一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法技术

本发明专利技术涉及一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，具体执行步骤包括：步骤1，建立基础的包含不同类型电动汽车充电桩的电动汽车充电站最优配置模型；步骤2，对于已建立的电动汽车充电站最优配置模型运用两步等价法对模型进行优化；步骤3，对于基于两步等价法优化的电动汽车充电站最优配置模型运用二阶锥规划进行松弛优化。该方法提出并应用了两步等价法，在等价和一些精确松弛之后，所提出的优化模型已经转化为混合整数二阶锥规划(MISOCP)的类型，可以通过适当的数学方法有效地求解出最小年充电社会成本的电动汽车充电站规划方法。

A Mathematical Modeling Method for Optimal Allocation of Electric Vehicle Charging Station Based on Two-Step Equivalence Method

The present invention relates to a mathematical modeling method for optimal configuration of electric vehicle charging station based on two-step equivalence method. The specific implementation steps include: step 1, establishing the basic optimal configuration model of electric vehicle charging station containing different types of charging piles for electric vehicles; step 2, optimizing the established optimal configuration model of electric vehicle charging station by using two-step equivalence method; Step 3, the second-order cone programming is used to relax and optimize the optimal allocation model of electric vehicle charging station based on two-step equivalence method. After equivalence and some exact relaxation, the proposed optimization model has been transformed into mixed integer second-order cone programming (MISOCP). The charging station planning method of electric vehicles with minimum annual charging social cost can be effectively solved by appropriate mathematical methods.

