荊朝霞，胡斌江，江昌旭

(華南理工大學電力學院，廣州市 510640)

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基于多代理系統(tǒng)的電動汽車綜合運營仿真平臺設(shè)計與應(yīng)用

荊朝霞，胡斌江，江昌旭

(華南理工大學電力學院，廣州市 510640)

電動汽車運營系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，涉及多種類型的主體，主體具有很強的自主性和自適應(yīng)性，傳統(tǒng)的建模方法無法進行準確的建模。介紹了一個基于復雜適應(yīng)理論及多代理系統(tǒng)(multi-agentsystem，MAS)的電動汽車綜合運營仿真平臺的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用。該平臺基于JADE開發(fā)，可以對電動汽車運營、充電設(shè)施規(guī)劃等問題中包括電網(wǎng)、充換電設(shè)施、電動汽車等在內(nèi)的多個類型主體的行為進行仿真和分析，同時具有良好的適應(yīng)性和擴展性。在此仿真平臺上對南方某地區(qū)的一個算例進行建模，該模型詳細地考慮了乘客的出行特性、電動出租車的充換電方式和交接班制度等，通過仿真運行研究了電動出租車的充電負荷特性，并與傳統(tǒng)方法對比驗證了基于多代理方法的優(yōu)勢。

JADE；多代理系統(tǒng)；電動汽車

0 引 言

隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展和推廣，對其大規(guī)模接入電網(wǎng)相關(guān)問題的研究受到了廣泛的關(guān)注，包括充換電設(shè)施的規(guī)劃與運營、有序充放電策略、充電負荷特性及對電網(wǎng)的影響等[1-3]。

電動汽車運營系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，其中電動汽車及充換電設(shè)施的運營、控制及規(guī)劃等方面的研究涉及到電網(wǎng)公司、充換電設(shè)施、出租車運營公司、出租車司機、出租車、交通網(wǎng)絡(luò)等多種主體。每個利益主體都會根據(jù)自己的利益而獨立決策采取行動，同時還會受到其他主體的行為和環(huán)境的影響，具有很強的自主性和自適應(yīng)性。這是一個由多種主體組成的具有隨機性、動態(tài)性、自適應(yīng)性的復雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)的數(shù)學建模方法難以準確描述各主體的自主性和自適應(yīng)性，往往忽略了主體之間較強的社會交互性，無法對這種復雜系統(tǒng)進行準確建模。復雜適應(yīng)系統(tǒng)(complexadaptivesystem，CAS)理論的出現(xiàn)為這類系統(tǒng)的建模、分析提供了一種有效的方法[4]。多代理系統(tǒng)(multi-agentsystem，MAS)是研究復雜適應(yīng)系統(tǒng)的有效工具[5]。

多代理軟件工具可以幫助研究者快速構(gòu)建各自學科領(lǐng)域的仿真模型。自20世紀90年代美國桑塔費研究所(SantaFeInstitute)為復雜系統(tǒng)建模設(shè)計出軟件平臺Swarm[6]以來，很多大學和研究機構(gòu)投身于這類系統(tǒng)平臺的開發(fā)研制工作, 其中,意大利TILAB開發(fā)的完全遵循FIPA規(guī)范的JADE(JAVAagentdevelopmentframework)[7]由JAVA語言實現(xiàn)，具有跨平臺優(yōu)勢，并且該代理平臺還提供一些圖形界面工具直觀、方便地對代理進行各種操作。多代理軟件工具可以幫助研究者快速構(gòu)建各自學科領(lǐng)域的仿真模型。

目前國內(nèi)外使用多代理技術(shù)對電動汽車進行研究的文獻比較少，主要集中在電動汽車與充電站的建模和仿真[8-10]以及電動汽車充放電行為的控制等方面[11-13]。這些文獻設(shè)計的多代理系統(tǒng)都是針對某些特定類型的電動汽車問題。

本文對開發(fā)的基于JADE平臺的電動汽車運營仿真平臺進行了介紹。該平臺可以對電動汽車運營過程中所涉及的各種主體及之間的關(guān)系進行建模，包括電動汽車、運營商、充電站設(shè)施運營商、電網(wǎng)企業(yè)和政府等，具有良好的擴展性，可以方便地根據(jù)仿真的需求對系統(tǒng)包含的代理類型進行刪減、修改。

1 電動汽車綜合運營仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 代理分析與設(shè)計

一個多代理系統(tǒng)由代理及其所處的環(huán)境構(gòu)成。在本系統(tǒng)中，代理分為電動汽車運營主體和電動汽車運營環(huán)境2大類。

(1)電動汽車運營主體類代理。這類代理是電動汽車運營仿真中的主體，主要包括：各類電動汽車(包括電動私家車、電動出租車、電動公交車和電動商務(wù)車等等)，電動汽車充電站、電動汽車換電站、電動汽車停車場、電動出租車運營商、電網(wǎng)和政府等等。

