電動汽車充電設施分層遞進式定址定容最優(yōu)規(guī)劃

1、電動汽車充電設施分層遞進式定址定容最優(yōu)規(guī)劃孫元1, 丁茂生2,柳勁松3,楊永標4,許曉慧5,徐青山1,時姍姍3(1.東南大學伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210096; 2.國網(wǎng)寧夏電力公司，銀川 750001; 3.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海 200433; 4.南京南瑞集團公司，南京 210096; 5.中國電力科學研究院，北京 100192)嚼箱閏屬鈔瘞啾5尻賴雷必 摘要：電動汽車充電設施作為發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)的重要配套基礎設施，是電動汽車產(chǎn)業(yè)推廣與 普及的前提。本文采用分層遞進式方法對充電設施進行定址定容規(guī)劃建模求解，。首先，根據(jù) 交通、地理、需求等因素，采用層次分析

2、法來確定充電設施的候選站址；然后，建立以總體建 設成本最小為目標，以充電需求和線路傳輸容量為約束的優(yōu)化模型，采用遺傳算法，對候選站 址進行優(yōu)化，得到充電設施的建設地址和容量。最后通過一個充電設施規(guī)劃算例，建立最優(yōu)化 劃模型并予以求解，驗證本文所給的充電設施規(guī)劃方法的合理性和可行性。酈Mlh版愛稽譴凈禍郵關(guān)鍵詞：電動汽車；充電設施；最優(yōu)規(guī)劃；遺傳算法 中圖分類號：TM93文獻標識碼：B文章編號：1001-1390 (2014) 00-0000-00 Optimal Planning Considering of theCapacity and Site of EV Charging Facili

3、ty Facilitiesbythe Analytical Hierarchy ProcessProgression殘鷲樓靜鑄源湃淑驟。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)彈貿(mào)攝爾霽斃挪專鹵尻詒爾。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. 養(yǎng)技篋飆鱗志類蔣薔黑照及Key words : electric vehicles,charging Facilities facilities,optimal Planningplanning,genetic algorithm廈礴懇蹣駢日寺翥繼騷嗇癩。0引言關(guān)注的重大課題。電動汽車作為一種節(jié)能環(huán)保隨著日益突出的環(huán)境污染問題和能源供需矛的新型交通工具，已經(jīng)逐漸成為世界各國關(guān)注盾，節(jié)能減

10、排與低碳生活已成為世界各地共同的焦點，是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 煢楨廣鯽 觸選塊網(wǎng)踴淚鍍齊。電動汽車充電設施作為發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)的 重要配套基礎設施，其規(guī)劃和建設已成為電動 汽車研究領(lǐng)域的一項重要課題。目前，在缺少 完善的電動汽車規(guī)劃和布局方法情況下， 僅有 少量的城市開始了充電設施的建設，制約了電 動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此給出充電設施規(guī)劃的 一般方法已成為一件迫在眉睫的事情。文獻 1-3介紹了電動汽車及其充電站的現(xiàn)狀，分 析了影響電動汽車充電站規(guī)劃的因素，給出了 充電站規(guī)劃的一般原則和步驟。文獻4簡要 介紹了 “集中充電、統(tǒng)一配送”的運營模式， 針對集中型充電站接入的電網(wǎng)規(guī)劃問題， 綜合 考

11、慮電力網(wǎng)絡和交通網(wǎng)絡因素，建立了集中型 充電站的定址分容模型。文獻5建立了一個 考慮到充電站特性、消費者特性、充電需求的 分布、配電網(wǎng)布局和城市規(guī)劃等多種因素的多 目標規(guī)劃模型，并設計了一種基于需求優(yōu)先和 利用已建加油站的算法，具有一定的新穎性。 文獻6以居民負荷的分布情況確定電動汽車 充電站的規(guī)模及位置，建立了一種電動汽車充 電站選址定容的最優(yōu)費用模型。文獻7提出 2步篩選法來確定充電站的候選站址，構(gòu)造了 電動汽車充電站最優(yōu)規(guī)劃的數(shù)學模型并采用 改進的原對偶內(nèi)點法來求解。鵝婭盡揖鶴慘屣蘢敏！詰。現(xiàn)有的文獻主要討論影響充電站規(guī)劃的因素， 提及了一些規(guī)劃原則的建議，僅部分涉及到具 體選址規(guī)劃的方

12、法8-10。本文給出了充電站 規(guī)劃的一般方法，將其分為兩步來實現(xiàn)：(1) 使用層次分析法確定充電設施的候選站址；(2)建立候選站址優(yōu)化模型，得到充電站選 址和定容的結(jié)果。最后通過一個充電設施規(guī)劃 算例，進一步闡述了本文的充電站規(guī)劃方法的 過程，并驗證了本文所給的充電設施規(guī)劃方法 的合理T生和可彳亍性。麓叢媽翅為瞻債蛭練謝諸撻。1充電設施候選站址的確定考慮到充電站候選站址模型存在著結(jié)構(gòu)復雜、 變量繁多、確定性因素較多等特點，難以給出 準確的數(shù)學模型11-13。傳統(tǒng)方法對于復雜 對象系統(tǒng)的評判必然涉及多個復雜因素，很難 定出各因素的權(quán)系數(shù)，即很難真實反映各因素 在整體中的地位，本文用層次分析法引入

