收稿日期：2022-12-29

基金項(xiàng)目：南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（031900KK52220037）

通信作者：許加柱（1980—），男，博士、教授，主要從事儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用等方面的研究。xjz@hnu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1981 文章編號(hào)：0254-0096（2024）05-0251-09

摘 要：為保障電池儲(chǔ)能電站的安全運(yùn)行，提出一種基于改進(jìn)層次分析法（AHP）-逼近理想解排序法（TOPSIS）的儲(chǔ)能電站安全綜合評(píng)估方法。首先，綜合考慮多方面評(píng)估指標(biāo)，建立儲(chǔ)能電站安全綜合評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)儲(chǔ)能電站的安全狀態(tài)進(jìn)行全面、客觀評(píng)估。其次，采用基于指數(shù)標(biāo)度的改進(jìn)AHP對(duì)各評(píng)估指標(biāo)賦權(quán)，使得一致性最優(yōu)，權(quán)重系數(shù)更精確可靠。然后，通過(guò)設(shè)計(jì)評(píng)估參考方案，采用改進(jìn)TOPSIS實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能方案的橫向?qū)Ρ燃案鲀?chǔ)能方案與參考方案間的縱向?qū)Ρ?，并確定各儲(chǔ)能方案的安全等級(jí)。最后，以某地4個(gè)儲(chǔ)能電站安全性能的綜合評(píng)估為例，驗(yàn)證所提評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估方法的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；層次分析法；綜合評(píng)估指標(biāo)體系；逼近理想解排序法

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912"""""""""""" """"""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

儲(chǔ)能技術(shù)可有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，滿(mǎn)足系統(tǒng)多時(shí)間尺度平衡需求，是應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)主要挑戰(zhàn)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是落實(shí)“碳達(dá)峰·碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)、促進(jìn)中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的有效舉措，發(fā)展儲(chǔ)能具有重大的戰(zhàn)略意義［1-5］。隨著國(guó)內(nèi)外電化學(xué)儲(chǔ)能電站的不斷投運(yùn)，安全問(wèn)題也日益凸顯。自2017年以來(lái)韓國(guó)儲(chǔ)能電站發(fā)生近30起電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)事故，美國(guó)、日本和中國(guó)均有火災(zāi)事故發(fā)生，安全問(wèn)題嚴(yán)重制約了電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展［6］。在此背景下，對(duì)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行安全性進(jìn)行綜合評(píng)估至關(guān)重要，其可指導(dǎo)儲(chǔ)能電站的檢修維護(hù)，針對(duì)性預(yù)防電池安全事故的發(fā)生［7-9］。而中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)起步較晚，目前缺乏對(duì)儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的分析及相應(yīng)評(píng)估指標(biāo)體系的建立。因此，研究?jī)?chǔ)能電站安全評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估方法具有重要意義。

建立一套全面、客觀的評(píng)估指標(biāo)體系是準(zhǔn)確評(píng)估儲(chǔ)能電站安全的首要條件。文獻(xiàn)［10］將鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全事故的成因劃分為電池本體、外部激源、運(yùn)行環(huán)境及管理系統(tǒng)4方面因素；文獻(xiàn)［11］研究?jī)?chǔ)能電池?zé)崾Э貦C(jī)理、火災(zāi)特性以及火災(zāi)防治技術(shù)；為評(píng)估大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性，文獻(xiàn)［12］提出一種基于單體電池健康狀態(tài)的可靠性模型；文獻(xiàn)［13］對(duì)各國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范做出比較；文獻(xiàn)［14］根據(jù)電池電壓、電池溫度、電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）、健康狀態(tài)（state of health，SOH）等狀態(tài)量構(gòu)建儲(chǔ)能電站評(píng)估指標(biāo)，以指導(dǎo)設(shè)備的檢修和維護(hù)；文獻(xiàn)［15］提出基于電池綜合性能、一致性、單體性能評(píng)估儲(chǔ)能電池的運(yùn)行狀態(tài)，并選擇電池電壓極差、運(yùn)行充放電效率等6項(xiàng)指標(biāo)建立評(píng)估指標(biāo)體系；文獻(xiàn)［16］采用可重構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)中單體電池、模組的電壓、溫度等指標(biāo)對(duì)電池的電熱安全進(jìn)行評(píng)估，并引入閾值法，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與定位；文獻(xiàn)［17］從電池基本情況、運(yùn)行環(huán)境等6個(gè)方面建立電池安全評(píng)估指標(biāo)體系，評(píng)估指標(biāo)較全面，但大多數(shù)指標(biāo)不易量化，指標(biāo)數(shù)據(jù)的主觀性較強(qiáng)，評(píng)估結(jié)果不夠精確可靠。以上研究為建立全面的儲(chǔ)能電站安全評(píng)估指標(biāo)體系提供了理論基礎(chǔ)。

