基于綜合效益評價的電動汽車充電設施布局方法

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基于綜合效益評價的電動汽車充電設施布局方法

李小雨，李嘉逸，胡浩，李彬
(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

化石能源短缺、依賴進口已經給中國的能源安全帶來了挑戰，同時，中國環境保護形勢依然嚴峻。在這種背景下，國家大力倡導電動汽車發展，電動汽車充電設施也將迎來發展熱潮。這時，傳統電網規劃方法已不太適用于電動汽車充電站規劃，需要有一種能夠真正統籌兼顧多方面效益的方法來規劃充電設施。這里提出了一種基于綜合效益評價的電動汽車充電設施規劃方法，對方法進行了具體的描述和分析，并做了案例演示。

電動汽車；充電設施；綜合效益；布局優化

0 引 言

能源與環境問題是全球問題，而中國隨著經濟發展，化石能源短缺、依賴海外進口成為日益嚴重的問題；同時，傳統化石能源帶來的環境問題日益突出，減少城市機動車排放符合可持續發展的要求。另一方面，“十三五”期間，中國電力供應將由總體平衡、局部偏緊的狀態逐步轉向相對寬松、局部過剩；國家也大力倡導電能替代，電動汽車的發展將迎來加速[1-4]。

結合國家以及部分省市發布的電動汽車發展規劃，盡快科學地建設一批電動汽車充電站，才能滿足電動汽車技術的發展及社會的要求。2015年國務院辦公廳發布《關于加快電動汽車充電基礎設建設的指導意見》，將電動汽車發展戰略提上國家層面，并提出了到2020年全國新增1.2萬座集中式充換電站、480萬個分散式充電樁，滿足500萬輛電動汽車的充電需求的目標[5]。

基于這樣的背景，全國將迎來電動汽車充電設施建設的熱潮；但由于負荷特性不同、技術標準不統一等問題，傳統電網規劃方法就顯得不太適用于電動汽車充電站規劃。同時，電動汽車充電站由于將在城市中大量涌現，需要有一種能夠真正統籌兼顧多方面效益的新方法來規劃充電站。下面提出了一種基于綜合效益評價的電動汽車充電站規劃方法，對方法進行了具體的描述和分析，并做了案例演示。

1 電動汽車充電設施規劃特點概述

目前，電動汽車充電設施規劃還沒有成熟、統一的標準和方法。除了市場的原因，電動汽車運營自身的技術特點也決定了電動汽車充電設施規劃方法具有靈活性和受地理位置影響大等特點。

從負荷預測上看，電動汽車負荷具有流動性的特點。由于是交通工具，受出行需求、用戶使用習慣[6]，甚至受路況條件、節假日等影響，這些因素大大影響了電動汽車的負荷預測精確度。目前較為廣泛使用的是基于蒙特卡洛算法的電動汽車負荷預測方法[7]。

從充電設施布局方法上看，目前已有的研究大都通過建立相關數學模型，然后采用一定的優化算法來確定充電設施的數量和空間位置。在這種情況下，影響布局方法精確度的主要問題在于數學模型目標函數的確定。

而現有許多規劃布局方法在確定求解目標函數時，都一定程度忽略了電動汽車充電設施與傳統供電設施的不同[8-9]。

1)傳統變電站設施用地為公用設施用地，且由于建設成本較高及電力供應的特殊性，建成后一般不輕易變動。而電動汽車充電設施則較靈活，不僅可以依托變電站等電源點修建，在市場化以后，居住用地、公共管理與公共服務設施用地、商業服務業設施用地等都可以作為電動汽車充電設施用地；且由于建造周期短、成本相對較低，建成后可以隨城市建設發展靈活變動。

2)相較于傳統的供電設施如變電站等，電動汽車充電設施可以附帶更多經濟效益。如電動汽車充電設施建成運營后還可帶來就業、商業零售、推廣示范等社會經濟效益。特別是在“十八大”以后，黨中央提出要堅持社會效益和經濟效益相統一的背景下，做布局規劃時有必要考慮這些效益。

下面將對一種基于綜合效益評價的電動汽車充電設施布局方法進行探索。

2 基本思路及假設

2.1 符號說明及名詞約定

xi為i區內分散式電站的個數，yi為i區內集中式充換電站的個數，i=A,B,C,D；a為分散式電站的標準容量；b為集中式充換電站的標準容量。ni為i區充換電日均利潤，ci為i區電站日平均購物消費利潤額，c′為分散式電站的造價，c″為集中式充換電站的造價；Ni為i區一天的加油車數，ct為車主排隊充換電時間成本。

