电动汽车充电设施分层递进式定址定容最优规划

1、电动汽车充电设施分层递进式定址定容最优规划孙元1, 丁茂生2,柳劲松3,杨永标4,许晓慧5,徐青山1,时姗姗3(1.东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，南京 210096; 2.国网宁夏电力公司，银川 750001; 3.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200433; 4.南京南瑞集团公司，南京 210096; 5.中国电力科学研究院，北京 100192)嚼箱闰属钞瘗啾5尻赖雷必 摘要：电动汽车充电设施作为发展电动汽车产业的重要配套基础设施，是电动汽车产业推广与 普及的前提。本文采用分层递进式方法对充电设施进行定址定容规划建模求解，。首先，根据 交通、地理、需求等因素，采用层次分析

2、法来确定充电设施的候选站址；然后，建立以总体建 设成本最小为目标，以充电需求和线路传输容量为约束的优化模型，采用遗传算法，对候选站 址进行优化，得到充电设施的建设地址和容量。最后通过一个充电设施规划算例，建立最优化 划模型并予以求解，验证本文所给的充电设施规划方法的合理性和可行性。郦Mlh版爱稽谴净祸邮关键词：电动汽车；充电设施；最优规划；遗传算法 中图分类号：TM93文献标识码：B文章编号：1001-1390 (2014) 00-0000-00 Optimal Planning Considering of theCapacity and Site of EV Charging Facili

3、ty Facilitiesbythe Analytical Hierarchy ProcessProgression残鹫楼静铸源湃淑骤。SUN Yuan1, DING Mao-sheng2, LIU Jin-song3, YANG Yong-biao4, XU Xiao-hui5, XU Qing-shan1,Shi Shan-shan3(1. Engineering Research Centre of Motion Control, Ministry of Education, SoutheastUniversity, Nanjing 210096, China. 2. Ningxia E

4、lectric Power Corp., Yinchuan 750001,China. 3. Shanghai Electric Power Corp., Shanghai200433,China. 4. Nanjing Nanri Group Corporation, Nanjing210096, 210003,China. 5. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, 210061, China)弹贸摄尔霁毙挪专卤尻诒尔。Abstract : As an important supporting infrastruc

5、ture for the development of the electric vehicle industry, Electric the electric vehicle charging facilities are the prerequisite of the promotion and popularization of the electric vehicle industry. This paper makes madea model for the EV charging facilities planning and solves it sought the soluti

6、on by theAnalytical Hierarchy Process. Wemakethe model in two steps. Firstly, we use the Analytical Hierarchy Process was adopted to find the candidate sites of the charging facilities, according to the factors of such as transportation, geography, demand and others. Secondly, anoptimal model was ma

7、de, with the smallest overall construction cost as the objective, andthe charging demand and the transmission capacity of the power lines as the restraint.Then by using the genetic algorithm,we optimize the candidate sites of the charging facilitieswere optimized to obtain the construction sites and

8、 capacity of the charging facilities. We make a model which objective is the smallest overall construction cost and constraints are the charging demand and the transmission capacity of the power lines. At the end Finally, we give a hypothetical example of the charging facilities planning was given t

9、o further elaborate the model and to verify the rationality and feasibility of the model and the method. 养技箧飙鳞志类蒋蔷黑照及Key words : electric vehicles,charging Facilities facilities,optimal Planningplanning,genetic algorithm厦礴恳蹒骈日寺翥继骚啬癞。0引言关注的重大课题。电动汽车作为一种节能环保随着日益突出的环境污染问题和能源供需矛的新型交通工具，已经逐渐成为世界各国关注盾，节能减

10、排与低碳生活已成为世界各地共同的焦点，是汽车产业发展的必然趋势。 茕桢广鲫 触选块网踊泪镀齐。电动汽车充电设施作为发展电动汽车产业的 重要配套基础设施，其规划和建设已成为电动 汽车研究领域的一项重要课题。目前，在缺少 完善的电动汽车规划和布局方法情况下， 仅有 少量的城市开始了充电设施的建设，制约了电 动汽车产业的发展。因此给出充电设施规划的 一般方法已成为一件迫在眉睫的事情。文献 1-3介绍了电动汽车及其充电站的现状，分 析了影响电动汽车充电站规划的因素，给出了 充电站规划的一般原则和步骤。文献4简要 介绍了 “集中充电、统一配送”的运营模式， 针对集中型充电站接入的电网规划问题， 综合 考

