基于组合赋权与TOPSIS的储能电站电池安全运行风险评价

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0127

摘要/Abstract

摘要：

为了改变储能电站电池由于运行不良引发的火灾和爆炸事故频发的现状，本工作介绍了一种基于组合赋权与逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)的储能电站电池安全运行风险评价方法。首先，通过查阅文献、标准规范和事故调查报告等手段统计识别发生事故的原因，并在已有标准规定的前提下，描述了电池运行中应具备的安全状态。从电池基本情况、电池使用工况、外部刺激、运行环境、安全监控保护系统、人为因素6个方面建立风险评价体系。其次，利用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵权法分别确定风险评价体系中指标的主观权重和客观权重，并对2种权重进行组合。最后，使用TOPSIS法与标准值进行比较来对电池安全运行风险作综合评价。将该方法应用于4所储能电站的电池运行风险评价中，评价结果显示，其中3所储能电站电池运行虽然存在问题，但总体的安全状况相对良好，另有1所储能电站电池在运行风险指标管理多方面存在较严重问题并亟须改进。结果符合各现场电池运行风险的实际情况，证明了该方法具有合理性和可行性。

关键词: 储能电站, 电池安全, 风险评价, AHP, 熵权法, TOPSIS

Abstract:

This study introduces a risk assessment method for the safe operation of batteries based on a combination of weighting and technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS) to prevent and improve the current situation of frequent fire and explosion accidents caused by poor battery operation in energy storage power stations. First, the causes of accidents are identified by consulting literature, standard specifications, and accident investigation reports, and the safe condition that the battery should have during operation is described based on current standards. The risk assessment system is established from six aspects: the battery's basic situation, the battery's service condition, external stimulation, the operating environment, the safety monitoring and protection system, and human factors. Second, the subjective and objective weights of indicators in the risk evaluation system are determined using the analytic hierarchy process and entropy weight method, and the two weights are combined. Finally, the TOPSIS method is compared with the standard value to comprehensively evaluate the battery's safe operating risk. This method is applied to the battery operation risk assessment of four energy storage power stations. The evaluation results show that three of them have some issues with battery operation, but the overall safety situation is relatively good, while one has more serious problems in the operation risk index management and urgently requires improvement. The results are consistent with the actual situation of battery operation risk at each site, demonstrating that the method is reasonable and feasible.

Key words: energy storage power station, battery safety, risk assessment, AHP, entropy weight method, TOPSIS

中图分类号:

TM 912

肖勇, 徐俊. 基于组合赋权与TOPSIS的储能电站电池安全运行风险评价[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2574-2584.

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图/表 11

图1

表1

电池安全风险、安全状态描述和主要来源"