充換電站標準容量：充換電站在一天內能寬松接待的顧客總車次。

滿意度指數效益：充換電站充電及排隊時，車主能夠在小賣部進行消費，產生效益，正比于車主時間成本。

就業效益：為緩解社會就業壓力產生的社會效益。

時間成本：車主在充換電及排隊時消耗的時間成本，反比于充換電站標準容量。

2.2 基本思路

1)電動汽車負荷主要集中在兩類地方：一是城市建成區，有較多車輛行駛；二是市區以外的主要道路，如國道、高速公路等。對于第二種負荷集中區，方法較為單一，基本是沿道路分布、依托高速公路加油站、休息區等設施建設電動汽車充電設施，這里不作討論。

2)確定城市建成區內負荷集中區域。

3)建立以xi，yi為規劃變量的目標模型進行求解。

4)進行參數掃描，尋找規律。

5)分散式充電站可以和停車場尋求合作，增加布局靈活性。

2.3 基本假設

1)將電動汽車充電站分為集中式充換電站和分散式充電站。集中式充換電站為具備充換電能力的大型站，分散式充電站只具備快速充電能力，假設集中式充換電站服務能力兩倍于分散式充電站。

2)充電樁由于建設靈活且需要建設數目巨大，這里不作討論。

3)各個充換電站消費水平相同，且造價相同。

4)車主充換電消費總體與服務時間成正比，附帶購物消費與充換電時間成正比。車主一般到最近的充換電站進行能量補給。

5)充換電站容量需求主要是滿足充換電車次數，充電站連接電網，其電功率容量視為無窮大。

6)充換電站充換電車次數量較為穩定，日差異不大。

7)負荷區域都簡化為標準矩形，方便計算及初期研究，帶來的誤差暫時不考慮。

3 數學表達式構建

3.1 基本數學表達式

1)充換電要求

Ni≤xi·a+yi·b≤tNi
i=A，B，C，D

(1)

i區內所有充電站的標準容量不小于1天消費的車次，并留有一定備用標準容量應對高峰時期等情況；t為備用容量系數，t過大容易造成浪費和過度投資，t可以取值1.5～2，此處先取值為2。

2)各區內日均直接經濟效益

Max：Pi=s+ni+ci-xi·c′*-yi·c″*

i=A，B，C，D

(2)

其中：

ci=k·ct

(3)

各區直接經濟效益Pi等于政府補貼s，日均充換電效益ni及消費效益ci之和減去集中和分散式充電站折舊費用。c′*為分散式充電站日均折舊費用，c″*為集中式充換電站日均折舊費用。

3)滿意度指數

(4)

式中，r為修正系數。

滿意度指數，用于評估電動汽車充換電站運營時的車主顧客滿意度，將直接影響車主對充電站帶來的長遠收益，如指導服務改善、硬件升級、電站擴容等行為。滿意度指數與車主充電時間成本成反比，短期內與購物消費、充電站直接充換電利潤成正比。當值為0時，說明車主滿意度較差；當值為1時，滿意度達到最高。該指數可作為觀測值，作為充電站運營水平評估指標之一。

4)就業效益

(5)

電動汽車充電站推廣示范期間，社會效益比較重要，期間包括帶來的就業效益。式中：就業效益與充電站產生的就業機會成正比；q為量化了的就業效益系數，由通過產生就業機會從而帶來的產值、社會保障等效益的提升來確定，將就業效益量化為經濟效益。

3.2 優化目標函數確定

由上面分析可以看出，限制條件較多。效益由直接經濟效益、滿意度指數帶來效益、就業效益構成。將3個效益都作為優化目標函數，會帶來巨大的計算量。為了簡化計算，將作為評估指數的滿意度指數效益暫時不量化，可單獨列為對充電站運營效益的監控指數。建立存在加權系數的單目標函數，權重分別為k1和k2，如式(6)：

Fi=k1·Pi+k2·EP

(6)

這里，以A區作為算例進行計算。即：

FA=k1·(s+nA+cA-xA·c′*-yA·c″*)+
k2·[q·(xA·c+yA·d)]

(7)

在這里，由于直接經濟效益和就業效益都是量化了的效益，用貨幣來衡量，單位為人民幣元。

4 實例演示

設有如圖1所示的西部某城市開發區示意圖，經實際測量和分析，此開發區內電動汽車充電負荷主要集中在A、B、C、D 四個區域及多條橫穿行政區的道路上。通過對負荷區域類型的劃分，可以簡化計算，下面選取A區進行布局演示。

圖1 某城市開發區示意圖

為了降低計算難度，故設k1=k2=1，然后根據實際要求及該開發區的實際情況，對部分參數進行賦值處理。

設分散式充電站標準容量a=1 000車次，集中式充換電站標準容量b=4 000車次。每天A區需要消費的車次為NA=50 000車次，則充電站日均盈利為

nA=η×NA

(8)