11、虑电力网络和交通网络因素，建立了集中型 充电站的定址分容模型。文献5建立了一个 考虑到充电站特性、消费者特性、充电需求的 分布、配电网布局和城市规划等多种因素的多 目标规划模型，并设计了一种基于需求优先和 利用已建加油站的算法，具有一定的新颖性。 文献6以居民负荷的分布情况确定电动汽车 充电站的规模及位置，建立了一种电动汽车充 电站选址定容的最优费用模型。文献7提出 2步筛选法来确定充电站的候选站址，构造了 电动汽车充电站最优规划的数学模型并采用 改进的原对偶内点法来求解。鹅娅尽揖鹤惨屣茏敏！诘。现有的文献主要讨论影响充电站规划的因素， 提及了一些规划原则的建议，仅部分涉及到具 体选址规划的方

12、法8-10。本文给出了充电站 规划的一般方法，将其分为两步来实现：(1) 使用层次分析法确定充电设施的候选站址；(2)建立候选站址优化模型，得到充电站选 址和定容的结果。最后通过一个充电设施规划 算例，进一步阐述了本文的充电站规划方法的 过程，并验证了本文所给的充电设施规划方法 的合理T生和可彳亍性。麓丛妈翅为瞻债蛭练谢诸挞。1充电设施候选站址的确定考虑到充电站候选站址模型存在着结构复杂、 变量繁多、确定性因素较多等特点，难以给出 准确的数学模型11-13。传统方法对于复杂 对象系统的评判必然涉及多个复杂因素，很难 定出各因素的权系数，即很难真实反映各因素 在整体中的地位，本文用层次分析法引入

13、人为因素来确定充电设施候选站址。51m圣的的龈讶 骅汆ma。1.1 建立层次结构模型为选择候选站址，需要考虑影响候选站址的一 些因素，以便建立层次结构模型，使用层次分 析法进行决策。本文从交通状况、土地因素和 充电需求三个方面进行考虑。层次模型分为 4 层：第一层为渗彰呛俨匀谓鳖调砚金帛箱娥。目标层，确定候选站址；第二层为准则层，包 含交通状况、土地因素和充电需求3个影响决策的主要因素，用A=(B1,B2,B3)表示；第三层为子准则层，分别为道路等级、道路数量、道 路状况、土地成本、征地影响、城市规划、人 口密度、车辆数量、经济状况等9个因素，可以表示为 B1 =(01,02,03) B2 =

14、(C1,C2,C3)、B3 =(61,62,03) 0第四层为决策层，确定n个地 点是否为候选站址，可以表示为Ci =(P,P2,Pn), i =1,2,3。建立的层次结构模型如图4.1所示：钱卧泻嵯圣骋睨圆粼0J。便利因素确定候选站址追路等级道路数量道路状况土地地价征地影响市规划口密度车辆数量经济条件|地1 | |地21|3 3|图1候选充电站层次模型 Fig.1 Hierarchical model of the candidate charging stations施凤袜备音晴s轮烂蔷幸艮赢。1.2构造判断矩阵递阶层次关系确定了各层元素问隶属关系，按 照设计的层次结构模型，通过两两比较的

15、方 法，得到每一层对上一层的判断矩阵。下面本 文给出第一层A与第二层B的判断矩阵，判断 矩阵中的系数为等级标度。规划时，根据实际 情况设计判断矩阵，表1给出第一层A与第二 层B的一个合理的判断矩阵6。嬲熟俣硼阊邺 钱原蚤税汉。表1第一层A与第二层B的判断矩阵NsNsmin F = Js( fPi 3Nl%(i 二Tab.lJudgment matrix of the first and second levelAB1B2B3B1125B21/213B31/51/311.3计算单一准则下的元素相对权重 为确定每一层相对权重函数W(A)=(W1A),W2(A), Wn(A)T, 2 Wi(A)=1

