葛少云,馮 亮,劉 洪,王 龍
(天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)
目前,世界汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入全面交通能源轉(zhuǎn)型期,為解決能源、環(huán)境制約,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者一直在積極探索和努力推動(dòng)交通能源動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,國(guó)際電動(dòng)汽車的發(fā)展開始加速。而電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃建設(shè)是電動(dòng)汽車普及的前提和基石[1]。
電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃理論開始逐漸被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者所關(guān)注。文獻(xiàn)[2]以居民負(fù)荷的分布情況模擬電動(dòng)汽車的數(shù)量,以投運(yùn)至目標(biāo)年最大化充電站運(yùn)營(yíng)收益作為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行充電站的選址規(guī)劃。文獻(xiàn)[3]將電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃分為示范、公益和商業(yè)運(yùn)營(yíng)三個(gè)階段,并根據(jù)每個(gè)階段的特點(diǎn)提出了充電方式的選擇優(yōu)化模型以及充電設(shè)施規(guī)劃的原則、流程和模型。文獻(xiàn)[4]提出了電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃的兩階段模型,第一階段利用聚類分析法將區(qū)域的路況信息轉(zhuǎn)化為充電需求集群,第二階段在考慮一定的約束和資金因素等條件下,利用優(yōu)化算法進(jìn)行電動(dòng)汽車充電站的優(yōu)化選址。文獻(xiàn)[5]介紹了我國(guó)電動(dòng)汽車充電站的發(fā)展現(xiàn)狀,提出了影響電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃的因素和所需遵循的原則。文獻(xiàn)[6]在配電網(wǎng)規(guī)劃的同時(shí)考慮了充電站的布局優(yōu)化,并以投資與運(yùn)行成本最小為目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)和充電站的綜合規(guī)劃。雖然這些文獻(xiàn)對(duì)充電站的規(guī)劃問(wèn)題都有一定程度的研究,但是均沒(méi)有充分的考慮用戶充電的便捷性等問(wèn)題。
本文以用戶在充電路程中的損耗成本來(lái)體現(xiàn)用戶的便捷性,并以此為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行充電站的選址操作。在考慮路網(wǎng)車流情況和充電站的容量限制的基礎(chǔ)上,利用網(wǎng)格分區(qū)的方法將規(guī)劃區(qū)劃分為多個(gè)適合建站的區(qū)域,通過(guò)遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)區(qū)域的最優(yōu)站址和規(guī)模的選擇,通過(guò)反復(fù)計(jì)算、調(diào)整分區(qū)的覆蓋范圍和充電站的站址,最終得到整個(gè)規(guī)劃區(qū)電動(dòng)汽車充電站合理的規(guī)劃方案。
城市電動(dòng)汽車充電站的主要功能是為用戶提供及時(shí)、快速、高質(zhì)量的充電服務(wù),方便用戶的出行,所以本文以用戶在充電路程中的損耗成本來(lái)體現(xiàn)用戶充電的便捷性,并以此為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行選址,考慮用戶在充電路程中所產(chǎn)生的空駛電量損耗成本h1和間接損耗成本h2。其目標(biāo)函數(shù)為:空駛電量損耗成本:式中,∑Lj為充電站j服務(wù)范圍內(nèi)所有充電需求點(diǎn)到充電站的綜合距離;p為充電電價(jià);g為單位電量的行駛里程。
間接損耗成本:式中,ku為用戶的出行時(shí)間價(jià)值,可由規(guī)劃區(qū)居民的平均收入估算得到[7];v為電動(dòng)汽車的平均速度。
若充電站j服務(wù)范圍內(nèi)有n'j個(gè)充電需求點(diǎn),則:式中,dkj為充電需求點(diǎn)k到充電站j的空間距離;pk為充電需求點(diǎn)k平均每天的車流量;αe為電動(dòng)汽車所占的比例;αc為所有電動(dòng)汽車中需要充電的電動(dòng)汽車所占的比例,即電動(dòng)汽車的充電率。
本文在計(jì)算電動(dòng)汽車的充電需求時(shí),將路網(wǎng)中的交通流量用每個(gè)路口節(jié)點(diǎn)的交通流量來(lái)表示[8]。設(shè)與路口節(jié)點(diǎn)i相連的路段數(shù)為w,用符號(hào)i'f表示與路口節(jié)點(diǎn)i相連的第f個(gè)路口節(jié)點(diǎn),f=1,2,3,…,w;pft(i,i'f)表示t時(shí)刻路口節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i'f相連的第f條路段的交通流量密度,則路口節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的交通流量密度:
