衣明義

（青島汽車產(chǎn)業(yè)新城管理委員會(huì) 山東省青島市 266200）

現(xiàn)有研究已表明，車輛的能耗，除了與車輛動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)相關(guān)外，還與車輛周圍實(shí)時(shí)交通環(huán)境相關(guān)，基于車路環(huán)境信息的車輛自適應(yīng)能量管理控制策略研究已成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 當(dāng)前我國(guó)汽車現(xiàn)狀的分析

經(jīng)研究調(diào)查可知，現(xiàn)階段汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了我國(guó)發(fā)展中的支柱性產(chǎn)業(yè)。但不可否認(rèn)是，在汽車產(chǎn)業(yè)給我國(guó)帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了些許安全隱患，主要可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 交通事故隱患

伴隨著我國(guó)汽車保有量的進(jìn)一步提升，因汽車導(dǎo)致的交通安全事故次數(shù)越來越多，甚至成為了危害人們生命安全的重大隱患之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)在的交通事故發(fā)生率正在以每天兩千多起的頻率發(fā)生著。追其原因可知，導(dǎo)致這類交通事故頻頻發(fā)生的原因大都源于駕駛員在駕車的過程中根本沒有遵守交通規(guī)則。[1]

1.2 城市擁擠嚴(yán)重

汽車作為導(dǎo)致我國(guó)城市交通擁擠的主要原因。由于我國(guó)城市規(guī)劃建設(shè)的不合理，而汽車銷售的數(shù)量沒在不斷的增加，所以我國(guó)許多城市都面臨著擁擠的問題，由于地下停車場(chǎng)的數(shù)量并不是很多，所以許多汽車選擇了直接在地面停車。我們可以觀察到在一些高峰的時(shí)刻，許多地段的汽車變得越來越擁擠。我國(guó)的城市交通管理部門為了不斷優(yōu)化交通的道路情況，在每年都這方面投入上都會(huì)消耗一千萬以上?，F(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)城市擁擠的高效治理，大部分城市都實(shí)行了限號(hào)措施，即：對(duì)城市出行的車輛進(jìn)行限制。另外，像北京、上海這種大城市，針對(duì)城市汽車特別擁擠情況還特意限號(hào)限行，或者是汽車購(gòu)車的限制，這樣可以極大地減少汽車的擁擠，給予了其制度的保障。[2]

1.3 能源消耗

通過商務(wù)部對(duì)外貿(mào)易發(fā)布的石油行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況可知，我國(guó)原油對(duì)外依存度已經(jīng)高達(dá)56.6%。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查的分析，到今年我國(guó)的石油需求會(huì)不斷地上升，我國(guó)是一個(gè)石油的進(jìn)口大國(guó)，每年對(duì)石油的需求都在增加，而且到目前為止還沒有有效的，可以替代的一些汽車使用的新能源。[3]

1.4 空氣污染

石油作為汽車燃料中的主要來源，石油中包含有許多微量元素，如：碳與氮等。這些微量元素作為汽車燃料在燃燒提供動(dòng)力的時(shí)候，經(jīng)過氧化非常容易產(chǎn)生二氧化碳等氣體，并以尾氣形式排放出來，而這些氣體的排放無疑將給空氣帶來嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致全球氣候變暖。

2 能量管理優(yōu)化控制仿真軟件應(yīng)用

對(duì)新能源汽車能量管理優(yōu)化系統(tǒng)的詳細(xì)模擬，包括控制和活動(dòng)部件，通常需要混合模型，即將基于連續(xù)時(shí)間(物理相關(guān))和基于離散事件(與控制相關(guān))模擬方法的各個(gè)方面結(jié)合起來的模型[4]，只有少數(shù)工具可以用來完成這一任務(wù)。目前，在這個(gè)方向上最流行的工具是專用仿真環(huán)境SIMULINK(由MathWorks 開發(fā))，它工作在MATLAB 之上，允許以一種非常方便的模型。然而，SIMULINK 不能完全涵蓋典型能源系統(tǒng)的全部復(fù)雜性，需要用其他專有工具箱來擴(kuò)展。[5]像SIMULINK 這樣的一體化工具的另一種選擇是開發(fā)定制的協(xié)同仿真框架，以滿足特定場(chǎng)景或應(yīng)用程序的特定需求。Suchan 方法的優(yōu)勢(shì)在于它允許為每個(gè)領(lǐng)域使用最合適的專家工具。[6]不利之處，僅僅是使不同的工具，不能夠正確有效地協(xié)同工作。關(guān)于電力系統(tǒng)的模擬，目前只有少數(shù)的方法和工具。[7]這里提出的聯(lián)合仿真框架是基于提出的方法，將專有組件，替換為已經(jīng)被證明對(duì)電力系統(tǒng)應(yīng)用有用的標(biāo)準(zhǔn)開源解決方案?；陂_放源碼軟件的協(xié)同仿真工具鏈，在擬議的協(xié)同仿真方法中集成的各種面向問題的仿真工具及其相應(yīng)接口的概述。[8]該環(huán)境允許對(duì)其他建模的行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，如智能充電控制、模組服務(wù)、電動(dòng)汽車的交通模式或電池技術(shù)。[9]