目前，有關(guān)綜合評(píng)估方法的研究已取得一定的研究成果。文獻(xiàn)［18］利用層次分析法構(gòu)建多層次的火電廠(chǎng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并與模糊評(píng)價(jià)方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠(chǎng)運(yùn)行狀況的綜合評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)［19］將層次分析法運(yùn)用于高壓變電站技術(shù)的選型決策中，并取得良好成效；文獻(xiàn)［20］針對(duì)電力客戶(hù)用電狀態(tài)的評(píng)估，利用層次分析法-逼近理想解排序法（analytic hierarchy process-technique for order preference by similarity to ideal solution， AHP-TOPSIS）算法對(duì)所構(gòu)建指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)評(píng)估分析；文獻(xiàn)［21］基于AHP和熵權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)組合賦權(quán)，利用改進(jìn)TOPSIS評(píng)估配電網(wǎng)的負(fù)荷接納能力；文獻(xiàn)［22］基于模糊層次分析法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，采用改進(jìn)TOPSIS法對(duì)決策方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)［23］通過(guò)前景理論和灰色關(guān)聯(lián)分析法改進(jìn)逼近理想解排序法，并將其運(yùn)用于建筑冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的綜合評(píng)估。從已有研究可看出，傳統(tǒng)AHP法采用1～9級(jí)標(biāo)度量化判斷矩陣，受人為主觀因素影響較大，評(píng)估結(jié)果不夠精確、客觀；傳統(tǒng)TOPSIS法具有局限性，只能給出評(píng)估方案的相對(duì)優(yōu)劣關(guān)系，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文從電池運(yùn)行工況、可靠性指標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境以及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)4個(gè)方面選擇20個(gè)評(píng)估指標(biāo)，建立一套全面、客觀的評(píng)估指標(biāo)體系，并對(duì)指標(biāo)的定義及計(jì)算方法做出說(shuō)明?？紤]到行業(yè)專(zhuān)家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)權(quán)重分配的重要性，本文采用改進(jìn)層次分析法對(duì)各評(píng)估指標(biāo)賦權(quán)，以提高權(quán)重的可靠性和精確度。然后，通過(guò)設(shè)計(jì)評(píng)估參考方案，利用改進(jìn)逼近理想解排序法對(duì)評(píng)估方案進(jìn)行綜合評(píng)估，得到評(píng)估方案間的相對(duì)優(yōu)劣排序以及儲(chǔ)能電站的安全等級(jí)。最后，通過(guò)算例分析對(duì)所提評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估方法的可行性與有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 儲(chǔ)能電站安全評(píng)估指標(biāo)體系

結(jié)合近年來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池火災(zāi)等安全事故的誘因，分別從電池運(yùn)行工況、可靠性指標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境以及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)4個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)能電站的安全進(jìn)行綜合評(píng)估，選取20個(gè)評(píng)估指標(biāo)，建立3層結(jié)構(gòu)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池安全評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

1.1 電池運(yùn)行工況評(píng)估指標(biāo)

電池運(yùn)行工況能直接反映電池性能優(yōu)劣及運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，選取電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)、電池溫度極差、電池荷電狀態(tài)、電池健康狀態(tài)作為電池運(yùn)行工況評(píng)估指標(biāo)。具體如下：

1）電池電壓極差[C1]，是指同一電池模組中單體電池電壓的最大差值，反映電壓最大、最小單體性能差異以及單體電池的衰退情況，其計(jì)算式為：

[C1=Umax-Umin]" （1）

式中：[Umax]、[Umin]——同一模組中單體電池電壓的最大值、最小值。

2）電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)[C2]，該指標(biāo)可直觀反映電池模組的一致性，用來(lái)評(píng)估電池模組整體性能的優(yōu)劣，其計(jì)算式為：

