基于动态交通仿真的高速公路电动汽车充电站规划

导读

天津大学智能电网教育部重点实验室、中国电力科学研究院的研究人员葛少云、朱林伟等，在2018年第13期《电工技术学报》上撰文，针对已有研究无法计及路网中车辆出行需求时空动态变化的问题，提出基于动态交通仿真的高速公路电动汽车充电站规划方法。

首先，提出了基于路段传播模型LTM的高速公路动态交通仿真方法，实现交通流量时空分布的模拟和充电站电动汽车到达率的准确分析；其次，利用M/M/S排队论模型求取电动汽车的充电等待时间；再次，以最小化电动汽车日充电等待时间和最小化年建设运维成本为目标，考虑电动汽车充电需求、充电便捷性以及配电网容量等约束，建立了高路公路电动汽车充电站多目标规划模型，并基于多目标粒子群算法和VIKOR理论求解该模型得到最优规划方案；最后，通过环形高速路网验证了所提方法的实用性与有效性。

随着人们对环境的关注和国家政策的支持，电动汽车的渗透率不断提高。《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》指出，经测算，到2020年全国电动汽车保有量将超过500万辆[1]。完善的充电基础设施体系是电动汽车普及的重要保障。因此，科学规划充电设施对推广电动汽车应用至关重要。

现有关于电动汽车充电设施规划的研究主要集中在城市区域[2-4]。文献[5-9]将城市划分为不同的功能区域，然后利用出行链、停车生成率等模拟电动汽车的行为，研究充电负荷的时空分布，可以解决电动汽车在不同功能区之间转移停放时的充电负荷模拟，但屏蔽了路网的物理结构，无法考虑电动汽车在行驶过程中需要充电的情况。

路网和电网是能源互联网的关键组成部分[10]，而电动汽车作为一种交通工具，其在路网中行驶满足出行需求，在电网中充电获得能量补给，是路网和电网耦合的重要纽带。模拟规模化电动汽车在路网中的行驶特性对分析电动汽车行驶途中的充电负荷时空特性至关重要。

文献[11]将电动汽车作为路网和配电网的连接点，基于静态交通博弈建立了路网和配电网可靠性联合评估模型。文献[12]建立了基于马尔科夫链的交通仿真模型，并用于预测城市路网中快速充电站充电负荷。文献[13,14]在充电站规划过程中考虑了交通流量的相关因素。上述研究从不同角度计及了交通流量的影响，但是大多采用的都是静态交通流量。

高速路网采用全封闭、全立交、严格控制出入的运营模式，保证电动汽车在城市间行驶途中快速电量补给具有重要意义，部分文献对高速公路充电设施进行了研究。文献[15]基于电量分布和行驶里程分析了电动汽车经过充电站时充电的概率，以进入高速公路充电站充电电动汽车数量期望最大为目标建立了选址模型，通过排队论建立了充电站的定容模型。

文献[16]分析了电动汽车在高速路网中的充电需求分布，建立了高速路网电动汽车充电站布点优化的两阶段模型，已经实现了基于某一时间断面的车流量的规划模型，但未涉及动态车流的影响。文献[17]提出高速公路中动态车流的模拟方法，建立了高速公路充电站优化规划模型，但无法考虑二维路网中各路段间的相互影响，模型应用具有一定局限性。

综合来看，现有研究均未建立准确的路网动态交通仿真模型，一方面无法模拟电动汽车在路网中的行驶特性，另一方面无法考虑交通流量的动态变化和多起终（OriginDestination, OD）点的耦合影响。

针对上述情况，本文引入交通领域能计及复杂路网环境的路段传输模型（LinkTransmission Model, LTM），开展高速路网动态交通仿真以获得准确的车流量时空分布，并利用该仿真结果借助M/M/S排队论模型计算电动汽车充电站的服务指标，均衡考虑充电站建设方和电动汽车用户的利益，提出了高速公路充电站多目标规划模型及求解方法。

结论

本文提出了基于动态交通仿真的高速公路电动汽车充电站规划通用性方法，可以更加合理地规划充电站，主要贡献如下：

1）基于动态交通仿真预测充电站的电动汽车到达率，然后利用M/M/S排队论计算电动汽车等待时间。可以准确考虑不同城市OD对间的动态出行需求和典型交通流量特性对充电站电动汽车排队过程的时空影响。

2）将电动汽车充电等待时间和充电站建设运维成本最小作为两个利益主体的目标，应用多目标粒子群算法进行求解，并考虑充电站建设方的偏好，采用VIKOR理论对非劣解进行排序选择出最优充电站规划方案。所得规划方案可同时兼顾充电站建设投资成本和电动汽车的充电服务便捷性。

环状高速路网算例结果验证了本文所提规划方法的正确性与实用性。未来的研究工作将在该模型的基础上加入动态路径选择模型（DynamicRoute Choice Model DRCM）以实现城市路网动态交通仿真，并应用于城市路网环境中的途中充电模式的快速充电站规划和目的地充电站规划。

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