电力学报 Vol 33 No.6 2018年12月 JOURNAL OF ELECTRIC POWER Dec 2018 文章编号：1006-6548(2018)06-0485-08中图分粪号：TM73;U491.8 文献标识码：B 学科分类号：47040 基于环路和充电场类型的充电基础设施规划方法研究 杨冰戴静赵含雪 （1.国网北京市电力公司北京100031；2.中国科学院大学，北京100190） 摘要：充电设施规划与建设是电动汽车发展的重要前提，提出了基于两层优化的充电设施规划方法，第一层以 最小化环路间充电服务次数为优化目标，第二层以不同类型充电场间的服务次数为优化目标，以北京地区实际充 电设施充电运营数据为基础验证了所提出方法的可行性和适用性.
研究结果表明北京地区目前需要减少三环 内和六环外的充电设施建设，未来3年需要重点规划建设三环至六环，以及电力公司营业厅、商业小区、公园等地 的充电设施.
关键词：电动汽车：充电：基础设施：环路规划 DOI:10.13357/j.cnki.jep.002758 Research on Charging Infrastructure Planning Method Based on Circle Road and ChargingStation Type YANG Bing' DAI Jing' ZHAO Han-xue* (1 Stete Grid Beijing Electric Potcer Com pexy Beijing 100031 Chine : 2 University of Chinee Academy of Sciences Beijing 100190;China) Abstraet : The planning and construction of charging infrastructure is an important prerequisite for the de velopment of electric vehicles This paper proposes a charging infrastructure planning method based on two-layer optimization. The first layer optimizes the number of charging services between circle roads and the second layer optimizes the number of services between different types of charging fields. Based on the actual charging infrastructure charging operation data in Beijing the feasibility and applicability of the pro- posed method are verified. The research results show that Beijing area needs to reduce the number of char- ging infrastructure within the Third Ring Road and outside the Sixth Ring Road. In the next three years it is necessary to plan and construct the three-ring to six-ringas well as the charging facilities of the power pany business hall mercial munity parks and other places. Key words electric vehicles;charging ;infrastructure ;circle road 1引言 近年来，全球能源危机与环境污染等问题日益加剧，寻找并使用清洁能源成为当今世界环保的主题.
由 于电动汽车在节能减排和替代方面具有显著的优势，大力研究电动汽车相关技术及其应用，促进产业发展已 成为发达国家和相关企业关注的重点之一[1-.
大规模推广应用电动汽车也将有助于提高电网电能利用效 率，发挥其分布式储能、在系统中前峰填容等功能.
因此，大力发展电动汽车对中国具有重要的经济与战略 意义.
电动汽车的发展及推广很大程度上受制于其配套基础充电设施的建设及合理规划.
充电设施的规 收稿日期：2018-09-20 作者简介：杨冰（1987-）男博士工程师，主要研究电能替代和城市能源规划yangbing_bi@163. 戴静（1988一）女硕士工程师主要研究电能替代相关技术应用daijing@163.； ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. A1l rights reserved. .cnki.net
486 电力学报 第33卷 划需涉及电网、经济、公共交通及人类行为规律等多方面综合因素的考虑，本质上是一个复杂的非线性优化 问题.
针对此类问题可以车辆行驶规律为前提采用不同充电桩配比度计算，通过对电动汽车充电行为模拟验 证方法的合理性.
也可以针对插电式混合动力电动汽车展开在确定充电站候选布局区及容量基础上以有 功功率损耗、电压分布改善和二氧化碳排放为指标对其规划实现改进，也有学者根据对用户行为规律的 研究为公共快速充电基础设施的早期规划提供了基础”.
目前国内常见的规划方案主要有基于博奔论的充 电站选址优化模型、基于遗传算法的充电站选址模型”、以充电站年最大运营收益为目标的充电站选址模 型等.
这些研究对实际规划具指导意义，但模型相对复杂，且对规划中优化算法要求较高.
本文通过大 量数据调研的分析，研究了不同类型充电站充电需求特性，并结合聚类分析获得更加准确的充电站种类划 分，降低了模型建立过程的杂程度，减小了优化算法选择的局限性，并为尚未覆盖充电桩的停车场规划奠 定基础 根据北京市政府相关文件的要求：未来私人电动小客车享受“三不政策”，即“不限购、不限行、不收购置 税”，预计到2020年北京市电动汽车数量将突破60万辆，据目前数据分析结果，公共充电设施的收益占总 收益的70%以上，公共充电设施将是未来充电设施建设的重点.
在保证盈亏平衡的条件下，必须将充电桩 建设在充电设施经济使用率高的位置才能保证建设充电桩可以达到盈利目的.
因此，本文提出一种基于两 层优化计算模型进行充电设施的规划：第一层优化的目的是满足电动汽车的充电需求，减少充电用户的排 队时间，平衡各区域充电设施的使用率；第二层优化的目的是在满足用户充电需求的前提下，合理配置充 电设施在不同停车场的建设数量，使得充电桩的经济性达到最大，以日平均服务次数方差最小为目标进行规 划设计.