13、人為因素來確定充電設施候選站址。51m圣的的齦訝 驊汆ma。1.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型為選擇候選站址，需要考慮影響候選站址的一 些因素，以便建立層次結(jié)構(gòu)模型，使用層次分 析法進行決策。本文從交通狀況、土地因素和 充電需求三個方面進行考慮。層次模型分為 4 層：第一層為滲彰嗆儼勻謂鱉調(diào)硯金帛箱娥。目標層，確定候選站址；第二層為準則層，包 含交通狀況、土地因素和充電需求3個影響決策的主要因素，用A=(B1,B2,B3)表示；第三層為子準則層，分別為道路等級、道路數(shù)量、道 路狀況、土地成本、征地影響、城市規(guī)劃、人 口密度、車輛數(shù)量、經(jīng)濟狀況等9個因素，可以表示為 B1 =(01,02,03) B2 =

14、(C1,C2,C3)、B3 =(61,62,03) 0第四層為決策層，確定n個地 點是否為候選站址，可以表示為Ci =(P,P2,Pn), i =1,2,3。建立的層次結(jié)構(gòu)模型如圖4.1所示：錢臥瀉嵯圣騁睨圓粼0J。便利因素確定候選站址追路等級道路數(shù)量道路狀況土地地價征地影響市規(guī)劃口密度車輛數(shù)量經(jīng)濟條件|地1 | |地21|3 3|圖1候選充電站層次模型 Fig.1 Hierarchical model of the candidate charging stations施鳳襪備音晴s輪爛薔幸艮贏。1.2構(gòu)造判斷矩陣遞階層次關(guān)系確定了各層元素問隸屬關(guān)系，按 照設計的層次結(jié)構(gòu)模型，通過兩兩比較的

15、方 法，得到每一層對上一層的判斷矩陣。下面本 文給出第一層A與第二層B的判斷矩陣，判斷 矩陣中的系數(shù)為等級標度。規(guī)劃時，根據(jù)實際 情況設計判斷矩陣，表1給出第一層A與第二 層B的一個合理的判斷矩陣6。嬲熟俁硼閶鄴 錢原蚤稅漢。表1第一層A與第二層B的判斷矩陣NsNsmin F = Js( fPi 3Nl%(i 二Tab.lJudgment matrix of the first and second levelAB1B2B3B1125B21/213B31/51/311.3計算單一準則下的元素相對權(quán)重 為確定每一層相對權(quán)重函數(shù)W(A)=(W1A),W2(A), Wn(A)T, 2 Wi(A)=1

16、。 可通過計算各判斷矩陣的最大特征值和特征 向量，即AW=maxWE確定，其特征向量就是 權(quán)重函數(shù)W(A),由最大特征值可計算出一致 性指標CIA。同時，為避免分析依據(jù)失真，本 文還要進行一致,性檢驗。壇搏鄉(xiāng)it懺簍鍥鈴覲波躋耿。 1.4計算組合權(quán)重根據(jù)計算出的各判斷矩陣的特征值，即每一層 相對上一層的權(quán)重，就可通過各權(quán)重組合得到 決策層各地點的權(quán)重。對決策層的權(quán)重進行排 序，就可以選出權(quán)重較大的地點作為候選站 址。蠟燮夥寤幸艮住鉉錨金市贅建摹。2建立充電站最優(yōu)規(guī)劃模型得到候選站址之后，還需要在滿足充電需求等 約束條件下，對候選站址進行優(yōu)化。同時，充 電站接入電網(wǎng)后會改變配電網(wǎng)的潮流分布，導致

17、部分電力線路的傳輸容量超出其上限，因此 還要對待擴建的線路進行優(yōu)化。最終，將確定 最經(jīng)濟的充電站建設方案和電力線路擴建方 案。K般而酷省曇JW遙閆擷凄屆嫡。目標函數(shù)本文以充電站設備投資費用、充電站維護費 用、用地成本、用戶充電成本、擴建線路設備 投資費用、擴建線路維護費用總和最小為目標 建立 目 標函數(shù)： 鋪稅鵬蹤韋轅耀飆銃。Nsmin F = -；si(FESi . FMSi Fls。i 1Nl (FESiFMLi) - Fui 壬 )式中NS表小候選充電站數(shù)量；6 Si表本地第 i候選站址是否建設充電站的決策變量，等于 0時不建站，等于1時建站；FESi表示第i候 選站址建立充電站時，設備

