基于层次分析的电动汽车充电站规划布局方法和系统与流程

本发明涉及电动汽车充电站规划技术领域，具体地，涉及一种基于层次分析的电动汽车充电站规划布局方法和系统。

背景技术：

随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略的重要组成部分，已经成为中国汽车工业和能源产业发展的重点。电动汽车充电设施作为发展电动汽车产业的重要配套基础设施，其规划和建设是电动汽车研究领域的一项重要课题。目前，在缺少完善的电动汽车规划和布局方法情况下，仅有少量的城市开始了充电设施的建设，制约了电动汽车产业的发展。

充电基础设施的合理规划布点有利于电动汽车的大规模推广和行驶充电的便利性。通过对充电设施规划的积极探索和研究，能够为开展充电基础设施建设工作提供理论和技术支撑，优化充电基础设施位置，从而节约充电站建造成本并提高充电基础设施的服务质量。当前的相关研究主要讨论影响充电站规划的因素，提及了一些规划原则的建议，仅部分涉及到具体选址规划的方法，对实际规划具有一定的指导意义，但有些步骤和要求不够清楚具体，有些对数据要求较高，现有的电动汽车充电站规划布局方法往往需要针对城市交通网络及不同车辆负荷特性建立较为复杂的模型，对数据要求较高。考虑到现实中城市交通网络的复杂性和车辆出行特征的随机性，规划模型所需的数据不易获取，数据精确性也难以达到要求。因此，还需继续深入研究，以满足电动汽车及其充电设施发展的需要。

专利文献cn108460487a公开了一种基于apso算法的电动汽车快速充电站优化选址定容方法，以充电站服务半径、充电站最大充电容量为约束条件，将全社会成本作为本方案的目标函数，采用apso算法分别对不同数量充电站的选址模型进行求解，并采用排队理论对选址后的方案进行优化定容。这一方法主要考虑充电站服务范围与建设成本，但是，并没有考虑地价和配电网接纳能力。

专利文献cn104866915a公开了一种基于全寿命周期成本的电动汽车充电站优化规划方法，以充电站净现收益最大为目标，以车流量、电网电能质量、用户充电需求为约束条件，确定充电站选址和容量。该方法充分考虑了充电站运行产生的各项成本，并对充电站接入电网的各项指标进行了约束。但是，并没有考虑不同站址的建筑条件对充电站容量的约束，以及明确选定站址的原则。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于层次分析的电动汽车充电站规划布局方法和系统。

本发明提出的技术方案包括电动汽车充电站可行站址筛选步骤和计及经济及交通成本的充电站选址规划步骤。采用层次分析法根据土地规划、交通状况量、站址容量限制等因素选出综合评价较优的站址。建立最优化模型求解综合成本最低的充电站布局方案。

根据本发明提供的一种基于层次分析的汽车充电站布局规划方法，包括：

选址步骤：使用层次分析筛选规划区内的充电站地址，得到候选站址，所述候选站址集合中包括多个充电站地址；

容量计算与分配步骤：构造电动汽车规划模型，基于电动汽车规划模型计算充电站地址的容量约束和电网约束，依据容量约束和电网约束得到汽车充电站布局规划。

优选地，所述选址步骤包括：

建立层次模型步骤：建立层次模型，所述层次模型由上往下依次为目标层、准则层、子准则层、站址层；目标层是汽车充电站布局规划的总目标，准则层是实现总目标的影响因素，子准则层是基于影响因素细分得到的子影响因素，站址层是充电站地址。

设计判断矩阵步骤：依据层次模型，通过两两比较得到每一层对上一层的判断矩阵。其中，uij表示第i个因素相对于第j个因素的重要性数值，p为判断矩阵。

计算重要性排序步骤：根据判断矩阵p得出最大特征根λmax所对应的特征向量w，计算方程如下：

pw＝λmaxw

所求特征向量w经归一化处理后即为同一层次相应元素对于上一层次元素相对重要性的排序权值，该过程称为层次单排序；

一致性检验步骤：使用检验公式对判断矩阵p进行一致性校验，所述检验公式为：

cr＝ci/ri

式中，cr为判断矩阵的随机一致性比率，ci为判断矩阵的一般一致性指标，ri为判断矩阵的平均随机一致性指标；所述ci采用以下公式计算：

ci＝(λmax-n)/(n-1)