[C2=δuu×100%=i=1qui-u2qu×100%]"""" （2）

式中：[δu]——電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差；[u]——同一電池模組中單體電池電壓平均值；[ui]——模組內(nèi)第[i]只電池電壓；[q]——電池模組中電池?cái)?shù)量。

3）電池溫度極差[C3]，是指同一電池模組中單體電池溫度的最大差值，可反映電池性能衰減情況，其計(jì)算式為：

[C3=Tmax-Tmin]"" （3）

式中：[Tmax]——同一電池模組中單體電池溫度的最大值；[Tmin]——單體電池溫度的最小值。

4）電池荷電狀態(tài)SOC，記為指標(biāo)[C4]，是指單體電池剩余電量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，反映單體電池是否過(guò)充、過(guò)放以及電池電壓均衡性能。其計(jì)算式為：

[C4=Qm-QInQm×100%]"""" （4）

式中：[Qm]——滿(mǎn)充狀態(tài)的單體電池按照標(biāo)稱(chēng)倍率電流進(jìn)行放電時(shí)的最大放電容量；[Q（In）]——在一段時(shí)間里，標(biāo)稱(chēng)倍率電流[In]下電池所釋放的電量。

5）電池健康狀態(tài)SOH，記為指標(biāo)[C5]，反映儲(chǔ)能電池能否長(zhǎng)期進(jìn)行充放電，可定量描述各單體電池的老化程度。其定義為：

[C5=CMCN×100%]"""" （5）

式中：[CM]——單體電池當(dāng)前最大放電容量；[CN]——單體電池的額定容量。

由于電池的不一致性，同一電池模組中的單體電池SOC和SOH存在一定差異。在進(jìn)行工況評(píng)估時(shí)，若為充電狀態(tài)，電池荷電狀態(tài)指標(biāo)[C4]取單體SOC最大值；若為放電狀態(tài)，指標(biāo)[C4]取單體SOC最小值。電池健康狀態(tài)指標(biāo)[C5]取單體SOH最小值。

1.2 可靠性評(píng)估指標(biāo)

儲(chǔ)能電站的可靠性越好，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能電池的安全性也越好，可靠性指標(biāo)是儲(chǔ)能電站安全評(píng)估的重要指標(biāo)。本文選取的可靠性指標(biāo)包括儲(chǔ)能電站計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)指標(biāo)[C6]、儲(chǔ)能電站非計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)指標(biāo)[C7]、儲(chǔ)能電站可用系數(shù)指標(biāo)C8、儲(chǔ)能電站利用系數(shù)指標(biāo)[C9]、儲(chǔ)能單元電池失效率指標(biāo)[C10]及電池（堆）簇相對(duì)故障次數(shù)指標(biāo)[C11]［24］。

1.3 運(yùn)行環(huán)境評(píng)估指標(biāo)

不適宜的運(yùn)行環(huán)境會(huì)加速電池老化，導(dǎo)致電池絕緣失效、內(nèi)短路，甚至引發(fā)熱失控事故，因此，妥善管理電池運(yùn)行環(huán)境對(duì)電池安全運(yùn)行至關(guān)重要。運(yùn)行環(huán)境評(píng)估指標(biāo)具體如下：

1）溫度，記為指標(biāo)[C12]。儲(chǔ)能電池的安全運(yùn)行與其環(huán)境溫度密切相關(guān)，低溫環(huán)境會(huì)降低電池充放電效率，且低溫充電時(shí)存在電池內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)；高溫環(huán)境嚴(yán)重阻礙電池正常散熱，甚至導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?chǔ)能電池運(yùn)行時(shí)最適宜的環(huán)境溫度一般為22～25 ℃。

2）濕度，記為指標(biāo)[C13]。環(huán)境濕度應(yīng)控制在安全范圍內(nèi)，防止因濕度過(guò)高導(dǎo)致接觸電阻增大、絕緣失效、甚至熱失控事故。

3）通風(fēng)性，記為指標(biāo)[C14]。通風(fēng)性指標(biāo)不易量化，根據(jù)防止易燃易爆氣體聚集的通風(fēng)口布置是否合理、通風(fēng)管道是否阻塞、排氣扇能否靈活轉(zhuǎn)動(dòng)等衡量通風(fēng)性好壞。

4）粉塵含量，記為指標(biāo)[C15]。粉塵含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣失效，控制粉塵含量對(duì)電池的安全運(yùn)行至關(guān)重要。該指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)家或現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員打分獲取，主要依據(jù)環(huán)境中粉塵對(duì)電池安全運(yùn)行的影響情況。

