新能源汽車充電樁的規(guī)劃模型

霍一博

摘 要：為得到一份較優(yōu)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方案本文從時(shí)間和空間分布倆個(gè)角度選取了充電樁服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中時(shí)間角度選取等待時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，空間分布角度選取滿足度和覆蓋率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)深圳市羅湖區(qū)對(duì)充電樁數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化，考慮到直接將快充樁和慢充樁總數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，不能同時(shí)達(dá)總成本和充電樁總數(shù)量最少于是分別建立以快充樁和慢充樁數(shù)量最少為目標(biāo)函數(shù)，以滿足度和等待時(shí)間作為約束條件的多目標(biāo)規(guī)劃模型得到最少充電樁數(shù)量，其中快充建396個(gè)，慢充建62個(gè)；接著根據(jù)兩類充電樁的需求數(shù)目對(duì)充電樁的位置進(jìn)行規(guī)劃。假設(shè)轄區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車均勻分布，在轄區(qū)內(nèi)選取一定數(shù)量的候選點(diǎn)建樁，利用最大覆蓋模型對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，得到的解（即部分候選點(diǎn)）可建設(shè)大型充電站。再根據(jù)p-中值模型，對(duì)余下的候選點(diǎn)進(jìn)行分析，以覆蓋率作為約束，滿足要求的解作為小型充電樁的選址。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo)規(guī)劃； 最大覆蓋模型； p-中值模型

1 研究現(xiàn)狀

新能源汽車是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng)、完全或主要依靠新型能源驅(qū)動(dòng)的汽車，通常指純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車。全球新能源汽車已經(jīng)進(jìn)入到重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段，我國(guó)按照規(guī)劃，到 2030年新能源汽車將達(dá)到 1520 萬(wàn)輛的銷量規(guī)模，占到汽車市場(chǎng)總量的 40%。同時(shí)，中國(guó)中央政府和地方政府采取了免除購(gòu)置稅和車船稅、實(shí)施消費(fèi)者購(gòu)買補(bǔ)貼、制造商生產(chǎn)補(bǔ)貼、限牌地區(qū)單獨(dú)搖號(hào)上牌、提高充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的覆蓋率等等一系列扶持鼓勵(lì)政策。因此新能源汽車將會(huì)逐漸成為普通公民尤其是城市居民日常出行的主流交通工具。

但由于中國(guó)新能源汽車的銷量在過(guò)去幾年屬于爆炸式的快速增長(zhǎng)，因此新能源汽車的配套設(shè)施并沒(méi)有跟上新能源私家車規(guī)模的發(fā)展速度，充電樁、充電站的數(shù)量不足使得新能源汽車的使用效率大打折扣。

現(xiàn)需要針對(duì)城市電動(dòng)汽車充電樁的規(guī)劃與設(shè)置問(wèn)題進(jìn)行建模分析，來(lái)幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)充電樁的位置和數(shù)量，從而能夠更好服務(wù)不同新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展階段的城市車主充電需求。

2.1 充電樁服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

通過(guò)對(duì)用戶面臨的充電問(wèn)題進(jìn)行歸類總結(jié)得出影響充電樁服務(wù)水平的兩個(gè)主要因素即等待時(shí)間和充電樁的空間分布，本文從這兩個(gè)因素出發(fā)選取了等待時(shí)間、需求滿足度和覆蓋率三個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)充電樁的服務(wù)水平。

1等待時(shí)間

等待時(shí)間的計(jì)算可根據(jù)排隊(duì)論的思想進(jìn)行計(jì)算。

2覆蓋率

在充電需求穩(wěn)定的情況下，充電樁覆蓋率一定程度上可以從空間角度反映充電樁的服務(wù)水平?？紤]到用戶在尋找充電站的過(guò)程中存在能夠忍受的最大路上用時(shí) ，在一定行駛速度下存在尋找充電站過(guò)程中愿意行走的最長(zhǎng)路程。于是引入服務(wù)半徑來(lái)表示每個(gè)充電站的服務(wù)能力。

3滿足度的閾值

滿足度是充電服務(wù)水平最直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足度高服務(wù)水平高，滿足度低服務(wù)水平相應(yīng)比較低。

2.2針對(duì)深圳市羅湖區(qū)充電樁數(shù)量和位置的規(guī)劃

為了方便后面的求解，我們將深圳市羅湖區(qū)的布局再進(jìn)行劃分，劃分依據(jù)有無(wú)自然環(huán)境（如森林綠地，湖泊河流等）和主要交通要道。