式中，n表示层次模型的层级数；

组合权重步骤：计算各判断矩阵的特征值，通过特征值的组合得到充电站地址的权重值，筛选权重值最高的充电站地址。

优选地，所述容量计算与分配步骤包括：

确定目标函数步骤：依据公式评估影响因素：

式中，f表示充电站建设综合成本；

n表示候选充电站数量；

δi表示第i个候选站址建设充电站的决策变量，当δi取0时表示不适合建站，当δi取1时表示适合建站；

η表示交通指数权重，η<0；

fti表示第i个候选站址的交通指数；

fei表示第i个候选站址建立充电站的建设成本；

f为充电站单位容量建设费用；

pi为第i个充电站容量；

r为贴现率；

m为研究年限；

αf为充电站维护费用占固定成本的比例；

li为第i个候选站址处土地地价；

αl为充电站单位容量所需面积；

n为充电站周边1公里范围内道路数量；

tij为第i个候选站址的第j条道路的车流量；

施加约束条件步骤：依据公式施加约束条件：

nmin≤n≤nmax

smin≤s≤smax

δpi≤δpmax

式中，n表示规划区充电站总数，在规划区设定的充电站总数最大值nmax和最小值nmin之间；其中nmin＝q/smax，nmax＝q/smin；q表示规划区的总充电需求，smin表示充电站的最小容量，smax表示充电站最大容量；s表示充电站的容量；

δpmax表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的最大充电负荷；

δpi表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的充电负荷；

模型求解步骤：使用遗传算法对电动汽车规划模型进行求解，得到充电站的容量约束和电网约束。

优选地，所述模型求解步骤包括：

编码步骤：对待求解的决策变量δi进行0-1编码后代入电动汽车规划模型；

排序步骤：算子选择使用选择排序法，采用罚函数法处理充电站容量约束和电网约束。

根据本发明提供的一种基于层次分析的汽车充电站布局规划系统，包括：

选址模块：使用层次分析筛选规划区内的充电站地址，得到候选站址，所述候选站址集合中包括多个充电站地址；

容量计算与分配模块：构造电动汽车规划模型，基于电动汽车规划模型计算充电站地址的容量约束和电网约束，依据容量约束和电网约束得到汽车充电站布局规划。

优选地，所述选址模块包括：

建立层次模型模块：建立层次模型，所述层次模型由上往下依次为目标层、准则层、子准则层、站址层；目标层是汽车充电站布局规划的总目标，准则层是实现总目标的影响因素，子准则层是基于影响因素细分得到的子影响因素，站址层是充电站地址。

设计判断矩阵模块：依据层次模型，通过两两比较，得到每一层对上一层的判断矩阵。其中uij表示第i个因素相对于第j个因素的重要性数值，p为判断矩阵。

计算重要性排序模块：根据判断矩阵p得出最大特征根λmax所对应的特征向量w。方程如下：

pw＝λmaxw

所求特征向量w经归一化处理后即为同一层次相应元素对于上一层次元素相对重要性的排序权值，称为层次单排序；

一致性检验模块：使用检验公式对判断矩阵进行一致性校验，所述检验公式为：

cr＝ci/ri；

式中，cr为判断矩阵的随机一致性比率，ci为判断矩阵的一般一致性指标，ri为判断矩阵的平均随机一致性指标；所述ci采用以下公式：

ci＝(λmax-n)/(n-1)

