Алексей Иванов -- мультиагентные архитектуры в электроэнергетике

Мультиагентные архитектуры в электроэнергетикеОснования мультиагентности

к 81-му заседанию Русского отделения INCOSEМосква, 09.10.2013

Иванов Алексей, [email protected]главный специалистЦентр системных исследований и разработок интеллектуальных энергосистемНТЦ ФСК ЕЭС

mailto:[email protected]

09.04.2023 2

От вызовов к принципам создания новой энергосистемы Вызовы Требования (показатели качества) Принципы (стратегии достижения показателей качества) Шаблонные решения

Эталонная архитектура интеллектуальной энергосистемы Необходимость эталонной архитектуры Базовая эталонная архитектура Расширения базовой эталонной архитектуры Примеры архитектурных описаний

Пилотные проекты От эталонной архитектуры к пилотным проектам Управление напряжением и реактивной мощностью в энергокластере «Эльга-уголь» Виртуальная электростанция (VPP)

Прототипы в пилотном проекте Прототип мультиагентного 5-минутного рынка мощности Прототип МАС управления напряжением и реактивной мощностью

Содержание

09.04.2023 3

Заинтересованные лица: Консенсус о целесообразности перехода к интеллектуальной энергетике достигнут

• Масштабное развитие распределенной генерации• Новые требования потребителей («цифровой» спрос)• Госполитика повышения эффективности• Неиспользованные возможности новых технологий• Глобализация энергетических рынков и инфраструктур

09.04.2023 4

Продолжается дискуссия о способах перехода к интеллектуальной энергетике

«SMART GRID» – информатизация, автоматизация управления

«ААС» – изменение идеологии и практики управления

09.04.2023 5

Ключевые требования к развитию инфраструктуры определены

1. Безлюдность, Self-*Саморегулирование, непрерывный самоконтроль, самовосстановление отдельных элементов или участков сети после аварии

2. Клиенто-ориентированностьИнтеграция в сеть всех типов потребителей сетевых услуг

Поддержка и мотивирование потребителей быть активными участниками электроэнергетической системы

3. Обеспечение физической и кибернетической защищенности

4. Поддержка развития рынков электрической энергии, мощности, формирования новых рынков сервисов для различных пользователей

5. Обеспечение качества электроэнергии, соответствующего требованиям современной высокотехнологичной экономики

6. Оптимизация состава и повышение эффективности использования активов электросетевого комплекса и электроэнергетики в целом

09.04.2023 6

Принципы создания эталонной архитектуры ИЭС ААС

• Целостность технических, кибернетических и социальных аспектов

• Технологическая нейтральность

• Модульная платформа с открытой архитектурой

• Интеллектуальность (активность) элементов системы

• Встраивание инженерии системы в саму систему

09.04.2023 7

Целостность технических, кибернетических и социальных аспектов

Многоуровневая архитектура EnergyWeb

Источник http://www.energyweb.com/

http://www.energyweb.com/

09.04.2023 8

Технологическая нейтральностьАрхитектуры существующих систем

Объект сети

Сервис Сервис

Протоколы взаимодействияМодели данных, языки описания данных, форматы

представления данных

Развивающаяся единая модель данных

Сервис Сервис Сервис

Общие сервисы

Сервис




Интерфейсвзаимодействия

с человеком

Анализ и Управление

Модель объекта Управления

Интерфейс с оборудованием





Среда модулей анализа и управления

Архитектура технологически нейтральной платформы

Эффекты использования технологически нейтральных платформ

Стандартизированные интерфейсы

Общеотраслевая технологически нейтральная платформа

Независимость от поставщиков отдельных решений, совместимость новых и существующих систем

Обеспечение управляемости систем в отрасли за счет унифицированного управления

09.04.2023 9

Модульная платформа с открытой архитектурой

Переход от интегрированной архитектуры к модульной архитектуре для различных отраслей

Источник: ЦСР «Северо-Запад» по модели Utterback.

