电池更换站模糊综合风险评估系统设计

唐雾婺，汤克坚，张浩，陈良亮

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106；2.国网江西省电力公司，江西南昌 330077）

电池更换站模糊综合风险评估系统设计

唐雾婺1，汤克坚2，张浩1，陈良亮1

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106；2.国网江西省电力公司，江西南昌 330077）

针对电动汽车电池更换站中多因素难以进行定量评估等特点，提出了一种基于模糊层次综合分析法的模糊综合风险评估系统。通过对该系统的数学建模，给出了风险评估各评价因素的权重系数及计算过程。该系统兼顾了电池更换站风险评估各因素间存在的模糊性和层次性，并通过专家经验打分表明确各因素在系统中的表现，使系统风险评估更具客观性。算例分析表明，该系统可有效评估各因素风险程度和安全等级，为电动汽车电池更换站正常运营提供参考。

电动汽车；电池更换站；层次分析法；模糊综合分析；风险评估

随着化石燃料的短缺与环境问题的恶化，电动汽车发展成为必然趋势[1-2]。而由于电动汽车电池更换站内充电机、换电机器人等设备价格较高且结构复杂，需要具备很高的运行稳定性[3]。伴随着电动汽车规模化发展以及电池充电站、电池更换站等数量的增加，对其运行可靠性提出了更高的要求[4]。风险评估是对电池更换站内诸多评价因素进行定性或定量分析，然后综合分析给出各因素风险发生程度，它是电池更换站运维过程安全决策中一个重要组成部分。

国内外许多专家学者提出多种风险评估策略并应用于实际系统中。国外相关研究主要有：Orille-Fernandez A利用神经网络实现了对地下电缆保护装置的故障风险分析[5]；Bowles J B利用风险优先权重数对故障形式和风险程度进行了评分，使风险可以进行量化分析[6]。国内研究主要有：文献[7]研究了基于模糊综合评判理论的电力信息系统安全风险评估模型及应用;文献[8]采用了组合权重物元可拓模型对电网规划进行风险评价；文献[9]利用状态和风险评估对老旧变压器安全经济性管理分析；文献[10]基于复杂网络理论与风险理论对地区电网脆弱性评估；文献[11]采用BP神经网络对普通建筑雷灾风险进行评估；文献[12]研究了基于模糊层次分析法对电能质量综合评估与灵敏度分析。但是，国内外针对电动汽车电池更换站风险评估的研究相对较少，制约了电动汽车规模化的发展。

本文针对电动汽车电池更换站中多因素难以进行定量评估等特点，提出了一种基于模糊层次综合分析法的模糊综合风险评估系统。该系统兼顾了电池更换站风险评估各因素间存在的模糊性和层次性，并通过专家经验打分表明确各因素在系统中表现，使系统风险评估更具客观性，促进电动汽车电池更换站安全运行，将危险损失降至最小。

1 模糊层次分析法原理

模糊层次分析法原理即将模糊理论运用到层次分析法中，集模糊数学、层次架构、权重比较于一体，在风险评估决策中占有重要位置[13-14]。

1.1 单层次模糊分析

将被评价对象按某种原则或属性划分为n个评价因素论域：

式中：Ui为被评估系统中第i个因素。对评价因素集合Ui按某种属性划分成m个子集，有：

式中：uij为系统第i个评价因素的第j个子因素。确定被评价对象可能的评价等级集合，每一个因素最终评估结果对应一个评价等级，即：

式中：vk为第k个评价等级，共有s个评价等级。对各评价因素的权重进行分配，有：

式中：Wi为Ui上的一个模糊子集，且满足如下条件：

假定第i个因素Ui的单因素评估结果为[15]：

则单级评估模型为

式中：bik为第i个因素第k个评价等级评估结果，有：

1.2 多层次模糊综合评判模型

针对复杂系统，需要考虑的评价因素较多，且各评价因素处于不同的层次，如果应用单层次模糊评估分析不会得出精确的评估结果[16]。因此，需要对评价因素按照一定属性分类，先对每一类进行综合评价，然后再对各类评估结果进行多层次综合评估。

给出n个因素中所有子因素的权重分配矩阵[17]，为：

n个评价因素的综合评价决策矩阵为：

式（10）即为U到V的一个模糊评价关系。如果U中的各因数子集的权数分配为W，则可得综合评估结果为：

式（11）既是评价系统U的综合评判结果，也是U中的所有评价因素的综合评估结果。多层次的模糊综合评估模型，不仅可以反映评价因素的不同层次，而且避免了由于因素过多而难于分配权重的弊病。

2 电池更换站设备故障风险评估模型

电池更换站设备故障风险评估以电池更换站内与设备相关的机械危险和电气危险为考察对象，将工人素质、设备状况、环境条件和安全管理的知识和经验汇集起来，实现对各类评价因素的风险预估。图1为电动汽车电池更换站风险评估体系图。

由图1可知，该递阶层次设备故障风险评估体系第一层评价因素集合为：

图1 设备故障风险评估体系图Fig.1 Equipment failure risk assessment system

式中：U1为工人素质；U2为设备状况；U3为环境条件；U4为安全管理。综合评价集中各评价因素的子因素集合为：

式（13）中集合关系及相关定义与图1对应，此处不再赘述。

采用层次分析[18]法确定各因素的权重，并建立权重系数矩阵，有：

根据电池更换站内设备状况，选取五级评价等级集，即：

式中：v1为绝对安全；v2为安全；v3为一般；v4为危险；v5为非常危险。

利用专家打分法给出指标评价矩阵，并建立综合目标评价决策矩阵，即：

求综合评估结果，为：

求风险评估总得分：

式中：S为评价集对应的分数向量，具体评分表由表1给出。

表1 风险评分表Tab.1 The risk assessment

根据式（18）计算结果并对照表1查询，即可得到各评价因素的风险大小，并可以根据评估结果针对性地修改完善。

3 算例分析

以盐城电动汽车电池更换站为例进行分析，并给出各子因素专家经验打分表，如表2所示。

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

根据表2专家打分表中各因素评价分数以及式（12）—式（16），制定并建立各因素的权重矩阵和综合目标评价决策矩阵，如表3所示。

由表3及式（16）计算综合目标评价决策矩阵，为：

由表3及式（17）和式（19）求解风险因素综合评估结果为：

表3 模糊评价项目表Tab.3 Fuzzy evaluation table

由表1及式（20）计算风险评估总得分为

评分结果及对应安全等级由表4给出。由表4安全等级可知，针对人员、设备、环境和管理4个评价因素都仅仅处于一般安全状态，尚未达到绝对安全等级，还需要通过改善相关子因素，以便提高总评分。

表4 各因素模糊综合评估结果Tab.4 Comprehensive fuzzy evaluation result of each factor

4 结语

本文设计了一种电动汽车电池更换站模糊综合风险评估系统，该系统利用模糊综合层次分析法对电池更换站诸多因素进行综合评估，通过专家经验打分表计算并制定各因素权重系数和综合目标评价决策矩阵，最终求得安全等级分数。该系统兼顾了各因素间的模糊性和层次性，能够客观评价因素影响。

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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。

唐雾婺（1985—），女，硕士，工程师，研究方向为电动汽车与电网互动技术、电动汽车充换电技术。

（编辑 董小兵）

国家电网公司科技项目（[2012]763号）；国家发改委项目“基于物联网的智能用电综合管理与能效提升技术研发及产业化”。

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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