劉 暢， 李 穎， 夏 露， 李 昊， 李 斌， 麻秀范， 張 晶

(1.中國電力科學研究院 北京市電動汽車充換電工程技術研究中心，北京 100192；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

電動汽車充電站綜合性能評價

劉 暢1， 李 穎2， 夏 露1， 李 昊1， 李 斌1， 麻秀范2， 張 晶1

(1.中國電力科學研究院 北京市電動汽車充換電工程技術研究中心，北京 100192；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

提出了電動汽車充電站綜合性能評價指標體系，為不同充電模式的充電站在規(guī)劃建設和運營管理中提供參考和指導，并在指標評價標準上對兩種充電模式加以區(qū)分。評價指標包括容量評估、效率、可靠性、負荷特性、用戶體驗5個方面，下設19項二級評價指標。建立了充電站綜合性能評價模型，運用層次分析法確定各項指標權重，通過隸屬度函數(shù)和專家打分法分別確定定量指標和定性指標的單因素模糊評價矢量，運用基于多層次分析的模糊綜合評價法計算充電站綜合性能具體得分，進而得到充電站綜合性能評價等級。以某電動汽車快速充電站為例，應用所建立的評價指標體系和評價方法對其進行綜合性能評價，驗證所提方法的實用性。

電動汽車；快充設施；綜合性能；層次分析；模糊綜合評價

0 引 言

由于政策利好、需求增長、技術進步等因素的推動，中國已成為全球電動汽車最大市場之一。國務院要求加快電動汽車充電基礎設施部署，在全國范圍內(nèi)形成較為完整的充電網(wǎng)絡。快速充電主要應用于城市中心或高速路服務區(qū)充電站[1]。

而充電站的規(guī)劃、建設及運營，需要有科學的評價體系作為參考，因此，制定合理的綜合性能評價體系對于指導充電站建設和運營具有重要意義。

目前國內(nèi)外研究在電力系統(tǒng)評價方面主要使用層次分析和模糊綜合評價法[2-7]，在充電站選址優(yōu)化、經(jīng)濟能效評估和單個充電樁的綜合性能方面已有一些成果。文獻[8]運用負荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度4類指標對充電站選址和經(jīng)濟性進行評估；文獻[9]對若干充電站進行調查，得出目前充電站使用不平衡的結論，提出充電設備綜合效率評價指標體系；文獻[10-12]就管理和效率兩方面對充電站進行了能效評估；文獻[13]就自然、管理、公共設施和經(jīng)濟4個方面建立了充電站選址評價模型，文獻[14]從影響合理性、施工技術可行性、運營經(jīng)濟性、交通便利性4個方面對充電站選址優(yōu)化進行評價；文獻[15]就技術和管理能效建立充電站能效水平評估體系；文獻[16，17]以單個充電樁為研究對象，就技術、經(jīng)濟、環(huán)境、污染4個方面進行綜合評價。以上研究包含了對充電站進行管理和能效評估，或者對單個充電樁進行綜合評估研究，而缺少對充電站綜合性能的評價研究。本文將在前人研究成果上，提出針對充電站綜合性能評價體系。

1 綜合指標的提出

首先，充電站的公共服務性決定了其能源供應容量、能源利用效率、供應可靠性將成為考核的焦點，因此本文建立了容量評估、效率和可靠性指標；其次，同作為能量補充站，與加油站的區(qū)別在于，充電站屬于電網(wǎng)的大用戶，考核中還需要從電網(wǎng)的角度考慮網(wǎng)絡的承受能力，因此建立了充電站負荷特性指標；最后，作為公共服務設施，充電站還需要滿足用戶的基本充電需求，因此建立了用戶體驗指標。綜上，本文就容量評估、效率、可靠性、負荷特性、用戶體驗5個方面，提出19項綜合性能指標，如圖1所示?？斐潆娬竞吐潆娬緝H在充電模式上有較大區(qū)別，因此考慮到指標體系的普適性，選取了可同時適用于快充和慢充模式的指標，而充電模式的差異將體現(xiàn)在指標評分標準上。

