基于多目标优化的电动汽车充电站选址研究

基于多目标优化的电动汽车充电站选址研究

周海潮

中电建西南电力销售有限公司

摘要：本研究旨在提出一种基于多目标优化的电动汽车充电站选址方法。考虑到充电站的服务范围和充电需求的空间分布，建立了充电站选址的多目标模型，采用遗传算法的优化算法，寻找最优的充电站选址方案。通过实际数据的模拟实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明，该方法能够在满足用户需求的同时，最大限度地降低充电站建设和运营成本，提高充电站的服务水平和利润。

关键词：电动汽车；充电站选址；多目标优化

引言：随着电动汽车的快速发展和普及，充电站的选址问题日益凸显，传统的单目标优化方法往往只考虑一项指标，实际中，充电站的选址问题涉及多个冲突的目标，如用户需求满足程度、充电成本最小化、充电站之间的距离等。基于多目标优化的电动汽车充电站选址方法能够综合考虑各种因素，并找到一组最优解，以满足不同的需求，为电动汽车充电基础设施的规划和建设提供有力支持。

一、电动汽车充电站的类型分类

一般情况下，根据不同标准要求电动车充电站的类型也不同，从充电方式角度分析，充电站一般可以分为以下两种，分别是直流快充站和交流慢充站，其中直流快充站则是提供直流电流，这种方式可以缩短汽车充电时间，非常适用于长途出行以及急需充电的情况。而交流慢充站，适合慢速的充电方式，比较适合用在停车场等场所中。按照充电功率来划分，通常情况可以分为超级充电站和快速充电站以及慢速充电站，其中超级充电站可以提供高功率的充电设备，功率一般在100千瓦以上。快速充电站主要是提高充电的时间，一般充电功率在50千瓦至100千瓦之间。其中慢速充电站，提供的是功率较低的充电设备，在10千瓦至50千瓦之间，充电速度也比较慢。[1]根据充电位置进行分类，分为以下几种，一是公共充电站，一般处于公共场所，比如购物中心、加油站、停车场等，一些为公众提供充电服务的场所，二是家庭充电站，一般安装在家庭住宅以及停产场中，仅是为个人和家庭提供充电服务，三是工作场所充电桩，一般安装在工厂、办公楼、事业单位内，仅供员工或者业务车辆提供充电服务。此外，充电站也可以分为公用充电站和私用充电站，公用充电站，是根据政府或第三方机构建设和运营方式建设的充电站，为不同品牌的电动车提供充电服务。私用充电站是个人、企业或特定车辆品牌而建设的，主要目的是为特定车辆提供充电服务。

二、在多目标下电动汽车充电站选址的原则

目前，电动车充电站的建设仍不如加油站普及，而加油站通常设有便利店和洗车服务，用户可以在加油的同时购买日常用品或洗车，节省时间和精力。因此，充电站与加油站相邻可以为电动车用户提供类似的便利服务，提高用户的满意度和忠诚度。电动汽车充电站选址是一项复杂的问题，需要充分考虑多种因素，其一，应当考虑充电地址的距离。选址应考虑附近人口密度和用车需求的分布情况，充电地址应当尽可能做到靠近用户实际居住地，也可以设置在商业区、交通枢纽等用户出入较为频繁的位置，减少用户的出行成本和时间成本。其二，应当考虑道路周边的网络和线路的影响。尽量避免交通流量大、容易拥堵的区域，可以设置在该路段临近街道，且场地较为空旷的地段中，这样既可以避免电动汽车停靠充电时造成交通不便的现象出现，也可以保证电动汽车能够及时获取充电的机会。[2]其三，充电地址设置应当考虑其服务范围。也就是每一个充电站可以提供服务区域的覆盖面，最大限度保证充电站均匀分布，尽量将更多用户需求点覆盖到，以提高用户的充电便利性。商业配套的选择还可以提升充电站的形象与品牌价值，与知名的商业设施相邻，可以借助其品牌影响力和用户基础，提升充电站的知名度和可信度。同时，商业配套的选择也需要考虑到周边环境和客流量，以确保充电站的运营效率和商业价值。其四，设备容量的原则。充电地址选择还应当考虑区域内用电的设备，也就是在这个范围内，电动汽车的数量，不同区域内的电动汽车数量各不相同，因此需要根据用电数量和充电功率合理设置充电桩数量，并且需要设置一定的超出范围，以此适应该区域内后期增加的电动汽车需求。其五，充电站的选址需要考虑供电可靠性原则。指的是供电桩周围不会因为该充电站使用而出现电压不稳定的情况，同时，周围的供电设施也应当满足充电站的用电需求，并且具备可以应急的电源和供电设备，以此应对突然断电、短路等情况出现，为电动汽车充电提供基础保障。其六，在选址时，充电站的环境影响是一个重要考虑因素，噪声污染是需要注意的问题，特别是对周围居民和商业区的影响。因此，应该尽量选择远离居住区和商业区的地点，以减少噪音对周围环境的影响。另外，污染也是一个关键问题，特别是电池的处理和充电过程中可能产生的废物和有害物质。[3]因此，应该选择可靠的处理系统，确保充电站的运行不会对环境造成污染。基于此，综合考虑以上原则，可以对各个地点进行综合评估和权衡，从而选择出既能满足用户需求，又能提供方便的充电服务的地点建设电动汽车充电站，以促进电动汽车的普及和可持续发展。

