基于用電信息采集系統(tǒng)的充電站選址模型

【關(guān)鍵詞】新能源汽車；新基建；充電站；用電信息采集系統(tǒng)；電力大數(shù)據(jù)

引言

充電便捷是提高電動(dòng)汽車競爭力的重要措施，目前，充電站建設(shè)仍以市場(chǎng)試錯(cuò)為主，缺少充電站布局規(guī)劃的理論工具，且相關(guān)研究較少[1]。但充電站選址也需考慮用戶的里程焦慮、隨機(jī)充電需求、充電站容量限制和司機(jī)路徑偏好（偏差容忍度）[2-3]。為平衡電動(dòng)汽車用戶、充電站運(yùn)營方和電網(wǎng)企業(yè)的利益，構(gòu)建全社會(huì)成本最小的雙層整數(shù)規(guī)劃模型 [4-5]，是目前從充電站使用場(chǎng)景角度最全面的模擬公式，為得到全局最優(yōu)解，通過改進(jìn)的郊狼優(yōu)化模型，給出了全局最優(yōu)解的一種算法[6]。進(jìn)一步考慮配電網(wǎng)的承受能力，使結(jié)果更接近事實(shí)。

另一角度，考慮到通過海量的數(shù)據(jù)直接查找或挖掘所需要的信息，來獲得被研究對(duì)象的特征、模式和規(guī)律，模擬充電需求?；诔鲎廛囃Ａ魻顟B(tài)的軌跡數(shù)據(jù)，提取匹配車輛充電時(shí)長的出租車停留點(diǎn)，以此契合出租車充電需求。以具體區(qū)域?yàn)槔ㄟ^政府統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，挖掘有效信息，反饋至充電站規(guī)劃環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多局限于對(duì)充電設(shè)施的選址思想、運(yùn)行模式、里程焦慮及政府?dāng)?shù)據(jù)等方面的研究，對(duì)充電設(shè)施利用率缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過用電信息采集系統(tǒng)得到海量而精確的電力數(shù)據(jù)，以用電量為數(shù)據(jù)源，將用電量、充電設(shè)施利用率與等間隔網(wǎng)絡(luò)地圖相關(guān)聯(lián)，預(yù)測(cè)區(qū)域充電需求。最后，以天津市濱海新區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證模型的有效性。

一、模型建立

利用經(jīng)緯線，將城市或部分城區(qū)分為若干部分，在同一城市范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為經(jīng)緯線圍成部分為方形。方形區(qū)域中，充電站需求與用電量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，通過用電信息采集系統(tǒng)得到用電量數(shù)據(jù)后，可通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到充電站需求。

N（i，j）區(qū)域用電量增加，主要由以下兩種原因?qū)е?。一是用電戶?shù)，二是戶均用電量，而這兩者均與充電需求密切相關(guān)。用電戶數(shù)增多，車保有量增加，一般情況下，電動(dòng)汽車保有量也隨之增加。戶均用電量增加，普遍來看由兩種情況導(dǎo)致，一是每戶人口增加，二是用電習(xí)慣較為鋪張。一般來說，家庭第二輛車基本選擇新能源汽車，而且年輕人的用電量相比老、少年人要更高。

以上推論，說明用電量比人口更能反映充電站需求，這也是電力大數(shù)據(jù)的意義。在區(qū)域N（i，j）中，電動(dòng)汽車數(shù)量隨著用電量增加快速增加，此過程隨著電動(dòng)汽車替代燃油汽車的過程減慢，將此過程用對(duì)數(shù)關(guān)系表示，電動(dòng)汽車與用電量關(guān)系為：

z=logx m（1）

式中，m為參數(shù)。

電動(dòng)汽車普及初期，因充電困難，車主在可以擁有個(gè)人充電樁的前提下再購入電動(dòng)汽車可能性較大，此時(shí)電動(dòng)汽車對(duì)公共充電站需求低；普及達(dá)到一定程度后，小區(qū)內(nèi)部電網(wǎng)接近滿負(fù)荷，個(gè)人充電樁不能滿足電動(dòng)車主需求，電動(dòng)汽車對(duì)公共充電站需求增加，并且充電設(shè)施的增加使充電方便，形成正反饋。由上可知，隨著電動(dòng)汽車增加，充電站需求增加，電動(dòng)汽車普及到一定階段，充電站布局較少，A充電站不能滿足需求時(shí)，電動(dòng)車主可前往附近B充電站補(bǔ)能，反而對(duì)A充電站所在地區(qū)而言，充電需求增速放緩。在大范圍內(nèi)，充電站均接近滿負(fù)荷時(shí)，充電需求再次快速增長。在經(jīng)緯線合圍且等面積區(qū)域中區(qū)域中，此過程表示為：

