基于解釋結(jié)構(gòu)模型的海水抽水蓄能工程風險分析

邵燁楠，梅 杰，司鑫堯

（1. 國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇省蘇州市 215004；2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司物資公司，江蘇省南京市 210024；3.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇省南京市 211106）

基于解釋結(jié)構(gòu)模型的海水抽水蓄能工程風險分析

邵燁楠1，3，梅 杰2，司鑫堯3

（1. 國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇省蘇州市 215004；2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司物資公司，江蘇省南京市 210024；3.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇省南京市 211106）

海水抽水蓄能工程涉及的風險要素數(shù)目繁多且關(guān)系復雜，本文首先采取全壽命周期管理的方法進行風險識別，將分散于工程各個階段的風險要素集中挖掘出來；然后利用解釋結(jié)構(gòu)模型方法對涵蓋工程立項、規(guī)劃、施工和運營各階段的風險系統(tǒng)進行分析，并構(gòu)建用于描述風險要素層次劃分和影響關(guān)系的多級遞階有向圖。風險系統(tǒng)中的風險要素可分為最終風險、源頭風險和過程風險，并依據(jù)不同的風險屬性制定對應的管理策略。

海水抽水蓄能；風險系統(tǒng)；全壽命周期管理；解釋結(jié)構(gòu)模型

0 引言

抽水蓄能電站不但是電網(wǎng)中具有調(diào)峰調(diào)頻、事故備用和黑啟動等輔助功能的一類特殊電源，而且其作為大容量儲能裝置，能夠協(xié)助風力、太陽能等可再生能源的消納。海水抽水蓄能電站相較于常規(guī)抽水蓄能電站而言，具有以下優(yōu)勢：①以海洋作為水庫，庫容充沛、水位穩(wěn)定、建設成本低[1]；②與大型海上風電場、灘涂光伏電站配合運行，提高清潔能源消納比例；③參與沿海負荷中心地區(qū)電網(wǎng)、海島微電網(wǎng)的調(diào)控[2]，提高系統(tǒng)運行可靠性與經(jīng)濟性。

日本沖繩山原海水抽水蓄能電站[3，4]是世界上第一個也是迄今唯一投入實際應用的海水抽水蓄能工程。中東學者Susan Kraemer提出分別將地中海和里海作為上、下水庫建設海水抽水蓄能電站[5]，以解決當?shù)睾Ｋ碗娏o缺問題；智利Valhalla能源公司在太平洋沿岸的安第斯山脈規(guī)劃的太陽能—海水抽水蓄能聯(lián)合電站于2016年底開工建設[6]。我國海岸帶資源豐富，北部山東、遼寧沿海，東部江浙沿海，南部福建、兩廣沿海地區(qū)海水抽水蓄能開發(fā)潛力巨大[1，7]，業(yè)已開展對建設條件、關(guān)鍵技術(shù)和站點選擇的研究。但是，海水抽水蓄能工程投資成本高、建設周期長、技術(shù)要求高，在建設全過程中涉及多方面因素，由此會對整體工程項目帶來繁多且關(guān)系復雜的風險。開展針對海水抽水蓄能工程風險的研究，不僅能夠提高投資決策的科學合理性，還可以通過合理的風險管理手段減少成本支出，提高項目收益水平。

現(xiàn)階段對于抽水蓄能工程風險識別的研究，常聚焦于項目前期規(guī)劃核準階段[8]、工程建設階段[9，10]或者設備合同管理中所遇到的各類風險，缺乏全局性地考慮項目各階段的風險。而對于抽水蓄能電站項目風險關(guān)系的研究，主要使用層次分析法[11]、模糊綜合評價法[10]等，建立項目風險評價體系并對各個風險進行量化排序，這不但帶有很強的主觀性，而且不能厘清風險之間的影響關(guān)系。本文從海水抽水蓄能電站全壽命周期管理的角度出發(fā)，先研究工程各階段所面臨的風險要素，之后利用解釋結(jié)構(gòu)模型方法分析各風險要素間的影響關(guān)系并進行層次劃分，便于進行風險管理。

1 解釋結(jié)構(gòu)模型方法

解釋結(jié)構(gòu)模型方法（Interpretative Structural Modeling， ISM）主要應用于分析復雜要素間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，它能夠利用系統(tǒng)要素之間已知的零亂關(guān)系，揭示出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。ISM用圖形和矩陣描述出各種已知的關(guān)系，通過矩陣運算推導出結(jié)論并解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。ISM實用化的技術(shù)路線如圖1所示。

