電動(dòng)汽車充電站綜合性能評(píng)價(jià)

劉 暢， 李 穎， 夏 露， 李 昊， 李 斌， 麻秀范， 張 晶

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京市電動(dòng)汽車充換電工程技術(shù)研究中心，北京 100192；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

電動(dòng)汽車充電站綜合性能評(píng)價(jià)

劉 暢1， 李 穎2， 夏 露1， 李 昊1， 李 斌1， 麻秀范2， 張 晶1

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京市電動(dòng)汽車充換電工程技術(shù)研究中心，北京 100192；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

提出了電動(dòng)汽車充電站綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為不同充電模式的充電站在規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理中提供參考和指導(dǎo)，并在指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)兩種充電模式加以區(qū)分。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括容量評(píng)估、效率、可靠性、負(fù)荷特性、用戶體驗(yàn)5個(gè)方面，下設(shè)19項(xiàng)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立了充電站綜合性能評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)隸屬度函數(shù)和專家打分法分別確定定量指標(biāo)和定性指標(biāo)的單因素模糊評(píng)價(jià)矢量，運(yùn)用基于多層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算充電站綜合性能具體得分，進(jìn)而得到充電站綜合性能評(píng)價(jià)等級(jí)。以某電動(dòng)汽車快速充電站為例，應(yīng)用所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)，驗(yàn)證所提方法的實(shí)用性。

電動(dòng)汽車；快充設(shè)施；綜合性能；層次分析；模糊綜合評(píng)價(jià)

0 引 言

由于政策利好、需求增長(zhǎng)、技術(shù)進(jìn)步等因素的推動(dòng)，中國(guó)已成為全球電動(dòng)汽車最大市場(chǎng)之一。國(guó)務(wù)院要求加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施部署，在全國(guó)范圍內(nèi)形成較為完整的充電網(wǎng)絡(luò)?？焖俪潆娭饕獞?yīng)用于城市中心或高速路服務(wù)區(qū)充電站[1]。

而充電站的規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，需要有科學(xué)的評(píng)價(jià)體系作為參考，因此，制定合理的綜合性能評(píng)價(jià)體系對(duì)于指導(dǎo)充電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外研究在電力系統(tǒng)評(píng)價(jià)方面主要使用層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)法[2-7]，在充電站選址優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)能效評(píng)估和單個(gè)充電樁的綜合性能方面已有一些成果。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用負(fù)荷率、投資回收期、充電行駛里程和綜合滿意度4類指標(biāo)對(duì)充電站選址和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[9]對(duì)若干充電站進(jìn)行調(diào)查，得出目前充電站使用不平衡的結(jié)論，提出充電設(shè)備綜合效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；文獻(xiàn)[10-12]就管理和效率兩方面對(duì)充電站進(jìn)行了能效評(píng)估；文獻(xiàn)[13]就自然、管理、公共設(shè)施和經(jīng)濟(jì)4個(gè)方面建立了充電站選址評(píng)價(jià)模型，文獻(xiàn)[14]從影響合理性、施工技術(shù)可行性、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性、交通便利性4個(gè)方面對(duì)充電站選址優(yōu)化進(jìn)行評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[15]就技術(shù)和管理能效建立充電站能效水平評(píng)估體系；文獻(xiàn)[16，17]以單個(gè)充電樁為研究對(duì)象，就技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、污染4個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。以上研究包含了對(duì)充電站進(jìn)行管理和能效評(píng)估，或者對(duì)單個(gè)充電樁進(jìn)行綜合評(píng)估研究，而缺少對(duì)充電站綜合性能的評(píng)價(jià)研究。本文將在前人研究成果上，提出針對(duì)充電站綜合性能評(píng)價(jià)體系。

