagent in distributia de energie electrica
Autor: Iulian-Nicusor Arama
Editura: A.G.I.R.
Seria: Electrotehnica - Electroenergetica
Format: 17x24 cm
Nr. pagini: 180 color
Coperta: brosata
ISBN: 978-973-720-793-7
Anul aparitiei: 2020
PREFATA
In domeniul distributiei energiei electrice, sistemele automate de control au fost implementate de multa vreme, nu atit din considerente de eficienta economica, asa cum este cazul altor domenii, cat din considerente privind aspectele tehnice. Viteza de desfasurare a fenomenelor electro-energetice este mai mare decat viteza de perceptie biologica si reactie umana, astfel incat sarcina operatorului uman a trebuit sa fie preluata de sisteme automate de control.
Diferenta fundamentala dintre vechile sisteme automate de control din domeniul distributiei electricitatii si cele noi este aceea ca primele foloseau date obtinute de la traductoare si senzori, pe cand cele actuale folosesc baze de informatii, ceea ce a ridicat nivelul de „inteligenta“ al sistemelor automate de control, practic independent de nivelul tehnologic. Astfel, se pot concepe, cu tehnologii mai vechi, sisteme automate de control complexe, prin acest surplus de inteligenta. Sistemele de conducere mai vechi au un comportament „reflex”, fiind „dedicate” anumitor sarcini, pe cand cele noi pot utiliza fluxurile informationale si au un comportament „inteligent“. Ele sunt concepute pentru cautarea unei solutii prompte in vederea lichidarii unei situatii de criza sau o adaptare mai buna.
Din perspectiva acestor sisteme de conducere inteligenta, prezenta lucrare isi propune sa abordeze o problema importanta din cadrul conducerii sistemelor de distributie a energiei electrice si anume problema restabilirii acestui sistem in urma producerii unei avarii. Intr-o astfel de situatie, sistemele de protectie decupleaza anumite zone ale retelei de distributie a energiei electrice (RDEE) si anumiti consumatori nu mai primesc energie electrica. Rezolvarea acestei probleme inseamna reconfigurarea retelei a.i. zonele fara energie electrica sa fie conectate la zonele neafectate prin intermediul intrerupatoarelor de linie, asigurandu-se in acelasi timp necesarul de putere pentru zonele nou conectate. Pe de alta parte, cautarea de linii care pot furniza energie electrica, luarea deciziei de conectare si actionarea intrerupatoarelor de linie necesita un anumit timp. Acesta trebuie sa fie cat mai scurt pentru a asigura un indicator de calitate esential in distributia de energie electrica: continuitatea.
In aceasta lucrare, modul de abordare propus in solutionarea problemei restabilirii este cel al sistemelor multiagent. Motivatia este legata de natura problemei, care este o problema de cautare intr-o retea de obicei complexa si care trebuie sa se faca intr-un timp scurt. De aici necesitatea de a recurge la metodele inteligentei artificiale distribuite. Mai multi agenti de cautare, distribuiti geografic in RDEE, pot cauta solutii de reenergizare a unor linii, in zonele vecine si pot negocia direct cu acestea pentru o anumita cerinta de putere. Se poate gasi astfel o solutie care, chiar daca nu este optimala, este fezabila si se obtine relativ repede. Implementarea unei astfel de solutii duce la realizarea unor entitati soft autonome, agentii inteligenti, ce comunica intre ele si care utilizeaza o baza de informatii distribuita. Constatam ca solutia implementata este un sistem autonom de control, tocmai pentru ca este formata din entitati autonome distribuite geografic si care utilizeaza o baza de informatii, pentru a rezolva un consemn general, acela de a reenergiza zonele avariate.
Iata de ce, in Capitolul 1, se prezinta un „state of the art“ al sistemelor autonome de control (comanda) - SAC, plecand de la ideea ca o „comanda“ de restabilire automata a RDEE avariata poate fi furnizata de un dispecer central, dar trebuie „realizata“ de entitati autonome situate la distanta, acolo unde sunt si informatia, si modalitatile practice de solutionare. In sectiunea consacrata arhitecturii sistemelor autonome de control, aspectul esential este faptul ca fiecare entitate autonoma are trei nivele functionale: organizare/management, coordonare si executie. Pleacand de la legatura evidenta dintre un sistem autonom si un agent inteligent, putem constata ca un sistem cu mai multe entitati autonome circumscrise aceluiasi obiectiv si sistemele multiagent (SMA) este o legatura imediata. De aici, pleaca si ideea de baza din aceasta lucrare, ca sistemele autonome de control pot fi implementate prin SMA. Autonomia in executie nu impieteaza asupra existentei unor legaturi ierarhice la nivelul coordonarii. Legatura ierarhica dintre entitatile autonome este foarte importanta, acest fapt punandu-si pecetea asupra tipului de SMA ce realizeaza implementarea.
In sectiunea 1.1.3 structura generala a unui SAC este repercutata pe cazul retelei de distributie a energiei electrice. Aspectele practice de infrastructura a implementarilor SAC fac obiectul sectiunii 1.2 a acestui capitol. Acesta se refera la infrastructura de comunicatii, modele de date si baza de informatii.
