考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型

張 密，張代潤，謝 超，曾皓冬

(1. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065；2. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610065)

1 引言

近些年電動汽車領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了飛速發(fā)展，因其符合國家戰(zhàn)略要求，且具有節(jié)能、高效特點，未來會在城市中將會大規(guī)模應(yīng)用。但是電動汽車普及前需要建設(shè)多個充電站，為電動汽車提供動力能源，建設(shè)充電站時需要考慮充電站是否能夠融入路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，且充電站設(shè)備的建設(shè)也要考慮到充電規(guī)模的合理性[1]。

目前在很多大城市已經(jīng)解決了電動汽車充電站規(guī)劃問題，但是由于城市中的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電動汽車與燃油汽車之間的限制性均會對電動汽車充電站的建設(shè)產(chǎn)生一定的不利影響。在城市中電動汽車數(shù)量飛速增長，隨之而來的問題就是充電站問題已經(jīng)不能用傳統(tǒng)的規(guī)劃方式來解決，必須在考慮網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的情況下，對電動汽車的充電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，并建立路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與充電站的耦合模型，將其作為預(yù)算及規(guī)劃基礎(chǔ)。

為此，本文在考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建設(shè)電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型，以期在滿足用戶個性化需求的基礎(chǔ)上，提升充電站為電動汽車充能效率，盡最大可能使電動汽車充電站融入路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2 考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測

在建立電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型之前，要進(jìn)行電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測。預(yù)測過程如圖1所示。

圖1 考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測流程

2.1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中分別包含電動汽車與燃油汽車，這兩種車型在進(jìn)行能源補(bǔ)充的過程中會產(chǎn)生一定程度的差異。設(shè)定兩種車型在充能過程中不會因路徑識別功能的不同而產(chǎn)生干擾，電動汽車用戶能夠根據(jù)路網(wǎng)中的實時狀況選擇最佳充電站位置以及充電模式，在路網(wǎng)中的行駛狀態(tài)不受交通狀況的影響，一直保持正常行駛，且電動汽車的行駛路程與電能損耗成正比。一般情況下，充電站結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 充電站結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2可知，在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中會實時顯示充電樁的使用狀況，由于充電站容量有限，所以在充電站有車輛充電的情況下會產(chǎn)生一段等待時間。設(shè)定路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的充電站充電速度相同且不受地域因素的影響，電動汽車在路網(wǎng)中的行駛時間記錄在路網(wǎng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)，用戶可以根據(jù)行駛信息自主判斷最優(yōu)充電路徑[2-3]。

2.2 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與充電站耦合模型

電動汽車雖然具有獨特的負(fù)荷充能模式，但是在整個路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中仍然受到交通狀況的限制，只有從路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與充電站建設(shè)共同入手，才能精準(zhǔn)分析電動汽車在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的充電需求及充電站最優(yōu)位置。在此過程中，需要采集路網(wǎng)中的節(jié)點與道路口信息，根據(jù)道路長短精確計算能源損耗，設(shè)定路網(wǎng)中所有道路為雙向路段，可以采用直角坐標(biāo)系方式將電動汽車在路網(wǎng)中的行駛信息進(jìn)行顯示。將電動汽車將充電站引入路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中一般只體現(xiàn)其充電節(jié)點與數(shù)量等信息，在此基礎(chǔ)上還可以引入充電站中的電網(wǎng)支路信息，獲取電阻、電抗、容量等參數(shù)，觀察充電站的實時可用能源量。其中，電動汽車充電管理架構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動汽車充電管理架構(gòu)

根據(jù)圖3可知，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與充電站之間的耦合模型主要基于充電站的位置規(guī)劃，充電站所存在的供電網(wǎng)是通過區(qū)域劃分的方式完成節(jié)點供電的，所以充電站的充電負(fù)荷大多為無序負(fù)荷。路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與充電站的耦合模型表達(dá)式如下所示：

(1)

其中，P(t)代表充電站內(nèi)的無序總負(fù)荷；P代表區(qū)域內(nèi)無序負(fù)荷量；P(k)代表充電站內(nèi)的基本負(fù)荷，g代表路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的供電節(jié)點[4-5]。

2.3 電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測

本文主要針對電動汽車的基本能耗狀況與路況狀態(tài)計算電動汽車的充電負(fù)荷，當(dāng)車輛在路網(wǎng)行駛過程中只考慮到剩余電量所能支撐的行駛路程，用戶需要充分了解路網(wǎng)中的路況信息的情況下，并且需要及時了解充電站的剩余電量參數(shù)。電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測體系如圖4所示。

