基于组合赋权与TOPSIS的储能电站电池安全运行风险评价

随着相关技术的高速发展，电池在储能电站中的规模不断增大，但在安全方面面临着巨大的挑战。如韩国发生30多起储能电站事故、北京丰台区的储能电站火灾爆炸事故等，造成的影响深远，为我国储能电站后续发展敲响了警钟。电池的安全性不仅仅体现在本体材料、技术等层面上有所突破，做好运行风险管理同样重要。风险评价作为储能电站电池安全运行风险管理中的重要一步在现今的研究却较少，而评价的结果直接影响后续的风险控制，适当、准确的评价可以有效预防和减少事故的发生。本工作重点以现今储能电站较为常用的磷酸铁锂电池的运行为例进行安全风险评价，其他种类电池风险事件可互为参考。

（本文来源：微信公众号“储能科学与技术”ID:esst2012 作者：肖勇 徐俊 单位：上海电力大学）

评价的第一步需要对风险事件进行识别。郭海筱对全球多起电化学储能电站事故进行了统计，分析了事故发生时电池的不安全状态，提供了相关的消防安全措施建议，但也认为储能电站的安全管理制度并未完善，应做好安全风险的早期预警，从风险的源头上降低发生事故的概率。汝会通等的研究为电池的早期预警研究奠定了基础，提出应从电池本体、外部环境、运行管理等方面对造成电池热失控的中间演化过程进行监测来避免发展成事故，但对识别基本风险事件的方法并未进行详细描述。黄沛丰等利用了事故树的原理，以火三角模型为基础，得出了锂离子电池发生火灾的15种基本事件，通过结构重要度的分析显示，电池本体破裂、正极材料分解等电池本体风险因素尤为重要。康荣学等认为除了考虑电池本体材料安全性以外，对如何避免外部对电池的刺激、加强人员的安全技术培训、建立完善标准体系等方面也提供了建设性的意见。另外，为了及时控制险情和保障人员的安全，陈爱萍对电池舱火灾的特点及形势进行了分析，提出了火灾预防、火灾报警、扑灭火灾、灾后降温的消防系统启动策略。Fioravanti等通过列举分析比较了各国电池储能电站标准规范，指出了现有标准漏洞和风险识别的不足之处。Hill等研究了电池短路、BMS故障、级联保护缺乏、外部环境干扰以及可燃气体排放等对储能电站电池的影响并提出了解决的方案。以上研究为进一步完善电池风险因素评估和建立评价指标体系提供了理论支撑。

评价的第二步是选定评价方法。例如，许萍通过对TOPSIS的运用，以5个电力建设项目为例，对企业安全运行状况进行评价，找出了存在的薄弱点，对电力建设项目安全控制工作有指导意义。王立茹等选取了43个充电站，用AHP评分的方法对充电场所的整体情况进行了综合评估并针对结果对场所进行整改和监督，保障了充电安全。Jozi等为了识别发电厂在运行阶段存在的风险，使用德尔菲法设计了调查问卷，该研究通过熵权法确定客观权重、TOPSIS的方法对发电厂风险进行优先排序，并对重要风险进行了重点控制。另外，通过比较其他方法在类似电力项目上的应用所取得的成果，综合考虑储能电站电池运行的特点及方法的适用性后，本工作采用AHP与熵权结合TOPSIS来进行风险评价。

除了上述文献以外，很多风险研究虽然角度不同，但是都有针对各自项目建立指标体系，也采取不同的方法进行评价，但仍有其不足之处：首先，评价指标的建立大多比较主观臆断，没有对指标来源进行说明，有的指标在本质上是相似的，这对于后续评价结果的准确性会产生一定的影响。其次，选择指标权重的方法比较简单。单一的主观或者客观赋值都不足以较好地反映项目实际情况。最后，在评价方法的选择上，有的计算难度过大或者步骤过多，在实际的案例中较难运用，后续的推广性和衍伸性也较低。

鉴于此，本工作大量查阅关于项目事故的历史资料和相关的事故调查报告、咨询在类似项目上工作的风险管理人员，并梳理风险事故发生的逻辑关系，从而建立储能电站的评价指标体系。使用AHP和熵权法分别确定主客观权重并进行结合来克服单一方法造成的不足，然后用TOPSIS的方法得到各评价对象与理想值的相对接近度，并与量化的风险等级比较得出评价结果，提出存在的安全问题，希望能为将来电池储能电站进一步的安全评价提供参考。详细的风险评价计算流程见图1。

图1风险评价计算流程

1 储能电站电池风险评价指标体系的构建

纵观储能电站电池出现的安全问题，大多是因为电池本身存在瑕疵或者是由于外部影响导致的不安全状态。除此以外，电池的管理不恰当以及保护措施未到位也是发生事故的原因。而储能电站电池在使用期间又涉及两种状态：电池充放电状态和电池休止状态。把两种状态下影响安全的因素罗列出来并有效地进行结合，从而建立多指标评价体系，可以使评价体系更加简洁、直观。