由于任一路段的交通流都是雙向的、非對(duì)稱的,所以在計(jì)算節(jié)點(diǎn)的交通流量時(shí),應(yīng)取統(tǒng)一流向,即統(tǒng)一取流入(或流出)節(jié)點(diǎn)的車流數(shù)據(jù)。
T時(shí)間段內(nèi)路口節(jié)點(diǎn)i的充電需求為:式中,PV為電動(dòng)汽車的平均容量。
若充電站j的服務(wù)范圍內(nèi)有nj個(gè)路口節(jié)點(diǎn),則充電站j在T時(shí)間段內(nèi)需滿足的充電需求:則充電站j的充電機(jī)臺(tái)數(shù)應(yīng)配置:式中,mj為充電站j需配置的充電機(jī)的臺(tái)數(shù);ρ為充電站的充電容量裕度;P為單臺(tái)充電機(jī)的充電功率;kx為充電機(jī)的效率;kt為多臺(tái)充電機(jī)的同時(shí)率;Tv為充電站的有效充電時(shí)間。
本文確定的規(guī)劃策略是:以規(guī)劃區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車的充電需求和充電站的最小容量限制與最大容量極限為依據(jù),進(jìn)行初始網(wǎng)格數(shù)量預(yù)估,通過(guò)優(yōu)化和調(diào)整網(wǎng)格的數(shù)量與覆蓋范圍、以及充電需求點(diǎn)與網(wǎng)格的歸屬關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃區(qū)的網(wǎng)格分區(qū),使得每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)僅包含一個(gè)充電站,同時(shí)進(jìn)行充電站的優(yōu)化選址與定容。具體流程如圖1所示。
圖1 總體流程Fig.1 Overall flow chart
(1)利用規(guī)劃區(qū)的總充電需求Q及充電站的最小容量限制Smin和最大容量極限Smax來(lái)預(yù)估充電站的數(shù)量。則規(guī)劃區(qū)充電站的座數(shù)N可通過(guò)以下公式來(lái)預(yù)估:
(2)以規(guī)劃區(qū)充電站的預(yù)估數(shù)為基準(zhǔn),對(duì)規(guī)劃區(qū)路網(wǎng)按照等面積原則進(jìn)行網(wǎng)格分區(qū),形成初始分區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù),包含分區(qū)序號(hào)、分區(qū)個(gè)數(shù)、分區(qū)充電需求、分區(qū)所覆蓋的節(jié)點(diǎn)序號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與充電需求等屬性。
(3)以用戶在充電路程中的損耗成本最小為目標(biāo),對(duì)各個(gè)分區(qū)內(nèi)的充電站進(jìn)行初步選址。
(4)確定處于分區(qū)邊界的節(jié)點(diǎn)歸屬問(wèn)題。若邊界點(diǎn)s處于分區(qū)Zj與分區(qū)Zk的邊界上,則分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)s與分區(qū)Zj和分區(qū)Zk的站址之間的距離,分別用d'sj和d'sk表示,若d'sj<d'sk,則將節(jié)點(diǎn)s劃歸為分區(qū)Zj,反之,則劃歸為分區(qū)Zk,同時(shí)修正分區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)。
(1)在初始分區(qū)確定后,計(jì)算每個(gè)分區(qū)的充電需求ZCD。
(2)將分區(qū)的充電需求ZCD與充電站的最小容量限制Smin和最大容量極限Smax來(lái)進(jìn)行比較,若ZCD<Smin,則定義為小需求分區(qū)Zs;若ZCD>Smax則定義為大需求分區(qū)Zl;若Smin≤ZCD≤Smax,則在分區(qū)內(nèi)進(jìn)行選址操作。
(3)對(duì)于小需求分區(qū)Zs,則需將分區(qū)Zs中的節(jié)點(diǎn)分區(qū)劃歸到周圍其他區(qū)塊,具體實(shí)施是計(jì)算分區(qū)Zs中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)與周圍各分區(qū)充電站的距離,若與分區(qū)Zj內(nèi)的充電站距離最近,則將該節(jié)點(diǎn)劃歸分區(qū)Zj,以此將分區(qū)Zs中的節(jié)點(diǎn)分割給周圍分區(qū),同時(shí)修正分區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù),分區(qū)數(shù)ZNum減1。
(4)對(duì)于大需求分區(qū)Zl,則將分區(qū)Zl均裂為兩個(gè)分區(qū),同時(shí)修正分區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù),分區(qū)數(shù)ZNum加1。
(5)跳到步驟(1),對(duì)分區(qū)進(jìn)行循環(huán)迭代調(diào)整,一直到所有分區(qū)的充電需求均符合條件:Smin≤ZCD≤Smax。
(6)在所有分區(qū)均滿足條件后,利用式(1)和式(8)對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化選址和定容。
