《Renewable Energy》：Integrated Planning of Supercharging Networks for Port Drayage Electrification: A Transportation-Power System Coordination Approach
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港口拖车电动化需协调充电设施与电网规划，提出时空充电需求模型与双层优化框架，上层数据传输成本，下层数据耦合网络均衡，通过LMP价格信号引导充电需求转移，案例显示平均LMP降低54.53%，总社会成本减少7.66%，形成多中心基础设施布局。
苗洪志|王俊鹏|吴家宇|张翔|甘卓贤|李新伟|贾洪飞|范后明
大连海事大学交通运输工程学院，中国辽宁省大连市116026
摘要
港口牵引作业的电气化需要广泛的超级充电基础设施，然而电动牵引卡车（EDTs）产生的高功率负荷对配电网络造成了显著的压力。本文提出了一种综合规划方法，该方法协调超级充电基础设施的部署与电力系统的约束。首先开发了一个空间充电需求模型，以描述在不同运营模式下集装箱运输任务和车队充电行为的异质能源消耗。然后构建了一个双层优化框架：上层优化旨在最小化运输和能源领域的总社会成本，而下层则通过Wardrop原则实现充电站选择和电力调度的耦合网络均衡。位置边际定价（LMP）作为耦合机制，传递空间价格信号，以重新分配充电需求，因为集中负荷会改变电力流动。案例研究结果表明，与仅考虑运输的规划相比，协调方法使平均LMP降低了54.53%，总社会成本降低了7.66%。优化的基础设施呈现出多中心拓扑结构，将容量战略性地从拥堵的港口区域转移到电网条件更好的铁路枢纽和内陆中心。敏感性分析表明，在中等电气化水平下，协调效益最为显著，为分阶段投资基础设施提供了关键指导。
引言
集装箱卡车，或称牵引卡车，对全球供应链至关重要，负责在港口和多模式物流枢纽之间运输货物[1]。与仅在港口范围内运行的终端牵引车不同，牵引卡车负责在港口和周围的物流节点（如铁路场和配送中心）之间运输集装箱[2]。研究表明，全球主要港口80%以上的道路集装箱运输发生在30-150公里半径范围内，通常位于大都市区内，如图1所示[3]。这种高密度、高频率的运输模式产生了大量的环境外部性[4]。
车队电气化已成为一项关键的脱碳策略，全球范围内的雄心勃勃的政策正在加速这一转变。加利福尼亚州规定从2024年起新牵引车辆必须实现零排放注册，并目标是在2035年前实现完全电气化[5]。中国港口也追求类似的目标；例如，舟山港到2024年已部署了160多辆电动车辆[6]。然而，在高强度运营条件下，续航里程和充电时间的限制仍然阻碍了EDTs的大规模采用[7]。
超级充电技术为这些障碍提供了一个有前景的解决方案[8]。由于每个充电器的功率可达350千瓦，超级充电可以满足配备大容量电池组（例如450千瓦时）的EDTs的快速能量补充需求[9]。如表1所示，与电池更换相比，超级充电在技术成熟度、设备通用性和资本要求方面也具有优势[10]。这些特性使超级充电基础设施成为牵引卡车电气化的关键推动因素。
然而，大规模超级充电的部署对电力系统提出了重大挑战。与分散的乘用车充电不同，牵引作业在特定的时空位置产生集中的高功率需求[11]。不当的设施布局可能通过线路过载和电压违规危及配电网络的安全[12]。这一挑战还因时间上的严重不对称性而加剧：电网升级需要5-15年的时间，而充电设施可以在1-2年内部署完毕[13]。这种差异要求在规划过程中进行全面的交通-电力系统协调，以防止资产闲置并确保电网稳定。
尽管关于EV充电基础设施规划的研究很多[14]，但现有研究主要针对乘用车或公共交通[15]。港口牵引作业具有独特的需求模式和服务要求[16]。特别是，集装箱运输任务的异质性，包括载荷状态、路线距离和行驶频率的变化，导致了高度可变的能源消耗特征[17]。相关研究主要关注可再生能源集成站设计[18]和电网侧协同规划[19]，而针对港口牵引作业的均衡充电及其与拥堵和价格反馈的结合仍鲜有探索[20]。