把电池运行期间各风险因素进行简化，以最基本的因素表示储能电站电池最严重的问题，并进行安全状态的描述，见表1。以此进行归类后以储能电站电池安全运行风险评价为顶层目标，建立了6个一级指标和30个二级指标组成的评价体系，见图2。

表1电池安全风险、安全状态描述和主要来源

图2储能电站电池运行风险评价体系

2 AHP-熵权法确定权重

2.1 AHP方法确定主观权重

AHP法是由美国运筹学家A.L.Saaty于20世纪70年代创立的一种通过对决策方案中的若干因素两两比较确定方案相对重要度的评价方法，它比较合理地解决了主观权重建立的问题。分级采用9标度法，用1～9表示重要程度，标度的含义见表2。

表2标度及其含义

在求权重之前，必须对一致性进行检验，一致性检验的步骤为：（1）计算一致性指标

(1)

式中，为矩阵阶数，为最大特征值。最大特征值由Matlab R2017a计算得出。

（2）通过查找表3中对应的平均随机一致性指标

表3RI取值Table 3RIvalues

构造正互反矩阵，求得最大特征根的平均值，并定义

(2)

（3）计算一致性比例

(3)

如果<0.1，则可认为风险指标判断矩阵的一致性可以接受；否则需要对风险指标判断矩阵进行修正。

通过一致性后计算权重：

假设风险指标判断矩阵，则算术平均法求得的权重向量

(4)

几何平均法得到的权重向量

(5)

另外，还有常用的特征值法得到的权重向量是由矩阵得到最大特征值对应的特征向量，进行归一化后得到的。综上所述，层次分析法有多种求解方法，计算出的权重数值不尽相同，风险指标的主观权重误差会对后续评价结果产生较大影响，故为了使各数据计算结果保持一定的一致性和稳定性，本文取3种计算方法结果的平均值为最终AHP权重。

2.2 熵权法确定客观权重

熵权法是一种客观赋权的方法，熵值的含义是各方案同指标数据之间的变化程度越大，所反映的信息量也越大，其对应的权值也越大，反之亦然。假设表示造成事件可能发生的某种风险，表示这种风险发生的概率，可以定义：I()=-In[p()]，其中I()代表信息量。如果事件可能发生的风险分别为：,…，那么可以定义事件的信息熵

(6)

对于第j个风险指标而言，其信息熵的计算公式

(7)

那么信息效用值，信息效用值越大，信息量就越大。将信息效用值进行归一化后，得到每个风险指标的熵权

(8)

2.3 AHP-熵权组合权重

AHP风险判断矩阵的确定依赖于专家，由于本工作风险指标多，标度工作量较大，可能使专家的判断混乱。另外，存在某些争议性较大的风险指标，如运行环境中的相关指标等，判断情况容易产生较大分歧。而熵权法对于各储能电站风险指标值的离散程度有一定要求，对于变化较小的指标，客观权重计算结果不一定符合现实情况，如员工技能水平的硬性要求中都需要持有相关证书方能上岗，而这项要求基本都能达到。所以，采用AHP和熵权进行组合的方法来确定权重，在发挥各自优势的情况下，一定程度上削弱了主观偏差性和客观片面性。组合权重的计算公式如下

(9)

3 TOPSIS方法

TOPSIS法是由C L Hwang和K Yoon于1981年首次提出的综合评价方法，国内学者翻译为逼近理想解排序法，一般也叫作优劣解距离法。优点是对数据的利用率较高并且计算步骤简单，在风险评价中经常使用它来计算评价方案中的各项指标与正负理想值之间的差距进而进行风险方案的总体评分。TOPSIS方法计算的步骤如下。

（1）指标正向化所有的风险评价指标类型都要为极大型(效益型)，如果为极小型(成本型)指标，那么就需要进行转化。先找出某个极小型指标中的最大值，然后减去每一个储能电站或指标标准对应的该指标值即可正向化。如果该指标所有的值均为正数，那么也可以直接取倒数。

（2）消除量纲如果各项风险评价指标的单位有所不同，则需要对经过正向化的矩阵进行标准化处理以消除量纲的影响。标准化处理的计算方法如下：假设有个储能电站，个风险评价指标构成的正向化矩阵，那么，对其标准化的矩阵记为Z，Z中的每一个风险因素评价指标值

(10)

（3）计算得分假设经过正向化和标准化矩阵为：，那么可以找出每个风险评价指标的正理想值和负理想值，分别记为和，其中

(11)

(12)

定义第个储能电站与正理想值的距离

(13)

