基于解释结构模型的海水抽水蓄能工程风险分析

邵烨楠，梅 杰，司鑫尧

（1. 国网苏州供电公司，江苏省苏州市 215004；2. 国网江苏省电力公司物资公司，江苏省南京市 210024；3.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211106）

基于解释结构模型的海水抽水蓄能工程风险分析

邵烨楠1，3，梅 杰2，司鑫尧3

（1. 国网苏州供电公司，江苏省苏州市 215004；2. 国网江苏省电力公司物资公司，江苏省南京市 210024；3.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211106）

海水抽水蓄能工程涉及的风险要素数目繁多且关系复杂，本文首先采取全寿命周期管理的方法进行风险识别，将分散于工程各个阶段的风险要素集中挖掘出来；然后利用解释结构模型方法对涵盖工程立项、规划、施工和运营各阶段的风险系统进行分析，并构建用于描述风险要素层次划分和影响关系的多级递阶有向图。风险系统中的风险要素可分为最终风险、源头风险和过程风险，并依据不同的风险属性制定对应的管理策略。

海水抽水蓄能；风险系统；全寿命周期管理；解释结构模型

0 引言

抽水蓄能电站不但是电网中具有调峰调频、事故备用和黑启动等辅助功能的一类特殊电源，而且其作为大容量储能装置，能够协助风力、太阳能等可再生能源的消纳。海水抽水蓄能电站相较于常规抽水蓄能电站而言，具有以下优势：①以海洋作为水库，库容充沛、水位稳定、建设成本低[1]；②与大型海上风电场、滩涂光伏电站配合运行，提高清洁能源消纳比例；③参与沿海负荷中心地区电网、海岛微电网的调控[2]，提高系统运行可靠性与经济性。

日本冲绳山原海水抽水蓄能电站[3，4]是世界上第一个也是迄今唯一投入实际应用的海水抽水蓄能工程。中东学者Susan Kraemer提出分别将地中海和里海作为上、下水库建设海水抽水蓄能电站[5]，以解决当地海水淡化和电力紧缺问题；智利Valhalla能源公司在太平洋沿岸的安第斯山脉规划的太阳能—海水抽水蓄能联合电站于2016年底开工建设[6]。我国海岸带资源丰富，北部山东、辽宁沿海，东部江浙沿海，南部福建、两广沿海地区海水抽水蓄能开发潜力巨大[1，7]，业已开展对建设条件、关键技术和站点选择的研究。但是，海水抽水蓄能工程投资成本高、建设周期长、技术要求高，在建设全过程中涉及多方面因素，由此会对整体工程项目带来繁多且关系复杂的风险。开展针对海水抽水蓄能工程风险的研究，不仅能够提高投资决策的科学合理性，还可以通过合理的风险管理手段减少成本支出，提高项目收益水平。

现阶段对于抽水蓄能工程风险识别的研究，常聚焦于项目前期规划核准阶段[8]、工程建设阶段[9，10]或者设备合同管理中所遇到的各类风险，缺乏全局性地考虑项目各阶段的风险。而对于抽水蓄能电站项目风险关系的研究，主要使用层次分析法[11]、模糊综合评价法[10]等，建立项目风险评价体系并对各个风险进行量化排序，这不但带有很强的主观性，而且不能厘清风险之间的影响关系。本文从海水抽水蓄能电站全寿命周期管理的角度出发，先研究工程各阶段所面临的风险要素，之后利用解释结构模型方法分析各风险要素间的影响关系并进行层次划分，便于进行风险管理。

1 解释结构模型方法

解释结构模型方法（Interpretative Structural Modeling， ISM）主要应用于分析复杂要素间关联结构，它能够利用系统要素之间已知的零乱关系，揭示出系统内部结构。ISM用图形和矩阵描述出各种已知的关系，通过矩阵运算推导出结论并解释系统结构的关系。ISM实用化的技术路线如图1所示。

（1）Step1。

针对设定问题，形成意识模型。假设影响系统问题的主要因素有n个，形成系统要素集并记为S={S1，S2，S3，…，Sn}。

寻求各要素之间的直接二元关系，得到意识模型并给出系统的邻接矩阵A=（aij）n×n。规定，当要素Si对Sj有影响时，aij为1；当要素Si对Sj无影响时，aij为0。

（2）Step2。

考虑二元关系的传递性，建立反映诸要素间关系的可达矩阵M。可达矩阵可以通过推移特性和布尔代数法则求得，公式为：

式中：A——邻接矩阵；

I——单位阵；

r——总迭代次数。

（3）Step3。

利用解释结构模型实用方法，在可达矩阵M中找到特色要素并进行区域划分。在区域划分基础上继续层次划分。

（4）Step4。

在层级划分后的可达矩阵M*中寻找具有强连接属性的要素子集，留其中一个要素对可达矩阵M*进行缩减，得到骨架矩阵N。结合层级划分后的可达矩阵M*和骨架矩阵N建立解释结构模型，并绘制多级递阶有向图来描述系统的结构关系。

