浅谈基于空间分析法的新能源汽车

摘要：新能源汽车逐渐进入大众的日常生活中,针对其充电桩在城市中因布局不合理、资源分配不均衡而造成的利用率低下等问题,本文以驻马店市充电桩为研究对象,利用地理信息系统(GIS)的空间分析技术,对驻马店市目前的充电设施布局进行分析,通过空间可达性分析选择合适的候选点,通过距离模型将两种方案进行对比分析,发现驻马店市公共充电桩的布局问题并提出建议。研究结果表明:驻马店市公共充电桩存在大量的服务空白区域,且候选点比现有公共充电桩距需求点的距离更近。论文研究结果可为驻马店市充电桩空间布局决策提供支持。

关键词　距离模型　空间分析　公共充电桩　新能源汽车

0引言

近年来,全球范围内对新能源汽车产业的推动力度不断增强,中国新能源汽车市场也呈现蓬勃发展的势头,在政策与市场的共同推动下,新能源汽车销量持续增长。然而,据中国充电联盟数据显示,充电基础设施建设滞后于新能源汽车数量增长的现状导致充电桩供需不平衡,公共充电桩服务空白区域的问题亟待解决。

在国内外部分学者关于充电桩布局选址的研究中,主要构建了充电桩的建设投资成本、充电桩的运营和维护成本、网损成本三者总成本的目标规划模型;考虑新能源汽车用户的行为习惯,以充电需求为衡量指标,利用免疫算法构建充电桩的布局规划;根据新能源汽车的用户实际要求、充电桩的投资资本等要素建立了城市快速充电桩的布局优化模型;主要考虑了运用快慢速充电桩的充电所需的时间差,构建了排队论研究模型;运用马尔可夫链和时空模型预测城市新能源汽车充电需求,探讨布局规划。

研究发现,国内外新能源汽车公共充电桩所面临的布局问题相似,本文结合公共充电桩类型、选址原则和用户需求等方面因素,通过GIS分析和布局优化,可有效减小候选点到需求点距离,从而解决充电困难和服务空白的问题,为新能源汽车发展提供理论支持。

1驻马店市公共充电桩布局现状分析

1.1　数据处理

本文以驻马店市新能源汽车公共充电桩为研究对象,通过高德地图API平台获取充电桩经纬度和边界坐标,利用PyCharm进行兴趣点(POI)处理。将数据导入ArcMap,统计驻马店市新能源汽车公共充电桩位置,见表1。

表1驻马店市新能源汽车充电桩分布情况表

1.2缓冲区分析

1.2.1影响因子分析

本文根据驻马店市充电桩的布局规划原则,以及充电桩本身的公共性质,主要选择了以下四项作为充电桩选址分析的单个因素:商场人流量大,电容大,适合建设充电桩;幼儿园校车多为电动车,建设快充桩提高接送效率;停车场具有公共性质,适合建设充电桩;公园自然基础好,空间宽阔,是建设大型公共充电桩的。

1.2.2　缓冲区的建立

通过线上收集驻马店市的所有公共设施的POI数据并筛选得到6万多条数据,只选取其中四类公共设施(商场、幼儿园、停车场、公园)进行缓冲区的建立,得到适合的数据,并将

其在GIS中可视化。根据驻马店市充电桩的布局规划原则,以及充电桩本身的公共性质,结合其余网络数据调查,大部分车主在充电结束后,再次步行到达充电桩取车的满意距离是1000m以内,两者间的步行距离越短越好,因此,对于停车场、幼儿园等有特殊需求的场所,将缓冲区半径设置在800m以内,百货商场、公园的缓冲区半径设为1000m。

通过缓冲区分析,对驿城区而言,有92%的现有公共充电桩处于四种缓冲区域的中心,但仍有少量现有公共充电桩零散分布在区域外,导致部分充电桩出现服务空白区域,造成资源浪费。