圖1 綜合性能評價指標層次分析結構Fig.1 Hierarchy analysis structure of comprehensive performance evaluation index

指標體系中，快慢充模式區(qū)別較為突出的指標有：效率指標中的充電效率、功率因數(shù)、負荷特性指標和用戶體驗指標的全部。

1.1 容量評估指標

(1)設備利用小時數(shù)

設備利用小時數(shù)指固定時期內(nèi)(一般設定為一年，下同)充電電量按充電設施滿負荷運行功率進行折算時所需的充電運行小時數(shù)。計算公式為

(1)

式中：Wchar表示采樣期內(nèi)的充電電量，kW·h；Pcap表示可用充電設施額定容量，kW。

(2)平均負荷系數(shù)

平均負荷系數(shù)是指充電設施的平均負荷與額定負荷之比。考核充電站時，考慮整個充電站的平均負荷與額定負荷之比，計算公式為

(2)

式中：Pavg表示充電站典型日平均負荷，kW；Pe表示充電站額定負荷，kW。

(3)需用系數(shù)

需用系數(shù)是指充電設施從電網(wǎng)實際取用的最大負荷與額定負荷之比，計算公式為

(3)

式中：Pmax表示充電站典型日最大負荷，kW。

(4)站用電率

站用電率表示充電站內(nèi)用于滿足辦公用電、監(jiān)控用電等非充電設備用電，是站內(nèi)自用電量與總用電量的百分比。計算公式為

(4)

式中：Wtotal表示充電站總用電量，kW·h；Wuse表示充電設備用電量，kW·h。

1.2 效率指標

(1)充電效率

充電設施的充電效率是所有運行充電樁總輸出電量與總輸入電量的比值，計算公式為

(5)

式中：Wout表示充電設備輸出電量，kW·h；Win表示充電設備輸入電量，kW·h。

(2)功率因數(shù)

功率因數(shù)的大小與設備的負荷性質有關，是衡量充電設施效率高低的一個系數(shù)。快充設施多為直流充電樁，直流充電樁一般為非線性設備，功率因數(shù)指標相當于公共電網(wǎng)對充電設施的要求。當功率因數(shù)過低時，充電站需要增設無功補償設備將功率因數(shù)提高到要求值。這里考核設備總負載在50%以上時的功率因數(shù)[18]，計算公式為

(6)

式中：P表示有功功率，kW；S表示視在功率，kVA。

(3)單位面積輸出電量

單位面積輸出電量是充電設施的輸出電量與其占地面積的比值，計算公式為

(7)

式中：Schar表示充電站占地面積，m2。

(4)單槍輸出電量

單槍輸出電量是輸出電量與設備總槍數(shù)的比值，計算公式為

(8)

式中：Nq表示充電站總槍數(shù)。

(5)充電計劃完成率

充電計劃完成率是實際輸出電量與可能輸出電量的比值，指標值可以大于100%，計算公式為

(9)

式中：Wplan表示本期的計劃輸出電量，kW·h。

1.3 可靠性指標

(1)平均無故障時間

平均無故障時間(Mean Time Between Failures，MTBF)是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間。規(guī)定充電設施在總的使用階段累計正常運行時間與故障次數(shù)的比值為MTBF，計算公式為

(10)

式中：To表示采樣期內(nèi)充電設施累計正常運行時間，h；K表示采樣期內(nèi)充電設施的故障次數(shù)。

(2)平均故障修復時間

平均故障修復時間(MeanTimeToRepair，MTTR)，MTTR可認為是充電設施的恢復時間作為隨機變量的期望值。包括發(fā)現(xiàn)事故所需時間、維護或維修所需時間、維修團隊響應時間、設備重新投入使用的時間等，計算公式為

(11)

式中：Ti,r表示第i次故障的修復時間，h。

(3)設備可利用率

設備可利用率[19]表示可維修的設備在某一段時間內(nèi)維持其性能的概率，是一個小于1的正數(shù)。計算公式為

(12)

1.4 負荷特性指標

選取充電站負荷典型日作為研究日，計算日最大負荷、最小負荷、日峰谷差。

(1)典型日峰谷差率

典型日峰谷差率是典型日峰谷差與最大負荷的比值，計算公式為

(13)

