基于文獻計量法的智慧電網成熟度評估

孫 芊 吉祥鑫 王忠強 熊 峰

1(國網河南省電力公司電力科學研究院 河南 鄭州 450000) 2(上海大學機電工程與自動化學院 上海 200444)

0 引 言

智慧電網的建設，能夠實現電網高度自動化、信息化、數據化，是現在電網發展的必然趨勢[1]。為了對智慧電網進行有效評估，歐美等發達國家已經進行了大量研究，如美國的“智慧電網成熟度模型”，從核心價值、主要特性和相關技術領域三個方面進行評估；歐洲的智慧電網收益體系則更加關注智慧電網建設針對環境問題的改善[2]。與之相對的是，目前我國仍然缺乏行之有效的評估方法，對目前智慧電網具體發展到何種地步，缺乏普適、直觀的評價方法。楊本臣等[3]針對智慧電網的穩定性使用聚類的方法進行了評估，指出聚類度越大表明成熟度越高，但是該方法的通用性較差，不具有普適性；蔡子龍等[4]運用層次分析法對智慧電網IT能力成熟度進行評估，可靠性高，但是計算復雜。

為了簡單直觀地表現目前智慧電網的成熟度，本文在現有評估體系的基礎上，對其進行更加細致的分析，從智慧電網基本的技術性能、功能要求等方面建立了新的智慧電網成熟度的評估體系。在成熟度評估方法選擇上，采取技術文獻計量法，通過各類文獻比例關系，簡明直觀地分析了智慧電網的成熟程度。

1 智慧電網的成熟度指標

成熟度是指研究對象與其預期完美狀態的相對值，電網的成熟度是指電網產業在規劃發展中所處的階段，一般分為五個等級：萌發期、起步期、成長期、成熟期、優化期[5]。在萌芽期時，技術各項指標都較低，需要投入大量時間推動技術發展；進入起步期后，在相同投入時間里，技術增長變快；當進入成長期，技術增長速率達到最大；之后開始衰減，進入成熟期；而進入最后階段優化期后，技術增長速率基本為零。據此建立電網成熟度模型，縱坐標為技術性能，代表技術性能的不斷優化提高，橫坐標代表技術的研發時間[6]。模型見圖1。

圖1 智慧電網成熟度等級體系

根據上述電網成熟度的五個劃分等級，提出了智慧電網的產業成熟度的評價指標，智慧電網是傳統物理電網技術與數字化技術結合的產物，旨在為用戶提供更加人性化的服務，所以在考察智慧電網成熟度時，不單單要考察相關技術發展狀況，還應當兼顧智慧電網出現對社會的改變[7]，故該評價指標涵蓋技術性能、功能要求以及社會影響三個大方面。由于智慧電網是一個整合所有使用者及其行為的電力網路，需要能夠保證高效、經濟、可靠地供應電力，所以技術性能成熟度主要從可靠性、經濟性和優質性三個角度進行評價；智慧電網在功能要求方面主要可分為三大類：發電、輸電、配電，所以考察內容是這三個方面是否能高效、安全地完成各自的任務；社會層面成熟度則是站在用戶、企業和經濟三個角度來評估，更具有全面性，具體是通過企業管理的優劣、能否促進就業以及經濟發展這幾個方面來判斷，評價指標體系如表1所示。

表1 智慧電網產業成熟度評價指標體系

該評價體系同時兼顧了技術與社會兩個方面，在全面展現智慧電網的發展狀況這一方面做出了探索。通過此成熟度評價體系指標，可以在一定程度上對智慧電網的產業發展情況進行快捷有效的判定。

2 智慧電網的成熟度

2.1 評估方法

文獻計量法是1969年提出的，通過技術對應的文獻資料進行統計分析，得到發展規律，完成技術當前發展狀態的判斷，最終獲得成熟度評級。其中的期刊與會議論文比例法，用期刊與會議論文數的比例關系，來反映當前技術的成熟度[8]。

由于會議文獻多為設想和概念的提出，大多不涉及具體實驗操作，而期刊文獻則一般是對某一想法的實踐檢驗。若會議文獻更多，則說明目前仍在討論可行性，成熟度處于萌芽期；當會議與期刊文獻數量差距縮小時，則說明技術正在發展進化中，成熟度處于起步期；當期刊文獻與會議文獻相近時，說明技術已經在蓬勃發展，成熟度處于成長期；當會議文獻幾乎沒有，只存在大量期刊文獻時，才說明技術已經發展到一定高度，電網發展真正進入成熟期[9]。

技術文獻計量法存在優點與一些不足。其優點在于文獻數據通過大數據方法獲得，具有一定統計意義，且便于量化。不足之處在于一項技術的成熟度并不僅僅局限于技術發展層面，還應當結合對當時社會層面的影響加以判斷，僅僅是對技術文獻進行統計分析會造成偏差。并且單單比較期刊文獻與會議文獻的多少，會使評估結果過于籠統，不具有針對性。

2.2 評估方法優化

為彌補上述缺點，在文獻計量法的基礎上，引入主成分分析法。主成分分析法利用降維思想，將多個變量轉化為少數幾個綜合變量，其中每個主成分都是原始變量的線性組合，各主成分之間互不相關，從而這些主成分能夠反映始變量的絕大部分信息，所含的信息互不重疊，使得復雜問題得以簡化，同時得到更為科學、準確的結果。

主成分分析法的代數模型建立如下：假設用p個變量來描述研究對象，分別用X1，X2，…，Xp來表示，這p個變量構成的p維隨機向量為X=(X1,X2,…，Xp)t。設隨機向量的均值為μ，協方差矩陣為Σ。假設X是以n個標量隨機變量組成的列向量，并且uk是其第k個元素的期望值，即uk=E(Xk)，協方差矩陣然后被定義為：

