楊　揚(yáng)，秦　桑，鄭　鋒，鄔秀玲，劉　帥

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江　寧波　315000）

0　引言

充電樁是電動(dòng)汽車[1]充換電系統(tǒng)的重要設(shè)施，隨著電動(dòng)汽車國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)惠政策的出臺(tái)，以及電動(dòng)汽車充電樁和充電技術(shù)[2]的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電業(yè)務(wù)發(fā)展?jié)摿薮?。但?dāng)前充電價(jià)格制定并未考慮市場(chǎng)需求，定價(jià)模式單一，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，制定合理的定價(jià)策略，優(yōu)化充電價(jià)格，是供電企業(yè)亟需解決的問(wèn)題。

電動(dòng)汽車是零污染、零排放的新能源綠色產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景，而電動(dòng)汽車的能量補(bǔ)給是其發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。針對(duì)此問(wèn)題，劉娟娟[3]提出我國(guó)現(xiàn)階段應(yīng)實(shí)行汽車廠商與電網(wǎng)企業(yè)聯(lián)盟建設(shè)充電樁的模式，建立一個(gè)考慮政府補(bǔ)助、建設(shè)成本和運(yùn)行成本的充電樁利潤(rùn)函數(shù)模型。常方宇等人[4]研究了電動(dòng)汽車分時(shí)充電價(jià)格的制定方法，提出了基于分時(shí)充電價(jià)格引導(dǎo)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的電動(dòng)汽車有序充電引導(dǎo)策略，在降低運(yùn)營(yíng)商購(gòu)電成本和用戶充電費(fèi)用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中充電負(fù)荷的友好接入。呂孟擴(kuò)[5]考慮用戶滿意度等因素，建立基于分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車需求響應(yīng)模型，并運(yùn)用優(yōu)化算法求解出最優(yōu)的分時(shí)電價(jià)方案，采用電價(jià)手段引導(dǎo)電動(dòng)汽車充放電行為。葛少云等人[6]針對(duì)電動(dòng)汽車有序充放電對(duì)電網(wǎng)削峰填谷方面的影響，提出了峰谷電價(jià)時(shí)段的優(yōu)化模型與方法，并對(duì)峰谷電價(jià)時(shí)段優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了求解。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)分時(shí)定價(jià)[7]的研究較多，但大多基于電網(wǎng)承載力進(jìn)行研究，缺乏市場(chǎng)需求分析；對(duì)分區(qū)域定價(jià)的研究則較少。以下針對(duì)寧波電動(dòng)汽車充電市場(chǎng)，綜合考慮分時(shí)定價(jià)和分區(qū)域定價(jià)，提出一種合理的定價(jià)模型和定價(jià)策略，以期完善電動(dòng)汽車充電價(jià)格機(jī)制，推動(dòng)充電價(jià)格的市場(chǎng)化進(jìn)程。

1　充電價(jià)格優(yōu)化策略及優(yōu)化算法

1.1　充電價(jià)格優(yōu)化策略

充電價(jià)格優(yōu)化策略如圖1所示，具體分為以下步驟：

（1）收集充電站運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，結(jié)合《寧波市電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)施方案》中的數(shù)據(jù)，構(gòu)建項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）根據(jù)各區(qū)域供給需求、充電站實(shí)際運(yùn)營(yíng)等情況，對(duì)不確定因素進(jìn)行分析，得出可以通過(guò)分區(qū)域定價(jià)和分時(shí)定價(jià)提高充電站營(yíng)業(yè)收入。

（3）構(gòu)建分區(qū)域定價(jià)模型和分時(shí)定價(jià)模型。分區(qū)域定價(jià)即對(duì)不同區(qū)域的充電站[8]售電價(jià)格進(jìn)行定價(jià)，根據(jù)不同區(qū)域的車流量、電動(dòng)汽車保有量、充電樁數(shù)量及充電樁使用效率等數(shù)據(jù)，綜合分析各區(qū)域的最優(yōu)定價(jià)方案；分時(shí)定價(jià)即對(duì)各區(qū)域充電站的售電價(jià)格進(jìn)行分時(shí)段定價(jià)，根據(jù)不同時(shí)間段內(nèi)的車流量、充電站工作使用效率的峰谷期等，綜合分析確定各時(shí)間段的最優(yōu)售電價(jià)格。

（4）在ANYLOGIC軟件中編寫代碼，實(shí)現(xiàn)寧波電動(dòng)汽車充電站實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的仿真與監(jiān)控。

（5）利用ANYLOGIC模擬各種方案和區(qū)域充電狀態(tài)，核算不同環(huán)境下充電站的最優(yōu)定價(jià)策略。

圖1　優(yōu)化策略

1.2　Multi-agent仿真優(yōu)化算法

Multi-agent[9]仿真優(yōu)化算法的出發(fā)點(diǎn)是系統(tǒng)中的微觀個(gè)體，個(gè)體具有一定的自治性、智能性和適應(yīng)性，這些個(gè)體稱為代理（agent）；多個(gè)代理相互作用，形成基于代理的模型；以多代理模型為中心，所進(jìn)行的仿真活動(dòng)為多代理仿真。本文研究涉及的代理包括充電站、電動(dòng)車、形成區(qū)域。