式中，n表示层次模型的层级数；

组合权重模块：计算各判断矩阵的特征值，通过特征值的组合得到充电站地址的权重值，筛选权重值最高的充电站地址。

优选地，所述容量计算与分配模块包括：

确定目标函数模块：依据公式评估影响因素：

式中，f表示充电站建设综合成本；

n表示候选充电站数量；

δi表示第i个候选站址建设充电站的决策变量，当δi取0时表示不适合建站，当δi取1时表示适合建站；

η表示交通指数权重，η<0；

fti表示第i个候选站址的交通指数；

fei表示第i个候选站址建立充电站的建设成本；

f为充电站单位容量建设费用；

pi为第i个充电站容量；

r为贴现率；

m为研究年限；

αf为充电站维护费用占固定成本的比例；

li为第i个候选站址处土地地价；

αl为充电站单位容量所需面积；

n为充电站周边1公里范围内道路数量；

tij为第i个候选站址的第j条道路的车流量；

施加约束条件模块：依据公式施加约束条件：

nmin≤n≤nmax

smin≤s≤smax

δpi≤δpmax

式中，n表示规划区充电站总数，在规划区设定的充电站总数最大值nmax和最小值nmin之间；其中nmin＝q/smax，nmax＝q/smin；q表示规划区的总充电需求，smin表示充电站的最小容量，smax表示充电站最大容量；s表示充电站的容量；

δpmax表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的最大充电负荷；

δpi表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的充电负荷；

模型求解模块：使用遗传算法对电动汽车规划模型进行求解，得到充电站的容量约束和电网约束。

优选地，所述模型求解模块包括：

编码模块：对待求解的决策变量δi进行0-1编码后代入电动汽车规划模型；

排序模块：算子选择使用选择排序法，采用罚函数法处理充电站容量约束和电网约束。

优选地，所述准则层主要包括土地规划、交通状况量、站址容量；

所述子准则层主要包括土地类型、地价、周边道路数量、拥堵程度、停车位配建数量和电网接纳负荷的能力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的电动汽车充电站规划布局方法有较好的实用性。采用层次分析法筛选充电站站址，对数据的要求相对较低，具有更好的可行性，能够在城市充电站网络规划过程中起到指导作用。

2、本发明提供的电动汽车充电站规划布局方法综合考虑道路交通、土地规划、配电网接纳能力等多种影响因素，实现了在电动汽车充电站规划中降低建设成本、增大充电服务覆盖面的目标。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为区域充电站选址层次模型图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明基于层次分析法等理论，根据道路交通、土地规划、配电网接纳能力等因素，来确定电动汽车充电站的站址及规模。考虑道路交通、土地规划、配电网接纳能力等多重因素，给出一种电动汽车充电站规划布局方法，先提出了基于层次分析法的充电站站址筛选策略，然后以充电站建设成本和配电网改造成本最小、服务交通流量最大为目标，构建了充电站选址定容优化模型，并采用遗传算法求取模型的解。

根据本发明提供d额一种基于层次分析的汽车充电站布局规划方法，包括：

选址步骤：使用层次分析筛选规划区内的充电站地址，得到候选站址，所述候选站址集合中包括多个充电站地址；

容量计算与分配步骤：构造电动汽车规划模型，基于电动汽车规划模型计算充电站地址的容量约束和电网约束，依据容量约束和电网约束得到汽车充电站布局规划。确定候选站址后，根据规划区域充电需求、配电网可接纳充电负荷、区域交通流量和充换电站建设成本，对充换电站数量、容量分配进行计算

优选地，根据《qgdw478-2010电动汽车充电设施建设技术导则》给出的电动汽车充电站选址原则，将用户居住地停车位、单位内部停车场、公交及出租等专用场站、市公共建筑物配建停车场、社会公共停车场、路内临时停车位、独立占地的城市快充站、换电站和高速公路服务区配建的城际快充站等地点选为建设充换电设施的可行站址，然后从中选出候选站址。

具体地，所述选址步骤包括：

建立层次模型步骤：建立层次模型，所述层次模型由上往下依次为目标层、准则层、子准则层、站址层；目标层是汽车充电站布局规划的总目标，准则层是实现总目标的影响因素，子准则层是基于影响因素细分得到的子影响因素，站址层是充电站地址；