為了得到所需的充電樁數(shù)目，建立一個(gè)非線性規(guī)劃模型。為了方面計(jì)算，將每個(gè)區(qū)所需的快充充電樁和慢充充電樁數(shù)目分開(kāi)計(jì)算。在該模型中，設(shè)m1為快充充電樁數(shù)目，設(shè)m2為慢充充電樁數(shù)目。由于題中要求求滿足需求的充電樁最小數(shù)目，故以min m1和min m2為目標(biāo)函數(shù)。對(duì)于該模型的約束條件，取滿意度指標(biāo)和平均等待時(shí)間指標(biāo)。根據(jù)滿意度指標(biāo)的高滿意度閾值為0.688和平均等待時(shí)間的高滿意度閾值為15min，故約束條件為滿意度指標(biāo)大于等于0.688，平均等待時(shí)間小于等于15min。根據(jù)文獻(xiàn)【1】，設(shè)每個(gè)區(qū)每天有充電需求的電動(dòng)汽車數(shù)量占每個(gè)區(qū)總電動(dòng)汽車數(shù)量的比例α=20%，充電樁工作時(shí)每分鐘內(nèi)到達(dá)的需要快充的和需要慢充的電動(dòng)汽車數(shù)量之比為2：3，然后利用最大覆蓋模型和p-中值模型對(duì)充電樁位置進(jìn)行規(guī)劃。首先，對(duì)于羅湖區(qū)的每個(gè)區(qū)塊，確定單個(gè)慢充充電樁的分布規(guī)劃。故在所得到的一個(gè)區(qū)塊的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的路網(wǎng)上隨機(jī)取20個(gè)點(diǎn)，所有的點(diǎn)都作為候選點(diǎn)。作出路網(wǎng)上的路口節(jié)點(diǎn)和候選點(diǎn)的鄰接矩陣，并利用Floyd算法算出各點(diǎn)之間的最短路程矩陣。再通過(guò)實(shí)際的交通情況，為每一個(gè)候選點(diǎn)賦予一個(gè)服務(wù)半徑（公式在問(wèn)題一中已給出）。

根據(jù)這個(gè)模型，我們可以得到可以建造單個(gè)慢充充電樁的候選節(jié)點(diǎn)位置，至此一部分充電樁已分配完成。我們就可以給出每一個(gè)區(qū)域的充電樁位置

5.2.3大型充電站的位置的確定

由于之前所分配的充電樁還不能夠滿足需求，故需要繼續(xù)建造?？紤]到現(xiàn)實(shí)生活中停車場(chǎng)具有停車位多的特點(diǎn)，故考慮將已有的停車場(chǎng)改造成充電站。類似5.3.2的分析，我們將部分停車場(chǎng)作為候選點(diǎn)標(biāo)注在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖上，作為大型充電站的候選點(diǎn)，然后作出這些候選點(diǎn)、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)的鄰接矩陣，并利用Floyd算法得到各個(gè)點(diǎn)之間的最短路。為了建造大型充電站，此處需要考慮停車場(chǎng)附近的電網(wǎng)承受能力，以此確定充電站內(nèi)可以建造的快充或慢充充電站的最大數(shù)量。設(shè)【4】停車場(chǎng)附近電網(wǎng)能夠承受的最大功率為400kW，單個(gè)充電樁的充電功率為60 kW（不考慮快充充電樁與慢充充電樁的功率差別），那么一個(gè)充電站內(nèi)允許建造的充電樁個(gè)數(shù)即400/60，約為6個(gè)。由5.2.2中已分配的充電樁的個(gè)數(shù)，得到充電站所包含的充電樁個(gè)數(shù)，并將這個(gè)個(gè)數(shù)除以6，得到充電站的個(gè)數(shù)p。根據(jù)以計(jì)算出的這些數(shù)據(jù)，將他們帶入到p-中值模型當(dāng)中，得到下面的模型：

（8）

模型中各個(gè)未知量的意義如下：

N-區(qū)域內(nèi)的需求點(diǎn)

M-區(qū)域內(nèi)可建設(shè)的候選點(diǎn)（停車場(chǎng)）

dij-第i個(gè)需求點(diǎn)到設(shè)施節(jié)點(diǎn)的距離

p-允許建造的充電站的數(shù)量

xj為0-1變量，xj=1，在j點(diǎn)建立設(shè)施節(jié)點(diǎn)j的集合，xj=0，不在j點(diǎn)建立設(shè)施，j屬于M

yij為0-1變量，yij=1，表示需求點(diǎn)i由節(jié)點(diǎn)j提供服務(wù)，yij=0，表示需求點(diǎn)i不由節(jié)點(diǎn)j提供服務(wù)。

根據(jù)這個(gè)模型，可以解出充電站的位置分布，并將充電樁按充電站進(jìn)行平均分配。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙明宇，吳峻，張衛(wèi)國(guó)，谷小川，吾喻明. 基于時(shí)空約束的城市交流充電樁優(yōu)化布局[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（04）：66-70+104.

[2]盧芳. 基于排隊(duì)論的電動(dòng)汽車充電站選址定容研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

[3]李正恩. 基于交通行為的城市電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運(yùn)營(yíng)研究[D].山東大學(xué)，2014.

[4]奚嘉雯，權(quán)會(huì)霞，劉自發(fā)，劉宗歧，徐冰亮，陳政琦，張衡，武國(guó)良. 基于排隊(duì)論的充電站服務(wù)半徑及規(guī)模兩階段優(yōu)化方法[J]. 黑龍江電力，2012，34（06）：446-449.

[5]深圳市統(tǒng)計(jì)局，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局深圳調(diào)查隊(duì).深圳市統(tǒng)計(jì)年鑒—201