充電站的選址優化問題

張海峰

摘 要：電動汽車的推廣能夠緩解能源短缺，減少環境污染，具有重要的意義。為實施推廣，研究充電站建設的有關問題十分必要。本文重點解決了充電站的數量、分配規模問題以及充電站的發展計劃問題。建立了充電站的選址優化模型。

我們根據電動汽車的充電需求總功率和每個充電站所能提供的功率，計算美國所需充電站的個數，將充電站分配給城市、郊區和農村，并對充電站的規模和組成進行討論。在模型運用到愛爾蘭時，我們應當對模型進行改進，建立以總成本最小為目標函數的優化模型，用Voronoi圖和粒子群算法對充電樁的分配和規劃進行求解，得到充電站在愛爾蘭的分布和規模。

電動汽車的發展是現代交通的趨勢，我們設計的模型能夠幫助建設電動汽車充電站的網絡，并預測電動汽車保有量的發展，對電動汽車的推行具有指導意義。

關鍵詞：電動汽車；充電站；選址；增長預測

模型建立

1.充電站的數量

當每個人都轉向美國的全電動個人乘用車時，充電站需要對全美國的電動汽車提供充電服務。參考有關資料，建立如下模型：

其中，n 是每個充電站的標準充電樁個數；

N 是規劃區域內電動汽車的數量；

a 是每天中有充電需求的用戶所占的比例；

Qn 是平均每輛有充電需求的電動汽車的充電量；

β 是單臺標準充電樁的平均功率。

2充電站的分配

我們參考空間負荷的預測模型，將把土地按性質分成若干地塊，再把地塊用地性質轉化為地塊用電負荷。從數學角度來講，空間負荷預測及其計算存在如下3種映射：

F（x，y） →L（z，y） →S（x，y） →St

F（x，y） 為地塊特征

L（z，y） 為土地使用面積

S（x，y） 為土地負荷

St 為地塊的總負荷。

在本題中的具體實施為：將土地按照性質劃分為城市、郊區、農村，經過第一次映射，得到城市、郊區、農村的屬性，再經過第二次映射得到城市、郊區、農村的充電需求負荷，經過第三次映射（即求和），計算出全美國的充電需求負荷。

各區域電動汽車的數量：

電動汽車充電站屬于為居民出行提供服務的社會公共基礎配套設施，因此，在構建電動汽車充電站選址定容優化模型時，兼顧充電站運營商和電動汽車用戶二者的利益，故而需要提出綜合考慮全社會成本的充電站規劃模型。

以運營商總成本最小化作為電動汽車充電站的目標函數：

其中：c 為電動汽車充電站在規劃期內建設成本和運營的總成本；

f1（Qi） 是第i 個充電站在規劃期內的固定基礎建設成本；

f2（Qi） 是第i 個充電站在規劃期內的運行成本；

w 是第i 個充電站可以使用的年限；

r0 為貼現率；

Qi 為自變量，即第i 個充電站中的充電樁個數

第i 個充電站的建設投資年費用

初始固定投資可以采用充電站內充電樁數量的二階多式模型表示（此處應有參考文獻），建設投資的年費用為

式中：a1 為營業建筑等固定不變的；

a2 為充電機購置成本等與充電機數量成比例的相關成本；

a3 為變壓器、電纜等與充電機數量平方成比例的相關成本。

第i 個充電站的運行維護年費用

充電站的運行維護費用主要包含充電站的設備設施檢的修維護費用、設備折舊費用和員工工資福利等。但在一般情況下，各項費用值難以精確定量分析計算。我們在建立模型的過程中簡化了各項費用的計算過程，用各項費用的總和表示，因此充電站的運行維護年費用可以直接按照初期充電站投資的百分比進行估算，若比例系數[9]為μ =0.5，則充電站 的運行維護年費用為：

在該模型中需要考慮到的約束條件主要包含電動汽車充電樁的數量限制、充電

站之間的距離限制，具體描述如下：

充電站的數量約束≧n≧1

任意兩個充電站之間的距離d ≧0

為考慮經濟性和保障電動汽車的行駛能力、滿足電動汽車車主的出行需要，充電站的位置應分布合理，既能滿足服務盡可能大的范圍，與能滿足消費者的需求。

通過上述的分析和計算，可以確定一份全面發展電動汽車的成長計劃書。

在發展電動汽車的初期，為鼓勵大家購買，政府應該出臺相應的補貼政策，設立電動汽車發展專項資金。在建設充電站網絡時，應當先在城市建立充電站，城市的人口密度較大，根據電動汽車的一般增長模型，模仿系數也較大，電動汽車增長的速度就越快。同時，在初期可以建立大于充電需求的充電站，以提高充電站的服務效率，完善服務網絡，吸引更多的人購買電動汽車。

在發展中期，電動汽車的發展步入正軌，為繼續推動它的發展，政府可以采用降低電動汽車充電電價、給予稅收優惠等政策。為完善充電站網絡，需要在農村設立充電站，以推動電動汽車更大范圍的發展。這時，只需要建立滿足需求的充電站即可。

在發展后期，電動汽車的發展趨于成熟，這時，政府可以停止有關有關優惠政策。但是，電動汽車的充電效率、電池容量可能難以滿足人們的需求，因此，政府應該鼓勵鼓勵生產商對新型電池技術的研發，以匹配需求。此外，應該不斷對充電網絡進行完善和優化，提升服務質量。為減少成本，可以根據新增需求來增加充電站的數量。

參考文獻：

[1] 劉志鵬，文福拴，薛禹勝，等 . 電動汽車充電站的最優選址和定容

[ J ] . 電力系統自動化， 2012 .

LIU Zhipeng ， WEN Fushuan ， XUE Yusheng ， et al. Optimal siting

and sizing of electric vehicle charging stations [ J ] . Automation

of Electric Power Systems ， 2012.

[2]唐現剛，劉俊勇，劉友波，等 . 基于計算幾何方法的電動汽車充電站規劃[ J ] . 電力系統自動化， 2012.

TANG Xiangang ， LIU Junyong ， LIU Youbo ， et al. Electric vehicle

charging station planning based on computational geometry

method [ J ] . Automation of Electric Power Systems ， 2012.

[3] 周洪超，李海峰 . 基于博弈論的電動汽車充電站選址優化模型研究[ J ] . 科技和產業， 2011.

ZHOU Hongchao ， LI Haifeng. Optimization model of electric

vehicle charging station siting based on game theory [ J ] . Science

Technology and Industry ， 2011.