【技术实现步骤摘要】
一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法
本专利技术属于电能计量
，涉及涉及一种电动汽车充电站规划建模方法，具体是一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法。
技术介绍
电动汽车作为传统化石燃料动力交通的巨大替代物，在过去的十年中引起了人们越来越多的关注，其中温室气体排放量低，能源利用效率高。基于这一背景，电动汽车的倡导者(如政府、汽车公司和能源公司)都在大力推进大众化。预计在可预见的未来，电动汽车的普及率将迅速增长。然而，与传统化石燃料车辆的快速加油不同，电动汽车充电活动需要适当的充电设施和一定的充电时间。这些不便是电动汽车行业蓬勃发展的全球痛点，从而给电动汽车的社会带来负面影响。在效率和缓解所描述的痛点的同时，电动汽车的最优规划成为一个非常重要的课题，优化配置方案能够以最小的社会成本满足不同车主的充电需求，从而促进电动汽车产业的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，本方法提出并应用了两步等价法，在等价和一些精确松弛之后，所提出的优化模型已经转化为混合整数二阶锥规划(MISOCP)的类型，可以通过适当的数学方法有效地求解出最小年充电社会成本的电动汽车充电站规划方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：具体执行步骤包括：步骤1，建立基础的包含不同类型电动汽车充电桩的电动汽车充电站最优配置模型；步骤2，对于已建立的电动汽车充电站最优配置模型运用两步等价法对模型进行优化；步骤3，对于基于两步等价法优化的电动汽车充电站最优配置模型运用二阶锥规划进行松弛优化。而且，所述步骤1中，基础的包含不同类型电动汽车充电桩的电动汽车充电站最优配置模型包括：(1)目标函数：其中，常量4、96分别代表一年四个季节和一天内含有的长度为15分钟的时间段，每一个季节平均拥有65.25个工作日和26个周末，共计768个时间段包含在上式中，(2)约束条件：包括(a)潮流约束：(b)电压幅值约束：(c)支路电流约束：(d)涉及电动汽车充电的人口平衡约束：(e)充电后行驶距离约束：(f)电动汽车充电站中充电设施的要求约束：(g)充电电能质量约束。而且，所述目标函数具体包括：(a)电动汽车充电站的年度投资成本CI：(b)年度电网加固成本CR：(c)电动汽车充电站的年度使用和维护成本CO&M：(d)每年的网络损失成本而且，所述约束条件具体包括：(a)潮流约束：(b)电压幅值约束：(c)支路电流约束：(d)涉及电动汽车充电的人口平衡约束：(e)充电后行驶距离约束：(f)电动汽车充电站中充电设施的要求约束：(g)充电电能质量约束。而且，所述(g)充电电能质量约束包含四种场景：场景1：每一种类的电动汽车充电需求可以被对应充电桩满足；电动汽车充电站总线j上的充电功率被表达为：场景2：部分SCF收费需求被转移到NCF，由于SCF的不足，NCF完全能够满足原来的需求和转移的需求:电动汽车充电站总线j上的充电功率被表达为：场景3：由于NCF的不足，部分NCF收费需求被转移到FCFs，同时FCF完全能够满足原有的需求和转移的需求:电动汽车充电站总线j上的充电功率被表达为：场景4：SCF不足以满足相应的计费需求，同时，NCF不能满足它们原来的和转移过来的需求的总合：电动汽车充电站总线j上的充电功率被表达为：而且，所述步骤2包括：(1)用大于或等于符号替换约束条件公式(22)，(24)，(26)和(28)中的等号不影响所提出的优化模型的最优解；(2)忽略前提条件约束条件公式(21)、(23)、(25)、(27)，直接将它们相应的约束加入到所提出的优化模型中并不会给最优解带来任何差异，模型变为：min(2)s.t.(7)-(20)(29)-(32)。而且，所述步骤3包括：标准SOCP问题由一个线性目标函数和一定类型的一些约束组成，包括二阶锥约束、线性等式约束和线性不等式约束，SOCP的标准形式描述为：minfTxFx＝g(33)为了使所提出的优化模型符合SOCP的标准形式，采用了下式中的变量替换：约束条件(a)(b)(c)转换为如下：此外，将(36)中的等号放宽为大于或等于符号：公式(42)在(43)中重新表示为标准的二阶锥，从而将所提出的优化模型转化为MISOCP型，模型变为：min(2)s.t.(12)-(20)(29)-(32)(37)-(41)(43)。而且，在建立基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法之前，首先建立一种生成电动汽车充电需求和负荷数据的模型，包括：步骤1：电动汽车停车行为建模；停车行为的需求包括三类区域：居住区、商业区和办公楼区，得到停泊在各类区域的电动汽车所需的分布曲线；步骤2：电动汽车充电行为建模；步骤3：负荷建模。而且，根据电动汽车充电行为的需求，规划三种充电设施：慢速充电设施(SCF)、常规充电设施(NCF)和快速充电设施(FCF)，所述电动汽车充电需求可分为三种类型，分别对应于SCF、NCF和FCF，充电需求的分类标准：本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术在规划阶段，我们认为多类型的收费设施是混合安装的，而这一新的因素在规划阶段亦有适当的考虑；2、本专利技术以最小化EV充电系统年化社会成本为目标，提出了一种确定EVCSS分配方案的优化模型；3、为了处理基于场景的电动汽车充电功率量化约束，提出并采用了两步等价性；4、利用精确的SOCP松弛将优化模型转化为MISocp类型，可以在多项式时间内有效地求解。附图说明图1是(A)住宅区；(B)购物区；(C)写字楼区电动汽车到达时间标幺值特征分布；图2是(A)住宅区；(B)购物区；(C)写字楼区电动汽车停车时间标幺值特征分布；图3是某一天电动汽车充电需求建模流程图；图4是不同情况的典型负荷概况：(A)住宅区的工作日；(B)居民区的周末；(C)购物区的工作日；(D)购物区的周末；(E)办公楼区的工作日；(F)办公楼区的周末；图5是正在研究的实用城市地区；图6是案例1下的最优电动汽车充电站规划方案；图7是与不同的电动汽车充电站规划方案相关的成本比较。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，该方法提出并应用了两步等价法，在等价和一些精确松弛之后，所提出的优化模型已经转化为混合整数二阶锥规划(MISOCP)的类型，可以通过适当的数学方法有效地求解出最小年充电社会成本的电动汽车充电站规划方法。为了实现上述目的，首先，提供一种生成电动汽车充电需求和负荷数据的模型，包括：步骤1：电动汽车停车行为建模；步骤2：电动汽车充电行为建模；步骤3：负荷建模。所述电动汽车的停车行为受到停车地土地利用的显著影响，此处考虑了三种典型的土地利用类型，即居住区、商业区和办公楼区，通过相应的历史数据，可以得到停泊在各类区域的电动汽车所需的分布曲线。图1展示了不同区域电动汽车典型分布到达数值曲线。图2展示了显示停车时间分布。为了提高所获得的分布曲线的准确性，对工作日和周末的统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：具体执行步骤包括：步骤1，建立基础的包含不同类型电动汽车充电桩的电动汽车充电站最优配置模型；步骤2，对于已建立的电动汽车充电站最优配置模型运用两步等价法对模型进行优化；步骤3，对于基于两步等价法优化的电动汽车充电站最优配置模型运用二阶锥规划进行松弛优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：具体执行步骤包括：步骤1，建立基础的包含不同类型电动汽车充电桩的电动汽车充电站最优配置模型；步骤2，对于已建立的电动汽车充电站最优配置模型运用两步等价法对模型进行优化；步骤3，对于基于两步等价法优化的电动汽车充电站最优配置模型运用二阶锥规划进行松弛优化。2.根据权利要求1所述的基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：所述步骤1中，基础的包含不同类型电动汽车充电桩的电动汽车充电站最优配置模型包括：(1)目标函数：其中，常量4、96分别代表一年四个季节和一天内含有的长度为15分钟的时间段，每一个季节平均拥有65.25个工作日和26个周末，共计768个时间段包含在上式中，(2)约束条件：包括(a)潮流约束：(b)电压幅值约束：(c)支路电流约束：(d)涉及电动汽车充电的人口平衡约束：(e)充电后行驶距离约束：(f)电动汽车充电站中充电设施的要求约束：(g)充电电能质量约束。3.根据权利要求2所述的基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：所述目标函数具体包括：(a)电动汽车充电站的年度投资成本CI：(b)年度电网加固成本CR：(c)电动汽车充电站的年度使用和维护成本CO&M：(d)每年的网络损失成本4.根据权利要求2所述的基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：所述约束条件具体包括：(a)潮流约束：(b)电压幅值约束：(c)支路电流约束：(d)涉及电动汽车充电的人口平衡约束：(e)充电后行驶距离约束：(f)电动汽车充电站中充电设施的要求约束：(g)充电电能质量约束。5.根据权利要求4所述的基于两步等价法的电动汽车充电站最优配置数学建模方法，其特征在于：所述(g)充电电能质量约束包含四种场景：场景1：每一种类的电动汽车充电需求可以被对应充电桩满足；电动汽车充电站总线j上的充电功率被表达为：场景2：部分SCF收费需求被转移到NCF，由于SCF的不足，NCF完全能够满足原来的需求和转移的需求:电动汽车充电站总线j上的充电功率被表达为：场景3：由于NCF的不足，部分NCF收费需求被转移到FCFs，同时FCF完全能够满足原有的需求和转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，李晓辉，赵新，徐亮，刘伟东，刘小琛，梁彬，陈彬，刘洋洋，谢秦，赵庆来，邹琪，杨光，李丹，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司电力科学研究院，国网天津市电力公司，国家电网有限公司，北京国网普瑞特高压输电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12