夏江琳

(華北電力大學 經(jīng)濟管理系，河北 保定 071003)

0 引 言

新能源汽車的興起，能源、汽車革命的新時代正在來臨，為了電動汽車產(chǎn)業(yè)能在消費者市場被廣泛接受，提高電動汽車的便利性迫在眉睫，而對于電動汽車最根本的問題就是續(xù)行里程不足的問題。因此，充電站的選址問題將會影響消費者用戶的使用感受和購買意愿，從而影響新能源電動汽車的推廣。

目前，電動汽車充電站的選址問題得到了各界學者的更多關(guān)注。孫秉珍等[1]構(gòu)建出基于p-median的“預選址”模型和修復調(diào)整策略的“增建選址”模型，引入?yún)^(qū)間模糊集理論,得到選址最優(yōu)方案。劉子瀟[2]從自然環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境、電網(wǎng)條件三個方面對電動汽車充電站選址進行決策。Tohid等[3]針對不同電壓等級的充電站，考慮位置、優(yōu)先級和基建等的算法進行決策。Karolemeas等[4]采用主題分析法和AHP法，構(gòu)建了空間模型函數(shù)，探究充電站區(qū)位選擇的關(guān)鍵因素。邵賽等[5]通過變換權(quán)重實驗，探究距離因素和充電容量因素對選址決策的影響。賈龍等[6]通過改進P中心定位法，以總成本最小化為目標構(gòu)建線性規(guī)劃模型，從而優(yōu)化現(xiàn)有充電站規(guī)劃方案。羅清玉等[7]通過構(gòu)建雙目標規(guī)劃模型, 確定建設成本和充電成本兩個目標函數(shù)關(guān)系，求解最優(yōu)方案。

綜上所述，在新能源經(jīng)濟和電動汽車產(chǎn)業(yè)的雙重背景下，探究電動汽車充電站選址的問題必不可少，多目標的模糊層次分析法在各領(lǐng)域的選址研究中廣泛應用。本文基于模糊層次綜合評價法，對新能源電動汽車充電站的備選地址方案展開分析，從充電覆蓋范圍最大化、建設總成本和用戶廣義充電成本最小化三個方面建立目標函數(shù)，分別對應交通流量、成本效益和電網(wǎng)適應性等角度構(gòu)建三層指標系統(tǒng)，通過決策計算，找出最優(yōu)方案。

1 問題假設及目標函數(shù)

1.1 問題假設

(1)需求點間通勤路線固定，充電站點所有信息公開透明；

(2)對象均為類型相同的純電動汽車，且充電站點足夠滿足消費者市場的所有需求，保證消費者不會因為偶然因素放棄充電；

(3)充電站內(nèi)充電設施類型分為慢速和快速兩種，每個充電需求有且僅有一個充電站完成服務；

(4)研究時間為電動汽車利用率較高的工作日，研究對象為商業(yè)區(qū)、居民區(qū)和環(huán)路的用戶。

表1 參數(shù)說明

1.2 目標函數(shù)

1.2.1 建設總成本(對應成本效益指標)

站點建設的總成本主要由土地使用成本、建造成本(固定資產(chǎn)的購置和安裝)和使用維護成本[7]。

(1)

S.T.

CT≤Cmax

(2)

(3)

min(R(k1),R(k2))≤θ·dk1k2≤R(k1)+R(k2)

(4)

(5)

式(2)～(5)為約束條件：式(2)表示成本約束，充電站建設成本應小于等于投資方可投入的最大成本；式(3)表示需求約束，該地區(qū)所有充電節(jié)點的容量不應小于該地區(qū)電動汽車的總充電需求；式(4)表示距離約束，兩個相鄰充電站間的距離應大于兩者覆蓋半徑的較小的充電站，小于兩個相鄰充電站覆蓋半徑和；式(5)表示用戶可接受的最大繞行距離TDh大于等于需求點h和備選節(jié)點k間的距離時，才會選擇去備選節(jié)點k處充電。

1.2.2 最大化充電覆蓋范圍(對應交通流量指標)

充電覆蓋范圍最大化，其實就是考慮容納更多的車輛充電需求，該區(qū)域新能源汽車保有量、流通量，以及該站點附近公共交通情況，進出站口是否便利都將影響充電站的利用率。目標函數(shù)選取覆蓋范圍，包括充電站點的覆蓋面積以及車流量[7]。