1.4 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并管理電池運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境，保障消防安全，對(duì)保障儲(chǔ)能電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。安全監(jiān)控管理系統(tǒng)指標(biāo)不易量化，通過(guò)專(zhuān)家或現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員打分的方式獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)，具體打分標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）電池管理系統(tǒng)，記為指標(biāo)[C16]。理想的電池管理系統(tǒng)要求電池電壓、溫度等信號(hào)采集準(zhǔn)確可靠，參數(shù)顯示正常，電池電壓、溫度控制在合格范圍內(nèi)，無(wú)告警，通信正常。

2）充放電管理系統(tǒng)，記為指標(biāo)[C17]。充放電管理系統(tǒng)包括脈沖充電控制器和儲(chǔ)能變流器，要求脈沖充電控制器能對(duì)充電中的電池提供過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)以及過(guò)流保護(hù)，實(shí)時(shí)通信正常；儲(chǔ)能變流器的交、直流側(cè)電壓、電流正常，運(yùn)行參數(shù)正常，通信正常，無(wú)異常告警。

3）環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，記為指標(biāo)[C18]。理想的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)要求電池室內(nèi)溫度、濕度可控制在電池正常運(yùn)行范圍內(nèi)，通風(fēng)性良好，除塵系統(tǒng)工作正常。

4）消防系統(tǒng)，記為指標(biāo)[C19]。理想的消防系統(tǒng)要求火災(zāi)報(bào)警控制器各指示燈顯示正常，無(wú)異常報(bào)警；滅火和消防裝置完好，試驗(yàn)合格；火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)裝置完好，工作指示燈顯示正常。

5）防雷及接地保護(hù)系統(tǒng)，記為指標(biāo)[C20]。要求避雷針、避雷器、接地網(wǎng)相關(guān)要求符合規(guī)定。

2 儲(chǔ)能電站綜合安全評(píng)估方法

2.1 改進(jìn)層次分析法IAHP

傳統(tǒng)層次分析法（AHP）采用1～9級(jí)標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣，而改進(jìn)層次分析法在權(quán)重標(biāo)度方法上做出改進(jìn)，采用指數(shù)標(biāo)度。與傳統(tǒng)層次分析法相比，基于指數(shù)標(biāo)度的改進(jìn)層次分析法具有判斷矩陣一致性最優(yōu)的特點(diǎn)，可提高權(quán)重計(jì)算精度，并在一定程度上降低主觀影響。IAHP的具體原理如下：

1）對(duì)同一層次的評(píng)估指標(biāo)關(guān)于上一層次某指標(biāo)的重要性作兩兩比較，依據(jù)改進(jìn)指數(shù)標(biāo)度法，構(gòu)造各層指標(biāo)判斷矩陣[A∈Rn×n]。

[A=a11a12…a1na21a22…a2n????an1an2…ann]""""" （6）

[A]中元素[aij]為同一層次評(píng)估指標(biāo)[i]與指標(biāo)[j]重要性程度的標(biāo)度值。重要性標(biāo)度方法如表1所示，其中，重要性標(biāo)度[1.316e]（[e=0，] 1， 2，…，8）的形式依據(jù)韋伯-費(fèi)希納定律計(jì)算得到。

2）對(duì)判斷矩陣[A]進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性指標(biāo)[CI]和一致性比例[CR]：

[CI=λmax-nn-1]"" （7）

[CR=CIRI]"""" （8）

式中：[λmax]——判斷矩陣[A]的最大特征值；[n]——判斷矩陣的階數(shù)；[RI]——指數(shù)標(biāo)度對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，其取值如表2所示。

當(dāng)[CRlt;0.1]時(shí)，判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，計(jì)算所得權(quán)重才能使用，否則需重新構(gòu)造判斷矩陣。

3）判斷矩陣A通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，計(jì)算[λmax]對(duì)應(yīng)的特征向量[X]，歸一化得到各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[wi]：