09.04.2023 10

Интеллектуальность (активность) элементов системыКаждый участник мультиагентной системы управления имеет агента с набором целей и приоритетов, заданных владельцем, который самостоятельно реагирует на изменение среды

Централизованное управление Мультиагентное управление

Обеспечение надежности управления при слабых коммуникациях и инфраструктуре хранения и обработки данных

Лучший учет специфических правил и ограничений использования оборудования, задаваемых его собственником

Облегченное развитие систем управления, самонастройка при изменении объекта управления

Исполнители

Главныйкоординатор

Локальныекоординаторы

Децентрализованное управление

Увеличение степени децентрализации

Единственный центр принятия решенийМножество связанных центров

принятия решений Независимые центры принятия решений

Эффекты использования мультиагентного подхода

09.04.2023 11

Технологическая нейтральностьАрхитектуры существующих систем


Сервис Сервис

Протоколы взаимодействияМодели данных, языки описания данных, форматы

представления данных

Развивающаяся единая модель данных

Сервис Сервис Сервис

Общие сервисы

Сервис




Интерфейсвзаимодействия

с человеком

Анализ и Управление

Модель объекта Управления

Интерфейс с оборудованием





Среда модулей анализа и управления

Архитектура технологически нейтральной платформы

Эффекты использования технологически нейтральных платформ

Стандартизированные интерфейсы

Общеотраслевая технологически нейтральная платформа

Независимость от поставщиков отдельных решений, совместимость новых и существующих систем

Обеспечение управляемости систем в отрасли за счет унифицированного управления

09.04.2023 12

Встраивание инженерии системы в саму систему

Модель объекта

управления

Распределенный объект управления

состояние

Анализ и выработка безопасного оптимального

воздействия

воздействиеизменениеструктуры,износ,отказы

Перепроектирование

Выяснение ситуации

09.04.2023 13

Шаблонные решения: Мультиагентные системы

Каждый участник мультиагентной системы управления имеет агента с набором целей и приоритетов, заданных владельцем, который самостоятельно реагирует на изменение среды

Централизованное управление Мультиагентное управление

Обеспечение надежности управления при слабых коммуникациях и инфраструктуре хранения и обработки данных

Лучший учет специфических правил и ограничений использования оборудования, задаваемых его собственником

Облегченное развитие систем управления, самонастройка при изменении объекта управления

Исполнители

Главныйкоординатор

Локальныекоординаторы

Децентрализованное управление

Увеличение степени децентрализации

Единственный центр принятия решенийМножество связанных центров

принятия решений Независимые центры принятия решений

Эффекты использования мультиагентного подхода

09.04.2023 14






09.04.2023 15

Выбор базовой эталонной архитектуры ИЭС ААС

Критерий анализа NIST EPRI M/490 CRISP Microsoft ABB Cisco

Этап 1: Отбор архитектур по способам описания

Архитектура содержит максимально полный набор компонентов и подсистем

Архитектура описывает процессы и функции и не фокусируется на конкретных решениях

Этап 2: Отбор архитектур по области использования

Технологическая нейтральность архитектуры: базовая эталонная архитектура не должна включать в себя конкретные технологии и технологические решения

Совместимость архитектуры по географическому признаку, используемым стандартам

Актуальность архитектуры: базовая эталонная архитектура должна иметь наиболее актуальные на сегодняшний момент архитектурные описания

Архитектура не должна противоречить мультиагентным принципам управления

Архитектура должна поддерживать субсидиарность (распределенность, многоуровневость) принятия решений

Архитектура соответствует рассматриваемому критерию Архитектура не соответствует рассматриваемому критерию

В результате рассмотрения 7 архитектур smart grid в качестве базовой эталонной архитектуры ИЭС ААС определена европейская эталонная архитектура,

разработанная в рамках мандата M/490

09.04.2023 16

Ключевые элементы европейской эталонной архитектуры

Выбор варианта

использования

Разработка уровня

компонентов

Разработка бизнес уровня

Разработка функциональног

о уровня

Разработка информационног

о уровня

Разработка уровня

коммуникаций

Архитектурная модель

Схема подготовлена на основе материалов CEN-CENELEC-ETSI Smart Grid Coordination Group

Европейская концептуальная модель

Варианты использования (Use Cases)

Концептуальная модель основана на модели NIST с некоторыми дополнениями, связанными со спецификой европейской энергосистемы:

Введен новый домен «Распределенные энергоресурсы»

Введена концепция гибкости архитектуры

Архитектурная модель определена для применения к Европейской концептуальной модели исходя из принципов разбиения энергоинформационных систем с точки зрения электрических процессов и с точки зрения управления информацией (разбиение на иерархические зоны (уровни) управления электрическими процессами)