(2)電動汽車運營環(huán)境代理。電動汽車行駛時需要一些特定的交通網(wǎng)絡(luò)，電動汽車充電站、換電站和停車場等都需要有自己的地理位置，這些都是電動汽車運行相關(guān)主體的環(huán)境，在本多代理系統(tǒng)，這種環(huán)境被統(tǒng)一地設(shè)計成地圖代理。由于JADE平臺分布式的特點，不同平臺上的代理進行仿真時需要有統(tǒng)一的時間控制仿真的進行，因此設(shè)計一個時間代理來協(xié)調(diào)平臺所有其他運行主體代理的運營仿真時間。此外，在用電動汽車綜合仿真系統(tǒng)做實驗時，需要知道一些電動汽車運營主體代理的內(nèi)部狀態(tài)信息，設(shè)計一個專門的監(jiān)視代理來實時監(jiān)視電動汽車運營主體代理的內(nèi)部狀態(tài)信息并顯示在面板上。

基于MAS的電動汽車綜合運營仿真系統(tǒng)的代理分類以及關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出，時間代理以外的其他所有代理都在時間代理的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下運營仿真。電網(wǎng)代理、電動汽車充電站代理和停車場代理既是為電動汽車提供運營環(huán)境的運營環(huán)境代理，也是電動汽車運營主體代理，他們都各有自己的目標。

圖1 基于MAS的電動汽車綜合運營仿真系統(tǒng)代理之間的關(guān)系

1.2 代理功能描述與實現(xiàn)

(1)代理組織架構(gòu)。在電動汽車仿真系統(tǒng)中，每個電動汽車運營仿真主體代理都有自己的目標，他們都會為了達成自己的目標而采取相應(yīng)的動作，而電動汽車運營環(huán)境代理沒有自己的目標，他們只是為電動汽車運營主體代理提供運營環(huán)境。在JADE平臺中，可以把不同類型的代理放到不同的容器(Container)中，便于組織管理。本平臺中，將電動汽車運營主體類代理和電動汽車運營環(huán)境類代理分別放入2個容器Agent-EnvironmentContainer和EVContainer中，軟件界面見文獻[14]。

(2)電動汽車代理。電動汽車代理的類型包括電動私家車代理、電動出租車代理和電動公交車代理，公共參數(shù)包括電池容量BatteryCapacity、電池狀態(tài)

SOC、平均速度AVGSpeed和每千米耗電量kwhperkm等。

電動汽車代理啟動后，先向目錄服務(wù)器DF注冊，然后通過代理管理系統(tǒng)AMS查詢到地圖代理，并向地圖代理請求地圖信息。電動汽車代理獲取地圖信息后，根據(jù)自己特定的算法初始化自己的位置，之后不同類型的電動汽車根據(jù)自身的行駛特性在交通網(wǎng)絡(luò)中行駛，并實時地向地圖代理報告自己的位置。為了獲取到達目的地的最短路徑，電動汽車可以詢問地圖代理，地圖代理將返回電動汽車當前位置和目的地之間的最短路徑。

(3)電網(wǎng)代理。電網(wǎng)代理收集充電站、停車場和其他負荷的功率信息，進行系統(tǒng)調(diào)度，計算并發(fā)布不同時間的電價。充電站代理和電動汽車停車場代理可以與電網(wǎng)代理交互，并定期將自身的負荷情況發(fā)送給電網(wǎng)代理。根據(jù)研究背景和研究目的不同可以采用不同的電價機制，如峰谷電價，實時電價及高峰電價等。

(4)充電站代理。充電站代理主要為其他電動汽車提供充電服務(wù)。代理啟動后向AMS注冊，提供充電服務(wù)，并初始化自己在地圖的位置和其他參數(shù)信息。當有一輛電動出租車來充電站充電時，充電站根據(jù)用戶需求安排一個充電樁給其充電，并將充電負荷報告給電網(wǎng)代理。如果充電樁已經(jīng)使用完畢，則新來的電動出租車將進入此充電站代理的等待隊列中。當有電動出租車完成充電離開充電機或充電樁時，充電站從等待隊列中取出隊首的電動出租車對其進行充電。充電站有任何的充電負荷變化都會報告給電網(wǎng)代理，并且有任何空余充電機或充電樁的變化，都將報告給所需要的代理。其他任何代理可以隨時查詢充電站的空余充電機和充電樁的個數(shù)，以輔助自己決策。

(5)時間代理。在電動汽車運營仿真系統(tǒng)中，提供時間服務(wù)的代理只有一個，相當于計算機系統(tǒng)中的時鐘，可以控制整個仿真系統(tǒng)的開始時間、仿真的啟動和暫停以及仿真的時間步長和界面更新時間。