（1）Step1。

針對設定問題，形成意識模型。假設影響系統(tǒng)問題的主要因素有n個，形成系統(tǒng)要素集并記為S={S1，S2，S3，…，Sn}。

尋求各要素之間的直接二元關(guān)系，得到意識模型并給出系統(tǒng)的鄰接矩陣A=（aij）n×n。規(guī)定，當要素Si對Sj有影響時，aij為1；當要素Si對Sj無影響時，aij為0。

（2）Step2。

考慮二元關(guān)系的傳遞性，建立反映諸要素間關(guān)系的可達矩陣M?？蛇_矩陣可以通過推移特性和布爾代數(shù)法則求得，公式為：

式中：A——鄰接矩陣；

I——單位陣；

r——總迭代次數(shù)。

（3）Step3。

利用解釋結(jié)構(gòu)模型實用方法，在可達矩陣M中找到特色要素并進行區(qū)域劃分。在區(qū)域劃分基礎上繼續(xù)層次劃分。

（4）Step4。

在層級劃分后的可達矩陣M*中尋找具有強連接屬性的要素子集，留其中一個要素對可達矩陣M*進行縮減，得到骨架矩陣N。結(jié)合層級劃分后的可達矩陣M*和骨架矩陣N建立解釋結(jié)構(gòu)模型，并繪制多級遞階有向圖來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

（5）Step5。

將Step4中的解釋結(jié)構(gòu)模型與Step1中的意識模型進行對比和修正，完善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

2 海水抽水蓄能工程項目風險的ISM分析

2.1 項目風險識別

基于項目全壽命周期管理的風險識別可以將分散于工程各個階段的風險要素集中挖掘出來，避免封閉性、局限性問題。對于一個典型的海水抽水蓄能工程項目，本文將其全壽命周期劃分為立項決策階段、規(guī)劃設計階段、施工建設階段和運營維護階段。

影響海水抽水蓄能工程項目的風險要素按照類別可以分為自然風險、經(jīng)濟風險、技術(shù)風險和政策風險等。針對工程項目全壽命周期的各個階段，根據(jù)這些風險模塊來羅列出若干子風險，從而確定海水抽水蓄能工程項目風險要素集合，經(jīng)過篩選得到以下24個子風險要素作為研究對象，如表1所示。

2.2 風險要素說明

（1）項目勘察水平。工程項目的勘察主要包括地質(zhì)勘測和水文氣候調(diào)查等，勘察水平直接影響項目設計方案、規(guī)劃與建設成本以及運行階段電站功能發(fā)揮。

（2）宏觀經(jīng)濟環(huán)境。社會宏觀經(jīng)濟環(huán)境直接左右金融利率、匯率，并且影響政府制定能源、稅收等政策。另外，宏觀經(jīng)濟波動也會影響電力供需。

（3）地質(zhì)水文情況。海水抽水蓄能電站對所在區(qū)域的地質(zhì)、氣候和水文等條件要求較高。良好的水文氣候條件能夠保證電站正常穩(wěn)定運行。

（4）環(huán)境保護政策。海水抽水蓄能工程項目需要通過“環(huán)評”才能夠開工建設，嚴格的環(huán)保政策會影響到工程規(guī)劃和建設的多個方面，并且使電力工程項目設計、建設成本增加。

（5）稅收政策。財政部門對大型抽水蓄能工程制定的增值稅優(yōu)惠政策，減輕了工程的稅費負擔和財務壓力。

（6）電源結(jié)構(gòu)。電力項目所在區(qū)域內(nèi)各類電源的分布和比例會影響調(diào)峰調(diào)頻需求、電力交易方式和電價體制等。

（7）項目設計方案。海水抽水蓄能電站的設計方案若存在技術(shù)漏洞或者有變更，將對工程建設和運行產(chǎn)生嚴重影響，造成進度延期和成本上升。

（8）機電設備選擇。機電設備直接影響海水抽水蓄能電站運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

（9）規(guī)劃設計成本。抽水蓄能工程規(guī)劃設計工作主要倚靠專業(yè)電力設計機構(gòu)，其成本應納入項目財務風險的考慮中。

（10）施工技術(shù)。海水抽水蓄能工程位于海岸附近，且需要安裝大型機電設備，如果施工技術(shù)存在缺陷，將會導致工期延誤和工程隱患。

（11）工程質(zhì)量。海水抽水蓄能電站中上水庫抗震防漏水平、地上地下廠房庫房施工質(zhì)量直接影響工程安危。

（12）施工安全。施工安全風險主要受環(huán)境因素、建設管理水平影響，安全措施實施不當將會威脅到施工人員的人身安全。

（13）項目管理。工程管理部門若對施工設備和材料保管不力，將造成不必要的損失；若對人員分配和工作協(xié)調(diào)不當，將會導致工期延誤和成本增加。

（14）工程進度。海水抽水蓄能項目工程量巨大、建設周期較長，而環(huán)境條件、施工條件和資金到位情況等因素都會影響工程進度。

（15）建設成本。在海水抽水蓄能工程較長的建設周期中，原材料價格和人力資源成本也會隨著市場供求關(guān)系的變化而波動，會增加項目成本超支風險。

（16）機組安穩(wěn)運行。海水抽水蓄能電站機組若發(fā)生安全事故將造成人身、財產(chǎn)的直接損失，受影響的機組無法正常運行并造成經(jīng)濟損失。

