WO2020199558A1 - 一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，通过城市电动汽车的相关参数，模拟生成A个停车点从而获得在子区域内的停车坐标，确定该城市充电站拟建站点数量q后，构建用户充电站选择模型选择目标充电站，构建寻址平衡约束条件，保留满足约束条件的选址方案，在保留的选址方案中，根据充电站建设数量成本目标函数选取建设成本最小的充电站建设数量；根据选取建设成本最小的充电站建设数量，最终确定在该建设数量下的最优选址方案，该电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，能有效地确定某城市内电动汽车充电站最优建设数量和最优选址方案。

Description

一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法 技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法。

背景技术

随着全球汽车工业发展，人们对化石能源不断开发利用导致能源枯竭以及环境恶化，迫使人们将目光转向更加环保的电动汽车。电动汽车优势在于使用电能，噪音小，可再生，并且不会产生污染物排放等诸多优势，因此吸引着世界各国相继出台政策鼓励发展电动汽车，但电动汽车的发展仍面临着续航里程短的难题。但有研究表明，仅靠增加电池荷电量会导致电池负载占比快速上升，既不能突破续航里程增长的上限，也不利于节能。为此，建设高效、合理以及便利的电动汽车充电站能量补给网络是唯一可行有效的方法。

尽管目前有许多城市已经开始电动汽车充电站的建设，但是由于缺乏相应的建站规划理论，导致建设数量和选址方案的不合理，以至于出现以下问题：(1)分配至各站的用户数量极不均匀。有的充电站服务的用户数量极少，导致充电站资源利用率极低；而有的充电站的服务的用户过多，导致该站服务压力过大，造成拥堵或者电网负荷过大等问题；(2)用户寻址过程缺乏便利。由于选址方案的不合理，导致某些用户的寻址距离很小，但某些用户的寻址距离过大，充电便利性极差；(3)由于建设方案不合理，导致充电站资源浪费，变相增加了建设投资成本。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，有效避免了充电站建设数量设置不合理和选址方案设置不合理导致的资源浪费、服务压力过大、寻址距离过大以及建设成本过高等等问题。

本发明所采用的技术方案如下：

数据准备：调查某城市电动汽车的相关参数，估算一天内该城市产生充电需求的用户数量A；统计电动汽车停车点位置，并将该城市划分为N个子区域，根据停车点在各个子区域内的频数，计算停车点出现在该子区域内的概率P(N＝i)；通过模拟法生成A个停车点从而获得在子区域内的停车坐标；

(电动汽车的相关参数包括该地区保有量M、电动汽车用户平均最低容忍电量SOC _l、电动汽车日均行驶里程d、电动汽车平均百公里电耗w)

确定该城市充电站拟建站点数量q的范围，所述充电站拟建站点数量q的下限值q ₁表示为：

所述充电站拟建站点数量q的上限值q ₂表示为

其中，Q为该城市内充电站拟建候选站点数量，a ₁为充电站用户最低服务数量值，a ₂为充电站服务用户数量的最大值，a ₁和a ₂的值的设定可以由运营机构自己设定。

在选择建设q个充电站的情况下，每套选址方案f都将构成一个站点集合N ^Q，q，f，其中每个站点i∈N ^Q，q，f，根据用户j对周围的q个拟建站点的选择成本构建用户充电站选择模型，通过该选择模型选择目标充电站；

所述选择模型表示为：

Min{M _ij}

其中，ω ₁、ω ₂分别表示用户在选择充电站时对寻址距离和服务价格的权重；

表示在选址方案f下，用户j前往拟建站点i的寻址距离；L ^t为用户平均容忍寻址距离；c ^f表示在选址方案f下，所有拟建站点的平均充电服务价格；p ^f表示在选址方案f下，所有拟建站点的平均停车服务价格；c _i是站点i的充电单价；p _i是站点i的停车单价。

用户j选择目标充电站后，构建寻址平衡约束条件，保留满足约束条件的选址方案，所述寻址平衡约束条件表示为：

其中，

表示在选址方案f下，用户j选择前往拟建站点i进行充电和停车，

用户j不充电；L ^t是电动汽车用户对寻址距离的平均容忍值；

是电动汽车用户对寻址距离的最大容忍值；x _j＝{0，1}，x _j＝1表示用户j前往目标充电站的寻址距离超过了平均容忍寻址距离，x _j＝0表示用户j前往目标充电站的寻址距离未超过了平均容忍寻址距离；β表示各站超过平均容忍寻址距离的用户数量平衡性系数；