18、的投資費用；FMSi 表示第i候選站址建立充電站時，設備的維護 費用；FLSi表示第i候選站址建立充電站時，所需的土地成本；NL表示待選新建線路條數(shù)；6 Li表示地第i條待選線路是建設的決策變 量，等于0時不建設，等于1時建設；FELi 表示第i條待選線路是建設時，設備的投資費 用；FMLi表示第i條待選線路是建設時，設 備的維護費用；FU表示用戶的充電路上成本。 n蹶震彥決綏言商飴蔓錦tg瓊。為了研究方便，本文將用戶的充電需求集中成 充電需求點，點的坐標表示位置，大小表示充 電的需求量。假設每一個充電需求點都是到與 其最近的充電站進行充電，則對于每一種候選 站址選擇方案，待建的充電站的容量也

19、就可以 確定了。貓蠶I!繪燎舶誅髏既尻獻用鼠假設充電站設備的投資費用、占地面積與建設 的容量成正比，充電站設備的維護費用和線路 設備的維護費用也與其固定成本的比例。則最 優(yōu)規(guī)劃模型的目標函數(shù)可以用下式表示，鍬籟饕逕瑣奧鷗婭薔口黯九k(k 1)mIKMsf0Pi .ysPVi)k(k 1)m一NS 一/MLfLi可豕眄*式中Pi表示第i個充電站的建設容量；f0為 單位容量的建設費用；k為貼現(xiàn)率；m為研究 年限；a MS為充電站設備的維護費用占固定 成本的比例；s為單位容量的所需面積；vi為 充電站i單位面積的地價；a LS為土地成本 的年均費用系數(shù)；fLi為第i條待選線路的設 備的固定費用；a

20、ML為線路設備的維護費用 占固定成本的比例；加 為到i充電站充電的 需求點集合；入為用戶的單位充電成本；Dj 為第j需求點的充電需求；dij為充電站i與 需求點j的距離；g為道路側(cè)曲折系數(shù)。橫氽旗 簧碩飩芹齦話鴦咒激。2.2 約束條件充電站的容量為到該充電站充電的所有需求 點的充電需求量之和，充電站的建設容量需要 滿足相應的約束，Psmin M P Psmax(3)式中PSmin為充電站的最小容量；PSma刻充 電站的最大容量；Pi為需要建設充電站的候 選站址i的建設容量，對于不需建設充電站的 候選站址，其Pi=0。 甄峰隔槿籥將區(qū)周偎虢滎蟒鐲。為避免某些線路的傳輸容量越限，我們需要對 電力線

21、路的傳輸容量進行約束，PLi Pl max(4)式中PLmaxS示線路的最大傳輸容量。對于部 分主線路，其傳輸容量將會超出 PLmin,本文 可以將其最大傳輸容量擴大。堯側(cè)阿絳哪旬 灌批。至此，充電站的規(guī)劃模型已經(jīng)建立起來， 待求 解的變量為候選充電站是否建設的決策變量 6 Si和待擴建線路是否建設的決策變量5 Li ,目標是總體的規(guī)劃費用最小。同時，還 可以由此求出最優(yōu)方案中每一個充電站應該 建設的容量。識金昆縊螺箕嗜儼凄儂減。3算例分析算例數(shù)據(jù)為對建立的充電站規(guī)劃模型進一步闡述和驗 證其正確性和有效性，本文提出一個算例來對 模型進行研究。算例的配電網(wǎng)絡為 30節(jié)點測 試網(wǎng)絡，如圖2;為了節(jié)

22、約成本和減少損耗， 本文的候選站址位于30節(jié)點測試網(wǎng)絡的節(jié)點 附近，即圖2中紅色的節(jié)點。假設平面的大小 為50X50,候選站址位置坐標近似為節(jié)點的 坐標，候選站址信息見表2。需求點為從 50X50的平面內(nèi)隨機產(chǎn)生的30個點，其位置 坐標和充電需求量見表3。待擴建的電力線路 由配電網(wǎng)的規(guī)劃決定，本文中直接給出，見表 4。凄敏勞月鼠錨癇嫦脛汆被照。25 7 8,一汽 G 3二4一6*%29圖2 30節(jié)點測試網(wǎng)絡Fig.2 Test netword networkof 30 nodes表2候選站址信息Tab.2 Information of about thecandidate charging s

23、tations 朧唁粵箱滅縈歡； 鷲金帛聰櫻。序 號對應的 網(wǎng)絡節(jié) 點坐標地價（萬元/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充電需求點信息Tab.3 Information of about thech

24、arging load廳P需求點坐標/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)253.2參數(shù)初始化13-15充電站規(guī)劃模型的參數(shù)：候選充電站數(shù)量 NS=1Q單位容量的設備固定成本f0=200萬元 ZMVV貼現(xiàn)率k=0.01 ,規(guī)劃研究年限m=10單 位容量的占地面積s=500m2/MVV充電站維護 費用折算系數(shù)和土地年均費用系數(shù)a MS七MS=0.1,地價vi的值參見表2,線路 i的固定費用fLi參見表4,線路維護折算費 用aML=0.1,用戶單位充電成本 入=10萬元 Z(MW- km),道路曲折系數(shù)g=1.2各個需求點 的充電需求Dj見表3,充電站容量約束取為 3 Pi 0 15MW線路的容量約束應該滿足 PLi 23MW鯊督輸出襁綱為檄W搖飭。根據(jù)以上的理論分析，使用