1 綜合指標(biāo)的提出

首先，充電站的公共服務(wù)性決定了其能源供應(yīng)容量、能源利用效率、供應(yīng)可靠性將成為考核的焦點(diǎn)，因此本文建立了容量評(píng)估、效率和可靠性指標(biāo)；其次，同作為能量補(bǔ)充站，與加油站的區(qū)別在于，充電站屬于電網(wǎng)的大用戶，考核中還需要從電網(wǎng)的角度考慮網(wǎng)絡(luò)的承受能力，因此建立了充電站負(fù)荷特性指標(biāo)；最后，作為公共服務(wù)設(shè)施，充電站還需要滿足用戶的基本充電需求，因此建立了用戶體驗(yàn)指標(biāo)。綜上，本文就容量評(píng)估、效率、可靠性、負(fù)荷特性、用戶體驗(yàn)5個(gè)方面，提出19項(xiàng)綜合性能指標(biāo)，如圖1所示?？斐潆娬竞吐潆娬緝H在充電模式上有較大區(qū)別，因此考慮到指標(biāo)體系的普適性，選取了可同時(shí)適用于快充和慢充模式的指標(biāo)，而充電模式的差異將體現(xiàn)在指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)上。

圖1 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)層次分析結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy analysis structure of comprehensive performance evaluation index

指標(biāo)體系中，快慢充模式區(qū)別較為突出的指標(biāo)有：效率指標(biāo)中的充電效率、功率因數(shù)、負(fù)荷特性指標(biāo)和用戶體驗(yàn)指標(biāo)的全部。

1.1 容量評(píng)估指標(biāo)

(1)設(shè)備利用小時(shí)數(shù)

設(shè)備利用小時(shí)數(shù)指固定時(shí)期內(nèi)(一般設(shè)定為一年，下同)充電電量按充電設(shè)施滿負(fù)荷運(yùn)行功率進(jìn)行折算時(shí)所需的充電運(yùn)行小時(shí)數(shù)。計(jì)算公式為

(1)

式中：Wchar表示采樣期內(nèi)的充電電量，kW·h；Pcap表示可用充電設(shè)施額定容量，kW。

(2)平均負(fù)荷系數(shù)

平均負(fù)荷系數(shù)是指充電設(shè)施的平均負(fù)荷與額定負(fù)荷之比?？己顺潆娬緯r(shí)，考慮整個(gè)充電站的平均負(fù)荷與額定負(fù)荷之比，計(jì)算公式為

(2)

式中：Pavg表示充電站典型日平均負(fù)荷，kW；Pe表示充電站額定負(fù)荷，kW。

(3)需用系數(shù)

需用系數(shù)是指充電設(shè)施從電網(wǎng)實(shí)際取用的最大負(fù)荷與額定負(fù)荷之比，計(jì)算公式為

(3)

式中：Pmax表示充電站典型日最大負(fù)荷，kW。

(4)站用電率

站用電率表示充電站內(nèi)用于滿足辦公用電、監(jiān)控用電等非充電設(shè)備用電，是站內(nèi)自用電量與總用電量的百分比。計(jì)算公式為

(4)

式中：Wtotal表示充電站總用電量，kW·h；Wuse表示充電設(shè)備用電量，kW·h。

1.2 效率指標(biāo)

(1)充電效率

充電設(shè)施的充電效率是所有運(yùn)行充電樁總輸出電量與總輸入電量的比值，計(jì)算公式為

(5)

式中：Wout表示充電設(shè)備輸出電量，kW·h；Win表示充電設(shè)備輸入電量，kW·h。

(2)功率因數(shù)

功率因數(shù)的大小與設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，是衡量充電設(shè)施效率高低的一個(gè)系數(shù)?？斐湓O(shè)施多為直流充電樁，直流充電樁一般為非線性設(shè)備，功率因數(shù)指標(biāo)相當(dāng)于公共電網(wǎng)對(duì)充電設(shè)施的要求。當(dāng)功率因數(shù)過(guò)低時(shí)，充電站需要增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備將功率因數(shù)提高到要求值。這里考核設(shè)備總負(fù)載在50%以上時(shí)的功率因數(shù)[18]，計(jì)算公式為

(6)

式中：P表示有功功率，kW；S表示視在功率，kVA。

(3)單位面積輸出電量

單位面積輸出電量是充電設(shè)施的輸出電量與其占地面積的比值，計(jì)算公式為

(7)

式中：Schar表示充電站占地面積，m2。

(4)單槍輸出電量

單槍輸出電量是輸出電量與設(shè)備總槍數(shù)的比值，計(jì)算公式為

(8)