表示选址方案f下的拟建站点i的用户分配到站数量，

在满足约束条件的选址方案中，根据充电站建设数量成本目标函数选取建设成本最小的充电站建设数量，所述充电站建设数量成本目标函数表示为：

f∈P ^Q，q

其中，D _i表示拟建站点i的建设成本。

根据选取建设成本最小的充电站建设数量，最终确定在该建设数量下的最优选址方案；

其中，U ^A为有充电需求用户集合。

本发明的有益效果：

本发明所提出的电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，能有效地确定某城市内电动汽车充电站最优建设数量和最优选址方案，并能保证各站服务的电动汽车用户数量和各用户所经历的寻址距离处于一个合理和均匀的水平，从而达到充电站建设资源的有效利用、缓解充电站服务压力、降低建设成本以及提高用户寻址便利性的效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

步骤1，数据准备：调查某城市电动汽车的相关参数，电动汽车的相关参数包括该地区保有量M、电动汽车用户平均最低容忍电量SOC _l、电动汽车日均行驶里程d(单位km)、电动汽车平均百公里电耗w(单位kwh/100km)、电动汽车满电状态的电荷量SOC _h(单位kwh)；

计算电动汽车日均行驶里程所消耗的电量SOC _d，

估算一天内该城市产生充电需求的用户数量A，

统计该城市内电动汽车日常停车时长超过1小时的停车点位置，并将该城市划分为N个子区域，统计满足日常停车时长的停车点在各个子区域内的频数n _i，计算停车点出现在该子区域内的概率P(N＝i)，

n _i表示第i个子区域内停车点频数。

根据上步所获得各参数，通过蒙特卡洛模拟法生成该城市内A个停车点，假设每个子区域内的停车点服从均匀分布，从而模拟得到各电动汽车用户产生充电需求时在子区域内的停车点坐标；所有充电需求用户构成一个用户集合U ^A，用户j∈U ^A。

步骤2：确定该城市充电站拟建站点数量q的范围，所述充电站拟建站点数量q的下限值q ₁表示为：

当q ₁为小数时，向上取整数；

所述充电站建设数量q的上限值q ₂表示为：

当q ₂为小数时，向下取整数；

故确定城市充电站建设数量q范围表示为：

q ₁≤q≤q ₂，即

其中，Q为该城市内充电站拟建候选站点数量，a ₁为充电站用户最低服务数量值，a ₂为充电站服务用户数量的最大值，a ₁和a ₂的值的设定可以由运营机构自己设定。

在已知的Q个候选站点中，选择q个站点拟建充电站，即为一套选址方案f∈P ^Q，q，且易得该集合的容量

定义集合P ^Q，q中任意的一套选址方案f下的各个拟建站点构成一个站点集合N ^Q，q，f，拟建站点i∈N ^Q，q，f。

步骤3，根据用户j对周围的q个拟建站点i的选择成本构建用户充电站选择模型，通过该选择模型选择目标充电站，根据用户充电站选择模型，将A名产生充电需求的用户分配至q个拟建站点；将各站的到站用户构成该站的到站用户集合

所述选择模型表示为：

f∈P ^Q，q，i∈N ^Q，q，f，j∈U ^A

Min{M _ij}，i∈N ^Q，q，f，j∈U ^A

其中，ω ₁、ω ₂分别表示用户在选择充电站时对寻址距离和服务价格的权重；

表示在选址方案f下，用户j前往拟建站点i的寻址距离；L ^t为用户平均容忍寻址距离；c ^f表示在选址方案f下，所有拟建站点的平均充电服务价格；p ^f表示在选址方案f下，所有拟建站点的平均停车服务价格；c _i是站点i的充电单价；p _i是站点i的停车单价。

步骤4，用户j在根据用户充电站选择模型选择了自己的目标充电站后，紧接着就是用户寻址过程，即用户驾驶电动汽车前往目标站点进行充电的寻址过程。本发明考虑整体和单个用户的寻址便利性约束,以及各站之间的寻址平衡约束，构建寻址约束条件，保留满足约束条件的选址方案，所述寻址便利和寻址平衡约束条件表示为：

f∈P ^Q，q,i∈N ^Q，q，f，j∈U ^A

其中，

表示在选址方案f下，用户j选择前往拟建站点i进行充电和停车，

用户j不充电；L ^t是电动汽车用户对寻址距离的平均容忍值；

是电动汽车用户对寻址距离的最大容忍值；x _j＝{0，1}，x _j＝1表示用户j前往目标充电站的寻址距离超过了平均容忍寻址距离，x _j＝0表示用户j前往目标充电站的寻址距离未超过了平均容忍寻址距离；β表示各站超过平均容忍寻址距离的用户数量平衡性系数；

表示选址方案f下的拟建站点i的用户分配到站数量，

在本实施例中，寻址距离

可以根据用户坐标和站点坐标，计算每位用户j到达其目标站点的寻址距离，欧式距离。也可以采用城市内的实际寻址距离，即通过高德地图等软件智能生成寻址路径，从而确定寻址距离。