对百货商场而言,以1000m作为百货商场缓冲区的需求半径,在此需求范围内并未放置公共充电桩的现象在上蔡县和西平县北部有明显体现。

对公园而言,除了其余区县现有公共充电桩存在服务空白现象之外,在确山县中,并无现有充电桩出现在公园的需求范围之内。

1.3　叠加分析

以驻马店市为例,以充电桩为点元素,将其与原有的几个元素相结合,构建出一个新的元素图层,利用叠加在空间位置的空间特征信息和属性信息之间的相互关系,再结合对点元素的

提取,确定相应的图斑信息,充电桩就会产生新的空间属性关系和新的特征关系,并进行叠加分析。

任意两个缓冲区相交得出的黄色区域,可以得出有部分黄色区域内并无充电桩覆盖,而在其他地区,新能源汽车公共充电桩存在较大的服务空白区域,充电桩存在建设选址不合理的情况。

将百货商场、公园、幼儿园以及停车场四种需求点所构成的缓冲区进行相交,可以发现仍有大量新能源汽车公共充电桩并不在相交区域内,表明公共充电桩的服务范围并不覆盖四种缓冲区域相交所得到的需求范围,除驿城区主城区之外,其余区县均能看到明显的该现象,而驿城区主城区的公共充电桩覆盖情况明显高于其他地区。

1.4　分析结果

利用GIS的缓冲区分析与叠加分析,再结合四种需求点(百货商场、公园、幼儿园、停车场)的要求,通过上述方法,对驻马店市现有的新能源汽车公共充电桩进行布局分析,结果表明:驻马店市现有的新能源汽车公共充电桩中85%存在集中分布的情况,其余少量现有公共充电桩存在较大的服务空白区域,各个区域之间公共充电桩布局不平衡,存在资源浪费情况。

2驻马店市公共充电桩布局优化

2.1　现有公共充电桩的筛选

首先,以驿城区为例,筛选现有公共充电桩,利用OSM地图路网数据导入GIS,结合实际情况排除政府内部、物流园等弱公共充电桩。再排除暂停或不对外开放的充电桩,终选出14个新能源汽车公共充电桩作为研究对象,并通过Python爬取经纬度信息导入GIS中显示。

2.2　选取新建充电桩的候选点

同一类要素的缓冲区确定中心点时,其中心点在整个驻马店市的地图上出现,因研究区域仅选取在驿城区,且一类要素缓冲区只有一个中心点,因此为了保证同一类要素不同位置缓冲区的中心点计算的准确性,需要在前期把每个独立的缓冲区拆分成单个图层,再将每个独立的缓冲区利用叠置分析的相交功能依次进行叠加相交,即可得到独立的中心点,这样才能得到同一类要素中不同缓冲区的全部中心点,见表2。

表2需求因子缓冲区相交所确定的中心点数量表

通过四个缓冲区的相交,相交区域所得到的中心点即为适合建造驿城区充电桩的位置,即四交候选点。分别将其中三个缓冲区进行相交,相交区域所得到的中心点即为特别适合建造驿城区充电桩的位置,即三交候选点。利用两个因子相交得到的中心点即为较适合建造驿城区充电桩的位置,即二交候选点。单个因子则是一般的建造驿城区充电桩的位置。为了保证新建公共充电桩的候选点能够满足周围的需求,也是为了保证新建公共充电桩具有较高的公共性,因而只考虑二交、三交、四交缓冲区所确定的中心点,不考虑单个因子缓冲区所确定的中心点。

2.3　选取合适的需求点

公共充电桩设施选址过程复杂是多种因素综合影响的结果,不同种类的公共服务设施的影响因素相似。在前期布局分析时,提到了四种需求因子:百货商场、公园、幼儿园、停车场。为了方便做优化分析,通过查阅相关文献、网络采访数据统计以及实际走访,制定出该需求因子重要性强度值,见表3。这里选择有公共性质较强的百货商场和有特殊需求的幼儿园两种作为需求参考点,将驿城区内的百货商场和幼儿园单独提取出来作为本次布局优化的需求参考点。

表3需求因子的重要性强度

2.4空间可达性分析

空间可达性是一个与充电桩布局紧密联系的概念。简单地说,空间可达性是指从一个地点到达另一个地点的便利程度,它与起点、终点以及交通条件相关,通常用距离、旅行时间或旅行费用来表示。空间可达性在公共设施的空间规划中得到了广泛的应用。

空间可达性指标能更好地体现用户获得公共充电桩的便利程度和公平性,考虑公共充电桩布局规划需求点到充电桩的行驶距离,服务半径尽可能大,覆盖需求点数量越多越好。这些准则有助于提高公共基础充电设施的资源利用率和布局规划的可达性。