式中，为组合权重，若各指标权重相同，则令=1即可，下式同。定义第个储能电站与负理想值的距离

(14)

可以计算出第个储能电站的得分

(15)

由式可看出，，且越大越小，即越接近最大值，风险评价的分值也就越高。

4 实证分析

选取目前已建4所电池储能电站，分别用1#、2#、3#、4#来代替，项目概况见表4。

表4项目概况

参考相关标准、相似项目和事故风险研究文献，把储能电站电池安全运行的风险等级划分为4个级别：Ⅰ级(几乎没有风险)、Ⅱ级(稍有风险)、Ⅲ级(一般风险)、Ⅳ级(中风险)和Ⅴ级(高风险)。易于量化的风险指标采用德尔菲法，根据专业人士、现场运行管理人员意见和对应规定划分；不易量化的采用打分制，分别对应分值为[85，100]、[70，85)、[55，70)、[40，55)、[0，40)；半量化的风险指标以检查后出现的数量统计，以“处”为计量单位，出现的数量越多，风险等级越高，标准划分和打分情况见表5和表6。

表5指标的类型及标准

表6初始打分情况、主观权重、客观权重和组合权重

4.1 指标权重的计算

按照已建立的评价体系结合储能电站运行的实际情况和管理经验，综合行业内10位专家的意见，得到目标层O到一级指标B以及各一级指标B分别到二级指标C的初始相对重要性数据。利用式(1)～(3)检验一致性；利用式(4)、(5)分别计算出算术平均法权重和几何平均法的权重；利用最大特征值对应的特征向量，进行归一化后求出特征值法的权重，最后求平均权重，计算的结果见表7。

表7各层指标相对权重

O-B1-6判断矩阵

B1-C1-6判断矩阵

B2-C7-12判断矩阵

B3-C13-17判断矩阵

B4-C18-21判断矩阵

B5-C22-26判断矩阵

B6-C27-30判断矩阵

根据上述相对权重的计算结果，利用AHP法的思想，计算目标层O到各底层指标C1～C25的主观权重，利用式(6)～(8)计算客观权重，最后利用式(9)计算组合权重，见表6。

4.2 储能电站电池运行风险评价

结合得到的组合权重，通过式(10)～(13)，以表5中储能电站安全运行标准各指标边界值对风险等级进行量化，量化的结果见表8，并由表6打分情况计算出各评价对象到正负理想值的相对接近度、得分和风险等级，见表9。可以得出，风险等级得分越接近1，表示越处于最佳安全状态；越接近0，表示越处于最不安全状态。

表9评价对象到正负理想值的相对距离、得分和风险等级

4.3 结果分析

从表8和表9的对比可知，1#、2#、4#风险等级一般，为Ⅲ级风险，但1#和4#储能电站得分更接近于Ⅱ级风险，安全状态更为良好；3#风险等级较高，为Ⅳ级风险。通过调研时的情况回溯可知：1#储能电站电池组多处表面有锈蚀现象且标识不清，绝缘性能经测试虽然合格但有所下降。2#储能电站的主要问题是地理位置较偏僻，工作人员的环境舒适度较低，致使心理状况不佳，另外在防雷设计上也存在缺陷。3#储能电站站内工作人员多为兼职电工，人员变动也较为频繁，对待储能电站的管理工作思想上也较为懈怠，导致站内多种设备功能失效却无人过问，储能电站电池的维护也处于无人长期负责的状态。4#储能电站空调无法根据电池舱温度的变化进行自动调节；站内消防器材还在使用建站时的配备，灭火器等未经年检。以上分析结果表明本工作运用的方法合理可行，得分与实际情况吻合，可为储能电站进一步维护管理提供较好的参考。

5 结论

（1）本工作从储能电站安全发展的角度出发，建立6个一级指标因素和30个二级指标因素的储能电站电池安全运行评价体系；采用TOPSIS模型结合确定的AHP与熵权的组合权重的方法实现储能电站电池安全运行的量化研究。选取4所储能电站评价，计算的结果和实际情况都表明其中3所储能电站电池安全状态较好，而1所储能电站运行管理机制仍有待改善。

（2）本工作在前人研究的基础上，不断整理归纳储能电站电池可能发生的风险事件，符合电池安全运行的客观规律并提出有效的评价方法，旨在为解决当今世界储能电站整体性安全问题贡献力量，储能电站运维企业也可参照进行风险点排查，改进自身安全，以及对于政府监督储能电站的安全运行提供指导。

（3）储能电站电池安全运行风险管理是一个庞大的体系，本工作仅从一种角度对储能电站磷酸铁锂电池的安全风险评价进行研究探索，若要获得更精确的结论，还需细化指标和指标分级标准，权重也需要综合考虑各方面的意见。