式中：η為單次充換電盈利，η=10(元/車次)，則nA為500 000元。若有政府補貼

s=0.5×nA

(9)

則，s=250 000元。

每日電站購物消費為

cA=ζ×NA

(10)

式中：ζ為人均消費利潤率，為2元，則cA=100 000元。

考慮折舊費用，分散式充電站日均折舊費用為10 000元，集中式充換電站折舊費用為30 000元。設1個工作人員1天量化就業經濟效益(工資、低保費用節省)為200元，分散式充電站就業崗位數為20人，集中式充換電站就業人數為50人。

這種情況下，假設盈利與用戶時間成本相等時，滿意度指數為0.5，故有：

PP=e-r=0.5

(11)

可得到，r=0.7。

將賦值帶入優化目標函數，同時加入約束條件式(1)，滿足充換電要求。

一般來說，分散式充電站數目肯定會大于集中式充換電站數，但是又要保證有一定集中式充換電站以避免分散式充電站過多冗雜、計算難以約束的情況，故有表達式(12)：

(12)

此案例中，可暫考慮取u=2，v=10。

根據求解結果，求解不等式，得出如下結果：

然后對設計中2個影響電站數量的參數u、t進行掃描，觀察對目標函數FA的影響，得到如圖2、圖3所示結果。

圖2 對t值進行參數化掃描計算結果

圖3 對u值進行參數化掃描計算結果

由u值變化可以看出，集中式充換電站較多時，效益較好，電站總數也較少；由t值變換則可看出，備用容量系數變化并不直接影響效益，效益主要還是由消費決定。

最后，在確定充換電站數量后，對充電站布局進行優化。由于有分散式充電站、集中式充換電站形式高低搭配，采取集中式充換電站為主輻射區域，輔助以分散式充電站的基本布局思路，故可優先確定集中式充換電站的布局，再根據其布局來確定分散式充電站布局。

下面使用優化算法對集中式充換電站布局進行優化。A區簡化為長25 km、寬15 km的矩形區域，集中式充換電站數量為8個，布局限制條件為使充電站之間相互距離之和盡量大，盡量將充電站散開，避免資源冗余浪費。

這里使用遺傳算法對空間布局進行優化，結果如圖4所示。

圖4 A區域電站優化分布結果

可以看出，優化結果主要將充電站盡可能分散在負荷區域周邊，比較符合實際需求。通過將集中式充換電站分布在負荷中心周圍，可以對具有充電需求的車輛進行分流；在負荷中心內通過靈活分布分散式充電站，可以滿足市區車輛應急充電。

但是上述方法不足之處在于：優化結果可能與實際建設條件沖突，如規劃點都位于市區內，但這些地方往往有重要基礎設施、軍政部門、地標建筑、古跡和景觀等。由于優化的結果往往不唯一，解決的辦法就是在優化結果基礎上微調，尋找臨近的點或者重新進行優化運算，尋找新的結果。

5 結 語

通過分析現有電動汽車充電設施布局方法和傳統電網供電設施規劃方法的差異，梳理了電動汽車充電設施布局中容易忽略的問題；強調了電動汽車充電設施可以帶來一些傳統電網供電設施所沒有的效益，如社會效益、就業效益、示范效益等隱性效益。在這個基礎上，提出了一種基于綜合效益分析的電動汽車充電設施布局方法，建立了相關數學模型，并做了實例的演示。

下一步可以進一步探索和優化的工作有：尋找可靠數據，預測出可靠負荷數據；完善數學模型；通過計算，尋找出重要參數變化規律及相互之間的影響；結合城市道路特點改進優化辦法；增加優化約束條件，改進優化算法。

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The shortage of fossil fuel energy that always depends on imports have brought challenges to energy security in China, meanwhile, China also suffers the pressure from environment protection. Under these circumstances, Chinese government promotes the usage of electric vehicles (EV), which will generate a development of EV charging facilities. At this time, the planning methods of traditional power grid would not be flexible for the planning of EV charging facilities. A method with consideration of comprehensive benefit is needed. A planning method based on comprehensive benefit evaluation is proposed for EV charging facility layout, and the detailed introduction is given as well as an example demonstration.

electric vehicles; charging facility; comprehensive benefit; optimal layout

TM715

A

1003-6954(2017)05-0055-04

李小雨(1989)，碩士、助理工程師，研究方向為電力系統規劃設計；

李嘉逸(1975)，碩士、高級工程師，研究方向為智能電網技術、電力系統保護等；

胡 浩(1981)，碩士、高級工程師，研究方向為電力系統規劃設計。

2017-03-24)