2充电设施运营特性评价指标体系 一般而言，评价充电设施运营特性的量化评价指标包含充电电量、充电频次、充电收入等，为了更好地评 充电时间长度、日平均充电频次和日平均经济使用率.
(1)平均充电电量.
充电站平均充电电量为充电桩每次充电的电量值，能够反应充电站的充电需求大小，其计算方法为： C (1) 式中，E表示充电站的平均充电电量，E表示统计时间范围内充电站总充电电量，C表示统计时间范围 内充电站总充电次数.
（2）平均充电时间长度.
平均充电时间长度表示用户充一次电所需要的时间，间接反应了用户的充电需求和充电设施的服务能 力，其计算方法为： (2) （3）日平均充电频次.
平均充电频次表示充电设施每日提供充电服务的次数，反应了充电桩的使用情况，其计算方法为： C (3) 式中，C表示充电桩每日的充电频次，T，表示统计数据的天数.
（4）日平均经济使用率.
充电设施使用率主要反应充电设施的实际使用情况，其计算方法为： Y=720NXP (4) ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. A1l rights reserved. .cnki.net
第6期 杨冰，等：基于环路和充电场类型的充电基础设施规划方法研究 487 式中，N.表示充电设施的数量，P.表示充电设施的额定充电功率.
3充电基础设施的规划方法 3.1基于环路充电服务次数的充电设施规划方法 充电桩的日平均服务次数、单次平均充电电量、充电桩数和日总充电量之间存在耦合关系，单次平均充 电电量和日总充电量为充电站的充电需求，因此可通过调整充电桩的数量、控制充电桩的日平均服务次数， 进而减小充电用户的排队时间.
这里以最小化环路充电设施日平均服务次数的方差为目标，进行充电设施的规划，其优化函数如式（5） 所示. minS(N) = 台 (5) 式中，S表示环路充电设施日平均服务次数的方差：N表示环路充电设施数量的向量，N=[N，N， N.N，N，N，]，N~N分别表示二环内，二环至三环，，六环外：H表示环路总数，这里H=6；c表示第 环充电设施的日平均充电次数，表示充电设施的日平均充电次数，第：环充电设施的日平均充电次数可 由公式（6）计算，E表示第：环的总电量需求，e表示第：环平均每次的充电电量，X表示第：环的充电桩存 量，x表示为提高充电服务次数需要调减的数量，y表示未来需要增加的充电设施数量.
c=x-xy E /e; (6) 在规划的过程中需要考虑的约束条件包括：充电设施最大和最小数量约束，日充电频次的最大最小值约 束，充电设施总数约束，如式（7）~（10）所示.
x =0. =1 (7) N= H (8) -X≤x≤X (9) 0≤y≤Y (10) 式中，N.
表示未来需要规划的充电设施总数；Y，表示第：环最大能够规划的充电设施数量.
3.2基于停车场类型的充电设施规划方法 在各环路的充电设施规划的基础上，可以按照充电站的类型以及充电站的投资和收益情况，进行环路内 不同类型停车场类型的充电设施规划，由于缺乏各环路内不同类型停车场的数据，这里依旧以最小化平均 服务次数的方差为目标建立优化模型.
优化模型如式（11）所示.
min S(T ) = （II) 式中.S表示环路充电设施日平均服务次数的方差：T表示17种类型充电站充电设施数量的向量，T= [T，T，T，T.，T，T：]：J表示停车场类型，北京地区充电站主要建设在供电营业厅、商业小区、公园、 商场、企业、体育场、高速服务区、院校、孵化器、住宅小区、委办局、医院、汽车4s店、自然景区、地铁口、小镇、 机场等17种地域，因此可将J设置为17：c表示第：种类型停车场充电设施的日平均充电次数，表示充电 设施的日平均充电次数.
第：种停车场充电设施的日平均充电次数可由公式（12）计算，Ee，X分别表示第：种停车场充电站 的总电量需求、平均每次的充电电量和充电桩存量，x表示为提高充电服务次数需要调减的数量，表示未 来需要增加的充电设施数量.
（=x x.y E /e. (12) 约束条件与按环路规划的类似，这里就不再赘述.
如图1所示为充电设施规划的两层优化计算原理 框图. ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. A1l rights rescrved. .cnki.net
488 电 学 报 第33卷 两层优化计算模型 充电设施运背 第一层优化 第二层优化 特性评价指标 充电设施规划优化日的 影响因素 充电桩每次 充电站电量需求 平均充电电量 请足电动汽车 读足用户 充电需求 充电需求 单车平均充电电量 充电站日总充电量 充电站所处停车场类型 调整充电杜数量 减少电动汽车 合理配置不同停 充电用户排队 车场充电设施的 调整相应类型 增减充电恒 等待时间 建设数目 车场充电桩数量 日平均服务次数 平街各区域充电 使得充电桩经济 设缩使用率 性达量大值 获得各环路及各英型停车场 充电基础设施建设间整数目 图1充电设施规划的两层优化计算原理框图 Fig 1 Two-layers optimization caleulation for charging infrastructure planning 4案例分析 本文以北京地区1万余台公共领域充电桩运行数据为样本，得出平均充电电量为12.65kWh，平均充 电时长为0.89小时（53分钟），日平均充电次数为3.63次，平均经济使用率为5.23%.