式中：Nq表示充電站總槍數(shù)。

(5)充電計(jì)劃完成率

充電計(jì)劃完成率是實(shí)際輸出電量與可能輸出電量的比值，指標(biāo)值可以大于100%，計(jì)算公式為

(9)

式中：Wplan表示本期的計(jì)劃輸出電量，kW·h。

1.3 可靠性指標(biāo)

(1)平均無(wú)故障時(shí)間

平均無(wú)故障時(shí)間(Mean Time Between Failures，MTBF)是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。規(guī)定充電設(shè)施在總的使用階段累計(jì)正常運(yùn)行時(shí)間與故障次數(shù)的比值為MTBF，計(jì)算公式為

(10)

式中：To表示采樣期內(nèi)充電設(shè)施累計(jì)正常運(yùn)行時(shí)間，h；K表示采樣期內(nèi)充電設(shè)施的故障次數(shù)。

(2)平均故障修復(fù)時(shí)間

平均故障修復(fù)時(shí)間(MeanTimeToRepair，MTTR)，MTTR可認(rèn)為是充電設(shè)施的恢復(fù)時(shí)間作為隨機(jī)變量的期望值。包括發(fā)現(xiàn)事故所需時(shí)間、維護(hù)或維修所需時(shí)間、維修團(tuán)隊(duì)響應(yīng)時(shí)間、設(shè)備重新投入使用的時(shí)間等，計(jì)算公式為

(11)

式中：Ti,r表示第i次故障的修復(fù)時(shí)間，h。

(3)設(shè)備可利用率

設(shè)備可利用率[19]表示可維修的設(shè)備在某一段時(shí)間內(nèi)維持其性能的概率，是一個(gè)小于1的正數(shù)。計(jì)算公式為

(12)

1.4 負(fù)荷特性指標(biāo)

選取充電站負(fù)荷典型日作為研究日，計(jì)算日最大負(fù)荷、最小負(fù)荷、日峰谷差。

(1)典型日峰谷差率

典型日峰谷差率是典型日峰谷差與最大負(fù)荷的比值，計(jì)算公式為

(13)

式中：Pmin表示充電站典型日最小負(fù)荷。

(2)典型日負(fù)荷率

典型日負(fù)荷率是典型日平均負(fù)荷與最大負(fù)荷的比值，計(jì)算公式為

(14)

(3)季不均衡系數(shù)

季不均衡系數(shù)是一項(xiàng)年負(fù)荷特性指標(biāo)，是全年各月最大負(fù)荷的平均值與年最大負(fù)荷的比值，反映一年內(nèi)月最大計(jì)算公式為

(15)

式中：Pi,max表示第i個(gè)月的最大負(fù)荷，kW；Py,max表示年最大負(fù)荷，kW。

(4)尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間

尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間是指本期的充電設(shè)施負(fù)荷較高時(shí)間段的負(fù)荷值所持續(xù)的時(shí)間。這里研究的尖峰負(fù)荷包括90%Pmax、95%Pmax、97%Pmax。

1.5 用戶體驗(yàn)指標(biāo)

(1)噪聲

一般噪聲高過(guò)50 dB，就會(huì)對(duì)人類日常工作生活產(chǎn)生有害影響?？斐淠Ｊ揭虺潆姽β瘦^大，充電噪聲較大。規(guī)定在充電設(shè)施額定負(fù)載和周圍環(huán)境噪聲不大于40 dB的條件下，距充電機(jī)水平位置1m處測(cè)得的噪聲最大值不應(yīng)大于65 dB[18]。

(2)平均排隊(duì)時(shí)間

平均排隊(duì)時(shí)間是指車輛從到達(dá)充電地點(diǎn)開始至充上電為止所耗費(fèi)的時(shí)間的期望值，計(jì)算公式為

(16)

式中：Ti,line表示第i輛車的實(shí)際排隊(duì)時(shí)間，min；n表示采樣期內(nèi)服務(wù)車輛總數(shù)。

(3)平均充電時(shí)間

平均充電時(shí)間是指車輛從開始充電至結(jié)束充電所耗費(fèi)的時(shí)間期望值，快充模式的平均充電時(shí)間明顯低于慢充模式，因此需要分別設(shè)置不同的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式為