1.2.3 用戶廣義充電成本(對應電網(wǎng)適應性指標)

用戶廣義充電成本指電網(wǎng)給充電站的供給能力和方便性、用戶在需求地和充電站點往返通勤所耗費的時間，通過參數(shù)轉(zhuǎn)化為實際價值，同時設置懲罰成本。上述取值與電網(wǎng)負荷、通電效率和充電站點覆蓋面積有函數(shù)相關(guān)性。對于用戶而言，所有充電站點的計劃外損耗相同，不予以考慮。設定剛性需求用戶的Bmjd=∞，表示該用戶在任何情況下都會選擇優(yōu)先充電[7]。

2 層次分析法確定權(quán)重

2.1 影響因素分析

新能源汽車充電站選址是指在居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、環(huán)路等區(qū)域內(nèi)從現(xiàn)有空閑電力交通站點中選擇若干處對所處范圍內(nèi)新能源汽車車流電量進行補給，從而輔助新能源汽車產(chǎn)業(yè)升級，滿足消費者使用需求。該決策涉及多因素考量，主要從下列幾項進行選址決策：

①交通流量，對應充電覆蓋范圍最大化的計算，主要指選址周邊的布局和進出站便利情況，包括區(qū)域電動車保有量，例如該充電站點輻射范圍內(nèi)，居民人均持有電動汽車數(shù)量；公共交通設施情況，例如地鐵站、公交站距離附近商圈的便利程度。

②成本效益，對應建設總成本最小化的計算。主要指充電站的投資成本，包括土地使用成本，即購買土地使用權(quán)的價稅和；充電站建造成本，例如充電站基礎建筑費用以及配套輔助固定資產(chǎn)的總支出；運營維護成本，例如充電站點正常運作產(chǎn)生的管理費用、銷售費用等。

③電網(wǎng)適應性，對應用戶廣義充電成本最小化的計算。包括電網(wǎng)最大負荷能力，例如充電站點的最大用電負荷；電網(wǎng)高峰配電效率，例如用電高峰期電力輸配的難易程度。

2.2 層次結(jié)構(gòu)模型

針對各影響因素的分析結(jié)果，建立相關(guān)層次模型，如圖1所示：

圖1 新能源電動汽車充電站選址的層次結(jié)構(gòu)模型

2.3 建立判斷矩陣

采用對比量化標度法對上述相同準則層的因素進行兩兩比較，因素i和因素j的比較判斷為hij，構(gòu)建判斷矩陣[8]。

以保定一個區(qū)域為例進行充電站選址研究，假設3種方案如圖2所示。通過專家打分得出各項判斷矩陣，如表2～表5所示。

圖2 區(qū)域劃分的充電站選址方案

表2 目標層對準則層的判斷矩陣E

表3 準則層B1對基本層的判斷矩陣F

表4 準則層B2對基本層的判斷矩陣G

表5 準則層B3對基本層的判斷矩陣K

2.4 因素指標權(quán)重

由式(15)的方根法計算各判斷矩陣的權(quán)重，易得準則層對目標層的權(quán)重為：W(B1,B2,B3)=(0.105,0.637,0.258)

準則層對基本層的權(quán)重分別為：W(B11,B12)=(0.25,0.75)；W(B21,B22,B23)=(0.105,0.637,0.258)；W(B31,B32)=(0.75,0.25)。

2.5 一致性檢驗

按照下列步驟進行一致性檢驗。①計算最大特征值λmax；②按CI=(λmax-n)/(n-1) 計算一致性指標CI；③按表6查找相對應的RI；④按CR=CI/RI 計算一致性比例，若CR<0.1，則滿足要求，否則需進行適當修正。

表6 一致性指標RI取值

對目標層A對準則層的判斷矩陣E進行一致性檢驗，得λmax=3.0385，CR=0.0332<0.1，E可接受；準則層B1對基本層的判斷矩陣F進行一致性檢驗，得λmax=2，CR=0<0.1，N可接受；準則層B2對基本層的判斷矩陣G進行一致性檢驗，得λmax=3.0385，CR=0.0332<0.1，G可接受；準則層B3對基本層的判斷矩陣K進行一致性檢驗，得λmax=2，CR=0<0.1，K可接受。