式中，x表示用電量，y表示充電站需求，z表示電動(dòng)汽車數(shù)量，r為用電量取對(duì)數(shù)后與充電站需求的比值，a1，b1，c1，d1為參數(shù)。

通過以上可得：

即：

式中，a，b，c，d為參數(shù)。

隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，電動(dòng)汽車充電站建設(shè)已小有成色，充電站需求現(xiàn)有充電站用電量表示。故而，利用已布局充電站區(qū)域內(nèi)總用電量和充電站用電量關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)擬合，繼而可規(guī)劃整個(gè)城市充電站選址。

二、仿真流程

通過以上分析，得到問題的重點(diǎn)，一是通過用電信息采集系統(tǒng)獲得一定坐標(biāo)的準(zhǔn)確總用電量和充電站用電量，二是通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲得參數(shù)。

充電站會(huì)覆蓋一定面積區(qū)域，主要為區(qū)域內(nèi)用戶服務(wù)，同時(shí)，允許其他區(qū)域用戶特殊情況下跨區(qū)充電，實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用最優(yōu)化，同時(shí)，不觸及用戶容忍上限。用N（i，j）表示區(qū)域，利用經(jīng)緯線劃分區(qū)域成邊長三公里正方形，以正方形四個(gè)點(diǎn)緯度最小經(jīng)度最小的點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在此正方形內(nèi)，最大經(jīng)度和最小緯度之差計(jì)算方式為：

△i=3÷111=0.027027（5）

△j=3÷（111cos φ）（6）

若為邊長0.9公里正方形，則

△i=0.9÷111=0.008108（7）

△j=0.9÷（111cos"φ）（8）

式中，Δi表示經(jīng)線方向相距3或0.9公里兩點(diǎn)經(jīng)度差，Δj表示緯度為 的緯線上相距3或0.9公里兩點(diǎn)的緯度差。之所以選擇這兩個(gè)數(shù)字，一是因?yàn)闉I海新區(qū)政府提出核心區(qū)內(nèi)兩充電站最大距離不超過0.9公里，其他區(qū)域不超過3公里，二是因?yàn)楫?dāng)充電站分布不足以覆蓋所有已使用的線路時(shí)，部分司機(jī)可能會(huì)繞道尋找充電機(jī)會(huì)。該充電站選址問題的目標(biāo)是在有限的建設(shè)預(yù)算下，尋找一組最優(yōu)的充電站位置集合，使得所有車輛通過選擇具有必要充電機(jī)會(huì)的自尋優(yōu)路徑完成出行，同時(shí)盡量減少可能的繞行造成的整體網(wǎng)絡(luò)擁塞。

得到區(qū)域內(nèi)總用電量和充電站用電量數(shù)據(jù)后，可借助MATLB實(shí)現(xiàn)曲線擬合，軟件提供了基本的曲線擬合函數(shù)的命令：

p=polyfit（xdate，ydate，n）（9）

其中n表示多項(xiàng)式的最高階數(shù)，xdate，ydate為要擬合的數(shù)據(jù)，它是用數(shù)組的方式輸入。輸出參數(shù)為擬合多項(xiàng)式y(tǒng)=p1xn+…pnxn+pn+1的p=[p1，…pn，pn+1]系數(shù)。

多項(xiàng)式在x處的值y可用下面程序計(jì)算。

y=polyval（p，x）（10）

三、算例分析

以濱海新區(qū)某供電區(qū)域?yàn)槔?，通過用電信息采集系統(tǒng)，可以得到區(qū)域內(nèi)集中器與智能電表的用電數(shù)據(jù)。其中，不考慮線損情況下，集中器數(shù)據(jù)為臺(tái)區(qū)內(nèi)電表電量數(shù)據(jù)總和。一般情況下，集中器覆蓋區(qū)域較小，與前文區(qū)域（i，j）相比，可認(rèn)為集中器覆蓋區(qū)域?yàn)槠纥c(diǎn)。故采取集中器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)狀下，集中器不具備定位系統(tǒng)，故無法直接從系統(tǒng)中得到集中器坐標(biāo)。使用地址，從地圖軟件上查詢集中器坐標(biāo)，從而可得到坐標(biāo)對(duì)應(yīng)用電量。