本文采用遺傳算法來(lái)對(duì)每個(gè)分區(qū)的站址進(jìn)行優(yōu)選[9]。個(gè)體采用實(shí)數(shù)編碼方式,個(gè)體的染色體長(zhǎng)度為2,分別為站址的橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y,適應(yīng)度函數(shù)采用分區(qū)內(nèi)用戶在充電路程中的損耗成本H的倒數(shù)來(lái)表示,初始種群在分區(qū)邊界之內(nèi)均勻隨機(jī)產(chǎn)生(xmin≤x≤xmax,ymin≤y≤ymax),采用輪盤賭方式對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行優(yōu)選,通過(guò)變異、重組和選擇的循環(huán)迭代,逐步搜索到最優(yōu)位置。
以某市開發(fā)區(qū)的電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃為例。該區(qū)域共有路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)64個(gè),路段144段,規(guī)劃區(qū)面積為81km2,區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及典型日車流量如表1所示(其中,表頭中的X和Y分別表示節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo))。
圖2 規(guī)劃區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Road network of planning area
圖3 路網(wǎng)初始分區(qū)示意圖Fig.3 Initial partitions of road network
到規(guī)劃目標(biāo)年,預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車所占車輛比例為15%,充電率為10%。本文假設(shè)每輛電動(dòng)汽車的平均容量為50kWh。單臺(tái)充電機(jī)功率為96kW,充電站最小容量配置為6臺(tái)充電機(jī),最大容量配置為20臺(tái)充電機(jī)。充電站的有效充電時(shí)間為16h,充電容量裕度為20%,充電機(jī)的充電效率為0.9,同時(shí)率為0.8~1.0。電動(dòng)汽車單位電量的行駛里程為7km/kWh,充電電費(fèi)為0.8元/kWh,車輛的平均速度為20km/h。用戶的出行時(shí)間價(jià)值為17元/h。
計(jì)算步驟如下:
(1)利用式(9)預(yù)估充電站的個(gè)數(shù)范圍為:Nmin=7,Nmax=17,初始分區(qū)數(shù)N取Nmin和Nmax的均值為12,則路網(wǎng)初始分區(qū)如圖3所示。
表1 各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及車流量Tab.1 Coordinates and traffic flow of each node
(2)按照?qǐng)D1所示過(guò)程優(yōu)化調(diào)整各分區(qū)范圍及充電站站址,最終得到10個(gè)分區(qū),分區(qū)號(hào)分別是1、2、3、5、7、8、9、10、11、12,各分區(qū)內(nèi)的最終站址與用戶損耗成本如表2所示。
(3)利用式(8)對(duì)各分區(qū)充電站的容量進(jìn)行計(jì)算,充電站的充電機(jī)臺(tái)數(shù)配置及分區(qū)所覆蓋范圍如表3所示,充電站布局如圖4所示。
表2 最終站址與用戶損耗成本Tab.2 Final locations of stations and users’loss
表3 各分區(qū)充電站的容量配置及覆蓋范圍Tab.3 Capacity and coverage of station
圖4 最終充電站布局及覆蓋范圍示意圖Fig.4 Layout and coverage of charging stations
本文在充電站的選址定容之前,利用充電站的容量限制對(duì)規(guī)劃區(qū)域的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格式的分區(qū),通過(guò)用戶在充電路程中的損耗成本反映了用戶充電的便捷性,并以此為目標(biāo),利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了每個(gè)分區(qū)最優(yōu)站址的選擇和容量的配置,通過(guò)反復(fù)計(jì)算、調(diào)整分區(qū)的覆蓋范圍和充電站的站址,最終得到整個(gè)規(guī)劃區(qū)域電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃方案。實(shí)際算例表明本文所提出的方法和模型具有一定的可行性。但是,本文中的充電站規(guī)劃模型主要是基于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、車流信息和用戶路程損耗等與電動(dòng)汽車相關(guān)的因素來(lái)構(gòu)造的,而對(duì)與之相連的配電系統(tǒng)相關(guān)的因素如網(wǎng)絡(luò)容量約束則暫未考慮,這將在后續(xù)的工作中進(jìn)一步進(jìn)行研究。
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