此處采用基于Multi-agent仿真的優(yōu)化算法，運(yùn)用ANYLOGIC仿真軟件，構(gòu)建3個(gè)模塊：包含區(qū)域用戶需求與各充電樁節(jié)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下多代理的實(shí)時(shí)仿真模型；基于仿真模型的單目標(biāo)優(yōu)化模型。

2　充電站實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)仿真模型構(gòu)建

根據(jù)優(yōu)化策略和優(yōu)化算法，以需求價(jià)格函數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建分時(shí)定價(jià)模型和分區(qū)域定價(jià)模型。其中分區(qū)域定價(jià)為寧波十區(qū)縣實(shí)施不同的充電價(jià)格，分時(shí)定價(jià)為每日實(shí)施峰段和谷段的充電價(jià)格。

2.1　數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

構(gòu)建充電站定價(jià)策略模型需要充電站編號(hào)、充電站地址（包含充電站經(jīng)緯度）、充電樁類型（直流或交流）、單位電量成本、單位電量售價(jià)、最大充電量、電動(dòng)汽車保有量等有效數(shù)據(jù)。結(jié)合當(dāng)前充電站運(yùn)營(yíng)情況，構(gòu)建充電樁、充電站、充電樁運(yùn)營(yíng)3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)[10]。數(shù)據(jù)庫(kù)為此處研究的基礎(chǔ)，也是模型建立和仿真模型搭建的重要支撐。

2.2　模型構(gòu)建

2.2.1分區(qū)域定價(jià)

（1）需求挖掘。

結(jié)合已收集的數(shù)據(jù)和《寧波市電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)施方案》，對(duì)寧波各區(qū)縣電動(dòng)汽車保有量與充電站數(shù)量進(jìn)行對(duì)比分析。由于充電站數(shù)量與電動(dòng)汽車數(shù)量的量級(jí)差異巨大，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)分析[11]，并選取充電站為基數(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車數(shù)量進(jìn)行修訂，形成各區(qū)域充電站數(shù)量與電動(dòng)汽車配比圖（見圖2）。由圖2可以看出：江北區(qū)的充電站數(shù)量較多，供給相對(duì)充足；寧海區(qū)和慈溪區(qū)的充電站數(shù)量較少，供給略顯不足。不同區(qū)域?qū)Τ潆姌兜男枨蟛煌?，為分區(qū)域定價(jià)提供了依據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理及模型建立。

圖2　各區(qū)域充電站與電動(dòng)車數(shù)量配比

通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，建立各區(qū)域需求價(jià)格函數(shù)[12]：

式中：D為電動(dòng)汽車需求量；M為區(qū)域電動(dòng)汽車保有量；p為最優(yōu)價(jià)格；a為系數(shù)，通過(guò)求解得到。

建立利潤(rùn)最大化函數(shù)[13]，目標(biāo)函數(shù)：

此函數(shù)中M，a，c均為常數(shù)（其中c為購(gòu)電成本，是固定值），因此該函數(shù)為p關(guān)于π的二次函數(shù)， 求導(dǎo)后取最大值（π′（p）=0時(shí) p最大）則為各區(qū)最優(yōu)定價(jià)，結(jié)果見表1。

表1　各區(qū)域最優(yōu)定價(jià)

根據(jù)利潤(rùn)最大化函數(shù)，優(yōu)化后各區(qū)域充電價(jià)格均有不同幅度提高（見圖3）。以江北區(qū)為例，優(yōu)化前充電價(jià)格為1.2元/kWh，優(yōu)化后充電價(jià)格為1.42元/kWh，提高18.3%。

圖3　各區(qū)域充電價(jià)格變化

2.2.2分時(shí)定價(jià)

（1）需求挖掘。

以海曙區(qū)為例分析分時(shí)定價(jià)需求。通過(guò)數(shù)據(jù)分析（見圖4），表明海曙區(qū)電動(dòng)汽車日需求符合正態(tài)分布曲線[14]。白天8∶00開始進(jìn)入充電高峰期，14∶00達(dá)到最高點(diǎn)后開始下降；夜間18∶00后，電動(dòng)汽車逐步回到充電位，進(jìn)入夜間充電高峰，19∶00到達(dá)最高值后逐步降低。由此可知，不同時(shí)間段充電需求不同，驗(yàn)證了分時(shí)定價(jià)的必要性。

