，， ， (中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

基于綜合效益評(píng)價(jià)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施布局方法

李小雨，李嘉逸，胡浩，李彬
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

化石能源短缺、依賴進(jìn)口已經(jīng)給中國(guó)的能源安全帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)，中國(guó)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)依然嚴(yán)峻。在這種背景下，國(guó)家大力倡導(dǎo)電動(dòng)汽車發(fā)展，電動(dòng)汽車充電設(shè)施也將迎來(lái)發(fā)展熱潮。這時(shí)，傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法已不太適用于電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃，需要有一種能夠真正統(tǒng)籌兼顧多方面效益的方法來(lái)規(guī)劃充電設(shè)施。這里提出了一種基于綜合效益評(píng)價(jià)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃方法，對(duì)方法進(jìn)行了具體的描述和分析，并做了案例演示。

電動(dòng)汽車；充電設(shè)施；綜合效益；布局優(yōu)化

0 引 言

能源與環(huán)境問(wèn)題是全球問(wèn)題，而中國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，化石能源短缺、依賴海外進(jìn)口成為日益嚴(yán)重的問(wèn)題；同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益突出，減少城市機(jī)動(dòng)車排放符合可持續(xù)發(fā)展的要求。另一方面，“十三五”期間，中國(guó)電力供應(yīng)將由總體平衡、局部偏緊的狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)向相對(duì)寬松、局部過(guò)剩；國(guó)家也大力倡導(dǎo)電能替代，電動(dòng)汽車的發(fā)展將迎來(lái)加速[1-4]。

結(jié)合國(guó)家以及部分省市發(fā)布的電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)劃，盡快科學(xué)地建設(shè)一批電動(dòng)汽車充電站，才能滿足電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展及社會(huì)的要求。2015年國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，將電動(dòng)汽車發(fā)展戰(zhàn)略提上國(guó)家層面，并提出了到2020年全國(guó)新增1.2萬(wàn)座集中式充換電站、480萬(wàn)個(gè)分散式充電樁，滿足500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的充電需求的目標(biāo)[5]。

基于這樣的背景，全國(guó)將迎來(lái)電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)的熱潮；但由于負(fù)荷特性不同、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法就顯得不太適用于電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃。同時(shí)，電動(dòng)汽車充電站由于將在城市中大量涌現(xiàn)，需要有一種能夠真正統(tǒng)籌兼顧多方面效益的新方法來(lái)規(guī)劃充電站。下面提出了一種基于綜合效益評(píng)價(jià)的電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃方法，對(duì)方法進(jìn)行了具體的描述和分析，并做了案例演示。

1 電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃特點(diǎn)概述

目前，電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃還沒(méi)有成熟、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。除了市場(chǎng)的原因，電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)自身的技術(shù)特點(diǎn)也決定了電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃方法具有靈活性和受地理位置影響大等特點(diǎn)。

從負(fù)荷預(yù)測(cè)上看，電動(dòng)汽車負(fù)荷具有流動(dòng)性的特點(diǎn)。由于是交通工具，受出行需求、用戶使用習(xí)慣[6]，甚至受路況條件、節(jié)假日等影響，這些因素大大影響了電動(dòng)汽車的負(fù)荷預(yù)測(cè)精確度。目前較為廣泛使用的是基于蒙特卡洛算法的電動(dòng)汽車負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[7]。

從充電設(shè)施布局方法上看，目前已有的研究大都通過(guò)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，然后采用一定的優(yōu)化算法來(lái)確定充電設(shè)施的數(shù)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(wèn)題在于數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)的確定。

而現(xiàn)有許多規(guī)劃布局方法在確定求解目標(biāo)函數(shù)時(shí)，都一定程度忽略了電動(dòng)汽車充電設(shè)施與傳統(tǒng)供電設(shè)施的不同[8-9]。

1)傳統(tǒng)變電站設(shè)施用地為公用設(shè)施用地，且由于建設(shè)成本較高及電力供應(yīng)的特殊性，建成后一般不輕易變動(dòng)。而電動(dòng)汽車充電設(shè)施則較靈活，不僅可以依托變電站等電源點(diǎn)修建，在市場(chǎng)化以后，居住用地、公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地等都可以作為電動(dòng)汽車充電設(shè)施用地；且由于建造周期短、成本相對(duì)較低，建成后可以隨城市建設(shè)發(fā)展靈活變動(dòng)。