Рекомендации

Рекомендации по проектированию коммуникационного и информационного слоя

Общие рекомендации по проектированию архитектур

Методология использования архитектурной модели

09.04.2023 17

Направления развития базовой эталонной архитектуры

Динамический баланс интересов Ситуативное, сценарное достижение

целей

Адаптивное целеполагание Открытые платформы Распределенные гибкие функции Реализация системных функций

через взаимодействие простых функций

Small Data Облачные технологии Федерирование данных Распределенные эволюционирующие

информационные модели Гибкие данные

Разноуровневые коммуникации

Высокая модульность систем Технологии динамической

модульности Технологии распределенных

высокомодульных систем Технологий ПЛИС

Бизнес слой

Функциональный слой

Информационный слой

Коммуникационный слой

Компонентныйслой

09.04.2023 18

Использование европейской эталонной архитектуры в качестве базовой эталонной архитектуры ИЭС ААС

Использование общего языка (методологии) для разработки архитектур конкретных систем

Использование свода стандартов, регламентов, лучших практик, обеспечивающих совместимость информационно-коммуникационных моделей и решений (систем)

На данный момент базовая эталонная архитектура ИЭС ААС содержит: общие принципы, стандарты, лучшие практики, концептуальные модели систем

энергетической отрасли страны

Возможность учета специфики российской энергетики в части описания архитектур бизнеса, функциональных моделей, оборудования

Европейская эталонная архитектура не ограничивает возможностей развития архитектур в соответствии с заданными требованиями (принципами)

09.04.2023 19

Требования к развитию базовой эталонной архитектуры

Базовая эталонная архитектура ИЭС ААС не противоречит принципам развития и функционирования ИЭС ААС, но при этом не описывает реализацию всех декларируемых принципов, поэтому необходимо:

Обеспечить инструменты реализации принципов мультиагентных систем управления

Обеспечить дополнительное развитие принципов модульности, открытости архитектуры

Обеспечить учет интересов независимых разнородных субъектов электроэнергетики

09.04.2023 20






09.04.2023 21

Пилотные кластеры ОЭС Востока

Солнечный поток

VPP

Активы

Цель:

Отработка интеллектуальных средств управления для магистральных сетей

09.04.2023 22

Эльгауголь: проблематика

Общие характеристики кластеров:

• Протяженные транзиты от генерации к потребителям• Доминирование промышленной нагрузки• Отсутствие либерализованного рынка• Необходимость отработки комплекса функций управления

Особенности кластера Эльгауголь:• Необходимость обеспечения резервирования энергоснабжения и

качества электроэнергии горнопроходческой и тяговой нагрузки• Возможность отработки проектных решений для управления

режимами в условиях сложного графика тяговой нагрузки• Относительная готовность кластера для апробации

интеллектуальных систем управления• Возможность сравнения централизованного и децентрализованного

решения

Задачи:• Повышение управляемости сети в условиях тяговой нагрузки• Cнижение потерь• Обеспечение надежного режимного управления• Отработка гибких расширяемых технологий

09.04.2023 23

Заинтересованные лица ПТК

Система

ПТК

Федеральная сетевая компания

МЭС Востока

НТЦ ФСК ЕЭС

Потребители энергии

Служба поддержки связи

Системный оператор Интеграторы

Производители оборудования

Операторы связи

ЭРГ

Архитектурный комитет

Диспетчер

Обеспечивающая система

АСУ ТП ПСОператор

агента

EMS ЦУГП

09.04.2023 24

Заинтересованные лица ПТКНаименование Вовлеченность в проект

НТЦ ФСК ЕЭС Выполняет проект

МЭС Востока Контролирует физическое системное окружение

Потребители кластера Возможные выгодополучатели

ФСК ЕЭС Финансирует проект

Традиционные вендоры Контролируют кибернетическое системное окружение

Новые вендоры Участвуют в разработке решения

Интеграторы Контролируют кибернетическое системное окружение

Оператор связи Возможный выгодополучатель

Системный оператор Согласовывает решение

Архитектурный комитет Формирует социальный заказ

Экспертные группы Обеспечивают экспертную поддержку

09.04.2023 25

Анализ требований

Категория сравнения

Централизованное управление Распределенное управление

Надежность Определяется алгоритмами управления системой, требующих наблюдаемости, управляемости и связи