Σ=E{[X-E(X)][X-E(X)]}=

再對X進行線性變換：

主成分是不相關的線性組合Z1,Z2,…,Zp,并且Zp是X1,X2,X3…的線性組合中方差最大者，Z2是與Z1不相關的線性組合中方差最大者,Zp是與Z1,Z2,…,Zp-1都不相關的線性組合中方差最大者。

采用上述方法，對智慧電網領域技術、業務進行去粗取精，保留主成分進行分析對其進行技術成熟度預測可以大大提高對一項技術或一個業務的成熟度分析精確度，同時，在相對數值分析基礎上，添加了絕對數值分析，增加了數據的準確性。

2.3 評估流程

為了更加準確地表述目前智慧電網技術的發展情況和總體趨勢，對期刊文獻與會議文獻數量比值進行更加細化的分級，定義會議文獻與期刊文獻比值為γ，γ大于3說明技術理論發展還處于萌芽期，僅僅提出大量設想，鮮有實踐；γ大于2小于3說明技術理論發展步入起步期，大量設想提出的同時，也有較多實踐對這些理論進行檢驗；γ小于2大于1，說明技術理論正處于起步期的末期，臨近成長期；γ小于等于1時，說明技術理論已經進入成長期；當比值無限趨近于0時，說明技術理論已經進入成熟期，大量設想已經被實踐證明并投入使用。具體分級見表2。

表2 成熟度細化表

通過主成分分析法的篩選，技術性能層面以電網可靠性為檢索主體；功能方面以配電、輸電和發電環節中的主要技術為主；最后在社會影響上將企業的管理作為代表性環節[10]。具體內容詳見表3。

表3 智慧電網成熟度評估各環節主要成分

智慧電網成熟度評估具體流程如圖2所示。

圖2 智慧電網成熟度評估流程

2.4 文獻分析

檢索文獻的數據主要來源于知網、百度學術、Web of Science、Engineering Village等文獻庫，以網絡數據為主。因為智慧電網這一概念出現的時間在2009年左右，故統計了2009年到2018年的期刊會議文獻數量，主要觀測期刊文獻數量與會議文獻數量的數量以及它們的比例關系。

1) 智慧電網可靠性，具體數據如表4所示。

表4 電網可靠性會議期刊文獻

2) 電網功能要求。

(1) 分布式電源技術,具體數據如表5所示。

表5 分布式電源技術會議期刊文獻

(2) 柔性輸電技術，具體數據如表6所示。

表6 柔性輸電技術會議期刊文獻

(3) 配電自動化技術，具體數據如表7所示。

表7 配電自動化技術會議期刊文獻

3) 智慧電網企業管理，具體數據如表8所示。

表8 智慧電網企業管理會議期刊文獻

4) 折線圖。根據上述表格內容，將期刊文獻與會議文獻的比值繪制成折線圖，具體內容見圖3。

圖3 文獻比例分析圖

3 結果與分析

從上述的圖表數據可以看出，智慧電網可靠性、分布式電源技術和智慧電網企業管理理論的曲線波動較為相似，比值在2010年、2011年達到峰值，隨后逐年下降，在2016年到2018年比值趨于1，說明技術理論實踐應用數量漸漸增多，完全從起步期步入成長期，并且漸漸向成熟期進行轉變。配電自動化技術在2009年到2015年間曲線波動與分布式電源技術曲線類似，但是在2017年比值陡增，達到峰值，隨后下降至1.5附近，說明該技術發展仍存在較大研討空間，發展階段處于成長期，距離成熟期還有一定距離。對這些技術，未來發展的側重點應該放在實際應用層面。

柔性輸電技術曲線波動與其余技術理論大相徑庭，2010年到2012年間，會議、期刊文獻比穩定在4附近，并于2015年達到峰值，隨后下降，比值穩定在3，說明柔性輸電技術處于起步階段。之后對柔性輸電技術進行了進一步的細化分析，發現在支撐柔性直流輸電系統的各個技術中，其故障保護技術是制約發展的重要因素，在未來的發展研究中，應將建立快速可靠的故障檢測方法作為研究重心。

為了驗證評估結果的準確性，對各年份的數據比例進行了t檢驗，結果顯示p值均小于0.05，差異顯著，結果如表9所示。查閱國家電網試點工程的結果，分析顯示，智慧電網可靠性評分較高，配電自動化與分布式電源技術發展評估結果同樣得分較高，而柔性輸電技術評估結果顯示輸電效率不高，未達到預期效果。

表9 單樣本檢驗結果

綜上，本文分析結果與實際成熟度評估結果基本吻合，并且契合成熟度折線圖，因此運用文獻計量法的成熟度預測是可信的。

4 結 語

本文在智慧電網技術性能、功能要求和社會影響三個層面的基礎上，建立了智慧電網成熟度評價體系。根據該評價體系，運用改進后的文獻計量法對智慧電網發展成熟度做出了相應評估，運用主成分分析法選取了各個方向上的代表技術理論。通過對近幾年它們在Web of Science和EI會議上發表的文章數量以及比例的統計，了解到目前智慧電網發展處于成長階段的后期，正在穩步朝成熟期邁進，并且根據評估結果可判斷出，延誤電網發展的重要因素是關鍵技術發展不平衡，技術成熟度參差不齊。該方法有效指出目前智慧電網發展的短板在于輸電技術安全方面保障方面不夠完善，能夠幫助企業結合技術生命周期理論，找到自身技術差距與業務發展瓶頸，讓企業能夠有的放矢地提高自身水平，尋找創新點。