2)相較于傳統(tǒng)的供電設(shè)施如變電站等，電動(dòng)汽車充電設(shè)施可以附帶更多經(jīng)濟(jì)效益。如電動(dòng)汽車充電設(shè)施建成運(yùn)營(yíng)后還可帶來(lái)就業(yè)、商業(yè)零售、推廣示范等社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。特別是在“十八大”以后，黨中央提出要堅(jiān)持社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一的背景下，做布局規(guī)劃時(shí)有必要考慮這些效益。

下面將對(duì)一種基于綜合效益評(píng)價(jià)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施布局方法進(jìn)行探索。

2 基本思路及假設(shè)

2.1 符號(hào)說(shuō)明及名詞約定

xi為i區(qū)內(nèi)分散式電站的個(gè)數(shù)，yi為i區(qū)內(nèi)集中式充換電站的個(gè)數(shù)，i=A,B,C,D；a為分散式電站的標(biāo)準(zhǔn)容量；b為集中式充換電站的標(biāo)準(zhǔn)容量。ni為i區(qū)充換電日均利潤(rùn)，ci為i區(qū)電站日平均購(gòu)物消費(fèi)利潤(rùn)額，c′為分散式電站的造價(jià)，c″為集中式充換電站的造價(jià)；Ni為i區(qū)一天的加油車數(shù)，ct為車主排隊(duì)充換電時(shí)間成本。

充換電站標(biāo)準(zhǔn)容量：充換電站在一天內(nèi)能寬松接待的顧客總車次。

滿意度指數(shù)效益：充換電站充電及排隊(duì)時(shí)，車主能夠在小賣部進(jìn)行消費(fèi)，產(chǎn)生效益，正比于車主時(shí)間成本。

就業(yè)效益：為緩解社會(huì)就業(yè)壓力產(chǎn)生的社會(huì)效益。

時(shí)間成本：車主在充換電及排隊(duì)時(shí)消耗的時(shí)間成本，反比于充換電站標(biāo)準(zhǔn)容量。

2.2 基本思路

1)電動(dòng)汽車負(fù)荷主要集中在兩類地方：一是城市建成區(qū)，有較多車輛行駛；二是市區(qū)以外的主要道路，如國(guó)道、高速公路等。對(duì)于第二種負(fù)荷集中區(qū)，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(qū)等設(shè)施建設(shè)電動(dòng)汽車充電設(shè)施，這里不作討論。

2)確定城市建成區(qū)內(nèi)負(fù)荷集中區(qū)域。

3)建立以xi，yi為規(guī)劃變量的目標(biāo)模型進(jìn)行求解。

4)進(jìn)行參數(shù)掃描，尋找規(guī)律。

5)分散式充電站可以和停車場(chǎng)尋求合作，增加布局靈活性。

2.3 基本假設(shè)

1)將電動(dòng)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(shè)集中式充換電站服務(wù)能力兩倍于分散式充電站。

2)充電樁由于建設(shè)靈活且需要建設(shè)數(shù)目巨大，這里不作討論。

3)各個(gè)充換電站消費(fèi)水平相同，且造價(jià)相同。

4)車主充換電消費(fèi)總體與服務(wù)時(shí)間成正比，附帶購(gòu)物消費(fèi)與充換電時(shí)間成正比。車主一般到最近的充換電站進(jìn)行能量補(bǔ)給。

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

6)充換電站充換電車次數(shù)量較為穩(wěn)定，日差異不大。

7)負(fù)荷區(qū)域都簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)矩形，方便計(jì)算及初期研究，帶來(lái)的誤差暫時(shí)不考慮。

3 數(shù)學(xué)表達(dá)式構(gòu)建

3.1 基本數(shù)學(xué)表達(dá)式

1)充換電要求

Ni≤xi·a+yi·b≤tNi
i=A，B，C，D

(1)

i區(qū)內(nèi)所有充電站的標(biāo)準(zhǔn)容量不小于1天消費(fèi)的車次，并留有一定備用標(biāo)準(zhǔn)容量應(yīng)對(duì)高峰時(shí)期等情況；t為備用容量系數(shù)，t過(guò)大容易造成浪費(fèi)和過(guò)度投資，t可以取值1.5～2，此處先取值為2。