式中：Pmin表示充電站典型日最小負荷。

(2)典型日負荷率

典型日負荷率是典型日平均負荷與最大負荷的比值，計算公式為

(14)

(3)季不均衡系數(shù)

季不均衡系數(shù)是一項年負荷特性指標，是全年各月最大負荷的平均值與年最大負荷的比值，反映一年內(nèi)月最大計算公式為

(15)

式中：Pi,max表示第i個月的最大負荷，kW；Py,max表示年最大負荷，kW。

(4)尖峰負荷持續(xù)時間

尖峰負荷持續(xù)時間是指本期的充電設施負荷較高時間段的負荷值所持續(xù)的時間。這里研究的尖峰負荷包括90%Pmax、95%Pmax、97%Pmax。

1.5 用戶體驗指標

(1)噪聲

一般噪聲高過50 dB，就會對人類日常工作生活產(chǎn)生有害影響。快充模式因充電功率較大，充電噪聲較大。規(guī)定在充電設施額定負載和周圍環(huán)境噪聲不大于40 dB的條件下，距充電機水平位置1m處測得的噪聲最大值不應大于65 dB[18]。

(2)平均排隊時間

平均排隊時間是指車輛從到達充電地點開始至充上電為止所耗費的時間的期望值，計算公式為

(16)

式中：Ti,line表示第i輛車的實際排隊時間，min；n表示采樣期內(nèi)服務車輛總數(shù)。

(3)平均充電時間

平均充電時間是指車輛從開始充電至結束充電所耗費的時間期望值，快充模式的平均充電時間明顯低于慢充模式，因此需要分別設置不同的評分標準，計算公式為

(17)

式中：Ti,char表示第i輛車的實際充電時間，min。

2 綜合指標評價模型的建立

2.1 層次分析法基本原理

進行綜合評價之前需要依據(jù)評價對象的具體情況，將復雜問題分解為目標層U、準則層Uk、方案層三層結構，然后根據(jù)下層對上層的重要性確定下層因素權重。

2.2 指標權重集的確定

(1)構造判斷矩陣

(2)一致性檢驗

(18)

當CI=0具有完全的一致性；CI接近0，具有滿意的一致性；CI越大，不一致性越嚴重。為衡量不同階數(shù)的CI大小，引入隨機一致性指標RI，其值如表1所示。

表1 隨機一致性指標RI

運用一致性比率公式來判斷A是否滿足要求。一致性比率公式為

(19)

一般CR<0.1時，認為A的不一致程度在容許范圍之內(nèi)，具有滿意的一致性，通過一致性檢驗，特征向量W可作為指標的權向量。否則需要重新構造判斷矩陣A。由以上方法，我們可以確定出各個層次的權重矩陣。

2.3 隸屬度的確定

(1)評語集的確定

本文采用五級評語，分別是：優(yōu)、良、中、合格、差，其隸屬度關系如表2所示。

表2 評價值分級標準

(2)評價指標隸屬度的確定

對于定量指標，本文采用梯形隸屬函數(shù)確定其隸屬度。梯形隸屬函數(shù)分以下三類。

升半梯形函數(shù)適用于指標值越大越好的指標，如平均無故障時間、設備可利用率、充電效率、功率因數(shù)、單位面積輸出電量、單槍輸出電量其分布為

(20)

降半梯形函數(shù)適用于指標值越小越好的指標，如平均故障修復時間、典型日峰谷差率、站用電率、季不均衡系數(shù)、尖峰負荷持續(xù)時間、噪聲、平均排隊時間其分布為

(21)

區(qū)間梯形函數(shù)適用于指標值越趨近于某一區(qū)間越好的指標，如設備利用小時數(shù)、平均負荷系數(shù)、典型日負荷率、充電計劃完成率、平均充電時間其分布為

(22)