圖4　海曙區(qū)充電車量日需求分布

（2）數(shù)據(jù)處理及模型建立。

建立利潤(rùn)最大化函數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)為：

式中：π為當(dāng)前利潤(rùn)函數(shù)；πt為分時(shí)優(yōu)化后的利潤(rùn)函數(shù)；D為電動(dòng)汽車單日需求量，D=D1+D2；D1為峰時(shí)需求量；D2為谷時(shí)需求量；p1為峰時(shí)價(jià)格；p2為谷時(shí)價(jià)格；C為充電成本；α為峰谷需求比；γ為峰谷需求轉(zhuǎn)移率；ΔD為谷峰需求轉(zhuǎn)移量；Δp為谷峰電力差價(jià)。

找到Δp，p1，p2的最優(yōu)組合，使優(yōu)化后利潤(rùn)最大，因?yàn)樯婕?個(gè)變量，無(wú)法用數(shù)學(xué)公式直接求導(dǎo)計(jì)算，因此采用仿真算法進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證，求解最優(yōu)值。

3　基于ANYLOGIC對(duì)定價(jià)策略方案的效果展示

ANYLOGIC[15]是一款應(yīng)用廣泛的對(duì)離散、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多智能體和混合系統(tǒng)建模和仿真的工具，其應(yīng)用領(lǐng)域包括物流、行人交通仿真、行人疏散、城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)、Petri網(wǎng)（對(duì)離散并行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示）、城市發(fā)展、業(yè)務(wù)流程、GIS（地理信息系統(tǒng)）信息等。它以最新的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論為基礎(chǔ)，是第一個(gè)將UML語(yǔ)言引入模型仿真領(lǐng)域的工具，也是唯一支持混合狀態(tài)機(jī)這種能有效描述離散和連續(xù)行為語(yǔ)言的商業(yè)化軟件。

3.1　仿真模型構(gòu)建

基于多主體的仿真模型（Multi-agent Simulation Model）的構(gòu)建依托于Anylogic仿真軟件。模型包括用戶界面、仿真主界面以及各主體仿真界面3個(gè)板塊。在用戶界面（圖5），用戶可以在仿真開始前設(shè)置基本仿真參數(shù)，包括選擇仿真區(qū)域、設(shè)置需求的年增長(zhǎng)率、設(shè)置充電單位成本及收益等，然后進(jìn)入仿真主界面。主界面是仿真模型的主體，所有仿真結(jié)果在主界面呈現(xiàn)。各個(gè)主體的仿真界面（圖6）包含了仿真模型實(shí)現(xiàn)的基本公式、各主體間互動(dòng)實(shí)現(xiàn)的算法、數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)入等。通過(guò)3個(gè)板塊的互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)仿真前基本數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和參數(shù)設(shè)置、仿真過(guò)程中的動(dòng)畫演示以及仿真結(jié)束后的結(jié)果呈現(xiàn)。

圖5ANYLOGIC用戶界面

圖6ANLOGIC主體仿真界面

3.2　仿真效果

3.2.1分區(qū)域定價(jià)效果

依據(jù)利潤(rùn)最大化函數(shù)，以海曙區(qū)為例，優(yōu)化前充電價(jià)格為1.6元/kWh，年利潤(rùn)為305 348.1元，優(yōu)化后海曙區(qū)充電價(jià)格為1.8元/kWh，年利潤(rùn)為307 179.9元，同比增長(zhǎng)0.6%。

3.2.2分時(shí)定價(jià)效果

依據(jù)仿真模型運(yùn)算，峰谷價(jià)格差最大時(shí)收益最大。統(tǒng)計(jì)寧波地區(qū)充電價(jià)格可知，最高價(jià)格為2元/kWh。在當(dāng)前為1.6元/kWh的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，分時(shí)定價(jià)最優(yōu)解為峰值2元/kWh，谷值1.2元/kWh，固定定價(jià)時(shí)全年總利潤(rùn)為3 134 307.925元，分時(shí)定價(jià)后全年總利潤(rùn)為4 489 684.325元，同比增加43.2%，增效顯著。

在運(yùn)行界面也可以設(shè)定各區(qū)域最優(yōu)定價(jià)，從而將分區(qū)域定價(jià)和分時(shí)定價(jià)聯(lián)動(dòng)起來(lái)，更準(zhǔn)確地為充電站運(yùn)營(yíng)提供參考。

4　結(jié)語(yǔ)

以寧波電動(dòng)汽車充電站為研究背景，在現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)模式的基礎(chǔ)上，研究不同定價(jià)策略[16]對(duì)電力企業(yè)電動(dòng)汽車充電業(yè)務(wù)的影響。結(jié)果顯示，制定不同區(qū)域的充電定價(jià)和峰谷充電價(jià)格，不僅有利于引導(dǎo)用戶選擇充電時(shí)間，提前選擇適合的充電站，優(yōu)化電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，而且有利于提升充電站利用效率，提高充電業(yè)務(wù)營(yíng)業(yè)收入。