2)各區(qū)內(nèi)日均直接經(jīng)濟(jì)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(qū)直接經(jīng)濟(jì)效益Pi等于政府補(bǔ)貼s，日均充換電效益ni及消費(fèi)效益ci之和減去集中和分散式充電站折舊費(fèi)用。c′*為分散式充電站日均折舊費(fèi)用，c″*為集中式充換電站日均折舊費(fèi)用。

3)滿意度指數(shù)

(4)

式中，r為修正系數(shù)。

滿意度指數(shù)，用于評(píng)估電動(dòng)汽車充換電站運(yùn)營(yíng)時(shí)的車主顧客滿意度，將直接影響車主對(duì)充電站帶來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)收益，如指導(dǎo)服務(wù)改善、硬件升級(jí)、電站擴(kuò)容等行為。滿意度指數(shù)與車主充電時(shí)間成本成反比，短期內(nèi)與購(gòu)物消費(fèi)、充電站直接充換電利潤(rùn)成正比。當(dāng)值為0時(shí)，說(shuō)明車主滿意度較差；當(dāng)值為1時(shí)，滿意度達(dá)到最高。該指數(shù)可作為觀測(cè)值，作為充電站運(yùn)營(yíng)水平評(píng)估指標(biāo)之一。

4)就業(yè)效益

(5)

電動(dòng)汽車充電站推廣示范期間，社會(huì)效益比較重要，期間包括帶來(lái)的就業(yè)效益。式中：就業(yè)效益與充電站產(chǎn)生的就業(yè)機(jī)會(huì)成正比；q為量化了的就業(yè)效益系數(shù)，由通過(guò)產(chǎn)生就業(yè)機(jī)會(huì)從而帶來(lái)的產(chǎn)值、社會(huì)保障等效益的提升來(lái)確定，將就業(yè)效益量化為經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確定

由上面分析可以看出，限制條件較多。效益由直接經(jīng)濟(jì)效益、滿意度指數(shù)帶來(lái)效益、就業(yè)效益構(gòu)成。將3個(gè)效益都作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，會(huì)帶來(lái)巨大的計(jì)算量。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將作為評(píng)估指數(shù)的滿意度指數(shù)效益暫時(shí)不量化，可單獨(dú)列為對(duì)充電站運(yùn)營(yíng)效益的監(jiān)控指數(shù)。建立存在加權(quán)系數(shù)的單目標(biāo)函數(shù)，權(quán)重分別為k1和k2，如式(6)：

Fi=k1·Pi+k2·EP

(6)

這里，以A區(qū)作為算例進(jìn)行計(jì)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(jīng)濟(jì)效益和就業(yè)效益都是量化了的效益，用貨幣來(lái)衡量，單位為人民幣元。

4 實(shí)例演示

設(shè)有如圖1所示的西部某城市開(kāi)發(fā)區(qū)示意圖，經(jīng)實(shí)際測(cè)量和分析，此開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷主要集中在A、B、C、D 四個(gè)區(qū)域及多條橫穿行政區(qū)的道路上。通過(guò)對(duì)負(fù)荷區(qū)域類型的劃分，可以簡(jiǎn)化計(jì)算，下面選取A區(qū)進(jìn)行布局演示。

圖1 某城市開(kāi)發(fā)區(qū)示意圖

為了降低計(jì)算難度，故設(shè)k1=k2=1，然后根據(jù)實(shí)際要求及該開(kāi)發(fā)區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行賦值處理。

設(shè)分散式充電站標(biāo)準(zhǔn)容量a=1 000車次，集中式充換電站標(biāo)準(zhǔn)容量b=4 000車次。每天A區(qū)需要消費(fèi)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(bǔ)貼

s=0.5×nA

(9)

則，s=250 000元。

每日電站購(gòu)物消費(fèi)為

cA=ζ×NA

(10)

式中：ζ為人均消費(fèi)利潤(rùn)率，為2元，則cA=100 000元。

考慮折舊費(fèi)用，分散式充電站日均折舊費(fèi)用為10 000元，集中式充換電站折舊費(fèi)用為30 000元。設(shè)1個(gè)工作人員1天量化就業(yè)經(jīng)濟(jì)效益(工資、低保費(fèi)用節(jié)省)為200元，分散式充電站就業(yè)崗位數(shù)為20人，集中式充換電站就業(yè)人數(shù)為50人。