（5）Step5。

将Step4中的解释结构模型与Step1中的意识模型进行对比和修正，完善系统的结构关系。

2 海水抽水蓄能工程项目风险的ISM分析

2.1 项目风险识别

基于项目全寿命周期管理的风险识别可以将分散于工程各个阶段的风险要素集中挖掘出来，避免封闭性、局限性问题。对于一个典型的海水抽水蓄能工程项目，本文将其全寿命周期划分为立项决策阶段、规划设计阶段、施工建设阶段和运营维护阶段。

影响海水抽水蓄能工程项目的风险要素按照类别可以分为自然风险、经济风险、技术风险和政策风险等。针对工程项目全寿命周期的各个阶段，根据这些风险模块来罗列出若干子风险，从而确定海水抽水蓄能工程项目风险要素集合，经过筛选得到以下24个子风险要素作为研究对象，如表1所示。

2.2 风险要素说明

（1）项目勘察水平。工程项目的勘察主要包括地质勘测和水文气候调查等，勘察水平直接影响项目设计方案、规划与建设成本以及运行阶段电站功能发挥。

（2）宏观经济环境。社会宏观经济环境直接左右金融利率、汇率，并且影响政府制定能源、税收等政策。另外，宏观经济波动也会影响电力供需。

（3）地质水文情况。海水抽水蓄能电站对所在区域的地质、气候和水文等条件要求较高。良好的水文气候条件能够保证电站正常稳定运行。

（4）环境保护政策。海水抽水蓄能工程项目需要通过“环评”才能够开工建设，严格的环保政策会影响到工程规划和建设的多个方面，并且使电力工程项目设计、建设成本增加。

（5）税收政策。财政部门对大型抽水蓄能工程制定的增值税优惠政策，减轻了工程的税费负担和财务压力。

（6）电源结构。电力项目所在区域内各类电源的分布和比例会影响调峰调频需求、电力交易方式和电价体制等。

（7）项目设计方案。海水抽水蓄能电站的设计方案若存在技术漏洞或者有变更，将对工程建设和运行产生严重影响，造成进度延期和成本上升。

（8）机电设备选择。机电设备直接影响海水抽水蓄能电站运行的安全性、可靠性和经济性。

（9）规划设计成本。抽水蓄能工程规划设计工作主要倚靠专业电力设计机构，其成本应纳入项目财务风险的考虑中。

（10）施工技术。海水抽水蓄能工程位于海岸附近，且需要安装大型机电设备，如果施工技术存在缺陷，将会导致工期延误和工程隐患。

（11）工程质量。海水抽水蓄能电站中上水库抗震防漏水平、地上地下厂房库房施工质量直接影响工程安危。

（12）施工安全。施工安全风险主要受环境因素、建设管理水平影响，安全措施实施不当将会威胁到施工人员的人身安全。

（13）项目管理。工程管理部门若对施工设备和材料保管不力，将造成不必要的损失；若对人员分配和工作协调不当，将会导致工期延误和成本增加。

（14）工程进度。海水抽水蓄能项目工程量巨大、建设周期较长，而环境条件、施工条件和资金到位情况等因素都会影响工程进度。

（15）建设成本。在海水抽水蓄能工程较长的建设周期中，原材料价格和人力资源成本也会随着市场供求关系的变化而波动，会增加项目成本超支风险。

（16）机组安稳运行。海水抽水蓄能电站机组若发生安全事故将造成人身、财产的直接损失，受影响的机组无法正常运行并造成经济损失。

（17）项目财务风险。海水抽水蓄能项目的财务风险表现为，在工程规划建设阶段需进行大规模融资，资金链断裂将造成工期延误甚至项目失败；在运营阶段，项目也需要充足的现金流来偿还前期投资成本和维持电站运营。