（17）項目財務風險。海水抽水蓄能項目的財務風險表現(xiàn)為，在工程規(guī)劃建設階段需進行大規(guī)模融資，資金鏈斷裂將造成工期延誤甚至項目失?。辉谶\營階段，項目也需要充足的現(xiàn)金流來償還前期投資成本和維持電站運營。

（18）運營檢修成本。海水抽水蓄能電站設備的運行費用、檢修費用和故障引起損失，以及維持電站運營的開支構(gòu)成了運營檢修成本。

（19）極端天氣災害。臺風、海嘯等極端天氣災害在沿海區(qū)域發(fā)生頻率較高，它們將影響海水抽水蓄能工程建設、運營階段的多個方面。

（20）海水滲透腐蝕。海水在水庫中若出現(xiàn)大范圍滲透現(xiàn)象，將影響水庫安全和地下生態(tài)；海水對引水管道、水泵水輪機等設備有腐蝕作用，影響機組正常工作。

（21）海洋生物附著。海洋生物易于附著在水工設備中，降低系統(tǒng)運行效率并且有安全隱患。

（22）電價體制。海水抽水蓄能電站涉及的電力價格主要有上網(wǎng)電價、用電電價和提供電網(wǎng)輔助服務的價格，電價體制直接影響電站運營效益。

（23）發(fā)電量。抽水蓄能電站向電網(wǎng)輸出電量的波動會給電站運行效益帶來風險。

（24）抽水電量。抽水蓄能電站從電網(wǎng)吸納電量的波動會給電站運行效益帶來風險。

2.3 風險要素意識模型和鄰接矩陣

以項目風險要素集合為基礎，把每一個風險要素分別與其他要素進行比較，確定兩者之間是否存在直接因果關(guān)系，并表示在要素關(guān)系表中，如表2所示。

從而可將上述28個風險要素之間的影響關(guān)系表示成如圖2所示的鄰接矩陣A。

2.4 風險要素可達矩陣和骨架矩陣

為得到風險要素間直接和間接二元關(guān)系，對鄰接矩陣A按照式（1）可以求得可達矩陣M，如圖3所示。

為了清晰表示項目各風險要素之間的層級關(guān)系，對可達矩陣M按照解釋結(jié)構(gòu)模型實用方法[12]進行層次分解。因此，可以將風險要素集合劃分為6個層次：

最頂層表示為風險要素集合的最終風險，往下各層分別表示是上一層的傳遞要素。從而可以得到進行層級劃分后的可達矩陣M′，如圖4所示。

分析各層級，其中L4中的{10，11，12，13}是所在級內(nèi)的強連接要素，彼此之間完全聯(lián)通，因此它們作為一個整體影響和被影響的要素完全一致，因而可通過建立骨架矩陣來簡化強連接要素之間以及與外部要素的關(guān)系。并且可以更加便捷地得到風險要素的遞階有向圖。在進行層級劃分后的可達矩陣M′中，刪去L4中的{11，12，13}即可得到骨架矩陣N。

2.5 遞階有向圖及其分析

2.5.1 風險要素多級遞階有向圖

根據(jù)風險要素集合劃分的6個層次，分區(qū)域逐級排列各個要素，其中將縮減掉的要素隨其代表要素同級補入，并標明這部分強連接要素之間的互相作用關(guān)系。在相鄰層級之間，依據(jù)骨架矩陣N用從下到上的有向弧來表示逐級要素之間的互相影響關(guān)系。分析更為完整可達矩陣M，補充必要的越級關(guān)系，包括極端天氣災害（19）/海水滲透腐蝕（20）/海洋生物附著（21）→機組安穩(wěn)運行（16），海洋環(huán)境中的惡劣天氣、滲透、腐蝕、生物附著會直接影響設備正常工作；項目設計方案（7）→工程進度（14），工程設計方案若在開始建設施工后發(fā)生變動，勢必會拖延施工時間，從而影響工程進度；稅收政策（7）→項目財務風險（21），財政部門對于大型抽水蓄能工程制定的增值稅優(yōu)惠政策，將直接影響項目收支水平和財務狀況?？梢缘玫阶罱K的項目風險要素多級遞階有向圖，如圖6所示。

