考虑路网结构的电动汽车充电站双层规划模型

张 密，张代润，谢 超，曾皓冬

(1. 四川大学电气信息学院，四川 成都610065；2. 四川大学电气工程学院，四川 成都610065)

1 引言

近些年电动汽车领域已经实现了飞速发展，因其符合国家战略要求，且具有节能、高效特点，未来会在城市中将会大规模应用。但是电动汽车普及前需要建设多个充电站，为电动汽车提供动力能源，建设充电站时需要考虑充电站是否能够融入路网结构中，且充电站设备的建设也要考虑到充电规模的合理性[1]。

目前在很多大城市已经解决了电动汽车充电站规划问题，但是由于城市中的路网结构复杂，电动汽车与燃油汽车之间的限制性均会对电动汽车充电站的建设产生一定的不利影响。在城市中电动汽车数量飞速增长，随之而来的问题就是充电站问题已经不能用传统的规划方式来解决，必须在考虑网路结构的情况下，对电动汽车的充电负荷进行预测，并建立路网结构与充电站的耦合模型，将其作为预算及规划基础。

为此，本文在考虑路网结构的基础上，建设电动汽车充电站双层规划模型，以期在满足用户个性化需求的基础上，提升充电站为电动汽车充能效率，尽最大可能使电动汽车充电站融入路网结构。

2 考虑路网结构的电动汽车充电负荷预测

在建立电动汽车充电站双层规划模型之前，要进行电动汽车充电负荷预测。预测过程如图1所示。

图1 考虑路网结构的电动汽车充电负荷预测流程

2.1 路网结构参数设定

路网结构中分别包含电动汽车与燃油汽车，这两种车型在进行能源补充的过程中会产生一定程度的差异。设定两种车型在充能过程中不会因路径识别功能的不同而产生干扰，电动汽车用户能够根据路网中的实时状况选择最佳充电站位置以及充电模式，在路网中的行驶状态不受交通状况的影响，一直保持正常行驶，且电动汽车的行驶路程与电能损耗成正比。一般情况下，充电站结构如图2所示。

图2 充电站结构

根据图2可知，在路网结构中会实时显示充电桩的使用状况，由于充电站容量有限，所以在充电站有车辆充电的情况下会产生一段等待时间。设定路网结构中的充电站充电速度相同且不受地域因素的影响，电动汽车在路网中的行驶时间记录在路网数据中心内，用户可以根据行驶信息自主判断最优充电路径[2-3]。

2.2 路网结构与充电站耦合模型

电动汽车虽然具有独特的负荷充能模式，但是在整个路网结构中仍然受到交通状况的限制，只有从路网结构与充电站建设共同入手，才能精准分析电动汽车在路网结构中的充电需求及充电站最优位置。在此过程中，需要采集路网中的节点与道路口信息，根据道路长短精确计算能源损耗，设定路网中所有道路为双向路段，可以采用直角坐标系方式将电动汽车在路网中的行驶信息进行显示。将电动汽车将充电站引入路网结构中一般只体现其充电节点与数量等信息，在此基础上还可以引入充电站中的电网支路信息，获取电阻、电抗、容量等参数，观察充电站的实时可用能源量。其中，电动汽车充电管理架构如图3所示。

图3 电动汽车充电管理架构

根据图3可知，路网结构与充电站之间的耦合模型主要基于充电站的位置规划，充电站所存在的供电网是通过区域划分的方式完成节点供电的，所以充电站的充电负荷大多为无序负荷。路网结构与充电站的耦合模型表达式如下所示：

(1)

其中，P(t)代表充电站内的无序总负荷；P代表区域内无序负荷量；P(k)代表充电站内的基本负荷，g代表路网结构中的供电节点[4-5]。

2.3 电动汽车充电负荷预测

本文主要针对电动汽车的基本能耗状况与路况状态计算电动汽车的充电负荷，当车辆在路网行驶过程中只考虑到剩余电量所能支撑的行驶路程，用户需要充分了解路网中的路况信息的情况下，并且需要及时了解充电站的剩余电量参数。电动汽车充电负荷预测体系如图4所示。

图4 电动汽车充电负荷预测体系

观察图4可知，在负荷预测体系中需要将充电站内的充电时间考虑在内，充电站内的充电时间主要分为充电时间大于等待时长与充电时间小于等待时长，充电时间的决定性因素为充电站的模型结构，等待时间的决定性因素为在路网结构中用户移动路径规划结果[6-7]。

3 电动汽车充电站双层规划模型设计

双层规划理论是一种根据系统内部运行程序的相互约束条件，通过一层单一的规划理论同时对两层系统运行程序进行约束，将下一阶段的最优结果反馈给上一阶段，促进上一阶段的决策发生改变，双层规划理论可以在单独运行程序中循环应用，不断更新系统内部参数与运行程序提升规划效果。

将双层规划理论应用在充电站建设中，可以搭建出充电站的经济型规划模型。根据充电站中不同阶层的负荷供应方式，采用最小成本规划供电线路，再建立充电站与电网之间的规划模型，由于涉及电网的内容较为复杂，所以需要将其单独规划，并引入路网结构实现与充电站的联合规划[8-9]。

3.1 电动汽车充电站充电容量预测

获取电动汽车电能需求，根据电能需求程度以及充电站运行模式改变充电站的电能储存量，运行模式包括快速更换模式、慢速更换模式以及快速充电模式。电动汽车的类型也可以决定充电站的容量变化，例如私家车所需要的电能较少，公共汽车所需要的电能较大，充电站便根据车型决定是否扩充充电电容量。

