基于多代理的電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)

基于多代理的電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)

陶耀寰,王少杰,張先帥,王文華

(邵陽學(xué)院 機(jī)械工程系,湖南 邵陽422004)

摘要針對電動汽車用戶對充電、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷以及最大化充電站運(yùn)營收益的要求問題,采用UML統(tǒng)一建模語言對電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)進(jìn)行建模,從能量調(diào)度角度對電動汽車充電過程進(jìn)行整體功能分析與策略整合,同時電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)基于多代理技術(shù),將充電過程中的各方作為具有適應(yīng)性的代理,各代理通過交互通訊優(yōu)化自身決策,簡化復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題,再通過UML面向?qū)ο蟮拈_發(fā)流程建立了一個具有拓展性和綜合性的模型框架,為下一步實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件工程、硬件配置奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞電動汽車;電動汽車充電站能量管理系統(tǒng);多代理系統(tǒng);統(tǒng)一建模語言

收稿日期:2015-07-16

基金項目:湖南省教育廳重點科研基金資助項目(13A089);湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金資助項目(12B116)

作者簡介:陶耀寰(1990—),男,碩士研究生。研究方向:機(jī)電一體化。E-mail:taoyaohua@163.com。王少杰(1972—),男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:現(xiàn)代控制技術(shù)及高電能質(zhì)量輸送。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.016

中圖分類號TP315文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

Design of Energy Management System for Electric VehicleCharging Station Based on Multi Agent

TAO Yaohuan,Wang Shaojie,ZHANG Xianshuai,WANG Wenhua

(School of Mechanical Engineering,Shaoyang Institute,Shaoyang 422004,China)

AbstractThis paper uses the UML unified modeling language to perform electric vehicle charging station energy management system modeling for charging,power grid load adjustment and the maximum profit of charging station.The overall functions of the electric vehicle charging are analyzed and integrated from the angle of energy scheduling with energy management system based on multi agent system (MAS).All parties in the charging are considered as adaptive agents,whose decision-making is optimized through interactive communication,thus simplifying the control problem of complex system.A comprehensive development model framework is established by the UML object oriented development,laying the foundation for the subsequent system software engineering and hardware configuration.

Keywordselectric car;energy management system for electric vehicle charging station;multi-agent system;unified modeling language

為應(yīng)對不斷增長的汽車需求及世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問題,世界各國均十分重視節(jié)能減排,發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。發(fā)展電動汽車技術(shù)、推進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)化成為我國推動汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、提升國家國際競爭力的重大戰(zhàn)略舉措。

隨著電動汽車的普及,其大規(guī)模的無序充電行為將會給電網(wǎng)帶來巨大負(fù)擔(dān),并對電網(wǎng)的穩(wěn)定性運(yùn)行帶來影響[1-2]。因此,有必要對電動汽車充電設(shè)施,尤其是對電動汽車大規(guī)模集中充電的電動汽車充電站進(jìn)行研究。在滿足消費(fèi)者充電需求的基礎(chǔ)上,確保電網(wǎng)運(yùn)行可靠性并提高運(yùn)行效益。為確保電網(wǎng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì),同時滿足電動汽車用戶的充電需求,需發(fā)展以智能化、自動化為特征的能量管理系統(tǒng)。

電動汽車充電行為具有分散隨機(jī)性、無序性、動態(tài)性、自適應(yīng)性等特點。用戶根據(jù)電價、交通等條件做出不同充電選擇,同時用戶選擇又會影響環(huán)境,這種多變量交互影響的復(fù)雜系統(tǒng)難以用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述,以往由調(diào)度中心統(tǒng)一判斷、調(diào)度的集中式控制方式難以實現(xiàn)靈活、有效的調(diào)度[3]。多代理技術(shù)(Multi-Agent System,MAS)具有分布式并行處理、獨立自主性、可拓展性等特點,適用于電動汽車充電行為建模。

為充分發(fā)揮充電站的能量調(diào)度作用,本文以電動汽車充電站整體為研究對象,從能量調(diào)度角度出發(fā),基于多代理技術(shù),借助統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language,UML)的面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計方法,研究電動車充電站能量管理系統(tǒng),提出具有拓展性的電動汽車充電站能量管理模型。

1電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)

1.1研究對象

目前國內(nèi)電動汽車充電設(shè)施主要有公共充電站、獨立充電樁及電池?fù)Q電站[4]。公共充電站集中度較大,提供快充和慢充;位于停車場、路邊的獨立充電樁集中度較小,主要提供慢充。本文旨在研究擁有眾多充電樁的電動汽車充電站的能量管理系統(tǒng)[5]。