三、基于多目标优化的电动汽车充电站选址模型和方法

电动汽车充电桩选址中充分考虑其特殊性质，充电桩在运行服务中，每一个充电桩同时只能为一台电动汽车进行充电，而当区域内电动桩都被占据以后，充电站也就不能再提供服务，因此顾客只能选择最近的充电站进行充电，或者是在此等待，为此，目标函数可以提供区域内最大化服务数量，同时可以计算出最小的建设成本，以及用户使用的最小距离。[4]目标函数充分考虑的是用户和运营商两方面的经济效益，多目标模型如下：

xj＜pj

qj=1，ifxj＞0

qi=0，ifxj=0

这些公式模型中，由上到下分别表示最大化服务的顾客数量；需求点到候车点的最小化距离；建设和维护成本的最小化；充电桩数量在p个以下；充电桩总量不超过P，最后两个只有在候选点设置充电站的形势下，才能够将其作为充电站选址考虑范围，否则无须考虑这两点。以某城市为例，其候选充电站地址如图1所示。

图1：需求点与候选点图

    其中五角星的位置则表示充电桩的设置点，其他则为需求点。在模型中，候选点位置选择对已有加油站的位置进行改建，需求点是按照区域内居民分布作为主要考虑因素。多目标权重一般受人为因素影响较大，主要取决于决策者个人主观意识，他们认为哪个目标比较重要，则权重可取也会大一些。该城市规划要求每个充电站中至少设置4个充电桩，最多不能超过20个充电桩，拟建设4个充电桩，并且要求设备维修成本控制在2万/台。采用所构造的改进遗传算法求解电动汽车充电站多目标模型，根据模型计算可以得出以下结果，如图2所示。

图2 ：充电站最优选址图

结论：综上所述，基于多目标优化的电动汽车充电站选址方法是一种综合考虑多个目标因素的决策方法，对于电动汽车普及和可持续发展具有重要的理论和实际意义。该方法能够同时考虑充电站的服务范围、充电设备布局、电网容量等多个因素，以最大程度满足用户需求、提高充电效率和减少能源消耗，通过合理地选址，可以避免充电站之间的竞争和资源浪费，提高充电网络的覆盖率和可用性，促进电动汽车产业的快速发展和市场推广。

参考文献：

[1]李佳佩,谢驰.一种基于元网络的电动汽车高速公路充电设施选址优化方法[J/OL].中国公路学报:1-22[2023-09-19].

[2]周筝,龙华,李帅等.时空需求下的电动汽车充电设施选址优化模型[J/OL].计算机应用研究:1-8[2023-09-19].

[3]武渊,叶宁.城市路网中电动汽车充电站双层多目标选址定容模型[J].山西大学学报(自然科学版),2021,44(04):695-704.

[4]陈志和,刘国中.计及配电网络与交通网络双重特性的电动汽车充电站选址规划[J].东莞理工学院学报,2021,28(01):96-101.