4.1基于环路充电服务次数的充电设施规划分析 （1）仅考虑现有充电桩的调整 对样本运营指标特性进行分析可知，通过调整现有各环路中充电桩的数量可以平衡充电服务次数，以减 小充电用户的排队时间，考虑变量及样本数据特征，本文采用可用于求解混合整数规划的分枝估界算法进 行计算.
根据样本数据进行计算，其结果如表1所示，图2为调整前后各环路充电设施建设比例的对比.
表1调整后音环路充电设施的数量 Tab 1 Number of charging facilities 50:00 ■当前充电设施建设比例 in each loop after adjustment 0.00 调整后充电设应建设比例 项目 调整数量/台 调整后服务次数/次 求20.00 二环内 16 3 62 18 10:00] 二环至三环 3 65 0.00 三环至四环 20 3 62 二环内 二环至三环至四环至五环至六环外 20 3 62 三环 四环 五环六环 四环至五环 87 图2调整前后普环路充电设施建设比例 五环至六环 3 62 Fig. 2 Proportion of construction of charging 六环外 93 3 62 infrastructure in each loop before and after adjustment 分析计算结果可知，与充电设施数量调整前相比，环路充电服务次数的方差由原来的1.315降至 0.000125.
通过计算对比发现调整后各环路充电设施日平均经济实用率均得到不同程度的提高（如图3所 示），验证了模型的有效性及可行性.
同时发现，在考虑现状充电设施数量的前提下，三环内、六环外需要减 少充电设施，适当移建至三环至六环范围.
（2）考虑未来充电设施的规划 图4所示为根据对电动乘用车充电电量和公共充电设施需求的测算，获得的未来3年充电电量需求和 公共充电设施的需求.
?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights rescrved. .cnki.net
第6期 杨冰，等：基于环路和充电场类型的充电基础设施规划方法研究 489 151 电量淘求/亿kWh 10 ■充电设殖需求/万台 二环内二环至 三环至 四环至五环至六环外 三环 四环 五环 2018年 2019 2020年 图3各环路充电设施日平均经济适用率提升率 图4未来3年充电电量和充电设施需求 Fig. 3 Daily averae econemic rate of Fig. 4 Demand for charzing power and charging increase of charging infrastructure n each lop infrastructure for the next 3 years 充电设施需求，以及对未来3年单次充电电量的预测，计算得到各环路内总充电电量需求，如表2所示.
表2未来3年鲁环路日充电电量需求 Tab 2 Daily charging power demand foreach loop in the next 3 years kW h 充电需求 2018年 2019年 2020年 二环内 85 242 47 114 251 69 151 442 99 二环至三环 179 594 37 240 712 87 319 069 93 三环至四环 255 368 62 342 274 17 453 691. 55 四环至五环 261 025 13 349 855 67 86*04 991 五环至六环 513 999 36 688 920 61 913 178 62 六环外 274 633 06 368 094 58 487 917 03 进而根据对未来3年充电设施的平均服务次数的测算，继续采用分支估界算法计算得到调整后充电设 施的规划结果，如表3所示.
表3未来3年充电设胞规划结果 Tahb. 3 Resalts of charging infrastructure planing for the next 3 Years 台 充电需求 2018年 2019年 2020年 二环内 1033 1 385 1 835 二环至三环 2 176 2 917 3 867 三环至四环 3 095 4 148 5 498 四环至五环 3 163 4 240 5 620 五环至六环 6 229 8 349 11 066 六环外 3 328 4 461 16S 4.2基于停车场类型的充电设施规划分析 （1）仅考虑现有充电桩的调整.
为了平衡现有充电设施的使用率和减少用户的排队等待时间，可对现有的充电设施进行调整.
按照充 电站所处停车场的类型，以及充电站的充电需求、单次平均充电电量，同理采用分支估界算法，计算得到充电 桩的调整策略，如表4所示.
表4按停车场类型调整充电设施 Tab. 4Adjusting charging infrastructure by parking lot type 充电站类型 调整充电设施/台 调整后服务次数/次 充电站类型 调整充电设施/台 调整后服务次数/次 供电营业厅 49 3 73 住宅小区 -8 3 70 商业小区 33 3 72 委办局 30 3 84 公园 18 3 73 医院 2 66°8 ?1994-2019 China Acadcmic Joumal Electronic Publishing House. Al1 rights reserved. .cnki.net