這種情況下，假設(shè)盈利與用戶時(shí)間成本相等時(shí)，滿意度指數(shù)為0.5，故有：

PP=e-r=0.5

(11)

可得到，r=0.7。

將賦值帶入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)加入約束條件式(1)，滿足充換電要求。

一般來(lái)說(shuō)，分散式充電站數(shù)目肯定會(huì)大于集中式充換電站數(shù)，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(guò)多冗雜、計(jì)算難以約束的情況，故有表達(dá)式(12)：

(12)

此案例中，可暫考慮取u=2，v=10。

根據(jù)求解結(jié)果，求解不等式，得出如下結(jié)果：

然后對(duì)設(shè)計(jì)中2個(gè)影響電站數(shù)量的參數(shù)u、t進(jìn)行掃描，觀察對(duì)目標(biāo)函數(shù)FA的影響，得到如圖2、圖3所示結(jié)果。

圖2 對(duì)t值進(jìn)行參數(shù)化掃描計(jì)算結(jié)果

圖3 對(duì)u值進(jìn)行參數(shù)化掃描計(jì)算結(jié)果

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

最后，在確定充換電站數(shù)量后，對(duì)充電站布局進(jìn)行優(yōu)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(qū)域，輔助以分散式充電站的基本布局思路，故可優(yōu)先確定集中式充換電站的布局，再根據(jù)其布局來(lái)確定分散式充電站布局。

下面使用優(yōu)化算法對(duì)集中式充換電站布局進(jìn)行優(yōu)化。A區(qū)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)25 km、寬15 km的矩形區(qū)域，集中式充換電站數(shù)量為8個(gè)，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(kāi)，避免資源冗余浪費(fèi)。

這里使用遺傳算法對(duì)空間布局進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 A區(qū)域電站優(yōu)化分布結(jié)果

可以看出，優(yōu)化結(jié)果主要將充電站盡可能分散在負(fù)荷區(qū)域周邊，比較符合實(shí)際需求。通過(guò)將集中式充換電站分布在負(fù)荷中心周圍，可以對(duì)具有充電需求的車輛進(jìn)行分流；在負(fù)荷中心內(nèi)通過(guò)靈活分布分散式充電站，可以滿足市區(qū)車輛應(yīng)急充電。

但是上述方法不足之處在于：優(yōu)化結(jié)果可能與實(shí)際建設(shè)條件沖突，如規(guī)劃點(diǎn)都位于市區(qū)內(nèi)，但這些地方往往有重要基礎(chǔ)設(shè)施、軍政部門、地標(biāo)建筑、古跡和景觀等。由于優(yōu)化的結(jié)果往往不唯一，解決的辦法就是在優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上微調(diào)，尋找臨近的點(diǎn)或者重新進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，尋找新的結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析現(xiàn)有電動(dòng)汽車充電設(shè)施布局方法和傳統(tǒng)電網(wǎng)供電設(shè)施規(guī)劃方法的差異，梳理了電動(dòng)汽車充電設(shè)施布局中容易忽略的問(wèn)題；強(qiáng)調(diào)了電動(dòng)汽車充電設(shè)施可以帶來(lái)一些傳統(tǒng)電網(wǎng)供電設(shè)施所沒(méi)有的效益，如社會(huì)效益、就業(yè)效益、示范效益等隱性效益。在這個(gè)基礎(chǔ)上，提出了一種基于綜合效益分析的電動(dòng)汽車充電設(shè)施布局方法，建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并做了實(shí)例的演示。

下一步可以進(jìn)一步探索和優(yōu)化的工作有：尋找可靠數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)出可靠負(fù)荷數(shù)據(jù)；完善數(shù)學(xué)模型；通過(guò)計(jì)算，尋找出重要參數(shù)變化規(guī)律及相互之間的影響；結(jié)合城市道路特點(diǎn)改進(jìn)優(yōu)化辦法；增加優(yōu)化約束條件，改進(jìn)優(yōu)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)；

李嘉逸(1975)，碩士、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)保護(hù)等；

胡 浩(1981)，碩士、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2017-03-24)