對基本層的各影響因素進行總排序，計算得到其權(quán)重為：

W=W(Bi)×W(Bij)=(0.026, 0.079, 0.067, 0.406, 0.164, 0.194, 0.065)

3 模糊多目標決策

3.1 建立模糊判斷矩陣

新能源汽車充電站選址就是對選址備選方案進行計算、評估、決策，從而獲得最優(yōu)方案，具有一定的模糊性和主觀經(jīng)驗性，所以采用模糊多目標決策模型進行求解。

目前，對居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和環(huán)路等功能區(qū)模擬規(guī)劃三種選址方案，分別用X1、X2、X3表示。由此知，該模糊決策模型的方案集為X=(X1,X2,X3)。因素集為上述影響因素組成的集合U={B11, B12, B21, B22, B23, B31, B32}。記H={h1,h2,...,hm}，F(xiàn)(U)為相對應的模糊向量，hi表示權(quán)重，將上述結(jié)果代入得到，H={0.026, 0.079, 0.067, 0.406, 0.164, 0.194, 0.065}。

綜合計算模糊判斷矩陣R=(rij)m×n，其中rij表示第j個備選中第i個因素的取值，m表示集合量，n表示備選個數(shù)。

通過收集數(shù)據(jù)，加以分析，邀請專家。量化取分，獲得3個備選站點中各影響因素的指標及其取值，如表7所示：

表7 三種方案的因素指標值

上述指標值除定量外，也是定性的，需要計算相關(guān)隸屬度，標準如下：

①定性指標處理方法。根據(jù)9級標準對充電站建造成本、公共交通便攜情況、電網(wǎng)最大負荷能力、電網(wǎng)高峰配電效率的隸屬度進行賦值。9級標準由差到優(yōu)，分別賦值0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75、0.85、0.95。容易得到定性指標的判斷矩陣式(16)：

(16)

②定量指標處理方法。定量指標主要有建筑面積和區(qū)域電動車保有量，對應的值越大越好；而運營維護成本，數(shù)值越小越好。因此，需要先進行無量綱化處理，由式(17)計算三個因素的隸屬度，得到對應判斷矩陣式(18)。

(17)

(18)

③將定性、定量指標相結(jié)合得到模糊判斷矩陣式(19)。

(19)

3.2 模糊多目標決策

分別通過層次分析法和模糊決策法計算得到，權(quán)重向量H和模糊判斷矩陣R，將其加權(quán)平均后得出：B=H×R=(b1,b2,…,bn)=(0.367,0.610,0.415)。通過計算，基于模糊多目標決策方法，將B作為決策向量，用于評價備選方案，maxbj=0.61，對應X2，方案2即為最優(yōu)充電站選址。由計算結(jié)果可以說明，成本效益在充電站選址決策中更富有關(guān)鍵意義，各區(qū)域選址應首先考慮經(jīng)濟性因素，而后針對電網(wǎng)適應性和交通流量進行綜合考量，進一步針對方案評價結(jié)果進行調(diào)整，以尋求最優(yōu)策略。

4 結(jié) 語

考慮到充電站的高投入、電動汽車用戶的分散性，以及電網(wǎng)輸送難度和用戶接受度，本文制定了三個目標函數(shù)：最小化總成本、最大化覆蓋充電范圍和用戶廣義成本，探討如何有效規(guī)劃充電設施的位置及容量，更有效地完善電動汽車充電設施，以滿足日益增加的用戶充電需求。由于目前的充電基礎設施無法滿足高速上漲的充電需求，存在充電難、充電慢等問題，在這些問題的基礎上，本文考慮了電動汽車用戶充電時的選擇偏好，結(jié)合充電站建設成本較高的問題，利用充電站建設成本、覆蓋范圍、電網(wǎng)和用戶接收難度之間的規(guī)模效應，運用模糊決策和層次分析法的相關(guān)理論建立模糊多目標決策模型可以很好地解決充電站選址問題，給電動汽車充電站選址問題提供最優(yōu)方案。合理設置充電設施的位置及容量，避免用戶受到充電問題的困擾，在最大程度上提高用戶充電便利性，具有很好的實用性和合理性。