（18）运营检修成本。海水抽水蓄能电站设备的运行费用、检修费用和故障引起损失，以及维持电站运营的开支构成了运营检修成本。

（19）极端天气灾害。台风、海啸等极端天气灾害在沿海区域发生频率较高，它们将影响海水抽水蓄能工程建设、运营阶段的多个方面。

（20）海水渗透腐蚀。海水在水库中若出现大范围渗透现象，将影响水库安全和地下生态；海水对引水管道、水泵水轮机等设备有腐蚀作用，影响机组正常工作。

（21）海洋生物附着。海洋生物易于附着在水工设备中，降低系统运行效率并且有安全隐患。

（22）电价体制。海水抽水蓄能电站涉及的电力价格主要有上网电价、用电电价和提供电网辅助服务的价格，电价体制直接影响电站运营效益。

（23）发电量。抽水蓄能电站向电网输出电量的波动会给电站运行效益带来风险。

（24）抽水电量。抽水蓄能电站从电网吸纳电量的波动会给电站运行效益带来风险。

2.3 风险要素意识模型和邻接矩阵

以项目风险要素集合为基础，把每一个风险要素分别与其他要素进行比较，确定两者之间是否存在直接因果关系，并表示在要素关系表中，如表2所示。

从而可将上述28个风险要素之间的影响关系表示成如图2所示的邻接矩阵A。

2.4 风险要素可达矩阵和骨架矩阵

为得到风险要素间直接和间接二元关系，对邻接矩阵A按照式（1）可以求得可达矩阵M，如图3所示。

为了清晰表示项目各风险要素之间的层级关系，对可达矩阵M按照解释结构模型实用方法[12]进行层次分解。因此，可以将风险要素集合划分为6个层次：

最顶层表示为风险要素集合的最终风险，往下各层分别表示是上一层的传递要素。从而可以得到进行层级划分后的可达矩阵M′，如图4所示。

分析各层级，其中L4中的{10，11，12，13}是所在级内的强连接要素，彼此之间完全联通，因此它们作为一个整体影响和被影响的要素完全一致，因而可通过建立骨架矩阵来简化强连接要素之间以及与外部要素的关系。并且可以更加便捷地得到风险要素的递阶有向图。在进行层级划分后的可达矩阵M′中，删去L4中的{11，12，13}即可得到骨架矩阵N。

2.5 递阶有向图及其分析

2.5.1 风险要素多级递阶有向图

根据风险要素集合划分的6个层次，分区域逐级排列各个要素，其中将缩减掉的要素随其代表要素同级补入，并标明这部分强连接要素之间的互相作用关系。在相邻层级之间，依据骨架矩阵N用从下到上的有向弧来表示逐级要素之间的互相影响关系。分析更为完整可达矩阵M，补充必要的越级关系，包括极端天气灾害（19）/海水渗透腐蚀（20）/海洋生物附着（21）→机组安稳运行（16），海洋环境中的恶劣天气、渗透、腐蚀、生物附着会直接影响设备正常工作；项目设计方案（7）→工程进度（14），工程设计方案若在开始建设施工后发生变动，势必会拖延施工时间，从而影响工程进度；税收政策（7）→项目财务风险（21），财政部门对于大型抽水蓄能工程制定的增值税优惠政策，将直接影响项目收支水平和财务状况。可以得到最终的项目风险要素多级递阶有向图，如图6所示。

2.5.2 分析

（1）建立海水抽水蓄能工程项目风险的解释结构模型，最后得到风险要素多级递阶有向图，将24个风险要素划为6个层次。按照风险要素在递阶有向图中所处的位置以及有向弧的链接关系，可以将24个风险要素区分为最终风险、源头风险和过程风险。

最终风险是指其他风险要素都会直接或间接对其产生影响的风险，模型中风险要素{17}属于最终风险，说明海水抽水蓄能工程中涉及的风险要素最终都会对项目财务风险产生影响。

源头风险仅会对其他风险要素产生影响而不会受它们影响，模型中风险要素{1，3，4，20，2，19，21，9}属于源头风险，它们的类型涵盖经济、自然环境、技术支持和政策等方面，从不同层次出发通过风险传递链对项目财务风险产生影响。作为海水抽水蓄能工程风险体系的输入要素，源头风险需要被优先管理和控制，这就要求企业深入了解经济社会发展状况、准确勘探自然地理条件、寻求先进技术支持和把握政策方针。

过程风险是除最终风险和源头风险之外的风险，其受到源头风险或其他过程风险直接影响，对于过程风险如果管控不力将会引起风险传输的连锁反应。

（2）按照解释结构模型方法将风险要素进行层次划分，有利于企业对海水抽水蓄能工程中出现的风险进行有效识别和高效管控。L4的施工技术（10）、工程质量（11）、施工安全（12）和项目管理（13）也是所在层级内的一组强连接要素，彼此之间完全联通。因此，企业可以依据自身情况重点管控强连接要素组中某一个风险要素，提高经营管理效率。

3 结束语

海水抽水蓄能项目风险关系的研究方法众多，对应的项目风险评价体系以及风险量化排序具有很强的主观性。本文基于解释结构模型法（ISM）对海水抽水蓄能工程风险系统进行分析，涵盖工程立项、规划、施工和运营各阶段所涉及的风险要素，利用解释结构模型方法进行分析，构建用于描述风险要素层次划分和影响关系的多级递阶有向图，形象且直观地得到海水抽水蓄能工程风险系统的结构框架。

依据多级递阶有向图，风险系统中的风险要素被分为最终风险、源头风险和过程风险。项目财务风险属于海水抽水蓄能工程风险系统的最终风险。企业需要对源头风险采取重点管控措施，要求在项目各个阶段综合考虑经济、自然环境、技术支持和政策等方面情况。

本文基于ISM方法的工程分析，为相关企业进行风险管控提供了决策基础，以后的研究工作可以围绕更为全面的风险识别和细致的风险传输链分析展开。

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2017-07-15

2017-09-18

邵烨楠（1992—），男，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能机组控制、保护和工程规划等。E-mail：shaoynee@gmail．com

梅 杰（1991—），男，助理工程师，主要研究方向：电力市场、需求侧管理等。E-mail：meijie_seu@163．com

司鑫尧（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统继电保护，电力经济管理等。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学科代码：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．005