电池安全风险	安全状态描述	主要来源
壳体破损、变形、漏液C₁	电池模组外观完好无破损、膨胀，不存在变形、漏液等现象	图书^[11]、文献^[12]、报告^[13]、规程^[14]
红光发热C₂	熄灯巡视检查电池无发红现象，红外测温正常	图书^[11]、报告^[13]、规程^[14]
散发异味C₃	室内无异味	图书^[11]、报告^[13]、规程^[14]
异常振动和噪声C₄	无异常振动和声响	图书^[11]、规程^[14]
清洁度不够C₅	不存在锈蚀、污迹现象，标识应清晰	图书^[11]、规程^[14]、通知^[15]
有其他遗留物C₆	无临时短路接线及其他杂物	图书^[11]
电站系统容量C₇	电池容量配置根据实际需求进行优化	规范^[16-17]、标准^[18]
电站使用年限C₈	正常工况下使用寿命在10年左右，关注设备老化，在运行考核周期内更换旧电池	标准^[18]、电子信息^[19-20]
电池可用容量低C₉	循环次数可达5000次且容量保持率不低于80%	标准^[18]、文献^[21]、条件^[22]
电池过充电C₁₀	优化充电策略，电池无过充现象	图书^[11]、文献^[12]、标准^[23]
电池过放电C₁₁	放电深度不宜过大	图书^[11]、文献^[12]、文献^[21]、标准^[23]
电池单体间电压不一致C₁₂	电压一致性符合规定	图书^[11]、文献^[12]、规程^[14]、通知^[15]
外部短路C₁₃	外部接线和设备无短路现象；有能迅速切断短路电流的保护方案	文献^[12]、规程^[14]
外界火源C₁₄	有防止外界火源温度、气体等影响的防范措施；电缆沟等连通区域两端应分隔、封堵	文献^[12]、报告^[13]、规程^[14]、通知^[15]、分析^[24]
物理冲击C₁₅	有防震动或防止人为破坏的措施	规程^[14]
电池支架不平稳C₁₆	电池架应为架式结构，每面尺寸高度应统一	图书^[11]
元器件接线不可靠C₁₇	电气一、二次元器件走线整齐、接线正确、牢固可靠、绝缘符合标准	图书^[11]、文献^[12]、规程^[14]
潮湿C₁₈	强化绝缘检测，无潮湿造成的腐蚀性的绝缘部件损坏	文献^[12]、规程^[14]、通知^[15]
粉尘C₁₉	有防止大量灰尘进入电池包和模块壳体造成击穿的措施	文献^[12]
温度影响C₂₀	根据室内室外气温进行电池舱温度的调节	图书^[11]、文献^[12]、规程^[14]、通知^[15]
通风不良C₂₁	防止易燃易爆气体聚集的通风口布置合理、通风管道无阻塞现象、排气扇灵活转动	规程^[14]、通知^[15]、分析^[24]
电池管理系统C₂₂	测量值显示正常、无告警、通信正常	图书^[11]、文献^[12]、规程^[14]、通知^[15]
安全联动系统C₂₃	开关、断路器等接触可靠，断开点明显；其他设施保护系统运行正常	图书^[11]、文献^[12]、规程^[14]、通知^[15]、分析^[24]
防雷及接地保护系统C₂₄	避雷针、避雷器、接地网相关要求符合标准	图书^[11]、规程^[14]
消防系统C₂₅	火灾自动报警系统、灭火系统、供水设施、消防器材等符合规定	图书^[11]、规程^[14]、通知^[15]、规范^[17]、分析^[24]、
气体监测系统C₂₆	电池内部短路释放大量爆炸性气体超过阙值能正确响应	文献^[12]、报告^[13]、规程^[14]、分析^[24]
误操作C₂₇	有防误操作的措施，避免安装错误导致的误操作，对疑点多询问	文献^[12]、报告^[13]、规程^[14]、分析^[24]
员工技术水平C₂₈	上岗培训、有相关证书并每半年至少开展一次火灾应急演练	文献^[12]、报告^[13]、通知^[15]、规范^[17]、分析^[24]
生理状态C₂₉	定期健康检查、无影响工作的生理缺陷	文献^[12]
心理状态C₃₀	员工富有责任心、无消极怠工、平时经常沟通、遇紧急情况不慌乱	文献^[12]、报告^[13]

表1

图2

表2

表3

表4

表5

指标的类型及标准"

指标	类型	储能电站电池安全运行标准
指标	类型	Ⅰ级	Ⅱ级	Ⅲ级	Ⅳ级	Ⅴ级
壳体破损、变形、漏液C₁(数量/处)	成本型	0	1	2	3	>3
红光发热C₂(数量/处)	成本型	0	1	2	3	>3
散发异味C₃	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
异常振动和噪声C₄	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
清洁度不够C₅	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
有其他遗留物C₆(数量/处)	成本型	0	1	2	3	>3
电站系统容量C₇/MWh	成本型	≤0.5	≤10	≤50	≤100	>100
电站使用年限C₈/月	成本型	≤12	≤48	≤84	≤120	>120
电池可用容量C₉(年下降率/%)	成本型	≤1	≤2	≤3	≤4	>4
电池过充电C₁₀	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
电池过放电C₁₁(放电深度/%)	成本型	≤80	≤85	≤90	≤95	>95
电池单体间电压不一致C₁₂/mV	成本型	≤100	≤200	≤300	≤400	>400
外部短路C₁₃	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
外界火源C₁₄(距离/m)	效益型	≥0.9	≥0.7	≥0.5	≥0.3	<0.3
物理冲击C₁₅	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
电池支架不平稳C₁₆(数量/处)	成本型	0	1	2	3	>3
元器件接线不可靠C₁₇(数量/处)	成本型	0	1	2	3	>3
潮湿C₁₈/%	成本型	≤80	≤85	≤90	≤95	>95
粉尘C₁₉	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
温度影响C₂₀	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
通风不良C₂₁	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
电池管理系统C₂₂	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
安全联动系统C₂₃	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
防雷及接地保护系统C₂₄	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
消防系统C₂₅	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
气体监测系统C₂₆	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
误操作C₂₇	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
员工技术水平C₂₈	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
生理状态C₂₉	效益型	[85，100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)
心理状态C₃₀	效益型	[85， 100]	[70，85)	[55，70)	[40，55)	[0，40)