双层规划模型中的每层规划内容都含有一定的线性规划、非线性规划、遗传算法等方法，针对不同的环境选取适合的模型规划方法是实现双层规划模型的基础。

充电站首先需要了解每一种电动汽车的功率需求，确定电动汽车的充电规律以及电池寿命，计算每台电动汽车的电功率需求期望值和方差；再根据电动汽车的充电分布概率预测某地区范围内的总汽车电能需求量。电动汽车充电站充电容量预测流程如下图5所示：

图5 电动汽车充电站充电容量预测流程

观察图5，在区域电网内设定网络的初始参数值，根据该区域内的电网负荷水平设定充电站的总容量阈值，并根据该区域内的电动汽车平均能耗规划充电站的精准容量；在第一层规划模型中利用神经元网络获取规划模型在路网结构中的运行费用，在第二层规划模型中利用遗传算法获取电能汽车的最佳充电路径；最后再判断第一层中的规划内容是否符合第二层规划的目标函数值，判断双层规划模型能否进行收缩与扩大，为未来的模型发展做铺垫。

3.2 双层规划模型建立

本文将路网结构作为充电站双层规划模型的第一层，并将充电站内的容量、充电站在电网内的节点位置、充电汽车的能耗为第二层规划内容。充放储一体站设备布置图如图6所示。

图6 充放储一体站设备布置图

如下所示为路网结构下的第一层规划模型内容

(2)

在该模型的目标函数中，γ代表路网损耗系数；C(x)代表路网结构的建设成本；A代表路网结构中电动汽车馈线集合；w代表电动汽车的路径规划费用；x代表充电站维护费用。

在第一层规划模型搭建过程中也要考虑第二层规划模型的约束条件，充电站在路网结构中的网架结构为放射状，通过路网结构来显示每个充电站内的平均供电功率与充能。如下所示为第二层规划模型内容

Min2=γC(a)+C(b)+C(c)

(3)

(4)

其中，C(a)代表充电站的建设成本；C(b)代表充电站的日常维护成本；G代表充电站的总容量，Pi代表路网节点中的充电站平均容量；M代表第二层模型规划中所需要的决策变量[10]。

模型中的两层规划内容均可以在拓扑结构中体现，路网结构作为基础，充电站作为拓扑结构中的规划内容，上层中的路网结构为下层中充电站规划过程，下层充电站为上层路网结构规划过程[11-12]。考虑路网结构的电动汽车充电站双层规划模型如图7所示。

图7 考虑路网结构的电动汽车充电站双层规划模型

4 实验研究

为了验证本文提出的考虑路网结构的电动汽车充电站双层规划模型的有效性，与传统的基于节点-支路信息的电动汽车充电站规划模型以及基于改进加权Voronoi图的电动汽车充电站双层规划模型进行实验对比。

设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

不同方法的电动汽车充电站规划时间的实验结果如图8所示。

图8 电动汽车充电站规划时间比较

根据上图可知，本文模型的电动汽车充电站规划时间远远小于传统模型。在第一次规划中，本文模型的充电站规划时间与传统模型相比相对较小，而在第二次规划中，本文模型的充电站规划时间与传统模型相比差别极大，时间更短，这是由于本文模型建立了充放电储能一体站选址的双层定容规划模型，并对电网和用户的利益进行了综合分析。在保证电网经济性最优以及容量最小的前提下，优化各一体站的服务范围，为用户提供更为便利的服务。

一体化站址的双层规划模型可以适应城市建设和旧城改造两种类型的规划区域，该规划方案既能满足规划区内正常的充换电负荷需求，又能保证其紧急负荷需求，具有较强的负荷适应性。以电动汽车实际行驶路线为依据，对电动汽车在实际路网中的行驶过程进行了优化，以求更准确地划分充放电站点的服务范围，同时采用基于两点之间直线距离的优化方法，避免了单位参数选择带来的误差，从而提高了电动汽车充电站规划的准确性和合理性。

充电功率实验结果如表2所示。

表2 充电功率实验结果

由表2的数据可知，本文模型的充电功率范围相比较于传统基于节点-支路信息的模型充电功率范围扩大了100kW，相比较于传统基于节点-支路信息的模型充电功率范围扩大了80kW。

通过上述多方面的对比可知，本文提出的考虑路网结构的电动汽车充电站双层规划模型能够综合、全面地考虑电网和电动汽车用户的利益，以实际运行路径优化为基础，对储能系统的服务范围和方便度进行划分，提高了储能系统规划的合理性和准确性。将神经网络算法与遗传算法相结合，可以较好地解决一体站址的定容双层规划问题，因此本文所设计的模型具有可行性和有效性，可供今后工程建设参考。

5 结束语

由于传统的充电站规划模型已经不符合当前的能源发展形势，本文充分考虑电动汽车用户的实际需求以及电动汽车自身的能源消耗特点，从经济领域、时间领域以及可靠程度完成双层模型的规划，因此本文所构建考虑路网结构的电动汽车充电站双层规划模型是一个非线性、多目标复杂的长期不间断运行模型，可以为实际的电动汽车充电站提供重要参考性意见。下一步可就该模型在实际中的应用进行深入研究，以进一步提升电动汽车充电站规划效果，提升充电站建设的综合效益。