[X=x1，x2，…，xnT]""" （9）

[wi=xii=1nxi] （10）

式中：[wi]——評(píng)估指標(biāo)[i]的權(quán)重系數(shù)；[xi]——特征向量[X]的第[i]個(gè)元素。

2.2 逼近理想解排序法TOPSIS

TOPSIS是一種常用的綜合評(píng)價(jià)方法，通過(guò)計(jì)算各評(píng)估方案和正、負(fù)理想解的相對(duì)貼近度進(jìn)行評(píng)分、排序，能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，精確反映各方案的差距。TOPSIS方法的計(jì)算步驟如下：

1）決策矩陣正向化?；诟髟u(píng)估方案的指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立決策矩陣[Y=（yij）m×n]，其中[yij]為方案[i]關(guān)于評(píng)估指標(biāo)[j]的數(shù)值，[m]為評(píng)估方案的數(shù)量，[n]為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量。

[Y=y11y12…y1ny21y22…y2n????ym1ym2…ymn] （11）

將所有的評(píng)估指標(biāo)轉(zhuǎn)化為效益型指標(biāo)，即指標(biāo)值越大越好的指標(biāo)，得到正向化決策矩陣[Y′=（yij′）m×n]。指標(biāo)正向化的方法如下：

對(duì)于成本型指標(biāo)，即指標(biāo)值越小越好的指標(biāo)，采用式（12）進(jìn)行正向化處理：

[yij′=maxYj-yij]" （12）

式中：[yij′]——正向化決策矩陣[Y′]的元素；[maxYj]——指標(biāo)向量[Yj]所在列元素的最大值。

對(duì)于區(qū)間型指標(biāo)，即指標(biāo)值落在某個(gè)區(qū)間最好的指標(biāo)，采用式（13）、式（14）進(jìn)行正向化處理。

[M=maxa-minYj，maxYj-b]"" （13）

[yij′=1-a-yijM， yijlt;a1， a≤yij≤b1-yij-bM， yijgt;b]""" （14）

式中：[a]、[b]——區(qū)間型指標(biāo)[j]的最優(yōu)區(qū)間的下限值、上限值；[minYj、][maxYj]——指標(biāo)向量[Yj]所在列元素的最小值、最大值。

2）正向化矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。為消除各評(píng)估指標(biāo)的不同量綱的影響，對(duì)正向化決策矩陣[Y′]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣[Z=（zij）m×n]，TOPSIS常用的標(biāo)準(zhǔn)化處理方法為：

[zij=yij′i=1myij′2，" j=1，2，…，n]"""""" （15）

3）計(jì)算得分。依據(jù)正向化、標(biāo)準(zhǔn)化處理后的決策矩陣Z，用各列指標(biāo)的最大值構(gòu)成正理想解[Z+=[z+1，z+2，…，z+n]]，各列指標(biāo)的最小值構(gòu)成負(fù)理想解[Z-=[z-1，z-2，…，z-n]]。定義方案i到正理想解的距離為[d+i]，定義方案i到負(fù)理想解的距離為[d-i]，計(jì)算式為：

[d+i=j=1nwjz+j-zij2， i=1，2，…，m]"" （16）

[d-i=j=1nwjz-j-zij2， i=1，2，…，m]""" （17）

式中：[wj]——第[j]個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；[z+j]、[z-j]——第[j]列指標(biāo)的最大值、最小值。

各方案的得分由式（18）計(jì)算：

[Si=d-id+i+d-i， i=1，2，…，m]""" （18）

式中：[Si]——第[i]個(gè)評(píng)估方案的得分，[0≤Si≤1]。得分越高，表示評(píng)估方案越接近正理想解，該方案的評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)。

3 基于改進(jìn)AHP-TOPSIS的電站安全評(píng)估

對(duì)電池運(yùn)行工況、可靠性指標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境以及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)4個(gè)方面評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，應(yīng)用改進(jìn)AHP-TOPSIS方法綜合評(píng)估儲(chǔ)能電池的安全性能，評(píng)估流程如圖2所示。

基于改進(jìn)AHP法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。依據(jù)指數(shù)標(biāo)度方法，通過(guò)專(zhuān)家對(duì)評(píng)估指標(biāo)的重要性?xún)蓛杀容^構(gòu)造判斷矩陣，由式（7）～式（10）求解各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)[W]。