圖4 電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測體系

觀察圖4可知，在負(fù)荷預(yù)測體系中需要將充電站內(nèi)的充電時間考慮在內(nèi)，充電站內(nèi)的充電時間主要分為充電時間大于等待時長與充電時間小于等待時長，充電時間的決定性因素為充電站的模型結(jié)構(gòu)，等待時間的決定性因素為在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中用戶移動路徑規(guī)劃結(jié)果[6-7]。

3 電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型設(shè)計

雙層規(guī)劃理論是一種根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部運行程序的相互約束條件，通過一層單一的規(guī)劃理論同時對兩層系統(tǒng)運行程序進(jìn)行約束，將下一階段的最優(yōu)結(jié)果反饋給上一階段，促進(jìn)上一階段的決策發(fā)生改變，雙層規(guī)劃理論可以在單獨運行程序中循環(huán)應(yīng)用，不斷更新系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)與運行程序提升規(guī)劃效果。

將雙層規(guī)劃理論應(yīng)用在充電站建設(shè)中，可以搭建出充電站的經(jīng)濟(jì)型規(guī)劃模型。根據(jù)充電站中不同階層的負(fù)荷供應(yīng)方式，采用最小成本規(guī)劃供電線路，再建立充電站與電網(wǎng)之間的規(guī)劃模型，由于涉及電網(wǎng)的內(nèi)容較為復(fù)雜，所以需要將其單獨規(guī)劃，并引入路網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與充電站的聯(lián)合規(guī)劃[8-9]。

3.1 電動汽車充電站充電容量預(yù)測

獲取電動汽車電能需求，根據(jù)電能需求程度以及充電站運行模式改變充電站的電能儲存量，運行模式包括快速更換模式、慢速更換模式以及快速充電模式。電動汽車的類型也可以決定充電站的容量變化，例如私家車所需要的電能較少，公共汽車所需要的電能較大，充電站便根據(jù)車型決定是否擴(kuò)充充電電容量。

雙層規(guī)劃模型中的每層規(guī)劃內(nèi)容都含有一定的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、遺傳算法等方法，針對不同的環(huán)境選取適合的模型規(guī)劃方法是實現(xiàn)雙層規(guī)劃模型的基礎(chǔ)。

充電站首先需要了解每一種電動汽車的功率需求，確定電動汽車的充電規(guī)律以及電池壽命，計算每臺電動汽車的電功率需求期望值和方差；再根據(jù)電動汽車的充電分布概率預(yù)測某地區(qū)范圍內(nèi)的總汽車電能需求量。電動汽車充電站充電容量預(yù)測流程如下圖5所示：

圖5 電動汽車充電站充電容量預(yù)測流程

觀察圖5，在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)值，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)負(fù)荷水平設(shè)定充電站的總?cè)萘块撝?，并根?jù)該區(qū)域內(nèi)的電動汽車平均能耗規(guī)劃充電站的精準(zhǔn)容量；在第一層規(guī)劃模型中利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)獲取規(guī)劃模型在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的運行費用，在第二層規(guī)劃模型中利用遺傳算法獲取電能汽車的最佳充電路徑；最后再判斷第一層中的規(guī)劃內(nèi)容是否符合第二層規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)值，判斷雙層規(guī)劃模型能否進(jìn)行收縮與擴(kuò)大，為未來的模型發(fā)展做鋪墊。

3.2 雙層規(guī)劃模型建立

本文將路網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為充電站雙層規(guī)劃模型的第一層，并將充電站內(nèi)的容量、充電站在電網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點位置、充電汽車的能耗為第二層規(guī)劃內(nèi)容。充放儲一體站設(shè)備布置圖如圖6所示。

圖6 充放儲一體站設(shè)備布置圖

如下所示為路網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的第一層規(guī)劃模型內(nèi)容

(2)

在該模型的目標(biāo)函數(shù)中，γ代表路網(wǎng)損耗系數(shù)；C(x)代表路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本；A代表路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中電動汽車饋線集合；w代表電動汽車的路徑規(guī)劃費用；x代表充電站維護(hù)費用。

在第一層規(guī)劃模型搭建過程中也要考慮第二層規(guī)劃模型的約束條件，充電站在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為放射狀，通過路網(wǎng)結(jié)構(gòu)來顯示每個充電站內(nèi)的平均供電功率與充能。如下所示為第二層規(guī)劃模型內(nèi)容