16、。 可通过计算各判断矩阵的最大特征值和特征 向量，即AW=maxWE确定，其特征向量就是 权重函数W(A),由最大特征值可计算出一致 性指标CIA。同时，为避免分析依据失真，本 文还要进行一致,性检验。坛搏乡it忏篓锲铃觐波跻耿。 1.4计算组合权重根据计算出的各判断矩阵的特征值，即每一层 相对上一层的权重，就可通过各权重组合得到 决策层各地点的权重。对决策层的权重进行排 序，就可以选出权重较大的地点作为候选站 址。蜡燮夥寤幸艮住铉锚金市赘建摹。2建立充电站最优规划模型得到候选站址之后，还需要在满足充电需求等 约束条件下，对候选站址进行优化。同时，充 电站接入电网后会改变配电网的潮流分布，导致

17、部分电力线路的传输容量超出其上限，因此 还要对待扩建的线路进行优化。最终，将确定 最经济的充电站建设方案和电力线路扩建方 案。K般而酷省昙JW遥闫撷凄届嫡。目标函数本文以充电站设备投资费用、充电站维护费 用、用地成本、用户充电成本、扩建线路设备 投资费用、扩建线路维护费用总和最小为目标 建立 目 标函数： 铺税鹏踪韦辕耀飙铳。Nsmin F = -；si(FESi . FMSi Fls。i 1Nl (FESiFMLi) - Fui 壬 )式中NS表小候选充电站数量；6 Si表本地第 i候选站址是否建设充电站的决策变量，等于 0时不建站，等于1时建站；FESi表示第i候 选站址建立充电站时，设备

18、的投资费用；FMSi 表示第i候选站址建立充电站时，设备的维护 费用；FLSi表示第i候选站址建立充电站时，所需的土地成本；NL表示待选新建线路条数；6 Li表示地第i条待选线路是建设的决策变 量，等于0时不建设，等于1时建设；FELi 表示第i条待选线路是建设时，设备的投资费 用；FMLi表示第i条待选线路是建设时，设 备的维护费用；FU表示用户的充电路上成本。 n蹶震彦决绥言商饴蔓锦tg琼。为了研究方便，本文将用户的充电需求集中成 充电需求点，点的坐标表示位置，大小表示充 电的需求量。假设每一个充电需求点都是到与 其最近的充电站进行充电，则对于每一种候选 站址选择方案，待建的充电站的容量也

19、就可以 确定了。猫蚕I!绘燎舶诛髅既尻献用鼠假设充电站设备的投资费用、占地面积与建设 的容量成正比，充电站设备的维护费用和线路 设备的维护费用也与其固定成本的比例。则最 优规划模型的目标函数可以用下式表示，锹籁饕迳琐奥鸥娅蔷口黯九k(k 1)mIKMsf0Pi .ysPVi)k(k 1)m一NS 一/MLfLi可豕眄*式中Pi表示第i个充电站的建设容量；f0为 单位容量的建设费用；k为贴现率；m为研究 年限；a MS为充电站设备的维护费用占固定 成本的比例；s为单位容量的所需面积；vi为 充电站i单位面积的地价；a LS为土地成本 的年均费用系数；fLi为第i条待选线路的设 备的固定费用；a

20、ML为线路设备的维护费用 占固定成本的比例；加 为到i充电站充电的 需求点集合；入为用户的单位充电成本；Dj 为第j需求点的充电需求；dij为充电站i与 需求点j的距离；g为道路侧曲折系数。横氽旗 簧硕饨芹龈话鸯咒激。2.2 约束条件充电站的容量为到该充电站充电的所有需求 点的充电需求量之和，充电站的建设容量需要 满足相应的约束，Psmin M P Psmax(3)式中PSmin为充电站的最小容量；PSma刻充 电站的最大容量；Pi为需要建设充电站的候 选站址i的建设容量，对于不需建设充电站的 候选站址，其Pi=0。 甄峰隔槿籥将区周偎虢荥蟒镯。为避免某些线路的传输容量越限，我们需要对 电力线