1.2系統(tǒng)功能

電動汽車充電站作為電網(wǎng)與電動汽車間的能量調(diào)度樞紐,具有滿足電動汽車用戶電能需求、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷的作用。電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)(Energy Management System of Electric Vehicle Charging Station,EMSEVCS)通過控制電動汽車充電站,實現(xiàn)電網(wǎng)電能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的分配。EMSEVCS具有數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)(SCADA)、電能需求狀態(tài)估計、有序充電控制、制訂充電電價等功能。

2充電站能量管理系統(tǒng)

2.1多代理技術(shù)

多代理系統(tǒng)(Multi-Agent System,MAS)是研究一些在邏輯或物理上相互獨立、相互協(xié)調(diào)、具有不同功能的代理(Agent)在交互環(huán)境中完成一個或多個功能目標(biāo)的系統(tǒng)[5]。MAS技術(shù)的目標(biāo)在于使功能簡單、相互獨立、擁有不完全信息的代理通過協(xié)商和協(xié)調(diào),能完成復(fù)雜的控制任務(wù)或解決復(fù)雜問題。

2.2EMSEVCS的多代理結(jié)構(gòu)和通信方式

EMSEVCS系統(tǒng)設(shè)置多級代理,將控制權(quán)分散到各級代理,由各級代理相互協(xié)調(diào)改變電網(wǎng)、充電站、電動汽車用戶行為。系統(tǒng)將涉及到充電行為的電動汽車用戶、充電站、電網(wǎng)等作為具有適應(yīng)性的代理主體,按照分層集散控制理論,將充電控制系統(tǒng)分為三級代理:電網(wǎng)調(diào)度代理(Grid Agent)、充電站代理(Electric Vehicle Charging Station Agent,EVCS Agent)和電動汽車代理(Electric Vehicle Agent,EV Agent)。Grid Agent監(jiān)控電網(wǎng),負(fù)責(zé)制定電網(wǎng)調(diào)度計劃;EV Agent為電動汽車車載代理,監(jiān)測電動汽車狀態(tài),并為用戶提供充電建議;EVCS Agent負(fù)責(zé)監(jiān)測電動汽車充電站狀態(tài),控制充電樁充電行為,調(diào)整電動汽車充電站負(fù)荷在時間上的分布,并通過與Grid Agent、EV Agent通訊協(xié)調(diào),影響電網(wǎng)調(diào)度計劃和用戶充電意愿,實現(xiàn)電能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的分配。

圖1　多代理結(jié)構(gòu)圖

2.3Agent功能

EVCS Agent主要功能如下:(1)通過Grid Agent間接監(jiān)測電網(wǎng)信息,如調(diào)度計劃、電能質(zhì)量、電網(wǎng)電價等;(2)通過EV Agent間接監(jiān)測接入EV信息,如電池溫度、容量、SOC等,并收集用戶需求,如用戶預(yù)期停留時間、期望電池荷電狀態(tài);(3)監(jiān)測充電站狀況,如站內(nèi)空余車位數(shù);(4)電能需求狀態(tài)估計,通過歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前站內(nèi)電動汽車狀況,估計電能需求;(5)作為充電站能量管理系統(tǒng)(EMSEVCS),依據(jù)電網(wǎng)、接入情況為每塊電動汽車電池制訂電能充電計劃,進(jìn)行有序充電控制;(6)制訂充電電價。

EV Agent包含的功能:(1)直接監(jiān)測EV信息,如電池溫度、SOC等;(2)搜集附件充電站信息,如電價、交通狀況,結(jié)合EV的SOC為用戶提供充電建議;(3)作為車載能量管理系統(tǒng),管理控制EV。

Grid Agent的功能:(1)監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài);(2)匯總下級代理負(fù)荷需求;(3)依據(jù)負(fù)荷需求制定調(diào)度計劃。

用戶(Customer)在三級代理外,對控制產(chǎn)生影響:(1)使用EV;(2)做充電選擇;(3)提出充電需求;(4)支付充電費(fèi)用。

3基于UML的EMSEVCS系統(tǒng)設(shè)計

3.1UML簡介

系統(tǒng)由思想到產(chǎn)品,是個分析細(xì)化的過程,這一過程需要將分析中的實體、過程、操作等轉(zhuǎn)化為代碼級的函數(shù)、類等,統(tǒng)一建模語言(UML)提供了一系列分析方法來完成這個過程。UML是一種圖形化、面向?qū)ο蠓治鲈O(shè)計工具,為系統(tǒng)開發(fā)的各個階段提供模型化和可視化支持,包括由需求分析到規(guī)格,到構(gòu)造和配置[6]。

