充电站的选址优化问题

张海峰

摘 要：電动汽车的推广能够缓解能源短缺，减少环境污染，具有重要的意义。为实施推广，研究充电站建设的有关问题十分必要。本文重点解决了充电站的数量、分配规模问题以及充电站的发展计划问题。建立了充电站的选址优化模型。

我们根据电动汽车的充电需求总功率和每个充电站所能提供的功率，计算美国所需充电站的个数，将充电站分配给城市、郊区和农村，并对充电站的规模和组成进行讨论。在模型运用到爱尔兰时，我们应当对模型进行改进，建立以总成本最小为目标函数的优化模型，用Voronoi图和粒子群算法对充电桩的分配和规划进行求解，得到充电站在爱尔兰的分布和规模。

电动汽车的发展是现代交通的趋势，我们设计的模型能够帮助建设电动汽车充电站的网络，并预测电动汽车保有量的发展，对电动汽车的推行具有指导意义。

关键词：电动汽车；充电站；选址；增长预测

模型建立

1.充电站的数量

当每个人都转向美国的全电动个人乘用车时，充电站需要对全美国的电动汽车提供充电服务。参考有关资料，建立如下模型：

其中，n 是每个充电站的标准充电桩个数；

N 是规划区域内电动汽车的数量；

a 是每天中有充电需求的用户所占的比例；

Qn 是平均每辆有充电需求的电动汽车的充电量；

β 是单台标准充电桩的平均功率。

2充电站的分配

我们参考空间负荷的预测模型，将把土地按性质分成若干地块，再把地块用地性质转化为地块用电负荷。从数学角度来讲，空间负荷预测及其计算存在如下3种映射：

F（x，y） →L（z，y） →S（x，y） →St

F（x，y） 为地块特征

L（z，y） 为土地使用面积

S（x，y） 为土地负荷

St 为地块的总负荷。

在本题中的具体实施为：将土地按照性质划分为城市、郊区、农村，经过第一次映射，得到城市、郊区、农村的属性，再经过第二次映射得到城市、郊区、农村的充电需求负荷，经过第三次映射（即求和），计算出全美国的充电需求负荷。

各区域电动汽车的数量：

电动汽车充电站属于为居民出行提供服务的社会公共基础配套设施，因此，在构建电动汽车充电站选址定容优化模型时，兼顾充电站运营商和电动汽车用户二者的利益，故而需要提出综合考虑全社会成本的充电站规划模型。

以运营商总成本最小化作为电动汽车充电站的目标函数：

其中：c 为电动汽车充电站在规划期内建设成本和运营的总成本；

f1（Qi） 是第i 个充电站在规划期内的固定基础建设成本；

f2（Qi） 是第i 个充电站在规划期内的运行成本；

w 是第i 个充电站可以使用的年限；

r0 为贴现率；

Qi 为自变量，即第i 个充电站中的充电桩个数

第i 个充电站的建设投资年费用

初始固定投资可以采用充电站内充电桩数量的二阶多式模型表示（此处应有参考文献），建设投资的年费用为

式中：a1 为营业建筑等固定不变的；

a2 为充电机购置成本等与充电机数量成比例的相关成本；

a3 为变压器、电缆等与充电机数量平方成比例的相关成本。

第i 个充电站的运行维护年费用

充电站的运行维护费用主要包含充电站的设备设施检的修维护费用、设备折旧费用和员工工资福利等。但在一般情况下，各项费用值难以精确定量分析计算。我们在建立模型的过程中简化了各项费用的计算过程，用各项费用的总和表示，因此充电站的运行维护年费用可以直接按照初期充电站投资的百分比进行估算，若比例系数[9]为μ =0.5，则充电站 的运行维护年费用为：

在该模型中需要考虑到的约束条件主要包含电动汽车充电桩的数量限制、充电

站之间的距离限制，具体描述如下：

充电站的数量约束≧n≧1

任意两个充电站之间的距离d ≧0

为考虑经济性和保障电动汽车的行驶能力、满足电动汽车车主的出行需要，充电站的位置应分布合理，既能满足服务尽可能大的范围，与能满足消费者的需求。

通过上述的分析和计算，可以确定一份全面发展电动汽车的成长计划书。

在发展电动汽车的初期，为鼓励大家购买，政府应该出台相应的补贴政策，设立电动汽车发展专项资金。在建设充电站网络时，应当先在城市建立充电站，城市的人口密度较大，根据电动汽车的一般增长模型，模仿系数也较大，电动汽车增长的速度就越快。同时，在初期可以建立大于充电需求的充电站，以提高充电站的服务效率，完善服务网络，吸引更多的人购买电动汽车。

在发展中期，电动汽车的发展步入正轨，为继续推动它的发展，政府可以采用降低电动汽车充电电价、给予税收优惠等政策。为完善充电站网络，需要在农村设立充电站，以推动电动汽车更大范围的发展。这时，只需要建立满足需求的充电站即可。

在发展后期，电动汽车的发展趋于成熟，这时，政府可以停止有关有关优惠政策。但是，电动汽车的充电效率、电池容量可能难以满足人们的需求，因此，政府应该鼓励鼓励生产商对新型电池技术的研发，以匹配需求。此外，应该不断对充电网络进行完善和优化，提升服务质量。为减少成本，可以根据新增需求来增加充电站的数量。

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