定量指標中a1、a2、a3、a4依據(jù)電動汽車充電設施的性能標準及技術要求來確定。

對于定性指標，本文采用專家打分方式來確定指標的隸屬度。由于充電站建設目前屬于示范階段，運行經(jīng)驗較少，因此一些缺乏數(shù)據(jù)的定量指標將歸屬于定性指標的范疇，通過專家打分來確定其隸屬度，這些指標包括容量評估指標的全部，效率指標中的單位面積輸出電量、單槍輸出電量、充電計劃完成率，負荷特性指標的全部。2.4 模糊評價矩陣的建立與綜合評價值的計算

(1)單因素模糊評價矩陣的確定

(2)模糊綜合評價結果矢量的確定

取用加權平均型模糊合成算子，將模糊權矢量Wk與模糊關系矩陣Rk合成，得到各一級指標的模糊綜合評價結果矢量Bk

(23)

若∑bj≠1則需要對Bk進行歸一化運算。

(3)綜合評價值的確定

使用加權平均法確定隸屬等級：

(24)

V即為最終的評價值，通過表2即可確定評價對象的評價等級。

3 算例分析

3.1 電動汽車快充電站概況

某市24小時電動汽車快速充電站各項指標值如表3所示。

3.2 權重的確定

依據(jù)2.2方法得到各項指標權重如表4所示，權重也表示各項指標的重要性排序。

表3 快充電站各項指標值

表4 快充設施綜合性能評價指標及其權重

Tab.4 The Evaluation indexes and weights of performance of fast charging facilities

一級指標一級指標權重二級指標二級指標權重U10.09521U110.47855U120.21658U130.19658U140.10829U20,28573U210.45855U220.22928U230.12179U240.12179U250.06859U30,28573U310.60000U320.20000U330.20000U40,28573U410.35620U420.32500U430.12510U440.19370U50.04760U510.10000U520.60000U530.30000

3.3 綜合評價結果的確定

(1)模糊評價矢量的計算

5項一級指標的評價矢量：

最終的模糊評價矢量為

(2)綜合評價值的計算

最終的綜合評價值為

據(jù)表2，說明該快充電站綜合指標評價結果為“良”，屬于L2級。

4 結 論

本文就充電站綜合性能評價創(chuàng)造性地提出5項一級指標和19項二級指標，從充電站的容量評估、效率、可靠性、負荷特性和用戶體驗5個方面進行綜合性能分析。運用基于多層次分析的模糊綜合評價方法，建立針對充電站的綜合指標評價模型，通過科學、合理的方式對充電站進行全面的綜合性能評價。指標可同時用于對慢充電站和快充電站的考核，充電模式的不同僅體現(xiàn)在評分標準上的區(qū)別。最后，用此模型對某快充電站進行綜合性能評估，得出合理結論。

論文研究的指標標準設定都是針對充電站發(fā)展初級階段的，接下來需要進一步研究適用于充電站快速和穩(wěn)定增長期的綜合性能評價，評價標準可以根據(jù)今后充電站運營的經(jīng)驗積累進行修正，以求得到最客觀、最科學的評分標準。

[1] 劉堅．電動汽車充電方式和商業(yè)運營模式初探[J]．汽車工程師，2011，1：19-23．

[2] 孟明，牛東曉，谷志紅．基于模糊熵的電力客戶滿意度評價模型[J]．華北電力大學學報(自然科學版)，2005，32(4)：68-70．

[3] 穆永錚，魯宗相，喬穎，等．基于多算子層次分析模糊評價的電網(wǎng)安全與效益綜合評價指標體系[J].電網(wǎng)技術，2015，39(1)：23-28．