为了解决这些独特的运营特性，并结合现实的电网约束，本研究开发了一种EDT超级充电基础设施的综合规划方法（图2）。通过明确建模港口牵引和电力分配网络之间的相互作用，所提出的方法在运营效率与电网可靠性之间取得了平衡。主要贡献包括：
(1)开发了一种针对电动牵引作业的充电需求分布模型。该方法捕捉了独特的港口牵引模式，包括进出口作业之间的任务链式连接、载荷依赖的能源消耗以及充电需求在物流节点附近的空间聚集。
(2)通过互补条件构建了一个耦合网络均衡模型，捕捉了港口牵引和电力网络之间的双向相互作用。该模型揭示了LMP变化如何产生空间价格信号，从而重新分配充电需求，同时集中负荷会改变电力流动和发电调度。
(3)建立了一个双层优化框架，以协调多个利益相关者的利益。该框架同时考虑了运输企业的运营成本、充电运营商的投资回报以及电力公司的电网管理目标，包括排队动态、后续任务的可达性和时间敏感的交付要求。
(4)使用来自一个主要港口的真实运营数据进行的案例研究定量证明了协调规划的优越性。优化的基础设施呈现出多中心拓扑结构，将容量从拥堵的港口区域转移到电网条件更好的铁路枢纽和内陆中心。
本文的其余部分组织如下。第2节回顾相关文献。第3节提供问题概述。第4节开发协调规划方法。第5节展示数值研究。第6节总结关键发现和未来研究方向。
部分摘录
港口牵引作业中的电动重型卡车
重型货运运输的电气化在港口牵引应用中带来了独特的运营挑战。钱等人（2024年）表明，400公里的电池续航里程可以满足中国近90%的连续卡车驾驶需求[21]，而程和林（2024年）发现在美国州际走廊上使用电动卡车在技术上是可行的，但由于充电限制，行驶时间需要延长16-32%[22]。对于港口牵引而言，这些时间损失
问题概述
图3展示了电动港口牵引系统背后的耦合交通-电力网络架构。该系统整合了电力分配网络和配电线路，以及港口牵引网络，其中包含运输节点和路径。充电站作为关键的耦合点，通过专用变压器同时作为运输基础设施和并网负载。
当EDTs需要快速补充能量时
异质运营下的空间充电需求分布模型
港口牵引作业表现出由货物流向和集装箱装载状态决定的结构化模式。如图4所示，这些作业被分为进口和出口任务，每个任务包括两个连续的动作。
进口任务涉及将装载好的集装箱从港口终端运送到收货人处，然后将空集装箱返回指定的仓库。相反，出口任务则从仓库向发货人提供空集装箱以装载货物
实验设置和数据准备
本研究考察了位于东北亚的主要国际航运枢纽——大连港，该港口每年处理超过1000万个标准箱（TEU）的货物。如图5所示，该港口的收集和分配系统具有典型的多层次空间结构，为耦合网络分析提供了理想的试验平台。
分析使用了2023年工作日高峰时段（8:00-12:00 AM）的运营数据，此时密集的牵引活动与电网最大负荷同时发生，从而最大化了交通-电力
结论
本研究开发了一个用于EDT超级充电基础设施规划的双层优化框架，明确模拟了港口牵引和电力分配网络之间的双向相互作用。主要发现总结如下：
总体而言，协调规划方法实现了系统范围的显著改进。与基线策略相比，总社会成本降低了7.66%，平均LMP降低了54.53%，有效缓解了由集中负荷引起的电网压力
CRediT作者贡献声明
贾洪飞：验证、调查、资金获取。范后明：项目管理、资金获取、正式分析、概念化。王俊鹏：撰写——审阅与编辑、可视化、软件、方法论。吴家宇：撰写——审阅与编辑、可视化。苗洪志：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、数据整理、概念化。甘卓贤：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取。李新伟：撰写——
利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52302387）、教育部人文社会科学基金（项目编号：23YJC790101）、辽宁省社会科学规划基金（项目编号：L21CGL008/L21CSH002）以及辽宁省经济社会发展研究项目（项目编号：2025lslqnkt-048/2025lslqnwzzkt-005）的支持。