國家電網(wǎng)直供充電站，其用電類別統(tǒng)一為充電服務(wù)業(yè)，通過選定行業(yè)類別，可從地圖軟件上查詢集中器坐標(biāo)，從而可得到坐標(biāo)對(duì)應(yīng)用電量。由于故障等原因，部分充電站建成后無法使用，考慮到建設(shè)成本，認(rèn)為此類問題統(tǒng)一為規(guī)劃失誤，但此問題與充電需求無關(guān)。故排除用電量為零充電站，避免數(shù)據(jù)誤導(dǎo)。

通過以上工作，得到了臺(tái)區(qū)用電量明細(xì)和充電站用電量明細(xì)。依據(jù)獲得的最大最小經(jīng)緯度，按照邊長為3公里劃分正方形區(qū)域。其中，在此供電區(qū)域內(nèi)，可認(rèn)為3公里對(duì)應(yīng)緯度變化不變，取北緯39度數(shù)據(jù)，則：

△j=3÷（111cos"39°）=0.034777（11）

將臺(tái)區(qū)用電量匹配至劃分區(qū)域中，得到區(qū)域用電量分布圖如下：

由圖可見，3公里劃分不夠細(xì)致，不能較好預(yù)測(cè)充電需求，將邊長縮小至0.9公里，得到區(qū)域用電量圖如下：

可見，在邊長0.9公里的范圍內(nèi)，得到區(qū)域用電量圖可以有效反映用電量分布，故以下均以此劃分方式下得到的數(shù)據(jù)開展分析。

本文認(rèn)為，在充電站布局遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的情況下，對(duì)數(shù)底數(shù)的不同，對(duì)數(shù)據(jù)分布的影響可以忽略，其作用為，將數(shù)量級(jí)不同的區(qū)域用電量，轉(zhuǎn)化為同樣數(shù)量等級(jí)。

為

且有：

充電站需求預(yù)測(cè)數(shù)值大小與區(qū)域內(nèi)充電站容量總和成正比，可據(jù)此數(shù)據(jù)合理進(jìn)行充電站建設(shè)規(guī)劃。其中，充電站容量總和包括已建成充電站，若包含區(qū)域規(guī)劃充電站容量小于已建成充電站容量，則此區(qū)域內(nèi)無需新建充電站。

結(jié)論

通過以上分析和計(jì)算，可知在電動(dòng)汽車普及初期，充電站建設(shè)需求與區(qū)域用電量密切相關(guān)。用電量較小區(qū)域，因其附近不存在可替代充電站，故包含區(qū)域有相對(duì)用電量較大充電需求。相反，在用電量較大區(qū)域，因車主在附近進(jìn)行補(bǔ)能，故包含區(qū)域充電需求相對(duì)用電量來說較小。可知充電需求與電動(dòng)汽車保有量正相關(guān)，隨著電動(dòng)汽車保有量的增加，充電需求增速降低。

同時(shí)，在建成區(qū)范圍內(nèi)，相距0.9公里建設(shè)充電站可以較好滿足居民充電需求，同時(shí)避免資源擱置，造成浪費(fèi)。在其他地區(qū)，建設(shè)過多充電站并不會(huì)得到充分利用，并且在短時(shí)間內(nèi)狀況不會(huì)改變，應(yīng)減少充電站建設(shè)。

為提高充電站總體利用率，可通過計(jì)算得到每個(gè)充電站的合理容量，減少投資成本的同時(shí)，大力支持“新基建”項(xiàng)目建設(shè)，服務(wù)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭磊， 王克文， 文福拴， 等. 電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃研究綜述與展望[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（03）：56-70.DOI：10.19781/j.issn.1673-9140.2019.03.006.

[2] 黃瑜珈， 李聰， 戴梓源， 等. 淺析新能源電動(dòng)汽車充電樁的選址研究[J]. 時(shí)代汽車，2021，（11）：122-123..

[3] Lou J ，Qiu Z ，Yu J ， et al.Urban charging station location model based on multi-objective"programming[J].Journal of Physics： Conference Series，2018，1053（1）：012028-012028.

[4] Guo F ，Yang J ，Lu J .The battery charging station location problem： Impact of users’ range anxiety"and distance convenience[J].Transportation Research Part E，2018，1141-18.

[5] YILDIZ， BARIS， OLCAYTU， EVREN， SEN， AHMET. The urban recharging infrastructure design problem with"stochastic demands and capacitated charging stations[J]. Transportation research， Part B. Methodological，2019，119（Jan.）：22-44.

[6] 艾欣， 李一錚， 王坤宇， 等. 基于混沌模擬退火粒子群優(yōu)化算法的電動(dòng)汽車充電站選址與定容[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2018，38（9）：9-14.