[W=w1，w2，…，wn]"" （19）

基于改進(jìn)TOPSIS法對(duì)儲(chǔ)能電站的安全進(jìn)行綜合評(píng)估。傳統(tǒng)TOPSIS從評(píng)估方案中尋找各指標(biāo)的最優(yōu)、最劣值，形成正、負(fù)理想解，但如果評(píng)估方案中電池的指標(biāo)數(shù)據(jù)整體較優(yōu)或較差時(shí)，就無(wú)法對(duì)電池的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。另外，傳統(tǒng)TOPSIS只能給出多儲(chǔ)能方案間安全性的相對(duì)優(yōu)劣關(guān)系，而決策者更關(guān)心的是儲(chǔ)能方案的安全性能與最優(yōu)性能的差距及安全等級(jí)。因此，對(duì)傳統(tǒng)TOPSIS法進(jìn)行改進(jìn)，不局限于從評(píng)估方案中確定理想解，而是根據(jù)評(píng)估指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)正、負(fù)理想方案與不同安全等級(jí)的儲(chǔ)能方案，將其作為評(píng)估參考基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)評(píng)估方案與參考方案間的縱向?qū)Ρ?。由式?1）～式（18）得出評(píng)估方案與各參考方案的安全評(píng)分，安全評(píng)分越高表示評(píng)估方案越接近正理想方案，電池的安全性能越好；同時(shí)，通過(guò)評(píng)分大小縱向?qū)Ρ仍u(píng)估方案與各參考方案，確定評(píng)估方案的安全等級(jí)。

4 算例分析

選取4所電化學(xué)儲(chǔ)能電站作為算例進(jìn)行分析。根據(jù)儲(chǔ)能電站安全評(píng)估指標(biāo)及其定義，獲取各指標(biāo)數(shù)據(jù)，其中電池運(yùn)行工況指標(biāo)[C1～C5]選取整個(gè)儲(chǔ)能電站內(nèi)最差的一個(gè)電池模組的參數(shù)。儲(chǔ)能電站運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及研究文獻(xiàn)［10，15，24］，把儲(chǔ)能電站的安全等級(jí)劃分為：優(yōu)級(jí)、良級(jí)、中級(jí)、合格、不合格，并制定評(píng)估指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

4.1 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重賦值

基于建立的儲(chǔ)能電站安全評(píng)估指標(biāo)體系，邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專(zhuān)家對(duì)各層指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩比較，分別構(gòu)造各層判斷矩陣，求解各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重。以準(zhǔn)則層為例，比較準(zhǔn)則層中電池運(yùn)行工況、可靠性指標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境和安全監(jiān)控管理系統(tǒng)指標(biāo)的兩兩重要性，確定準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣為：

[A-B1-n=11.31621.31661.31631.316-211.31641.3161.316-61.316-411.316-31.316-31.316-11.31631]"" （20）

由式（6）～式（8）得：[λmax=4]，[CR=0]，判斷矩陣的一致性最優(yōu)。由式（9）、式（10）計(jì)算得到準(zhǔn)則層指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的層次權(quán)重為：W0=［0.4528，0.2614，0.0872，0.1987］。同理，構(gòu)造指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層判斷矩陣[B1-C1～5、][B2-C6～11、][B3-C12～15、][B4-C16～20]，判斷矩陣的一致性比例CR均為零，說(shuō)明采用改進(jìn)AHP構(gòu)造的判斷矩陣一致性最優(yōu)，所得權(quán)重更精確可靠?；?個(gè)判斷矩陣計(jì)算得到指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的層次權(quán)重，最后，得到各評(píng)估指標(biāo)[C1～C20]對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，如表5所示。

4.2 儲(chǔ)能電站安全綜合評(píng)估結(jié)果

在本文所提改進(jìn)TOPSIS中，需通過(guò)設(shè)計(jì)評(píng)估參考基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)評(píng)估方案的縱向?qū)Ρ取Ｒ虼?，根?jù)表4中儲(chǔ)能電站安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，以各指標(biāo)最優(yōu)、最劣極限值構(gòu)成正、負(fù)理想方案，以各安全等級(jí)的指標(biāo)臨界值構(gòu)成等級(jí)參考方案，將正、負(fù)理想方案與等級(jí)參考方案作為評(píng)估參考基準(zhǔn)。

基于待評(píng)估的4個(gè)儲(chǔ)能方案與參考方案的指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照式（11）～式（18）計(jì)算待評(píng)估方案和參考方案的安全綜合評(píng)分，評(píng)估結(jié)果如圖3所示。