3 智能網(wǎng)聯(lián)新能源汽車能量管理優(yōu)化控制仿真軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

3.1 基于離散事件的微觀仿真

協(xié)同仿真框架的核心是GridL AB-D[10]，它負(fù)責(zé)仿真控制，即所有組件的校正和確定性執(zhí)行。Gridlab-D 是一種用于基于離散事件的微模擬的開源工具，主要用于分析配電系統(tǒng)。它提供了幾個(gè)插件模塊，用于模擬能源的產(chǎn)生、分配和消費(fèi)，以及控制、網(wǎng)絡(luò)通信或市場(chǎng)等相關(guān)主題。它的設(shè)計(jì)也希望具有靈活性，以便于與其他工具和模擬環(huán)境相結(jié)合。對(duì)于下面介紹的用例，已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)新的插件，允許用Gridlab D 中的專用對(duì)象來表示模擬的所有組件。這些對(duì)象負(fù)責(zé)根據(jù)全局模擬時(shí)間更新自己的內(nèi)部狀態(tài)。Gridlab-D 的模擬核心是查找運(yùn)行時(shí)(離散事件)中這些對(duì)象的狀態(tài)變化，并啟用它們之間的同步交互。假設(shè)所有其他對(duì)象都保持在當(dāng)前狀態(tài)，那么當(dāng)下一次內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)對(duì)象都必須通知仿真核，因此，每次發(fā)生事件時(shí)，所有對(duì)象都必須進(jìn)行同步。

3.2 基于時(shí)間的連續(xù)物理模擬

物理成分通常必須由連續(xù)的基于時(shí)間的微分代數(shù)方程的系統(tǒng)來描述.對(duì)于本文提出的協(xié)同仿真框架，采用開放源碼的通用多域(物理)仿真環(huán)境OpenModelica 實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的仿真模型。它附帶了來自不同領(lǐng)域的組件的大量標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，例如電氣、熱、機(jī)械或面向控制的組件，促進(jìn)了復(fù)雜模型的快速成型和開發(fā)。OpenModelica 基于開放的標(biāo)準(zhǔn)化模型語言，它是一種面向?qū)ο蟮?、基于方程的局域網(wǎng)規(guī)范，專門用于多域建模。相對(duì)于ablock 圖方法(例如Simulink)，它依賴于通用的條款建模概念(例如物理域中的能量守恒定律)。這種方法導(dǎo)致了相當(dāng)多的復(fù)雜非均勻系統(tǒng)的模擬研究進(jìn)展，即由不同模擬域的元素組成的系統(tǒng)。因此，OpenModelica 在協(xié)同仿真框架中是一項(xiàng)特別有用的資產(chǎn)，以便方便和高效地建?，F(xiàn)實(shí)世界中的組件。[11]

3.3 電力系統(tǒng)仿真

在電力系統(tǒng)的分析中，使用了開源工具PSAT，為MATLAB/SIMULINKANK 和GNU Octave 提供了一個(gè)工具箱。它提供各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)元件模型，以支持精確的電力系統(tǒng)建模，包括負(fù)載、機(jī)器、控制和調(diào)節(jié)變壓器。其中，PSAT 能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，如潮流分析、最優(yōu)潮流分析、小信號(hào)穩(wěn)定分析和時(shí)域仿真等。當(dāng)作為獨(dú)立應(yīng)用程序使用時(shí)，所有操作都可以通過圖形用戶界面進(jìn)行評(píng)估。然而，為了實(shí)現(xiàn)本文提出的協(xié)同仿真框架，GNUOctave 中的命令行模式使用了PSAT。為了使耦合仿真成為可能，必須從仿真控件中控制和調(diào)用功率流計(jì)算，以使仿真同步。通過訪問適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)(例如變壓器抽頭位置、負(fù)載的活動(dòng)和再激活器)，可以改變電力系統(tǒng)的狀態(tài)。通過訪問產(chǎn)生的矩陣(例如電壓、功率)，就可以將實(shí)際的模型狀態(tài)與接口應(yīng)用程序進(jìn)行通信。仿真控制負(fù)責(zé)推進(jìn)到下一時(shí)間階段，即隨著模型的不同變化，潮流計(jì)算重復(fù)進(jìn)行。[12]

