電池更換站模糊綜合風險評估系統(tǒng)設計

唐霧婺，湯克堅，張浩，陳良亮

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106；2.國網江西省電力公司，江西南昌 330077）

電池更換站模糊綜合風險評估系統(tǒng)設計

唐霧婺1，湯克堅2，張浩1，陳良亮1

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106；2.國網江西省電力公司，江西南昌 330077）

針對電動汽車電池更換站中多因素難以進行定量評估等特點，提出了一種基于模糊層次綜合分析法的模糊綜合風險評估系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)的數(shù)學建模，給出了風險評估各評價因素的權重系數(shù)及計算過程。該系統(tǒng)兼顧了電池更換站風險評估各因素間存在的模糊性和層次性，并通過專家經驗打分表明確各因素在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，使系統(tǒng)風險評估更具客觀性。算例分析表明，該系統(tǒng)可有效評估各因素風險程度和安全等級，為電動汽車電池更換站正常運營提供參考。

電動汽車；電池更換站；層次分析法；模糊綜合分析；風險評估

隨著化石燃料的短缺與環(huán)境問題的惡化，電動汽車發(fā)展成為必然趨勢[1-2]。而由于電動汽車電池更換站內充電機、換電機器人等設備價格較高且結構復雜，需要具備很高的運行穩(wěn)定性[3]。伴隨著電動汽車規(guī)?；l(fā)展以及電池充電站、電池更換站等數(shù)量的增加，對其運行可靠性提出了更高的要求[4]。風險評估是對電池更換站內諸多評價因素進行定性或定量分析，然后綜合分析給出各因素風險發(fā)生程度，它是電池更換站運維過程安全決策中一個重要組成部分。

國內外許多專家學者提出多種風險評估策略并應用于實際系統(tǒng)中。國外相關研究主要有：Orille-Fernandez A利用神經網絡實現(xiàn)了對地下電纜保護裝置的故障風險分析[5]；Bowles J B利用風險優(yōu)先權重數(shù)對故障形式和風險程度進行了評分，使風險可以進行量化分析[6]。國內研究主要有：文獻[7]研究了基于模糊綜合評判理論的電力信息系統(tǒng)安全風險評估模型及應用;文獻[8]采用了組合權重物元可拓模型對電網規(guī)劃進行風險評價；文獻[9]利用狀態(tài)和風險評估對老舊變壓器安全經濟性管理分析；文獻[10]基于復雜網絡理論與風險理論對地區(qū)電網脆弱性評估；文獻[11]采用BP神經網絡對普通建筑雷災風險進行評估；文獻[12]研究了基于模糊層次分析法對電能質量綜合評估與靈敏度分析。但是，國內外針對電動汽車電池更換站風險評估的研究相對較少，制約了電動汽車規(guī)?；陌l(fā)展。

本文針對電動汽車電池更換站中多因素難以進行定量評估等特點，提出了一種基于模糊層次綜合分析法的模糊綜合風險評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼顧了電池更換站風險評估各因素間存在的模糊性和層次性，并通過專家經驗打分表明確各因素在系統(tǒng)中表現(xiàn)，使系統(tǒng)風險評估更具客觀性，促進電動汽車電池更換站安全運行，將危險損失降至最小。

1 模糊層次分析法原理

模糊層次分析法原理即將模糊理論運用到層次分析法中，集模糊數(shù)學、層次架構、權重比較于一體，在風險評估決策中占有重要位置[13-14]。

1.1 單層次模糊分析

將被評價對象按某種原則或屬性劃分為n個評價因素論域：

式中：Ui為被評估系統(tǒng)中第i個因素。對評價因素集合Ui按某種屬性劃分成m個子集，有：

式中：uij為系統(tǒng)第i個評價因素的第j個子因素。確定被評價對象可能的評價等級集合，每一個因素最終評估結果對應一個評價等級，即：

式中：vk為第k個評價等級，共有s個評價等級。對各評價因素的權重進行分配，有：

式中：Wi為Ui上的一個模糊子集，且滿足如下條件：

假定第i個因素Ui的單因素評估結果為[15]：

則單級評估模型為

式中：bik為第i個因素第k個評價等級評估結果，有：

1.2 多層次模糊綜合評判模型

針對復雜系統(tǒng)，需要考慮的評價因素較多，且各評價因素處于不同的層次，如果應用單層次模糊評估分析不會得出精確的評估結果[16]。因此，需要對評價因素按照一定屬性分類，先對每一類進行綜合評價，然后再對各類評估結果進行多層次綜合評估。

給出n個因素中所有子因素的權重分配矩陣[17]，為：

n個評價因素的綜合評價決策矩陣為：

式（10）即為U到V的一個模糊評價關系。如果U中的各因數(shù)子集的權數(shù)分配為W，則可得綜合評估結果為：

式（11）既是評價系統(tǒng)U的綜合評判結果，也是U中的所有評價因素的綜合評估結果。多層次的模糊綜合評估模型，不僅可以反映評價因素的不同層次，而且避免了由于因素過多而難于分配權重的弊病。

