Алексей Иванов -- мультиагентные архитектуры в электроэнергетике
1. Мультиагентные архитектуры в электроэнергетике
Основания мультиагентности
к 81-му заседанию Русского отделения INCOSE
Москва, 09.10.2013
Иванов Алексей, amivanoff@gmail.com
главный специалист
Центр системных исследований и разработок
интеллектуальных энергосистем
НТЦ ФСК ЕЭС
2. 09.10.2013 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
3. 09.10.2013 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
4. Продолжается дискуссия о способах перехода к
интеллектуальной энергетике
09.10.2013 4
«SMART GRID» – информатизация, автоматизация управления
«ААС» – изменение идеологии и практики управления
5. Ключевые требования к развитию инфраструктуры определены
1. Безлюдность, Self-*
Саморегулирование, непрерывный самоконтроль, самовосстановление отдельных элементов или
участков сети после аварии
2. Клиенто-ориентированность
Интеграция 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
09.10.2013 5
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
09.10.2013 6
8. Технологическая нейтральность
09.10.2013 8
Архитектуры существующих систем
Объект
сети
Сервис Сервис
Протоколы взаимодействия
Модели данных, языки описания данных, форматы
представления данных
Развивающаяся единая модель данных
Сервис Сервис Сервис
Общие сервисы
Сервис
Объект
сети
Объект
сети
Объект
сети
Интерфейс
взаимодействия
с человеком
Анализ и
Управление
Модель объекта
Управления
Интерфейс с
оборудованием
Объект
сети
Объект
сети
Объект
сети
Объект
сети
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
9. Модульная платформа с открытой архитектурой
09.10.2013 9
Переход от интегрированной архитектуры к модульной
архитектуре для различных отраслей
Источник: ЦСР «Северо-Запад» по модели Utterback.
10. Интеллектуальность (активность) элементов системы
09.10.2013 10
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
Главный
координатор
Локальные
координаторы
Децентрализованное управление
Увеличение степени децентрализации
Единственный центр принятия решений
Множество связанных центров
принятия решений Независимые центры принятия решений
Эффекты использования мультиагентного подхода
11. Технологическая нейтральность
09.10.2013 11
Архитектуры существующих систем
Объект
сети
Сервис Сервис
Протоколы взаимодействия
Модели данных, языки описания данных, форматы
представления данных
Развивающаяся единая модель данных
Сервис Сервис Сервис
Общие сервисы
Сервис
Объект
сети
Объект
сети
Объект
сети
Интерфейс
взаимодействия
с человеком
Анализ и
Управление
Модель объекта
Управления
Интерфейс с
оборудованием
Объект
сети
Объект
сети
Объект
сети
Объект
сети
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
12. Встраивание инженерии системы в саму систему
09.10.2013 12
Модель
объекта
управления
Распределенный объект управления
состояние
Анализ и выработка
безопасного оптимального
воздействия
воздействиеизменение
структуры,
износ,
отказы
Перепроекти
рование
Выяснение
ситуации
13. Шаблонные решения: Мультиагентные системы
09.10.2013 13
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
Главный
координатор
Локальные
координаторы
Децентрализованное управление
Увеличение степени децентрализации
Единственный центр принятия решений
Множество связанных центров
принятия решений Независимые центры принятия решений
Эффекты использования мультиагентного подхода
14. 09.10.2013 14
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
15. Выбор базовой эталонной архитектуры ИЭС ААС
09.10.2013 15
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
16. Ключевые элементы европейской эталонной
архитектуры
09.10.2013 16
Выбор варианта
использования
Разработка
уровня
компонентов
Разработка бизнес
уровня
Разработка
функционального
уровня
Разработка
информационного
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
17. Направления развития базовой эталонной
архитектуры
09.10.2013 17
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
Компонентный
слой
18. Использование европейской эталонной архитектуры
в качестве базовой эталонной архитектуры ИЭС ААС
09.10.2013 18
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)
19. Требования к развитию базовой эталонной
архитектуры
09.10.2013 19
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
20. 09.10.2013 20
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
21. Пилотные кластеры ОЭС Востока
09.10.2013 21
Солнечный
поток
VPP
Активы
Цель:
Отработка интеллектуальных средств управления
для магистральных сетей
22. Эльгауголь: проблематика
09.10.2013 22
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
23. Заинтересованные лица ПТК
09.10.2013 23
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 ПС
Оператор
агента
EMS ЦУГП
24. Заинтересованные лица ПТК
Наименование 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
09.10.2013 24
25. Анализ требований
09.10.2013 25
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.
26. Различие архитектурных принципов
09.10.2013 26
Требования экспертных рабочих групп
Обеспечение надежности работы систем управления при слабых
коммуникациях
Использование открытых решений, обеспечивающих легкий доступ
третьих производителей
Обеспечение легкой интеграции различных систем, обеспечение
доступа к общим ресурсам
«Нулевое перепроектирование» систем управления при развитии
Аспекты архитектуры Система Система систем
Сфера деятельности Единственная Множество
Структура Иерархическая Ячеисто-сетевая
Индикаторы Интегральный Многофакторный
Управление Централизованное Мультиагентное
Интерфейс Общесистемный Сетевой
Целеполагание Программное Адаптивное
На основе доклада В.В.Бушуева
«Энергетика как система систем»
27. Выбор архитектуры
09.10.2013 27
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
28. Пример архитектурных описаний энергокластера
«Эльгауголь»
09.10.2013 28
АрхитектураоборудованияИКТ-архитектураБизнес-архитектура
Подстанция 1 Подстанция 2
Интеграционная шина
Шина предприятия
ИЭУ ИЭУ
Шина станции
Шина процессаИнтерфейс
МИК SCADA
Оборудование
ИЭУ ИЭУ
Шина станции
Шина процессаИнтерфейс
МИК SCADA
Оборудование
ЦУС УЭР
АРМ МАС БД
ИЭУ ИЭУ
МИК SCADA
IEC 61850-8-1
IEC 61850-9-2
ИЭУ ИЭУ
МИК SCADA
IEC 61850-8-1
IEC 61850-9-2
ЦУС УЭР
АРМ МАС БД
IEC 61970
IEC 61970-1
IEC 61970-2
IEC 61970-301
TCP/IP
ACL
IIOP
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
30. 09.10.2013 30
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
31. Реализованные рыночные механизмы управления
потреблением
09.10.2013 31
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
32. Бизнес-модель VPP по управлению распределенной
генерацией
09.10.2013 32
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
Потребитель
Мощность
Объекты
распределенной
генерации
+/- э/э
+/- мощность
Системные услуги
Мощность
Бизнес-модель VPP позволяет без существенных инвестиций в развитие сети
повысить эффективность использования сетевой мощности
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
33. Бизнес-модель VPP по управлению потреблением
09.10.2013 33
Оператор VPP
Оператор рынка,
регулятор
РСК, ТСО
Потребитель
(с управляемой
нагрузкой)
Снижение
нагрузки
потребителя
- Передача э/э
- Условия для возможности
перераспределения сетевой мощности
- Резервирование
Потребитель
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
34. 09.10.2013 34
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
40. 09.10.2013 40
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
42. Агентная «социальная сеть»
09.10.2013 42
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»
44. Использование и развитие прототипа ПТК
09.10.2013 44
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