Cea de-a doua axa pe care se dezvolta prezenta lucrare este cea a inteligentei artificiale distribuite care aici imbraca forma Sistemelor MultiAgent (SMA). Modul practic in care se implementeaza un SAC cu mai multe entitati autonome poate fi un sistem multiagent, tot asa cum un regulator poate fi implementat printr-un program ce ruleaza pe un micro-contoller. Capitolul 2 face o prezentare a Sistemelor Multiagent, presupunand ca cititorul prezentei lucrari este familiarizat deja cu notiunea de agent inteligent. Sunt trecute in revista caracteristicile definitorii ale unui SMA, insistandu-se mai mult pe modul de realizare a negocierii intre agenti si pe comunicarea inter-agent. Sunt trecute in revista si principalele limbaje de comunicare, KQML, KIF si COOL, precum si sistemele de tip blackboard.
Prezenta lucrare propune doua solutii la problema restabilirii in RDEE. O prima solutie propune un SAC cu o structura ierarhica foarte „plata“ si cu agenti omogeni complet autonomi in functionare. O a doua solutie introduce o ierarhie mai stratificata in timp, atunci cand se adopta diferite moduri de operare ale RDEE.
Capitolul 3 intitulat „Sistem multiagent cu autonomie completa pentru restabilirea alimentarii in retelele de distributie a energiei electrice“, dupa ce in prima sa sectiune formuleaza problema restabilirii dupa avarie in RDEE, iar in cea de a doua furnizeaza modelul sau matematic, propune ca solutie structura unui SMA cu autonomie completa, dupa o idee prezentata in [94]. Agentii au o arhitectura BDI(convingere-dorinta-intentie). Sunt trecute in revista, pe baza unui studiu de caz, caracteristicile procesului de negociere dintre agenti si se face o analiza prin simulare calitativa a dinamicii SMA in gasirea unei solutii. Realizarea practica a sistemului multiagent face obiectul Capitolului 4, intitulat „Implementarea unui sistem multiagent cu autonomie completa pentru restabilirea alimentarii utilizand mediul de dezvoltare JACK“. Contributia nu este o simpla programare intr-un sistem dat, ci se refera la crearea in universul problemei a unor proceduri de comunicare, nogociere si de un mod de implementare a arhitecturii BDI care sa asigure ca procesele iterative desfasurate de agenti duc la o solutie a problemei in timp util. Aici, un aspect important este definirea evenimentelor, mesajelor inter-agent si a planurilor de tratare a evenimentelor de catre agenti. Intr-un mod plastic exprimat, agentii sunt „incarcati“ cu proceduri si „inteligenta“, astfel incat, o data lasati liber, sa fie capabili sa interactioneze, sa modifice universul lor si propriul „interior“, pana cand contureaza o solutie.
In capitolul 5, intitulat „Sistem multiagent cu autonomie supervizata pentru restabilirea alimentarii cu energie electrica“, se propune cea de-a doua solutie de SMA invocata mai sus si care se refera la un mod de operare dinamic in RDEE, care duce la ierarhizari intre agenti. Se propun arhitectura si toate elementele de infrastructura realizate in Sistemul MultiAgent pentru Restabilirea Alimentarii cu energie electrica - SMARA. De data aceasta, sistemul este implementat in JAVA si are o conceptie originala fara a utiliza pachete specilizate. S-a simtit nevoia unei noi solutii de tip SMA, pentru ca, desi ierarhizarea „strica“ din simplitatea eleganta a agentilor omogeni si neierarhizati, in felul acesta s-a putut utiliza experienta dispeceratelor in rezolvarea problemei restabilirii si micsorarea timpului de obtinere a solutiei.
In Capitolul 6, sunt trecute in reviste doua directii de cercetare care ar putea duce la noi functionalitati ale aplicatiei SMARA si anume: trecerea de la o retea pasiva (structura fixa) la una activa (avand configuratie buclata si producatori distribuiti geografic), precum si implementarea retelelor virtuale de distributie a energiei electrice (SMART Grid).
In capitolul „Concluzii“, sunt trecute in revista principalele contributii si publicatiile aferente activitatii de cercetare desfasurate de autor, in domeniul stiintific abordat in aceasta lucrare.
Aceasta lucrare constituie suportul de curs la disciplina Structuri, arhitecturi si programare de timp real in conducerea avansata, predata de catre autor in cadrul Universitatii „Dunarea de jos” din Galati.