(17)

式中：Ti,char表示第i輛車的實(shí)際充電時(shí)間，min。

2 綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 層次分析法基本原理

進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)之前需要依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的具體情況，將復(fù)雜問(wèn)題分解為目標(biāo)層U、準(zhǔn)則層Uk、方案層三層結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)下層對(duì)上層的重要性確定下層因素權(quán)重。

2.2 指標(biāo)權(quán)重集的確定

(1)構(gòu)造判斷矩陣

(2)一致性檢驗(yàn)

(18)

當(dāng)CI=0具有完全的一致性；CI接近0，具有滿意的一致性；CI越大，不一致性越嚴(yán)重。為衡量不同階數(shù)的CI大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，其值如表1所示。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

運(yùn)用一致性比率公式來(lái)判斷A是否滿足要求。一致性比率公式為

(19)

一般CR<0.1時(shí)，認(rèn)為A的不一致程度在容許范圍之內(nèi)，具有滿意的一致性，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，特征向量W可作為指標(biāo)的權(quán)向量。否則需要重新構(gòu)造判斷矩陣A。由以上方法，我們可以確定出各個(gè)層次的權(quán)重矩陣。

2.3 隸屬度的確定

(1)評(píng)語(yǔ)集的確定

本文采用五級(jí)評(píng)語(yǔ)，分別是：優(yōu)、良、中、合格、差，其隸屬度關(guān)系如表2所示。

表2 評(píng)價(jià)值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的確定

對(duì)于定量指標(biāo)，本文采用梯形隸屬函數(shù)確定其隸屬度。梯形隸屬函數(shù)分以下三類。

升半梯形函數(shù)適用于指標(biāo)值越大越好的指標(biāo)，如平均無(wú)故障時(shí)間、設(shè)備可利用率、充電效率、功率因數(shù)、單位面積輸出電量、單槍輸出電量其分布為

(20)

降半梯形函數(shù)適用于指標(biāo)值越小越好的指標(biāo)，如平均故障修復(fù)時(shí)間、典型日峰谷差率、站用電率、季不均衡系數(shù)、尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間、噪聲、平均排隊(duì)時(shí)間其分布為

(21)

區(qū)間梯形函數(shù)適用于指標(biāo)值越趨近于某一區(qū)間越好的指標(biāo)，如設(shè)備利用小時(shí)數(shù)、平均負(fù)荷系數(shù)、典型日負(fù)荷率、充電計(jì)劃完成率、平均充電時(shí)間其分布為

(22)

定量指標(biāo)中a1、a2、a3、a4依據(jù)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的性能標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求來(lái)確定。

對(duì)于定性指標(biāo)，本文采用專家打分方式來(lái)確定指標(biāo)的隸屬度。由于充電站建設(shè)目前屬于示范階段，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，因此一些缺乏數(shù)據(jù)的定量指標(biāo)將歸屬于定性指標(biāo)的范疇，通過(guò)專家打分來(lái)確定其隸屬度，這些指標(biāo)包括容量評(píng)估指標(biāo)的全部，效率指標(biāo)中的單位面積輸出電量、單槍輸出電量、充電計(jì)劃完成率，負(fù)荷特性指標(biāo)的全部。2.4 模糊評(píng)價(jià)矩陣的建立與綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算

(1)單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣的確定

(2)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矢量的確定

取用加權(quán)平均型模糊合成算子，將模糊權(quán)矢量Wk與模糊關(guān)系矩陣Rk合成，得到各一級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矢量Bk

(23)

若∑bj≠1則需要對(duì)Bk進(jìn)行歸一化運(yùn)算。

(3)綜合評(píng)價(jià)值的確定

使用加權(quán)平均法確定隸屬等級(jí)：

(24)

V即為最終的評(píng)價(jià)值，通過(guò)表2即可確定評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 算例分析