[4] 戴遠航，陳磊，閔勇，等．電網(wǎng)每日運行評價指標體系研究[J]．電網(wǎng)技術，2015，39(6)：1611-1616．

[5] 王鶴，曾鳴，陳珊，等．基于模糊層次分析法的供電服務質量綜合評價模型[J]．電網(wǎng)技術，2006，30(17)：92-96．

[6] 賈清泉，宋家驊，蘭華，等．電能質量及其模糊方法評價[J]．電網(wǎng)技術，2000，24(6)：46-49．

[7] 張焰．電網(wǎng)規(guī)劃中的模糊可靠性評估方法[J]．中國電機工程學報，2000，20(11)：78-81．

[8] 張成，滕歡．電動汽車充電站規(guī)劃模型及評價方法[J]．電力系統(tǒng)自動化學報，2014，26(1)：49-52．

[9] 張倩研．基于充電設備綜合效率的充電服務優(yōu)化研究[D]．北京：北京交通大學，2014．

[10] 李鳴慎，楊帆，楊夯，等．基于層次分析與模糊評判的電動汽車充電站能效評估[J]．電測與儀表，2013，50(9)：69-73．

[11] 羅漢武．電動汽車靈活接入的充電設施需求預測_運行與能效評估方法研究[D]．武漢：武漢大學，2013．

[12] LUO H, RUAN J， LI F. A Fuzzy Evaluation and AHP based Method for the Energy Efficiency Evaluation of EV Charging Station[J]. Journal of Computers, 2014, 9(5): 1185-1192.

[13] WANG Meng, LIU Kai, ZHAO Songhui. Evaluation of Electric Vehicle Charging Station Sitting Based on Fuzzy Analytic[C]. Fourth International Conference on Digital Manufacturing & Automation. Qingdao: IEEE Conference Publications, 2013: 568-571.

[14] LIU Yu, ZHOU Buxiang, FENG Chao, et al. Application of comprehensive evaluation method integrated by Delphi and GAHP in optimal siting of electric vehicle charging station[C]. International Conference on Control Engineering and Communication Technology, Liaoning: IEEE Conference Publications, 2012: 88-91.

[15] 戴曉宗．電力需求側能效評估系統(tǒng)研制及在電動汽車充電站的應用[D]．長沙：湖南大學，2014．

[16] 范建磊．電動汽車充電樁綜合評價方法研究[J]．電氣應用，2014，11：31-35．

[17] 劉錫正．電動汽車充電設備綜合評價指標體系研究[D]．北京：北京交通大學，2012．

[18] 徐海明．電動汽車充電站運行與維護技術[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[19] 王守東．設備大修依據(jù)——平均有效度[J]．中國設備工程，2005，(5)：8-9．

Research on Comprehensive Performance Evaluation for Electric Vehicles Charging Stations

LIU Chang1, LI Ying2, XIA Lu1, LI Hao1, LI Bin1, MA Xiufan2, ZHANG Jing1

(1. Beijing Electric Vehicle Charging/Battery Swap Engineering and Technology Research Center, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Comprehensive performance evaluation index system of charging stations is proposed in this paper which provides reference or guidance for the construction and operation of the charging stations. Two different charging modes of electric vehicles can be distinguished by the evaluation index system. Evaluation index consists of five aspects including capacity, efficiency, reliability, load characteristics, and user experience and it has 19 secondary evaluation indicators. Comprehensive performance evaluation model is built. Analytic hierarchy process is used to determine the weight of all indicators and the single-factor fuzzy evaluation vector of quantitative indicators and qualitative indicators are calculated by membership function and experts. The comprehensive performance score of the fast charging facilities will be calculated by fuzzy comprehensive evaluation method based on multi-level analysis, then the evaluation degree of the charging station will be obtained. A fast charging station is taken as an example and the evaluation index system and method proposed in this paper are used to evaluate the comprehensive performance to verify the practicability of the evaluation method.

electric vehicle； fast charging facilities； comprehensive performance；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.13

2016-03-03.

國家電網(wǎng)公司科技項目(YD71-15-032).

TM910.6；U469.72

A

1007-2691(2017)01-0082-07

劉暢(1978-)，男，高級工程師，研究方向為智能用電及電動汽車充換電技術；李穎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為電動汽車充電設施規(guī)劃與運營；夏露(1989-)，女，助理工程師，研究方向為電動汽車充換電技術及其標準化；李昊(1987-)，男，助理工程師，研究方向為需求側管理與智能用電技術；李斌(1973-)，男，高級工程師，研究方向為智能用電技術與電動汽車充換電技術；麻秀范(1970-)，女，副教授，研究方向為配網(wǎng)規(guī)劃與運行、電動汽車規(guī)劃與運行；張晶(1983-)，男，研究方向為電動汽車充換電技術。