21、路的传输容量进行约束，PLi Pl max(4)式中PLmaxS示线路的最大传输容量。对于部 分主线路，其传输容量将会超出 PLmin,本文 可以将其最大传输容量扩大。尧侧阿绛哪旬 灌批。至此，充电站的规划模型已经建立起来， 待求 解的变量为候选充电站是否建设的决策变量 6 Si和待扩建线路是否建设的决策变量5 Li ,目标是总体的规划费用最小。同时，还 可以由此求出最优方案中每一个充电站应该 建设的容量。识金昆缢螺箕嗜俨凄侬减。3算例分析算例数据为对建立的充电站规划模型进一步阐述和验 证其正确性和有效性，本文提出一个算例来对 模型进行研究。算例的配电网络为 30节点测 试网络，如图2;为了节

22、约成本和减少损耗， 本文的候选站址位于30节点测试网络的节点 附近，即图2中红色的节点。假设平面的大小 为50X50,候选站址位置坐标近似为节点的 坐标，候选站址信息见表2。需求点为从 50X50的平面内随机产生的30个点，其位置 坐标和充电需求量见表3。待扩建的电力线路 由配电网的规划决定，本文中直接给出，见表 4。凄敏劳月鼠锚痫嫦胫汆被照。25 7 8,一汽 G 3二4一6*%29图2 30节点测试网络Fig.2 Test netword networkof 30 nodes表2候选站址信息Tab.2 Information of about thecandidate charging s

23、tations 胧唁粤箱灭萦欢； 鹫金帛聪樱。序 号对应的 网络节 点坐标地价（万元/m2）13(4.17 , 10.83)0.225(18.61 , 4.44)0.436(24.44 , 10.83)0.3549(32.78 , 23.89 )0.15512(11.39 , 23.89)0.2614(3.89 , 32.78 )0.35718(15.00 , 37.78 )0.3821(32.78 , 36.94)0.3925(39.44 , 43.06 )0.151027(39.44 , 23.89)0.35表3充电需求点信息Tab.3 Information of about thech

24、arging load厅P需求点坐标/MW1(24.74, 21.52)332(45.68 , 8.01 )353(48.36, 3.34)224(6.34, 5.79)295(4.7 , 26.61 )286(20.87 , 41.78)247(0.46, 32.24)378(10.79, 45.46)379(10.37, 42.53)3010(4.02, 40.93)4011(8.13 , 26.99)2312(21.86 , 27.01 )3813(0.1 , 41.83)3614(0.99 , 4.92)2915(48.37 ,30.98)3316(22.81 ,41.9)4017(2

25、7.11 ,4.62)3318(30.11 ,9.14)2519(27.44 ,7.81 )2820(10.11 ,0.42)2421(20.05 ,18.98)3022(47.17 ,23.7)2923(41 , 2.87)3024(34.83 ,7.36)2325(3.17 ,36.14)2226(34.79 ,11.06)2727(25.66 ,28.79)3328(44.63 ,4.63)2429(41.09 ,49.7)333046.14)253.2参数初始化13-15充电站规划模型的参数：候选充电站数量 NS=1Q单位容量的设备固定成本f0=200万元 ZMVV贴现率k=0.01 ,规划研究年限m=10单 位容量的占地面积s=500m2/MVV充电站维护 费用折算系数和土地年均费用系数a MS七MS=0.1,地价vi的值参见表2,线路 i的固定费用fLi参见表4,线路维护折算费 用aML=0.1,用户单位充电成本 入=10万元 Z(MW- km),道路曲折系数g=1.2各个需求点 的充电需求Dj见表3,充电站容量约束取为 3 Pi 0 15MW线路的容量约束应该满足 PLi 23MW鲨督输出襁纲为檄W摇饬。根据以上的理论分析，使用