(6)地圖代理。地圖代理提供地圖服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容包括啟動電動汽車和充電站代理；顯示道路、道路交叉點以及充換電站信息；仿真時實時顯示電動汽車的位置信息；為電動汽車用戶提供2個道路交叉點之間的最短路徑；提供某點附近的最近的充換電站信息等。

(7)監(jiān)測代理。監(jiān)側(cè)代理為其他代理提供狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)，并將結(jié)果顯示在人機交互界面上。比如，對出租車代理的監(jiān)測信息包括所在位置、SOC、載客狀態(tài)等。

2 電動汽車綜合運營仿真平臺的應(yīng)用

為了說明基于多代理的電動汽車綜合運營仿真系統(tǒng)在電動汽車運營研究中的應(yīng)用，本文將使用該系統(tǒng)研究電動出租車(electrictaxivehicle，ETV)的充換電負荷問題。

2.1 問題描述

ETV充換電負荷作為電網(wǎng)的一類特殊負荷，由于其運營時間與空間上的隨機性、交接班的時間與地點的約束以及充換電時間與地點的約束等，其建模相對其他類型電動汽車充換電負荷更加復雜，這幾方面的處理也是ETV充換電負荷建模的難點。目前的電動汽車負荷模型研究大多未考慮充換電設(shè)施的實際布局以及ETV的交接班位置約束。ETV運營研究中的相關(guān)指標，如空駛率、平均行駛速度等都與負荷模型有關(guān)，這種過于簡化的負荷模型將難以對特定地點充換電設(shè)施的負荷與運營模式進行深入研究。

本文基于多代理電動汽車運營仿真平臺對ETV的充電負荷進行研究。研究的環(huán)境與文獻[15-16]的環(huán)境一致。

2.2 區(qū)域類型劃分及充電電池特性

乘客的出行特性決定了出租車司機巡游過程中的行駛特性。通過區(qū)域用地性質(zhì)將出租車行駛范圍劃分為熱點區(qū)域、次熱點區(qū)域與普通區(qū)域，各區(qū)域的實駛率可以擬合為式(1)～(3)[14-15]，即：

(1)

(2)

(3)

為了簡化充電過程，本文采用恒功率充電模型。假如電動出租車電池容量為Cn，額定電壓為Un，充電功率為P，電池初始狀態(tài)為nSOC，那么充電時間tc為

(4)

單臺充電機輸入視在功率S的計算公式如下：

(5)

式中：輸入功率因數(shù)cosφ=0.99；充電效率η=90%。

2.3 網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備參數(shù)設(shè)置

本文對中國南方某城市一個地區(qū)電動出租車的充換電負荷需求進行仿真，如圖2所示。該區(qū)域共有108個節(jié)點，假設(shè)出租車只能在節(jié)點位置停車上下乘客。其中圓圈節(jié)點代表熱點區(qū)域，三角形節(jié)點代表次熱點區(qū)域，正方形節(jié)點代表普通區(qū)域，電池標志代表換電站的位置。本算例中，換電站位置為節(jié)點105(熱點區(qū)域)、節(jié)點106(次熱點區(qū)域)、節(jié)點107(熱點區(qū)域)與節(jié)點108(普通區(qū)域)。

圖2 交通網(wǎng)絡(luò)及充換電設(shè)施規(guī)劃圖

本文算例采用比亞迪E6電動汽車作為電動出租車，其具體參數(shù)見表1，并假設(shè)電動出租車進入換電站換電的固定消耗時間為10min。

表1 電動出租車參數(shù)

Table1Parametersofelectrictaix

2.4 仿真流程

使用基于多代理的電動汽車綜合運營仿真系統(tǒng)進行仿真時，先初始化仿真平臺和代理，然后啟動仿真。

仿真平臺啟動之后，系統(tǒng)會自動啟動地圖代理、電網(wǎng)代理、時間代理、監(jiān)控代理等環(huán)境代理，接下來用戶可以通過地圖代理的GUI進行地圖的繪制工作、區(qū)域熱點的劃分和充電站的設(shè)置，然后用戶可以導入包含有電動出租車初始參數(shù)如電動出租車數(shù)量、出租車初始位置和電池型號等各項參數(shù)的配置文件，最后用戶就可以通過時間代理啟動仿真了。

啟動仿真后，不同的代理有不同的執(zhí)行流程，電動出租車代理的仿真流程見圖3所示。

圖3 電動出租車仿真流程圖

2.5 仿真結(jié)果

本文的仿真中，區(qū)域內(nèi)共有120輛電動出租車同時運營，電動出租車全部采用換電模式，而且電動出租車換下來的電池馬上進行慢速充電(充電功率為14kW)。經(jīng)過一天時間的仿真，充電站的總充電負荷如圖4所示，各個充電站各自的充電負荷如圖5所示。為了對比，圖6給出了文獻[15]的結(jié)果。