2 電池更換站設備故障風險評估模型

電池更換站設備故障風險評估以電池更換站內與設備相關的機械危險和電氣危險為考察對象，將工人素質、設備狀況、環(huán)境條件和安全管理的知識和經驗匯集起來，實現(xiàn)對各類評價因素的風險預估。圖1為電動汽車電池更換站風險評估體系圖。

由圖1可知，該遞階層次設備故障風險評估體系第一層評價因素集合為：

圖1 設備故障風險評估體系圖Fig.1 Equipment failure risk assessment system

式中：U1為工人素質；U2為設備狀況；U3為環(huán)境條件；U4為安全管理。綜合評價集中各評價因素的子因素集合為：

式（13）中集合關系及相關定義與圖1對應，此處不再贅述。

采用層次分析[18]法確定各因素的權重，并建立權重系數(shù)矩陣，有：

根據電池更換站內設備狀況，選取五級評價等級集，即：

式中：v1為絕對安全；v2為安全；v3為一般；v4為危險；v5為非常危險。

利用專家打分法給出指標評價矩陣，并建立綜合目標評價決策矩陣，即：

求綜合評估結果，為：

求風險評估總得分：

式中：S為評價集對應的分數(shù)向量，具體評分表由表1給出。

表1 風險評分表Tab.1 The risk assessment

根據式（18）計算結果并對照表1查詢，即可得到各評價因素的風險大小，并可以根據評估結果針對性地修改完善。

3 算例分析

以鹽城電動汽車電池更換站為例進行分析，并給出各子因素專家經驗打分表，如表2所示。

表2 各因素專家打分表Tab.2 Expert’s marks for each factor

根據表2專家打分表中各因素評價分數(shù)以及式（12）—式（16），制定并建立各因素的權重矩陣和綜合目標評價決策矩陣，如表3所示。

由表3及式（16）計算綜合目標評價決策矩陣，為：

由表3及式（17）和式（19）求解風險因素綜合評估結果為：

表3 模糊評價項目表Tab.3 Fuzzy evaluation table

由表1及式（20）計算風險評估總得分為

評分結果及對應安全等級由表4給出。由表4安全等級可知，針對人員、設備、環(huán)境和管理4個評價因素都僅僅處于一般安全狀態(tài)，尚未達到絕對安全等級，還需要通過改善相關子因素，以便提高總評分。

表4 各因素模糊綜合評估結果Tab.4 Comprehensive fuzzy evaluation result of each factor

4 結語

本文設計了一種電動汽車電池更換站模糊綜合風險評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用模糊綜合層次分析法對電池更換站諸多因素進行綜合評估，通過專家經驗打分表計算并制定各因素權重系數(shù)和綜合目標評價決策矩陣，最終求得安全等級分數(shù)。該系統(tǒng)兼顧了各因素間的模糊性和層次性，能夠客觀評價因素影響。

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System Design of Fuzzy Comprehensive Risk Assessment for Battery Replacement Stations

TANG Wuwu1，TANG Kejian2，ZHANG Hao1，CHEN Liangliang1
（1.State Grid NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.State Grid Jiangxi Electric Power Company，Nanchang 330077，Jiangxi，China）

Since there are many factors difficult to quantitatively evaluate in electric vehicle battery replacement stations，a fuzzy comprehensive risk assessment system is proposed based on fuzzy hierarchy comprehensive analysis.The risk assessment and the weight of each evaluation factor coefficient calculation are given through system modeling.The system takes account of the fuzziness and gradation of factors influencing switching station risk assessment.Assessment based on the experience of experts also clarifies the role of each factor in the system performance.Therefore，the objectivity of the system risk assessment is enhanced.Additionally，the example analysis shows that the system can effectively assess the degree of risk and security factors，and the design can offer implications for the regular operation of the electric car battery replacement stations.

electric vehicle；battery replacement stations；analytic hierarchy process（AHP）；fuzzy comprehensive analysis；risk assessment

2016-03-21。

唐霧婺（1985—），女，碩士，工程師，研究方向為電動汽車與電網互動技術、電動汽車充換電技術。

（編輯 董小兵）

國家電網公司科技項目（[2012]763號）；國家發(fā)改委項目“基于物聯(lián)網的智能用電綜合管理與能效提升技術研發(fā)及產業(yè)化”。

Project Supported by Science and Technology Program of SGCC（[2012]763）；“Technology Research and Industrialization on Comprehensive Management and Efficiency of Intelligent Power Based on IOT”under the National Development and Reform Commission（NDRC）Project.

1674-3814（2016）11-0118-05

U491.8;U492.8

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