Определяется распределенностью элементов, отказ каждого не влияет критическим образом на работу системы

Эффективность Эффективно при высокой наблюдаемости и качестве исходной режимной и технологической информации

Эффективность системы растет с каждым новым функциональным агентом либо его совершенством

Безопасность Определяется повышенными требованиями к безопасности всех элементов и средств связи, критична безопасность центра

Возможность верификации внешней информации о других агентах, исходя из собственного представления о внешнем окружении (сети)

Гибкость организации ПО

Требуется перепроектирование и разработка новых алгоритмов для центров управления, усиления или ввода новых каналов связи

Самонастройка группового поведения агентов при изменении топологии сети, включая добавление новых элементов.

09.04.2023 26

Различие архитектурных принципов

Требования экспертных рабочих группОбеспечение надежности работы систем управления при слабых коммуникацияхИспользование открытых решений, обеспечивающих легкий доступ третьих производителейОбеспечение легкой интеграции различных систем, обеспечение доступа к общим ресурсам«Нулевое перепроектирование» систем управления при развитии

Аспекты архитектуры Система Система системСфера деятельности Единственная Множество

Структура Иерархическая Ячеисто-сетеваяИндикаторы Интегральный Многофакторный

Управление Централизованное Мультиагентное

Интерфейс Общесистемный Сетевой

Целеполагание Программное Адаптивное

На основе доклада В.В.Бушуева «Энергетика как система систем»

09.04.2023 27

Выбор архитектуры

Категория сравнения

Централизованное управление Распределенное управление

Основные черты Централизованная клиент-серверная система управления нормальными режимами (SCADA-EMS).

Сеть, равноправных узлов управления. Каждый узел - клиент-сервер. В такой сети решения о регулировании узлы управления принимают, исходя из внутренней и внешней информации.

Управление Информация о состоянии объектов управления собирается в центр для принятия решения. Время сбора информации порядка 1-5 секунд.

После оптимизационных расчетов управляющие команды или уставки для локальных регуляторов направляются на объекты.

Обмен информацией между узлами модели сети может производиться в оффлайн – минуты, часы.

При непосредственном управлении в зависимости от качества каналов связи внешняя информация может поступать от других узлов управления, или восстанавливается косвенным путем по измерениям на каждом объекта по соответствующим моделям с временем порядка мс.

Данные Действующие значения электрических величин, коммутационные состояния

Векторные значения электрических величин

09.04.2023 28

Пример архитектурных описаний энергокластера «Эльгауголь»

Арх

ите

ктур

а о

бо

руд

ова

ния

ИК

Т -

арх

ите

ктур

аБ

изн

ес

- а

рхи

тект

ура

Подстанция 1 Подстанция 2

Интеграционная шина

Шина предприятия

ИЭУ ИЭУШина станции

Шина процессаИнтерфейс

МИК SCADA

Оборудование

ИЭУ ИЭУШина станции

Шина процессаИнтерфейс

МИК SCADA

Оборудование

ЦУС УЭР

АРМ МАС БД

ИЭУ ИЭУ

МИК SCADA

IEC 61850-8-1IEC 61850-9-2

ИЭУ ИЭУ

МИК SCADA

IEC 61850-8-1IEC 61850-9-2

ЦУС УЭР

АРМ МАС БД

IEC 61970IEC 61970-1IEC 61970-2

IEC 61970-301

TCP/IPACLIIOP

АТС СО РДУ

Технологическая нейтральность

Мультиагентное управление

Стандартные интерфейсы

Открытые стандарты

Интересы

Заинтересованные стороны

Совместимость систем

Отв. за ПС

Связь интересов и технологических

процессов

Генеральный поставщикСетевая

компания

Потребитель

09.04.2023 29

Описание функционального слоя SGRA

09.04.2023 30






09.04.2023 31

Реализованные рыночные механизмы управления потреблением

Германия

Франция

Великобритания

Программы, стимулирующие потребителей электроэнергии к снижению потребления в часы пиковых нагрузок и/или высоких цен на рынке, применяются в США, многих странах Европы и т.д. В рамках созданной коалиции SEDC рассматривается опыт ряда стан, внедряющих рыночные механизмы управления потреблением и обсуждаются вопросы договорных и неконтрактных взаимоотношений