UML語言由以下圖組成:用例圖、序列圖、協(xié)作圖、活動圖、類圖、對象圖、狀態(tài)圖、構(gòu)建圖和配置圖。UML建模主要有3方面優(yōu)點:可視化、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和面向?qū)ο蟆?biāo)準(zhǔn)化的圖形表示法,能簡潔明表示各種概念和模型元素,允許不同的層面設(shè)計者相互溝通;而面向?qū)ο髱砹己玫姆庋b性,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可拓展性[7]。

3.2需求分析

EMSEVCS系統(tǒng)旨在兼顧用戶需求,根據(jù)電網(wǎng)電價和負(fù)荷情況,穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地管理電動汽車充電站,系統(tǒng)根據(jù)MAS思想將電網(wǎng)、電動汽車充電站、EV設(shè)為Agent。

電動汽車充電站Agent功能可劃分為3大類:信息監(jiān)測、能量調(diào)度控制以及運(yùn)營業(yè)務(wù)。其中信息監(jiān)測包括:電網(wǎng)信息監(jiān)測、接入EV信息和用戶需求監(jiān)測。能量調(diào)度控制如:有序充電控制、電價調(diào)控策略、電能調(diào)度調(diào)控策略;運(yùn)營業(yè)務(wù)有:制定電價、用戶賬戶、EV信息管理、支付系統(tǒng)、信息廣播、全站負(fù)荷需求上載。

3.3用例圖

表1　用例圖元素功能

靜態(tài)需求分析后,即可用Use Case Diagram描述系統(tǒng)功能。用例圖由系統(tǒng)(System)、業(yè)務(wù)主角(Business Actor)、業(yè)務(wù)角色(Business worker)、業(yè)務(wù)實體(Business Entity)、用例(Use-case)及用例間的關(guān)系(Relation)組成[7]。列出用例圖中各元素功能。

圖2　EMSEVCS系統(tǒng)整體用例圖

3.4動態(tài)圖

根據(jù)用例圖功能分析,用動態(tài)圖實現(xiàn)每個功能。動態(tài)圖包括序列圖、協(xié)作圖、活動圖及狀態(tài)圖,用于具體描述每個子功能的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。以下以序列圖描述 “EV Agent監(jiān)測EV狀況”和活動圖描述“制訂有序充電計劃”為例。

圖3　“EV Agent監(jiān)測EV狀況”序列圖

序列圖用以描述功能實現(xiàn)過程中消息在對象間的發(fā)送與接收,著重描述消息的序列和順序。圖中EV Agent調(diào)用EV類對象MyEV的成員函數(shù)GetEVInfo()獲得EV信息。

活動圖描述動作及結(jié)果,著重描述操作實現(xiàn)中所完成的工作及對象中的活動。如圖4所示,EVCS Agent負(fù)責(zé)制訂有序充電計劃,每15 min更新一次站內(nèi)數(shù)據(jù),重新計算有序充電決策矩陣[8]。首先EVCS Agent初始化站內(nèi)數(shù)據(jù)得到當(dāng)日電網(wǎng)調(diào)度計劃、電價、接入EV信息等,進(jìn)行首次決策計算得到初始充電計劃,在下一個決策時間點到來之前,充電計劃保持不變,充電站內(nèi)各充電樁按當(dāng)前充電計劃執(zhí)行充電任務(wù)。當(dāng)決策timer到來時,EVCS Agent更新電網(wǎng)方面數(shù)據(jù),檢查是否有EV接入或斷開,更新全站接入EV信息,進(jìn)行下一次決策計算。

在完成電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)的UML建?；A(chǔ)上,利用Rose平臺正向工程生成系統(tǒng)框架代碼,在VC++環(huán)境實現(xiàn)系統(tǒng)。

4結(jié)束語

UML建模即需求分析和系統(tǒng)設(shè)計的過程。本文基于多代理技術(shù),在充電站整體能量調(diào)度的角度討論了電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)(EMSEVCS)的主要功能,基于ROSE平臺實現(xiàn)UML模型,生成相應(yīng)的程序框架代碼,進(jìn)行了電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)設(shè)計。下一步工作將進(jìn)一步完善電動汽車代理和電網(wǎng)調(diào)度代理功能設(shè)計,拓展電動汽車代理功能成為車載能量管理系統(tǒng),在軟件工程領(lǐng)域和硬件配置領(lǐng)域進(jìn)一步實現(xiàn)電動汽車充電站能量管理系統(tǒng)。

圖4　“有序充電控制”活動圖

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