3.4 分布式自動(dòng)化和控制系統(tǒng)

這是以一種基于標(biāo)準(zhǔn)的方式指定控制路徑，并允許協(xié)同模擬智能電網(wǎng)的行為。這個(gè)仿真是NEC-Essary 在不同的開發(fā)階段，從控制算法的開發(fā)和優(yōu)化到在嵌入式控制設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證。由于智能電網(wǎng)及其組件的分布式性質(zhì)，這通常也適用于控制系統(tǒng)。本文所采用的控制方法是基于iec 61499 分布式交換參考模型。該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了嵌入式控制器的定義和實(shí)現(xiàn)階段。在德國(guó)智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化路標(biāo)圖中，iec 61499 改裝模型被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)控制的一種很有前途的方法。根據(jù)IEC 61850 的互操作性和通信標(biāo)準(zhǔn)，iec 61499 參考模型具有很大的潛力。使用iec 61499 的主要好處之一在于，相應(yīng)的控制模型可以被視為可執(zhí)行模型。這意味著它們可以在集成環(huán)境中執(zhí)行，就像在嵌入式設(shè)備上執(zhí)行一樣，除了小的適應(yīng)。在本文提出的基于開放源碼軟件的協(xié)同仿真環(huán)境中，采用了IEC61499 兼容的OSS4DIAC，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)開放的、可擴(kuò)展的控制環(huán)境。主要的挑戰(zhàn)之一是Gridlab-D 的離散Cvent-Based 仿真與基于時(shí)間的連續(xù)Modelica 模型的耦合。這樣做的先決條件是OperMoudelica能夠根據(jù)Ex-Change i 16 模型的開放標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范功能模型接口(Fmi)導(dǎo)出獨(dú)立獨(dú)立組件，這是基于協(xié)同仿真應(yīng)用的新趨勢(shì)的基礎(chǔ)。FMI 標(biāo)準(zhǔn)定義了獨(dú)立組件(所謂的FunctionalMockupUnit)的API，并提供了創(chuàng)建和運(yùn)行模型實(shí)例的功能。這些自給組件用于完成與Gridlab-D 的耦合。這是通過部署一個(gè)專門的FMI 包裝器來實(shí)現(xiàn)的，該包裝器用于基于離散事件的環(huán)境和基于連續(xù)方程的組件之間的同步交互。Gridlab-D 和PSAT 之間的耦合在技術(shù)上相當(dāng)簡(jiǎn)單，因?yàn)镚NU Octave 的代碼庫(kù)是完全開源的。這允許直接將所有功能、Concerning 矩陣創(chuàng)建和操作以及更高級(jí)別的命令解析(例如函數(shù)調(diào)用的評(píng)估)集成到其他應(yīng)用程序中。該協(xié)同仿真框架使用了一個(gè)薄的封裝層，以使Gridlab-D touse C 陣列取代GNU Octave 的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型。此外，它還提供了一些其他方便的功能(例如改變工作目錄或執(zhí)行腳本)。為了將分布式控制環(huán)境4 DIAC 與協(xié)同模擬框架耦合，使用了抽象Client/Server 通信模式。該模式由兩個(gè)iec 61499通信功能塊組成，使用抽象語法表示法(ASN.1)在TCP/IP 套接字上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(如IEC 61499 標(biāo)準(zhǔn)中所示)。在本研究中，符合iec 61499 標(biāo)準(zhǔn)的控制器充當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器和專用Gridl AB-D 對(duì)象作為客戶端。使用這種簡(jiǎn)單的通信協(xié)議代替FMI 規(guī)范的主要原因在于，SAMC 控制器模型也可以用在一些小修改的嵌入式控制環(huán)境中。只有通信功能塊必須與與現(xiàn)實(shí)世界交互的功能塊(如語音模擬或數(shù)字視頻流)進(jìn)行交換。

3.5 F編譯器、庫(kù)和平臺(tái)問題

在運(yùn)行Windows 7 Enterprisein 虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)可用服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)。由于OpenModelica 和GNU Oc-Tave 都使用了開放可用的MinGW 開發(fā)環(huán)境，為了避免與4D1AC 的通信使用了開放式Boost(也用MinGW 4.6.2 編譯)，對(duì)Gridlab-D 進(jìn)行了相應(yīng)的修改，以便編譯MinGW(GCC 4.6.2)。4 DIAC 環(huán)境適用于不同的PC(Linux、Win 32、Windows Cygwin)和嵌入式平臺(tái)-窗體/環(huán)境(VxWorks、ThreadX、Ecos)。由于其在協(xié)同仿真環(huán)境中的應(yīng)用，采用了本地Win 32 移植。由于所有可用的工具和庫(kù)都是開放版本的，所以可以將這個(gè)協(xié)同模擬框架移植到Linux 上。然而，到目前為止還沒有這樣做。