Min2=γC(a)+C(b)+C(c)

(3)

(4)

其中，C(a)代表充電站的建設(shè)成本；C(b)代表充電站的日常維護(hù)成本；G代表充電站的總?cè)萘?，Pi代表路網(wǎng)節(jié)點中的充電站平均容量；M代表第二層模型規(guī)劃中所需要的決策變量[10]。

模型中的兩層規(guī)劃內(nèi)容均可以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中體現(xiàn)，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，充電站作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的規(guī)劃內(nèi)容，上層中的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)為下層中充電站規(guī)劃過程，下層充電站為上層路網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃過程[11-12]。考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型如圖7所示。

圖7 考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型

4 實驗研究

為了驗證本文提出的考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型的有效性，與傳統(tǒng)的基于節(jié)點-支路信息的電動汽車充電站規(guī)劃模型以及基于改進(jìn)加權(quán)Voronoi圖的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型進(jìn)行實驗對比。

設(shè)定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

不同方法的電動汽車充電站規(guī)劃時間的實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 電動汽車充電站規(guī)劃時間比較

根據(jù)上圖可知，本文模型的電動汽車充電站規(guī)劃時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)模型。在第一次規(guī)劃中，本文模型的充電站規(guī)劃時間與傳統(tǒng)模型相比相對較小，而在第二次規(guī)劃中，本文模型的充電站規(guī)劃時間與傳統(tǒng)模型相比差別極大，時間更短，這是由于本文模型建立了充放電儲能一體站選址的雙層定容規(guī)劃模型，并對電網(wǎng)和用戶的利益進(jìn)行了綜合分析。在保證電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)以及容量最小的前提下，優(yōu)化各一體站的服務(wù)范圍，為用戶提供更為便利的服務(wù)。

一體化站址的雙層規(guī)劃模型可以適應(yīng)城市建設(shè)和舊城改造兩種類型的規(guī)劃區(qū)域，該規(guī)劃方案既能滿足規(guī)劃區(qū)內(nèi)正常的充換電負(fù)荷需求，又能保證其緊急負(fù)荷需求，具有較強(qiáng)的負(fù)荷適應(yīng)性。以電動汽車實際行駛路線為依據(jù)，對電動汽車在實際路網(wǎng)中的行駛過程進(jìn)行了優(yōu)化，以求更準(zhǔn)確地劃分充放電站點的服務(wù)范圍，同時采用基于兩點之間直線距離的優(yōu)化方法，避免了單位參數(shù)選擇帶來的誤差，從而提高了電動汽車充電站規(guī)劃的準(zhǔn)確性和合理性。

充電功率實驗結(jié)果如表2所示。

表2 充電功率實驗結(jié)果

由表2的數(shù)據(jù)可知，本文模型的充電功率范圍相比較于傳統(tǒng)基于節(jié)點-支路信息的模型充電功率范圍擴(kuò)大了100kW，相比較于傳統(tǒng)基于節(jié)點-支路信息的模型充電功率范圍擴(kuò)大了80kW。

通過上述多方面的對比可知，本文提出的考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型能夠綜合、全面地考慮電網(wǎng)和電動汽車用戶的利益，以實際運行路徑優(yōu)化為基礎(chǔ)，對儲能系統(tǒng)的服務(wù)范圍和方便度進(jìn)行劃分，提高了儲能系統(tǒng)規(guī)劃的合理性和準(zhǔn)確性。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與遺傳算法相結(jié)合，可以較好地解決一體站址的定容雙層規(guī)劃問題，因此本文所設(shè)計的模型具有可行性和有效性，可供今后工程建設(shè)參考。

5 結(jié)束語

由于傳統(tǒng)的充電站規(guī)劃模型已經(jīng)不符合當(dāng)前的能源發(fā)展形勢，本文充分考慮電動汽車用戶的實際需求以及電動汽車自身的能源消耗特點，從經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、時間領(lǐng)域以及可靠程度完成雙層模型的規(guī)劃，因此本文所構(gòu)建考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電動汽車充電站雙層規(guī)劃模型是一個非線性、多目標(biāo)復(fù)雜的長期不間斷運行模型，可以為實際的電動汽車充電站提供重要參考性意見。下一步可就該模型在實際中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，以進(jìn)一步提升電動汽車充電站規(guī)劃效果，提升充電站建設(shè)的綜合效益。