09.04.2023 32

Бизнес-модель VPP по управлению распределенной генерацией

Ключевые функции оператора VPP: Продажа агрегированной мощности

распределенной генерации

Эффекты VPP: Обеспечение возможности

подключения новых потребителей в «закрытых» центрах питания (без больших инвестиционных затрат)

Повышение надежности энергоснабжения потребителей

Снижение капитальных затрат РОССЕТЕЙ на реконструкцию центров питания

Доступ распределенной генерации на рынок, дополнительный доход владельцев распределенной генерации

Оператор VPP*

Оператор рынка, регулятор

РСК, ТСО

Потребитель (с управляемой

нагрузкой)

Сетевая мощность

- Передача э/э- Условия для возможности перераспределения мощности- Резервирование


Мощность

Объекты распределенной

генерации

+/- э/э+/- мощностьСистемные услуги

Мощность

Бизнес-модель VPP позволяет без существенных инвестиций в развитие сети повысить эффективность использования сетевой мощностиПотоки денег (расход

оператора VPP)

Цель: Повышение эффективности использования сетевой мощности

Механизм стимулирования снижения нагрузки потребителем

*Возможно создание 2 операторов VPP: коммерческого оператора для возможности выхода на ОРЭМ, и технического оператора, осуществляющего технологическое управление объектами РГ

09.04.2023 33

Бизнес-модель VPP по управлению потреблением

Оператор VPP

Оператор рынка, регулятор

РСК, ТСО

Потребитель (с управляемой

нагрузкой)

Снижение нагрузки потребителя

- Передача э/э- Условия для возможности перераспределения сетевой мощности- Резервирование


Сетевая мощность

+/- э/э+/- мощность

Механизм стимулирования снижения нагрузки потребителем

Бизнес-модель VPP может быть реализована на основе существующих рынков э/э, мощности, системных услуг, на базе биржевой площадки, а

также посредством корпоративных программ

Цель: Уменьшение нагрузки на объекты электросетевого комплекса в пиковые часы

Ключевые функции оператора VPP: Управление потреблением Оператор рынка прав на сетевую мощность (в

перспективе)

Эффекты VPP: Обеспечение возможности подключения

новых потребителей в «закрытых» центрах питания (без больших инвестиционных затрат)

Снижение капитальных затрат РОССЕТЕЙ на реконструкцию центров питания

Доступ потребителей с управляемой нагрузкой к ОРЭМ и получение дополнительного дохода

Снижение потребления в часы пиковых нагрузок и/или высоких цен на рынке

09.04.2023 34






09.04.2023 35

Агентная сеть Кундура

09.04.2023 36

Агентная сеть Кундура:Рассылка заявок на предложения

09.04.2023 37

Агентная сеть Кундура:Формирование предложений

09.04.2023 38

Агентный протокол торгов

09.04.2023 39

НТЦ ФСК: конфигурация полигона ИЭС ААС

09.04.2023 40






09.04.2023 41

Структура уровней управления системы

09.04.2023 42

Агентная «социальная сеть»

Самонастройка мониторинга состояния оборудования:• Гибкие алгоритмы сбора и агрегирования данных• Знания о структуре оборудования• Передача выявленной важной информации, а не большого количества первичных

данных• Обмен данными с соседями (p2p) для оценки собственной «нормальности»

09.04.2023 43

Прототип платформе

09.04.2023 44

Использование и развитие прототипа ПТК

Использование:• Сравнение централизованного и децентрализованного подходов к

управлению• Использование решения для энергоснабжения ж/д объектов с тяговой

нагрузкой (БАМ, ТрансСиб)• Перенос решения на другие кластеры, масштабирование системы

управления до ОЭС Востока

Реализация других функций управления:• Оптимальное распределение активной мощности в нормальном режиме

(управление распределенной генерацией и управление спросом)• Автоматическое конфигурирование сети – передача уставок управляемым

устройствам• Интеллектуальное управления активами

09.04.2023 45

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

grid2030.ru – «визика» программыgridology.ru – агрегатор событий, новостей и проектов

http://www.gridology.ru/

Technology

Алексей Иванов -- мультиагентные архитектуры в электроэнергетике