3.1 電動(dòng)汽車快充電站概況

某市24小時(shí)電動(dòng)汽車快速充電站各項(xiàng)指標(biāo)值如表3所示。

3.2 權(quán)重的確定

依據(jù)2.2方法得到各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重如表4所示，權(quán)重也表示各項(xiàng)指標(biāo)的重要性排序。

表3 快充電站各項(xiàng)指標(biāo)值

表4 快充設(shè)施綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重

Tab.4 The Evaluation indexes and weights of performance of fast charging facilities

一級(jí)指標(biāo)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重二級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重U10.09521U110.47855U120.21658U130.19658U140.10829U20,28573U210.45855U220.22928U230.12179U240.12179U250.06859U30,28573U310.60000U320.20000U330.20000U40,28573U410.35620U420.32500U430.12510U440.19370U50.04760U510.10000U520.60000U530.30000

3.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的確定

(1)模糊評(píng)價(jià)矢量的計(jì)算

5項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矢量：

最終的模糊評(píng)價(jià)矢量為

(2)綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算

最終的綜合評(píng)價(jià)值為

據(jù)表2，說(shuō)明該快充電站綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果為“良”，屬于L2級(jí)。

4 結(jié) 論

本文就充電站綜合性能評(píng)價(jià)創(chuàng)造性地提出5項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)和19項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，從充電站的容量評(píng)估、效率、可靠性、負(fù)荷特性和用戶體驗(yàn)5個(gè)方面進(jìn)行綜合性能分析。運(yùn)用基于多層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，建立針對(duì)充電站的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，通過(guò)科學(xué)、合理的方式對(duì)充電站進(jìn)行全面的綜合性能評(píng)價(jià)。指標(biāo)可同時(shí)用于對(duì)慢充電站和快充電站的考核，充電模式的不同僅體現(xiàn)在評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)上的區(qū)別。最后，用此模型對(duì)某快充電站進(jìn)行綜合性能評(píng)估，得出合理結(jié)論。

論文研究的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定都是針對(duì)充電站發(fā)展初級(jí)階段的，接下來(lái)需要進(jìn)一步研究適用于充電站快速和穩(wěn)定增長(zhǎng)期的綜合性能評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)今后充電站運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行修正，以求得到最客觀、最科學(xué)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

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Research on Comprehensive Performance Evaluation for Electric Vehicles Charging Stations

LIU Chang1, LI Ying2, XIA Lu1, LI Hao1, LI Bin1, MA Xiufan2, ZHANG Jing1

(1. Beijing Electric Vehicle Charging/Battery Swap Engineering and Technology Research Center, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Comprehensive performance evaluation index system of charging stations is proposed in this paper which provides reference or guidance for the construction and operation of the charging stations. Two different charging modes of electric vehicles can be distinguished by the evaluation index system. Evaluation index consists of five aspects including capacity, efficiency, reliability, load characteristics, and user experience and it has 19 secondary evaluation indicators. Comprehensive performance evaluation model is built. Analytic hierarchy process is used to determine the weight of all indicators and the single-factor fuzzy evaluation vector of quantitative indicators and qualitative indicators are calculated by membership function and experts. The comprehensive performance score of the fast charging facilities will be calculated by fuzzy comprehensive evaluation method based on multi-level analysis, then the evaluation degree of the charging station will be obtained. A fast charging station is taken as an example and the evaluation index system and method proposed in this paper are used to evaluate the comprehensive performance to verify the practicability of the evaluation method.

electric vehicle； fast charging facilities； comprehensive performance；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.01.13

2016-03-03.

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(YD71-15-032).

TM910.6；U469.72

A

1007-2691(2017)01-0082-07

劉暢(1978-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄苡秒娂半妱?dòng)汽車充換電技術(shù)；李穎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃與運(yùn)營(yíng)；夏露(1989-)，女，助理工程師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充換電技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化；李昊(1987-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)樾枨髠?cè)管理與智能用電技術(shù)；李斌(1973-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄苡秒娂夹g(shù)與電動(dòng)汽車充換電技術(shù)；麻秀范(1970-)，女，副教授，研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行、電動(dòng)汽車規(guī)劃與運(yùn)行；張晶(1983-)，男，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充換電技術(shù)。