2.5.2 分析

（1）建立海水抽水蓄能工程項目風險的解釋結(jié)構(gòu)模型，最后得到風險要素多級遞階有向圖，將24個風險要素劃為6個層次。按照風險要素在遞階有向圖中所處的位置以及有向弧的鏈接關(guān)系，可以將24個風險要素區(qū)分為最終風險、源頭風險和過程風險。

最終風險是指其他風險要素都會直接或間接對其產(chǎn)生影響的風險，模型中風險要素{17}屬于最終風險，說明海水抽水蓄能工程中涉及的風險要素最終都會對項目財務風險產(chǎn)生影響。

源頭風險僅會對其他風險要素產(chǎn)生影響而不會受它們影響，模型中風險要素{1，3，4，20，2，19，21，9}屬于源頭風險，它們的類型涵蓋經(jīng)濟、自然環(huán)境、技術(shù)支持和政策等方面，從不同層次出發(fā)通過風險傳遞鏈對項目財務風險產(chǎn)生影響。作為海水抽水蓄能工程風險體系的輸入要素，源頭風險需要被優(yōu)先管理和控制，這就要求企業(yè)深入了解經(jīng)濟社會發(fā)展狀況、準確勘探自然地理條件、尋求先進技術(shù)支持和把握政策方針。

過程風險是除最終風險和源頭風險之外的風險，其受到源頭風險或其他過程風險直接影響，對于過程風險如果管控不力將會引起風險傳輸?shù)倪B鎖反應。

（2）按照解釋結(jié)構(gòu)模型方法將風險要素進行層次劃分，有利于企業(yè)對海水抽水蓄能工程中出現(xiàn)的風險進行有效識別和高效管控。L4的施工技術(shù)（10）、工程質(zhì)量（11）、施工安全（12）和項目管理（13）也是所在層級內(nèi)的一組強連接要素，彼此之間完全聯(lián)通。因此，企業(yè)可以依據(jù)自身情況重點管控強連接要素組中某一個風險要素，提高經(jīng)營管理效率。

3 結(jié)束語

海水抽水蓄能項目風險關(guān)系的研究方法眾多，對應的項目風險評價體系以及風險量化排序具有很強的主觀性。本文基于解釋結(jié)構(gòu)模型法（ISM）對海水抽水蓄能工程風險系統(tǒng)進行分析，涵蓋工程立項、規(guī)劃、施工和運營各階段所涉及的風險要素，利用解釋結(jié)構(gòu)模型方法進行分析，構(gòu)建用于描述風險要素層次劃分和影響關(guān)系的多級遞階有向圖，形象且直觀地得到海水抽水蓄能工程風險系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。

依據(jù)多級遞階有向圖，風險系統(tǒng)中的風險要素被分為最終風險、源頭風險和過程風險。項目財務風險屬于海水抽水蓄能工程風險系統(tǒng)的最終風險。企業(yè)需要對源頭風險采取重點管控措施，要求在項目各個階段綜合考慮經(jīng)濟、自然環(huán)境、技術(shù)支持和政策等方面情況。

本文基于ISM方法的工程分析，為相關(guān)企業(yè)進行風險管控提供了決策基礎，以后的研究工作可以圍繞更為全面的風險識別和細致的風險傳輸鏈分析展開。

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2017-07-15

2017-09-18

邵燁楠（1992—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能機組控制、保護和工程規(guī)劃等。E-mail：shaoynee@gmail．com

梅 杰（1991—），男，助理工程師，主要研究方向：電力市場、需求側(cè)管理等。E-mail：meijie_seu@163．com

司鑫堯（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護，電力經(jīng)濟管理等。E-mail：sixinyaoxp@163．com

Analysis for the Risk of Seawater Pumped Storage Project Based on Interpretative Structural Model

SHAO Yenan1，3，MEI Jie2，SI Xinyao3
[1. State Grid Suzhou Electric Power Supply Company， Suzhou 215004，China；2. Jiangsu Electric Power Company Materials Company， Nanjing 210024，China；3. NARI Group （State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，China]

The risk factors of seawater pumped storage project contain numerous number and complex relationship. Firstly， this paper takes the whole life cycle management to realize the risk identification， which can find out risk factors dispersed in various stages of the project centrally； then using the interpretative structural model to analyze the various stages of risk system which covers engineering， planning， construction and operation， and building multilevel hierarchical directed graph which is used to describe the level classification and effect relationship of risk factors.Risk factors can be divided into the ultimate risk， sources of risk and processing risk in risk system， and formulating corresponding risk management strategies based on different risk attributes.

seawater pumped storage project； risk system； whole life cycle management； interpretative structural mode

TV213

A學科代碼：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．005