基于排队论的电动汽车快速充电预约服务优化策略

基于排队论的电动汽车快速充电预约服

务优化策略

摘要：随着国家大力推动新能源汽车行业的发展，电动汽车保有量逐年增加，大量电动汽车的充电需求对配电网提出了新的要求。电动汽车作为当前配电网中

的一种特殊负荷，与传统负荷不同，其具有充电时间不确定性、充电位置不确定

性以及用户驾驶行为不确定性等特点，大量电动汽车在电网中进行无序充电，必

然会影响电网安全可靠性运行。大规模的电动汽车接入配电网后，电动汽车用户

负荷曲线将与配电网原有的固负荷曲线叠加后将改变原配电网的负荷水平和负荷

特性，大量电动汽车的充电需求会对配电网提出新的要求。本文对基于排队论的

电动汽车快速充电预约服务优化策略进行分析，以供参考。

关键词：电动汽车；排队论；快速充电；优化策略

引言

随着化石能源的枯竭与大量使用化石能源而造成环境污染和全球变暖，电动

汽车相较于传统化石燃料汽车有低排放、能源利用率高等优点，因而受到了多国

政府的关注，而且出台了相关政策推动电动汽车产业的发展。据《中国传统燃油

车推出时间表研究》报告，中国有望在2050年前实现传统燃油车的全面退出。

全国不少城市已经开始在公交车、出租车等领域启动“禁燃”工作。根据规划，

先在全国重点地区试点实行公交车电动汽车化，进而实现全国的燃油出租车、公

交车被电动汽车取代。

1排队论的电动汽车充电站选址

城镇化快速发展与人民生活水平的提高让燃油汽车(ICE)基本走进每家每户，加重燃料依赖和空气污染，由此造成能源短缺和环境恶化。于是各国广泛关注新

能源，新能源汽车成为其重要应用，其中电动汽车(EV)能有效减少碳排放量。快

速充电方式因有效缓解“充电慢”痛点而成为补能首选，快速充电站因提高电动

汽车在城市间的机动性而被用户青睐。我国发布了《新能源汽车产业发展规划(2021－2035年)》等一系列政策，车辆保有量逐年激增带来的巨大电力需求突显

了充电设施建设的不充分和布局的不合理。因此，科学规划快速充电站的选址，

将有效缓解用户的里程焦虑与充电担忧，吸引更多的潜在人群购买电动汽车，逐

渐形成为双碳目标提供强大助力的繁荣市场。经典的设施选址模型分为基于点与

基于流的模型，前者有P－Median问题、P－Center问题和覆盖问题等基本模型;

后者提出的截流选址模型(FCLM)，而后扩展出流续航选址模型(FＲLM)等。因电

动汽车的充电需求可分“点需求”和“流需求”，故充电设施选址也应基于点或

流的模型研究。然而，基于流的选址模型对预测电动汽车保有量的精度要求较高，且在获取尽可能准确的概率分布模型上有难点，更适用于在高速网络上的充电设

施部署。对于城市内部的充电设施选址，认为使用基于点的模型更适合，且常从

成本的角度讨论。最小化充电站建设与运营商经营的成本之和，研究了不同类型

充电设施的建设总成本，杨磊等以用电成本、车辆出行成本、机会成本和惩罚成

本之和最小化为目标，在最大化运营商总利润等。但这些文献没有关注到使用者

及其满意度，其结果常难以满足用户需求。电动汽车充电站的优化研究除选址决

策外，还涉及定容问题，即决定所要安装充电桩的数量。任何一类服务设施都有

排队系统，学者基于排队论的思想来优化定容决策，其中M/M/c等待制排队模型

广泛应用于模拟电动汽车充电站排队系统。最小化车辆到充电站的平均行驶时间

和平均等待时间之和，研究如何通过找到合适的设施位置和相应服务台数，以在

承诺的响应时间内最大限度地满足需求。电动汽车充电站既是配电网的一部分，

也是公共服务设施，在进行充电站规划建设及相应的配电网升级改造时，不仅要

考虑配电网和充电站的投资运行成本，还要考虑充电站选址对于电动汽车用户以

及其他汽车用户产生的成本。

2基于排队论的电动汽车快速充电服务策略模型构建

2.1排队模型分析

由于窗口、资源的限制，医院挂号、银行办理业务、超市购物结账等排队现

象普遍。排队系统又称服务系统，由服务机构和服务对象（顾客）组成。一个排

队系统包括：输入过程、排队过程、服务过程、输出过程4个要素。排队系统的

好坏通常可用窗口服务强度、窗口的利用率、客户的平均等待时间、平均队列长度等指标来衡量。在电动汽车充电排队过程中，输入过程是电动汽车到达充电站的行为，由于顾客的到达数随机，假定服从参数为λ的泊松分布。电动汽车有多个充电桩，为便于研究，转化成单个服务窗口等待制系统。以最小化顾客的加权等待时间为目标，基于不同预约策略建立电动汽车快速充电预约排队模型。

2.2模型假设

（1）由于快速充电设施主要提供应急充电服务，在系统中不会轻易离开，属于等待制系统。（2）假定预约顾客均是理性的，能在预约时间内准时到达，预约顾客不会失约。（3）电动汽车预约排队系统和顾客源均无限的，不同顾客的到达时间相互独立，顾客的到达时间服从负指数分布。（4）为了避免顾客无休止的等待，确保系统的稳定性，单位时间内顾客平均到达人数小于单位时间内服务完成人数。（5）若将快速充电设施（充电站）看作一个服务台，即可将问题转化为仅有一个服务窗口对顾客进行服务的排队系统。（6）电动汽车公共充电桩充电电量冗余度满足需求。

结束语

本文通过对目前电动汽车快速充电普遍存在的两种预约排队方法，建立两种单队列的预约排队模型：普通预约排队模型和时间段优先预约排队模型。研究发现，时间段优先预约策略的效率优于普通预约策略，普通预约策略效率优于非预约策略。且时间段优先预约策略的加权等待时间随着预约顾客与非预约顾客比值的增加而逐渐递减，而普通预约策略的加权等待时间随着预约顾客与非预约顾客比值的增加呈现先减小后增大的趋势。因此，建立电动汽车快速充电预约服务系统很有必要，另外，比较两种预约策略可看出，应建立时间段优先的预约策略，并采取逐步增加预约顾客与非预约顾客的比例的措施，降低系统中所有顾客的加权等待时间，提高预约顾客的满意度。

参考文献

[1]李金韬.光伏储能系统在直流快速充电站中的应用[J].云南水力发

电,2021,37(11):10-13.