CUPRINS
Lista de abrevieri 13
Capitolul 1 SISTEME AUTONOME DE CONTROL 17
1.1. Arhitectura sistemelor autonome de control 18
1.1.1. Functiile sistemului autonom de control 18
1.1.2. Structura sistemelor autonome de control 26
1.1.3. Sisteme autonome de control in retelele de distributie a energiei electrice 28
1.2. Implementarea sistemelor autonome de control 32
1.2.1. Cerinte privind arhitectura 32
1.2.2. Aspecte legate de comunicatia de date 34
1.2.3. Modele standard de date 38
1.2.4. Baza de informatii a sistemului autonom de control 42
Capitolul 2. SISTEME MULTIAGENT 43
2.1. Modele de negociere multiagent in retelele de distributie a energiei electrice 43
2.2. Importanta, rolul si caracteristicile sistemelor multiagent 45
2.2.1. Utilitatea sistemelor multiagent 45
2.2.2. Caracteristici 46
2.3. Teoria negocierii si agentii inteligenti 48
2.3.1. Teoria negocierii 48
2.3.2. Sisteme de negociere cu ajutorul calculatorului 51
2.4. Sistemul de negociere multiagent 52
2.4.1. Implementarea sistemului multiagent 52
2.4.2. Protocolul de negociere 54
2.5. Limbaje de comunicare inter-agent 58
2.5.1. Knowledge Query and Manipulation Language - KQML 58
2.5.2. Knowledge Interchange Format - KIF 60
2.5.3. Coordination Language - COOL 62
2.6. Sisteme blackboard 63
Capitolul 3. SISTEM MULTIAGENT CU AUTONOMIE COMPLETA PENTRU RESTABILIREA ALIMENTARII IN RETELELE DE DISTRIBUTIE A ENERGIEI ELECTRICE 65
3.1. Problema restabilirii retelei de distributie a electricitatii in urma unei avarii 65
3.2. Modelul matematic privind restabilire a retelei de distributie a electricitatii 66
3.3. Arhitectura sistemului multiagent cu autonomie completa 67
3.4. Procesul de negociere 70
3.5. Analiza prin simulare a functionarii sistemului multiagent 73
3.6. Concluzie 76
Capitolul 4. IMPLEMENTAREA UNUI SISTEM MULTIAGENT CU AUTONOMIE COMPLETA PENTRU RESTABILIREA ALIMENTARII UTILIZAND MEDIUL DE DEZVOLTARE JACK 77
4.1. Implementarea sistemelor multiagent utilizand platforma JACK 77
4.2. Proiectarea si implementarea sistemului multiagent cu autonomie completa 81
4.2.1.Definirea agentilor 81
4.2.2. Definirea evenimentelor si a mesajelor asociate acestora 81
4.2.3. Definirea planurilor de tratare a evenimentelor 82
4.3. Concluzie 84
Capitolul 5. SISTEM MULTIAGENT CU AUTONOMIE SUPERVIZATA PENTRU RESTABILIREA ALIMENTARII CU ENERGIE ELECTRICA 85
5.1. Modurile de operare ale nodurilor retelei de distributie a energiei electrice 85
5.1.1. Auto-operarea 87
5.1.2. Operarea ierarhizata 88
5.1.3 Operarea arbitrata 89
5.2. Organizarea aplicatiei SMARA 96
5.3. Implementarea aplicatiei SMARA 99
5.4. Testarea aplicatiei SMARA 103
Capitolul 6. DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE PENTRU RDEE 119
6.1. Provocarile sistemului de distributie a energiei electrice 119
6.2. Retele virtuale pentru distributia energiei electrice 129
CONCLUZII 137
ANEXE 141
Anexa A. Exemple de implementare a evenimentelor si a planurilor de tratare
a acestora in mediul de dezvoltare JACK pentru sisteme multiagent descrise in capitolul 4 141
Anexa B. Obiectele si clasele de obiecte ale aplicatiei SMARA 153
REFERINTE BIBLIOGRAFICE 175
DESPRE AUTOR
Sef de lucrari dr. ing. Iulian-Nicusor ARAMA a absolvit, in anul 1992, Institutul Politehnic din Iasi, Facultatea de Electronica si Telecomunicatii. In anul 2010, a devenit doctor inginer cu teza „Aplicatii ale sistemelor multiagent in distributia de energie electrica“, la Universitatea DUNAREA DE JOS din Galati, Facultatea de Automatica, Calculatoare, Inginerie Electrica si Electronica.
Este sef de lucrari la Universitatea DUNAREA DE JOS din Galati, Facultatea de Automatica, Calculatoare, Inginerie Electrica si Electronica, lector (cadru didactic asociat) la Universitatea DANUBIUS din Galati - Facultatea de Drept si inginer principal specialist - suport tehnic retea la SDEE Muntenia Nord SA - SDEE Galati, unde in perioada 2005 - 2012 a ocupat functia de director.
A activat la VODAFONE ROMANIA - Network Support Area Engineer (suport tehnic retea); CRIDEN CONSTRUCT SRL - constructii-montaj instalatii electroenergetice; FFEE Muntenia Nord - membru in Consiliul Administratie; ELECTROCENTRALE SA Galati - productie de energie electrica si termica, presedintele consiliului de administratie.
MASTER - Spatiul Public European, la Scoala Nationala de Studii Politice si Administrative, Facultatea de Administratie Publica. Stagii de formare la Universitatea Nationala de Aparare - MAPN, Colegiul National de Aparare, Institutul Diplomatic Roman.