圖4 4個充電站的充電總負荷

圖5 換電模式下4個充電站的充電負荷

圖6 文獻[15]得到的充電負荷

2.6 仿真結(jié)果分析討論

對圖4及圖5可以分析得出，各個充電站充電高峰出現(xiàn)的時間跟充電總負荷曲線出現(xiàn)高峰的時間基本一致，負荷高峰時間出現(xiàn)在4個時段： 23:00—02:00，04:00—06:00，12:00—15:00，16:00—17:00。其中12:00—15:00，23:00—2:00是由于出租車司機為了在16:00和4:00換班前保持滿電狀態(tài)而去充電站換電引起的負荷高峰。對比圖5和圖6，105號充電站和107號充電站的負荷明顯大于106號充電站和108號充電站，這是因為105充電站和107充電站位于熱點區(qū)域，106充電站和108充電站分別位于次熱點區(qū)域和普通區(qū)域。

對比文獻[15]的結(jié)果可以看到，2種方法得到的充電負荷曲線有一定的差別。文獻[15]中負荷的集中度非常高，在07:00—11:00時及19:00—23:00時幾乎沒有充電負荷，如圖6所示，這跟實際情況不符。這主要是文獻[15]中基于蒙特卡洛的仿真中對出租車行為的設(shè)置相對比較簡單，沒有考慮不同電動出租車之間的差異，因此不能完全反映實際情況。

除了負荷特性分析，基于多代理系統(tǒng)的電動汽車綜合仿真平臺還可以用于有序充換電策略研究、充換電設(shè)施規(guī)劃、充電電價策略制定等領(lǐng)域。針對本文設(shè)計的基于多代理的電動汽車仿真平臺進行研究，相對傳統(tǒng)的解析分析、蒙特卡洛仿真等方法具有以下優(yōu)勢。

1)適應(yīng)性強。當研究涉及到多種類、大批量的電動汽車時，常規(guī)方法難以對每個電動汽車進行詳細建模，需要進行比較多的簡化，從而影響了結(jié)果的有效性。

2)擴展性強。多代理仿真系統(tǒng)具有擴展性好，即插即用等特點，可以方便地根據(jù)研究的需要增加代理的類型、代理的數(shù)量，以及修改代理的行為。

3)建模仿真簡單方便。本系統(tǒng)建立了電動汽車運營仿真的通用平臺，提供一系列便捷工具供研究者使用，可大大減小建模和仿真的工作量。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一個基于多代理的電動汽車運營仿真平臺的設(shè)計和開發(fā)思路。該平臺基于JADE平臺實現(xiàn)，其設(shè)計和開發(fā)完全遵循多代理系統(tǒng)的FIPA規(guī)范，具有良好的適應(yīng)性和擴展性。電動汽車研究者可以根據(jù)研究需要利用該平臺快速構(gòu)建電動汽車運營仿真系統(tǒng)。

對南方某地區(qū)的一個算例，通過該電動汽車運營仿真平臺建模，對電動出租車的負荷特性進行了研究，通過對比說明了基于多代理方法的優(yōu)勢。

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(編輯：張媛媛)

Design and Implementation of a Multi-Agent-System Based onElectric Vehicles Operating Simulation Platform

JINGZhaoxia，HUBinjiang，JIANGChangxu

(SchoolofElectricalPower，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China)

Electricvehiclesoperatingsystemisacomplexadaptivesystem,itinvolvesavarietyofentitieswhicharedifficulttobemodeledaccuratelyduetotheirproactivityandsocialability.Inthispaper,thedesign,implementationandapplicationofamultiagentsystem(MAS) (electricvehicle)operatingsimulationplatformwasintroduced.Withthisplatform,behaviorsoftheentitiessuchassystemoperator,vehicledriversandchargingfacilityoperators,involvinginEVoperatingandchargingfacilityplanning,weresimulatedandanalyzed.Basedonthisplatform,inwhichcharacteristicsofpassengerstraveling,EVscharginganddriversshiftingwerecomprehensivelytakesintoaccount,adigitalexampleforelectrictaxisinacityinSouthChinawasusedtostudythechargingloadcharacteristics.Thesimulationresultwascomparedwiththatofatraditionalmethodanddemonstratestheadvantagesofmulti-agent-systemmethod.

JADE;multi-agentsystem(MAS);electricvehicles

國家自然科學基金項目(51377058)。

TM

A

1000-7229(2015)07-0216-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.031

2015-04-30

2015-06-03

荊朝霞(1975)，女，博士，教授，研究方向為電力市場、電動汽車、電力系統(tǒng)運行與控制、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化；

胡斌江(1989)，男，碩士研究生，研究方向為電動汽車仿真；

江昌旭(1990)，男，碩士研究生，研究方向為電動汽車仿真、電力系統(tǒng)運行與控制。

ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51377058).