如图1所示，层次模型分为四层：第一层为目标层，选出更适合建设充电站的地址；第二层为准则层，有土地规划、交通状况量、站址容量三个影响决策的主要因素；第三层为子准则层，包括土地类型、地价、周边道路数量、拥堵程度、停车位配建数量和电网接纳负荷的能力六个因素，其中土地规划对应站址类型、地价，交通流量对应周边道路数量、拥堵程度；站址容量包括候选站址停车位配建数量和电网接纳负荷的能力。层次模型第二层用a＝(b1，b2，b3)表示，第三层表示为b1＝(c1，c2)、b2＝(c1，c2)、b3＝(c1，c2)。第四层确定n个区域，可以表示为ci＝(p1，p2，…，pn)，i＝1，2，3。土地规划包括土地类型和地价。不同种类的用地吸引电动汽车充电的权重不一样，而地价对电动汽车充电站规划的影响则主要在成本方面；交通流量对应周边道路数量和拥堵程度。道路数量越多，则该区域交通越便利，可承载的车流量越大。道路交通拥堵系数能直接反映流经该区域的交通流量；站址容量包括候选站址停车位配建数量和该处配电网接纳负荷的能力。停车位配建数量和配电网接纳负荷的能力从不同方面反映了站址接纳电动汽车充电负荷的能力。对配电网一定运行方式下的最大接纳能力模型进行计算，可以获得各节点的最大允许充电功率注入量，将站址与距离最近的配电网节点相关联，取节点的最大允许充电功率注入量做为分析参数。

设计判断矩阵步骤：依据层次模型，通过两两比较，得到每一层对上一层的判断矩阵。其中uij表示第i个因素相对于第j个因素的重要性数值，p为判断矩阵。

计算重要性排序步骤：根据判断矩阵p得出最大特征根λmax所对应的特征向量w。方程如下：

pw＝λmaxw

所求特征向量w经归一化处理后即为同一层次相应元素对于上一层次元素相对重要性的排序权值，称为层次单排序；

一致性检验步骤：使用检验公式对判断矩阵进行一致性校验，所述检验公式为：

cr＝ci/ri；

式中，cr为判断矩阵的随机一致性比率，ci为判断矩阵的一般一致性指标，ri为判断矩阵的平均随机一致性指标；所述ci采用以下公式：

ci＝(λmax-n)/(n-1)

式中，n表示层次模型的层级数；

所述一致性检验步骤用于判断各层次的评价因素权重的分配是否合理；

组合权重步骤：计算各判断矩阵的特征值，通过特征值的组合得到充电站地址的权重值，筛选权重值最高的充电站地址。优选地，所述特征值是每一层相对上一层的权重。

具体地，所述容量计算与分配步骤包括：

确定目标函数步骤：依据公式评估影响因素：

式中，f表示充电站建设综合成本；

n表示候选充电站数量；

δi表示第i个候选站址建设充电站的决策变量，当δi取0时表示不适合建站，当δi取1时表示适合建站；

η表示交通指数权重，η<0；

fti表示第i个候选站址的交通指数；

fei表示第i个候选站址建立充电站的建设成本；

f为充电站单位容量建设费用；

pi为第i个充电站容量；

r为贴现率；

m为研究年限；

αf为充电站维护费用占固定成本的比例；

li为第i个候选站址处土地地价；

αl为充电站单位容量所需面积；

n为充电站周边1公里范围内道路数量；

tij为第i个候选站址的第j条道路的车流量；

施加约束条件步骤：依据公式施加约束条件：

nmin≤n≤nmax

smin≤s≤smax

δpi≤δpmax

式中，n表示规划区充电站总数，在规划区设定的充电站总数最大值nmax和最小值nmin之间；其中nmin＝q/smax，nmax＝q/smin；q表示规划区的总充电需求，smin表示充电站的最小容量，smax表示充电站最大容量；s表示充电站的容量；