2.5　候选点的缓冲区分析

选取二、三、四种需求因子缓冲区相交的中心点,作为新建公共充电桩的候选点,根据河南省发布的《河南省加快电动汽车充电基础设施建设的若干政策》,其他城市核心区公共充电设施服务半径小于2km,在本次布局优化中,设置新建公共充电桩候选点的服务半径为2km,即做缓冲半径为2km的缓冲区分析。所有两种需求因子缓冲区相交的中心点在此称二交候选点,其缓冲区称二类缓冲区,因研究区域仅在驿城区,因此对驿城区之外的缓冲区域均采取切割操作。

2.6　距离模型

为了更好地采用空间可达性概念对新建公共充电桩的候选点进行布局分析,选取空间可达模型中的距离模型进行分析,距离模型是从需求点出发到达近公共充电桩的距离、时间或费用。对居民而言,距离是一个重要的阻碍因素。距离成本会影响居民对服务设施的选择。ArcGIS的邻近度分析能够确定离任何一个需求点。近的公共充电桩,并计算两者之间的距离。为了能够更准确地体现新建充电桩对需求点的服务公平性和便捷程度,在使用距离模型分析时,需提前对数据进行预处理,选取筛选后的数据进行对比分析。

需求点为百货商场时,二交、三交、四交候选点分别10个、5个、5个,所生成的二交、三交、四交缓冲区包括的百货商场的数量分别为15个、16个、33个,选取3号、9号、15号百货商场进行对比分析(表4)。

表4候选点和现有公共充电桩到需求点的距离对比表

由表4可知,表中“无”指当前缓冲区内并无该商场。二交、三交、四交候选点距3个百货商场的距离均小于驿城区现有公共充电桩距3个百货商场的平均距离,说明新建公共充电桩的便捷程度要高于现有公共充电桩。需求点为幼儿园时,二交、三交、四交候选点分别10个、5个、5个,所生成的二交、三交、四交缓冲区包括的幼儿园的数量分别为83个、84个、158个,选取192号、204号、205号、214号幼儿园进行对比分析(表5)。

表5候选点和现有公共充电桩到需求点的距离对比表(m)

由表5可知,二交、三交、四交候选点距4个幼儿园的距离均小于驿城区现有公共充电桩距4个幼儿园的平均距离,说明新建公共充电桩的便捷程度要高于现有公共充电桩。

3安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

3.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

3.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

3.4安科瑞充电桩云平台系统功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

3.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

3.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

3.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

3.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

3.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

3.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

3.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

3.5系统硬件配置

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000		安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D		额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D		额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S		额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S		额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。
	扩展模块ANet-485		M485模块：4路光耦隔离RS485
	扩展模块ANet-M4G		M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证
导轨式电能计量表	ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证
无线计量仪表	ADW300		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D		导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。
开口式电流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。
霍尔传感器	AHKC		霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。
智能剩余电流继电器	ASJ		该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。

4结语

实例表明,本文所运用的方法和模型对公共充电桩的布局优化是具有一定可行性和合理性的。本文剖析国内外充电桩的现状和影响要素,采用空间分析法对驻马店市新能源汽车现有公共充电桩布局进行分析。并且,将理论和实践联系起来,利用空间可达性分析原理,在分析新能源汽车公共充电桩现状的基础上,结合距离模型,探索优化新能源汽车充电桩布局的相关方案。根据本文测算结果,将在驿城区主城区的公共充电桩数量减少至20个,并重新规划公共充电桩的位置,可以有效减少现有公共充电桩出现服务空白的现象,也可以降低公共充电桩的建设成本与用电成本,避免资源浪费。本文的研究结果也可为优化驻马店市新能源汽车公共充电桩的布局提供一定的决策参考。

参考文献：

[1]鲁甜静 王科峰.充电桩计量重要性的评价基于空间分析法的新能源汽车公共充电桩布局研究

[2]王露. 城市纯电动汽车快速充电设施的布局选址优化模型研究

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

作者介绍：

闻什益，从事电气相关物联网系统研发工作，手机：[phone]（微信同号）

审核编辑 黄宇