通过上述寻址距离约束和寻址平衡约束条件对选址方案集合P ^Q，q中的所有选址方案f进行删选，舍弃不满足约束条件的选址方案，保留满足约束的选址方案。

重复步骤3-4，即在充电站建设数量范围q ₁≤q≤q ₂内，遍历所有充电站建设数量情况，即q＝q ₁，q ₁+1，q ₁+2，…，q ₂，对各自的选址方案集合中的所有选址方案进行用户分配，再根据寻址平衡约束条件，删除不满足约束的方案；最后剩下不同充电站建设数量下的满足各约束条件的选址方案。

在满足约束条件的选址方案中，根据充电站建设数量成本目标函数选取建设成本最小 的充电站建设数量，所述充电站建设数量成本目标函数表示为：

f∈P ^Q，q

步骤5，基于步骤4选出的充电站建设数量以及对应建站数量下满足约束条件的各项选址方案，根据充电站建设数量成本目标函数选取建设成本最小的充电站建设数量，最终确定在该建设数量下的最优选址方案；

在给定q下，

f∈P ^Q，q且满足上述四个约束条件，j∈U ^A,

其中，

表示各站到站用户数量与该充电站建设数量下的平均到站用户数量之差的累和，再除以充电需求的用户数量A进行归一化。第一项越小，表示各站用户分配到站数越均匀；

表示各用户的寻址距离与实际的所有用户平均寻址距离之差的累和，再除以所有用户的总寻址距离

进行归一化。第二项越小，表示各用户寻址距离分配越均匀；最后，以两项之和的最小值为目标函数，选取在充电站建设数量q下，使目标函数值最小的选址方案f∈P ^Q，q，作为该城市的充电站建设最优选址方案。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，其特征在于，

   数据准备：调查某城市电动汽车的相关参数，估算一天内该城市产生充电需求的用户数量A；统计电动汽车停车点位置，并将该城市划分为N个子区域，根据停车点在各个子区域内的频数，计算停车点出现在该子区域内的概率P(N＝i)；通过模拟法生成A个停车点从而获得在子区域内的停车坐标；

   确定该城市充电站拟建站点数量q的下限值q ₁和上限值q ₂，从而确定充电站拟建站点数量q的范围；

   在选择建设q个充电站的情况下，每套选址方案f都将构成一个站点集合N ^Q，q，f，其中每个站点i∈N ^Q，q，f，根据用户j对周围的q个拟建站点的选择成本构建用户充电站选择模型，通过该选择模型选择目标充电站；

   用户j选择目标充电站后，构建寻址平衡约束条件，保留满足约束条件的选址方案，在保留的选址方案中，根据充电站建设数量成本目标函数选取建设成本最小的充电站建设数量；

   根据选取建设成本最小的充电站建设数量，最终确定在该建设数量下的最优选址方案。
2. 根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，其特征在于，所述下限值

   

   所述上限值

   

   其中，Q为该城市内充电站拟建候选站点数量，a ₁为充电站用户最低服务数量值，a ₂为充电站服务用户数量的最大值。
3. 根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，其特征在于，所述选择模型M _ij表示为：

   

   Min{M _ij}

   其中，ω ₁、ω ₂分别表示用户在选择充电站时对寻址距离和服务价格的权重；

   

   表示在选址方案f下，用户j前往拟建站点i的寻址距离；L ^t为用户平均容忍寻址距离；c ^f表示在选址方案f下，所有拟建站点的平均充电服务价格；p ^f表示在选址方案f下，所有拟建站点的平均停车服务价格；c _i是站点i的充电单价；p _i是站点i的停车单价。
4. 根据权利要求1或3所述的一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，其特征在于，所述寻址平衡约束条件表示为：

   

   

   

   其中，

   

   表示在选址方案f下，用户j选择前往拟建站点i进行充电和停车，

   

   用户j不充电；

   

   是电动汽车用户对寻址距离的最大容忍值；x _j＝{0，1}，x _j＝1表示用户j前往目标充电站的寻址距离超过了平均容忍寻址距离，x _j＝0表示用户j前往目标充电站的寻址距离未超过了平均容忍寻址距离；β表示各站超过平均容忍寻址距离的用户数量平衡性系数；

   

   表示选址方案f下的拟建站点i的用户分配到站数量，

   
5. 根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，其特征在于，所述充电站建设数量成本目标函数表示为：

   

   

   其中，D _i表示拟建站点i的建设成本。
6. 根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站最优建设数量和选址方案规划方法，其特征在于，所述最优选址方案的确定方法为：

   

   其中，U ^A为有充电需求用户集合。