δpmax表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的最大充电负荷；

δpi表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的充电负荷；

模型求解步骤：使用遗传算法对电动汽车规划模型进行求解，得到充电站的容量约束和电网约束。

具体地，所述模型求解步骤包括：

编码步骤：对待求解的决策变量δi进行0-1编码后代入电动汽车规划模型；

排序步骤：算子选择使用选择排序法，采用罚函数法处理充电站容量约束和电网约束。

根据本发明提供的一种基于层次分析的汽车充电站布局规划系统，包括：

选址模块：使用层次分析筛选规划区内的充电站地址，得到候选站址，所述候选站址集合中包括多个充电站地址；

容量计算与分配模块：构造电动汽车规划模型，基于电动汽车规划模型计算充电站地址的容量约束和电网约束，依据容量约束和电网约束得到汽车充电站布局规划。

具体地，所述选址模块包括：

建立层次模型模块：建立层次模型，所述层次模型由上往下依次为目标层、准则层、子准则层、站址层；目标层是汽车充电站布局规划的总目标，准则层是实现总目标的影响因素，子准则层是基于影响因素细分得到的子影响因素，站址层是充电站地址；

设计判断矩阵模块：依据层次模型，通过两两比较，得到每一层对上一层的判断矩阵。其中uij表示第i个因素相对于第j个因素的重要性数值，p为判断矩阵。

计算重要性排序模块：根据判断矩阵p得出最大特征根λmax所对应的特征向量w。方程如下：

pw＝λmaxw

所求特征向量w经归一化处理后即为同一层次相应元素对于上一层次元素相对重要性的排序权值，称为层次单排序；其中，等式pw＝λmaxw表示为，判断矩阵p乘特征向量w等于λmax乘特征向量w；

一致性检验模块：使用检验公式对判断矩阵进行一致性校验，所述检验公式为：

cr＝ci/ri；

式中，cr为判断矩阵的随机一致性比率，ci为判断矩阵的一般一致性指标，ri为判断矩阵的平均随机一致性指标；所述ci采用以下公式：

ci＝(λmax-n)/(n-1)

式中，n表示层次模型的层级数；

组合权重模块：计算各判断矩阵的特征值，通过特征值的组合得到充电站地址的权重值，筛选权重值最高的充电站地址。

具体地，所述容量计算与分配模块包括：

确定目标函数模块：依据公式评估影响因素：

式中，f表示充电站建设综合成本；

n表示候选充电站数量；

δi表示第i个候选站址建设充电站的决策变量，当δi取0时表示不适合建站，当δi取1时表示适合建站；

η表示交通指数权重，η<0；

fti表示第i个候选站址的交通指数；

fei表示第i个候选站址建立充电站的建设成本；

f为充电站单位容量建设费用；

pi为第i个充电站容量；

r为贴现率；

m为研究年限；

αf为充电站维护费用占固定成本的比例；

li为第i个候选站址处土地地价；

αl为充电站单位容量所需面积；

n为充电站周边1公里范围内道路数量；

tij为第i个候选站址的第j条道路的车流量；

施加约束条件模块：依据公式施加约束条件：

nmin≤n≤nmax

smin≤s≤smax

δpi≤δpmax

式中，n表示规划区充电站总数，在规划区设定的充电站总数最大值nmax和最小值nmin之间；其中nmin＝q/smax，nmax＝q/smin；q表示规划区的总充电需求，smin表示充电站的最小容量，smax表示充电站最大容量；s表示充电站的容量；

δpmax表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的最大充电负荷；

δpi表示第i个充电站对应的配电网节点可接纳的充电负荷；

模型求解模块：使用遗传算法对电动汽车规划模型进行求解，得到充电站的容量约束和电网约束。

具体地，所述模型求解模块包括：

编码模块：对待求解的决策变量δi进行0-1编码后代入电动汽车规划模型；

排序模块：算子选择使用选择排序法，采用罚函数法处理充电站容量约束和电网约束。

具体地，所述准则层主要包括土地规划、交通状况量、站址容量；

所述子准则层主要包括土地类型、地价、周边道路数量、拥堵程度、停车位配建数量和电网接纳负荷的能力。

本发明提供的基于层次分析的汽车充电站布局规划系统，可以通过基于层次分析的汽车充电站布局规划方法的步骤流程实现。本领域技术人员可以将基于层次分析的汽车充电站布局规划方法理解为所述基于层次分析的汽车充电站布局规划系统的优选例。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。