從評(píng)估結(jié)果可看出，待評(píng)估方案中儲(chǔ)能電站2的安全綜合評(píng)分最高，說(shuō)明電站2的安全性能最好，在4個(gè)儲(chǔ)能電站中與正理想方案最接近，但仍存在較大的差距；將其評(píng)分與評(píng)估參考基準(zhǔn)的評(píng)分對(duì)比可得，儲(chǔ)能電站2的安全等級(jí)為良級(jí)。同理，儲(chǔ)能電站4和電站1次之，安全等級(jí)為中級(jí)；儲(chǔ)能電站3的安全性能最差，處于合格等級(jí)。

為進(jìn)一步說(shuō)明改進(jìn)TOPSIS法的優(yōu)勢(shì)，基于傳統(tǒng)TOPSIS計(jì)算待評(píng)估方案的電站安全綜合評(píng)分，評(píng)估結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，傳統(tǒng)TOPSIS可實(shí)現(xiàn)各評(píng)估方案安全性能的橫向?qū)Ρ?，給出評(píng)估方案的相對(duì)優(yōu)劣關(guān)系，但不能反映評(píng)估方案的安全性能與理想方案的差距。另外，與圖3評(píng)估結(jié)果比較可得，由于正、負(fù)理想解的確定方法不同，基于TOPSIS計(jì)算的各評(píng)估方案之間綜合評(píng)分差距較大，但各評(píng)估方案的相對(duì)優(yōu)劣排序不變，這表明改進(jìn)TOPSIS兼?zhèn)銽OPSIS的功能。

5 結(jié) 論

本文建立儲(chǔ)能電站安全評(píng)估指標(biāo)體系并提出一種基于改進(jìn)AHP-TOPSIS的綜合評(píng)估方法，主要結(jié)論如下：

1）結(jié)合儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素，從電池運(yùn)行工況、可靠性、運(yùn)行環(huán)境、安全監(jiān)控管理系統(tǒng)4個(gè)方面建立包含20個(gè)二級(jí)指標(biāo)的綜合安全評(píng)估指標(biāo)體系。

2）引入指數(shù)標(biāo)度改進(jìn)傳統(tǒng)的層次分析法，使構(gòu)造的判斷矩陣一致性最優(yōu)，計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重更精確可靠，并在一定程度上降低了決策者的主觀影響。

3）算例分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的評(píng)估方法相比，本文所提基于改進(jìn)AHP-TOPSIS的儲(chǔ)能電站安全評(píng)估方法，既能實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能方案的橫向?qū)Ρ龋o出其相對(duì)優(yōu)劣關(guān)系，又能實(shí)現(xiàn)各儲(chǔ)能方案與參考方案間的縱向?qū)Ρ龋_定儲(chǔ)能方案與理想方案的差距以及對(duì)應(yīng)安全等級(jí)。因此，基于改進(jìn)AHP-TOPSIS的綜合評(píng)估方法對(duì)合理安排儲(chǔ)能電站的檢修維護(hù)具有指導(dǎo)意義，更具工程應(yīng)用價(jià)值。

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COMPREHENSIVE SAFETY EVALUATION OF ENERGY STORAGE

POWER STATION BASED ON IMPROVED AHP-TOPSIS

Ning Xuefeng1，Zhang Huizhen2，Xu Jiazhu2

（1. Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.， LTD.， Dongguan 523000， China；

2. College of Electrical and Information Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China）

Abstract：In order to ensure the safety operation of battery energy storage power station， a comprehensive safety evaluation method is proposed based on improved analytic hierarchy process （AHP）-technique for order preference by similarity to an ideal solution （TOPSIS）. Firstly， an evaluation index system is established by considering various evaluation indexes， so as to comprehensively and objectively evaluate the safety state of energy storage power station. Then， an improved AHP method based on exponential scale is adopted to determine the weight of each evaluation indicator， which makes the consistency optimal and the weight coefficient more accurate and reliable. Furthermore， through the design of the evaluation reference schemes， an improved TOPSIS is used to realize the horizontal comparison between different energy storage schemes and the vertical comparison between energy storage scheme and the reference schemes， and then the safety level of each energy storage scheme is determined. Finally， taking the comprehensive safety state evaluation of four energy storage power stations as an example， the feasibility and effectiveness of the proposed evaluation index system and evaluation method are verified.

Keywords：battery storage； risk assessment； analytic hierarchy process； comprehensive evaluation index system； TOPSIS