4 案例研究：智能充電

本文所研究現(xiàn)象的時(shí)間基礎(chǔ)是以秒為單位，以分鐘為單位，以小時(shí)的分?jǐn)?shù)為單位，對(duì)電力系統(tǒng)模型每一時(shí)間步進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。用靜態(tài)Protfiles 來建模非動(dòng)態(tài)分布是可行的，與標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)計(jì)剖面相結(jié)合通常也是如此。當(dāng)涉及到動(dòng)態(tài)行為時(shí)，比如在VCHIIN 戰(zhàn)斗中，電荷的實(shí)際狀態(tài)(S0c)取決于功率和時(shí)間的消耗，模型必須準(zhǔn)確地反映相應(yīng)的變化。這種動(dòng)力行為的例子有：有限充電功率對(duì)電動(dòng)汽車射程的影響?？衫玫哪芰?jī)?chǔ)存在電力儲(chǔ)能中，由于環(huán)境溫度的變化，需求發(fā)生變化。

4.1 用例描述

作為一個(gè)簡(jiǎn)單的用例，本地電壓控制算法可以防止因充電而導(dǎo)致的電壓違規(guī)?？刂破骺梢杂绊懗潆姷诫姵刂械募せ钇鞯臄?shù)量。

（1）電動(dòng)汽車行駛模式：個(gè)體電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)模式，即停車順序。駕駛和收費(fèi)是根據(jù)一家商用汽車租賃供應(yīng)商2011年б 地點(diǎn)的真實(shí)數(shù)據(jù)，其中包括大約7700 次旅行。數(shù)據(jù)已被處理，以提取有關(guān)例如出發(fā)和到達(dá)時(shí)間或焦距的統(tǒng)計(jì)信息。這允許推導(dǎo)(簡(jiǎn)化)相關(guān)數(shù)量的分布，這些量可用于在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成CACHEV 的個(gè)性化驅(qū)動(dòng)模板。

（2）電池模型：使用鋰離子電池的Modelica 模型，精確地實(shí)現(xiàn)恒流1 恒壓相，與專門用于描述電池動(dòng)態(tài)行為(電儲(chǔ)能庫(kù))r[20]的專業(yè)庫(kù)一起創(chuàng)建。當(dāng)連接到加焦點(diǎn)時(shí)，根據(jù)電池的SoC 應(yīng)用充電剖面，一旦SOC 超過某一閾值，充電功率就會(huì)下降到零。

（3）Smnart 充電控制器：采用4 DIACa 智能充電控制器。實(shí)現(xiàn)了每個(gè)充電站的充電控制器。智能充電控制器通過提供可由網(wǎng)格操作員使用的本地輔助服務(wù)作為正常充電站的附加功能。在這種情況下，輔助服務(wù)是一個(gè)局部電壓控制器，它可以通過限制電動(dòng)汽車電池充電的激活器的數(shù)量來防止違反電壓。控制器所使用的設(shè)置點(diǎn)可以由網(wǎng)格操作符來配置。

（4）電網(wǎng)：為了演示協(xié)同仿真的概念，選擇了一種簡(jiǎn)單的低壓網(wǎng)絡(luò)模型，用GNUOctave 中的PSAT 模擬和模擬了負(fù)載表示的主機(jī)和充電點(diǎn)。家庭負(fù)荷用靜態(tài)無功和無功功率剖面表示，充電所需的電能由電池模型決定，具體取決于電池的Soc 和控制器狀態(tài)。

4.2 模擬結(jié)果

不加控制的充電(藍(lán)色圓圈)的電動(dòng)汽車導(dǎo)致伏特年齡水平下降到低于閾值。與被控案例(綠十字)表明，根據(jù)上述算法，降低持久力確實(shí)減輕了效果。注意在受控情況下增加的數(shù)量。在此階段，控制器通知仿真核心需要更頻繁地更新內(nèi)部狀態(tài)，從而提高了仿真步驟的分辨率。

5 結(jié)束語

在過去的幾十年中，人們開發(fā)了優(yōu)秀的領(lǐng)域?qū)Ｓ梅抡婀ぞ邅砟M電力和能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為，例如電子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、控制或隨機(jī)環(huán)境行為。這些工具使得對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行建模、模擬和理解成為可能。然而，通過耦合這些現(xiàn)有的仿真工具，可以擴(kuò)展系統(tǒng)，建立更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為模型。這項(xiàng)工作的主要貢獻(xiàn)是展示了一個(gè)復(fù)雜的問題可以在獨(dú)立的子系統(tǒng)中建模和分解，并使用開放源碼的解決方案進(jìn)行模擬。