表5

表6

表7

表8

风险等级量化得分"

风险等级	$D i +$	$D i -$	得分
Ⅰ级	0	0.7114	1
Ⅱ级	0.3288	0.5436	0.6231
Ⅲ级	0.4065	0.3848	0.4863
Ⅳ级	0.5275	0.2244	0.2984
Ⅴ级	0.7114	0	0

表8

表9

评价对象到正负理想值的相对距离、得分和风险等级"

储能电站	$D i +$	$D i -$	得分	风险等级
1^#	0.3444	0.4778	0.5811	Ⅲ
2^#	0.3746	0.4554	0.5487	Ⅲ
3^#	0.4887	0.2879	0.3707	Ⅳ
4^#	0.3496	0.4924	0.5848	Ⅲ

表9

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标度	含义
1	两个风险指标因素相比对某个属性有同等的重要性
3	两个风险指标因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要
5	两个风险指标因素相比，一个因素比另一个因素明显重要
7	两个风险指标因素相比，一个因素比另一个因素重要得多
9	两个风险指标因素相比，一个因素比另一个因素极端重要
2、4、6、8	表示重要性介于上述两个相邻尺度之间
上述各数的倒数	表示对应各数重要性的否定

储能电站	规模	已建成时长	使用电池	主要作用
1^#	600 kW/3 MWh	4年	磷酸铁锂	削峰填谷、需量管理和应急供电
2^#	500 kW/2.4 MWh	4年
3^#	2 MW/8.8 MWh	3年
4^#	1.5 MW/2.1 MWh	2年

上层指标	下层指标	算术平均法求出的权重	几何平均法求出的权重	特征值法求出的权重	平均值	CI	CR
O	B₁	0.3056	0.3119	0.3064	0.3080	0.0561	0.0445<0.10
	B₂	0.2198	0.2206	0.2224	0.2209
	B₃	0.1650	0.1636	0.1664	0.1650
	B₄	0.0805	0.0765	0.0786	0.0785
	B₅	0.1548	0.1560	0.1530	0.1546
	B₆	0.0743	0.0715	0.0733	0.0730
B₁	C₁	0.3793	0.3876	0.3835	0.3835	0.0675	0.0536<0.10
	C₂	0.2029	0.2055	0.2065	0.2050
	C₃	0.1649	0.1631	0.1642	0.1641
	C₄	0.1044	0.0988	0.1013	0.1015
	C₅	0.0534	0.0534	0.0527	0.0532
	C₆	0.0950	0.0915	0.0918	0.0928
B₂	C₇	0.0429	0.0407	0.0419	0.0418	0.0323	0.0256<0.10
	C₈	0.0774	0.0745	0.0757	0.0759
	C₉	0.1182	0.1160	0.1170	0.1171
	C₁₀	0.2920	0.2949	0.2934	0.2934
	C₁₁	0.2920	0.2949	0.2934	0.2934
	C₁₂	0.1775	0.1790	0.1787	0.1784
B₃	C₁₃	0.2391	0.2423	0.2391	0.2402	0.0377	0.0336<0.10
	C₁₄	0.2391	0.2423	0.2391	0.2402
	C₁₅	0.1017	0.1006	0.1000	0.1008
	C₁₆	0.0706	0.0680	0.0692	0.0693
	C₁₇	0.3495	0.3468	0.3527	0.3497
B₄	C₁₈	0.2226	0.2253	0.2229	0.2236	0.0441	0.0495<0.10
	C₁₉	0.1534	0.1483	0.1494	0.1504
	C₂₀	0.5075	0.5137	0.5136	0.5116
	C₂₁	0.1164	0.1127	0.1141	0.1144
B₅	C₂₂	0.3027	0.3033	0.3031	0.3030	0.0066	0.0059<0.10
	C₂₃	0.3027	0.3033	0.3031	0.3030
	C₂₄	0.1647	0.1645	0.1645	0.1646
	C₂₅	0.1647	0.1645	0.1645	0.1646
	C₂₆	0.0652	0.0645	0.0649	0.0649
B₆	C₂₇	0.0984	0.0942	0.0959	0.0962	0.0477	0.0536<0.10
	C₂₈	0.4392	0.4424	0.4430	0.4415
	C₂₉	0.1855	0.1806	0.1828	0.1830
	C₃₀	0.2769	0.2827	0.2783	0.2793

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