2011—2020年全球能源互聯網專利產出與熱點領域分析

夏 越，金宇飛，高 峰，王雁河，王治蘭，KAI Strunz

（1. 中國農業大學，北京 海淀 100083； 2. 清華大學能源互聯網創新研究院，北京 海淀 100085；3. 北京英邁琪科技有限公司，北京 房山 102488；4. 柏林工業大學，德國 柏林 10587）

能源互聯網的提出和發展具有深刻的環境、經濟、社會和政策等諸多驅動力。它既是能源系統自身發展的趨勢，也是外部對能源系統提出的迫切需求[1]。能源互聯網作為新型能源系統，代表了未來能源系統的形態。信息技術與能源技術的結合，模式創新與技術創新的結合，數字革命與能源革命的結合，則是通過“升維”的方式顛覆性地推動能源轉型。能源互聯網依托系統性思維，利用數字化技術，協同高效破解安全可靠、價格低廉、綠色低碳的能源不可能三角。

能源互聯網是以電為核心，利用可再生能源發電技術、信息技術，融合電力網絡、天然氣網絡、供熱和供冷網絡等多能源網以及電氣交通網形成的異質能源互聯共享網絡[2]。能源互聯網通過技術革命和體制革命加速生產革命和消費革命，對提高可再生能源比重，促進可再生能源消納，提高能源利用效率，構建低碳可持續能源系統以及支撐服務人類命運共同體建設具有重要意義[3-4]。

在可再生能源發電技術和信息技術迅猛發展的今天，能源互聯網作為互聯網與新能源技術融合的產物，已經成為學術界與工業界的研究熱點和關注焦點。國內外眾多研究人員活躍于能源互聯網領域，研究范疇跨越了電氣、能源、信息、材料等多個領域，從電力行業擴展至能源領域，相關的研究成果不斷涌現[5]。諸多學者從不同角度綜述了全球能源互聯網發展狀況。《全球能源互聯網研究與展望》系列報告研究了全球能源互聯網發展路線，分析了全球能源互聯網發展的關鍵技術，為全球能源互聯網建設提供指導方向[6]。《能源互聯網專業發展報告》歸納了能源互聯網的基本概念、發展理念以及關鍵技術體系，對于綜合能源系統規劃與運行技術、信息物理能源系統技術等6 個主要技術方向的最新研究進展和未來發展趨勢進行了分析總結，并結合機制分析給出了我國能源互聯網創新發展應采取的主要戰略與措施建議。《碳中和背景下能源互聯網科技創新國際趨勢分析與我國發展建議》從產、學、研等方面，對2011—2020年各主要國家對能源互聯網的投入力度和論文產出進行了研究，分析我國在能源互聯網科技創新投入強度、產出質量和效率方面同主要國家的差距。《2021 國家能源互聯網發展年度報告》的主要內容包括能源互聯網發展指標體系、中國能源互聯網發展現狀以及全球視角下的能源互聯網，展示了我國能源互聯網生態的最新動態[7]。上述研究主要從論文產出、應用案例或者技術架構的角度展開分析。專利是科技創新和技術發明的重要載體，是一種重要的知識產權類型[8]。本文基于2011-2020年全球能源互聯網領域專利數據，從專利數量、典型國家（組織）專利數量分布、機構專利數量分布、研究熱點領域等多個角度分析了近10年全球能源互聯網發展狀況與變化趨勢。進一步通過聚類分析，研究了全球能源互聯網熱門研究領域，并對部分國家能源互聯網領域發展態勢進行了對比。

1 數據源和檢索方法

本文分析所使用的能源互聯網專利數據來自覆蓋126 個國家和地區的專利數據庫。專利數據庫中包括中國、美國、日本、韓國、歐盟、世界知識產權組織等全球33個主要國家和地區的專利數據以及全球其他93個國家和地區的專利數據。數據庫基本囊括全球專利數據，超過1.6 億的專利數據，82 個國家和地區外觀設計專利數據，62個國家和地區專利PDF數據。

為從海量專利數據中提取能源互聯網領域相關的專利，本文以分類號作為主要檢索方法。分類號是專利文獻的重要標識之一，是迅速有效地從大量專利文獻中檢索到所需技術的重要途徑之一。全球使用最廣泛的分類號是國際專利分類體系（ⅠPC），但該分類號存在更新周期長、單一分類號下文獻量大、結果可讀性差等缺陷，難以實現高效檢索。為了避免上述問題，本文采用美國專利商標局（USPTO）和歐洲專利局（EPO）共同開發的聯合專利分類體系（cooperative patent classification，CPC）分類體系。CPC 分類表的編排參照ⅠPC 標準，并融入了USPTO 和EPO 各自的分類體系，與ⅠPC 相比，CPC 的分類條目更加細化，可以迅速有效地從大量專利文獻中檢索到所需的技術信息。分類號的確定同時考慮兩方面因素。一方面是從能源互聯網技術本身出發，尋找與能源互聯網技術相關的分類；另一方面是將信息技術和能源做交集，保證專利數據的完整性。為了剔除相關性低的專利，在CPC分類號的基礎上，通過引入已有研究報告涉及的能源互聯網領域技術關鍵詞，完成對專利數據進一步篩選，提高分析數據的準確性。本文專利檢索期間為2011年1月1日—2020年12月31日；在數據庫中執行檢索操作的時間為2022 年5 月6 日（由于部分專利信息公開具有滯后性，不同的檢索時間得到的數據有所差異）；共得187605條檢索結果。

2 全球能源互聯網專利產出分析

專利數量統計范圍包括發明專利申請的數量和已授權的專利數量。專利產出是專利的申請量，按照申請日進行統計。通過從機構、國家及整體角度上分析能源互聯網專利的產出，便于多維度把握全球能源互聯網的發展趨勢。

2.1 專利產出數量和授權量變化趨勢

2011—2020 年全球能源互聯網專利數量年度變化趨勢如圖1 所示。數據顯示從2011 年開始，全球能源互聯網領域專利數量逐年增加，其中2016 年專利增長率最高，達到19.95%。2018 年專利產出數量達到近10 年峰值。2018 年以后呈緩慢下降趨勢，這是因為專利的申請審查一般需要2～3年左右的公開期。

同時期的專利授權數量也呈現逐年增加的趨勢，如圖2所示。專利授權量從2011年的36項逐漸增加到2020 年的8698 項。從圖1 和圖2 可以看出，全球能源互聯網領域的專利產出數量和授權數量整體上呈現上升趨勢，表明全球能源互聯網正處在快速發展階段。這與世界各國積極出臺激勵性政策，并不斷加大能源互聯網領域的資助力度，以及相關人員的持續深入研究有著直接關系。

圖1 2011-2020年全球能源互聯網專利數量變化趨勢

圖2 2011-2020年全球能源互聯網專利授權數量變化趨勢

2.2 部分國家（組織）專利數量變化趨勢

為了研究不同國家（組織）能源互聯網發展的異同，2011—2020 年全球能源互聯網專利產出的前10 名國家（組織）如圖3 所示。前10 分別為中國、美國、日本、世界知識產權組織、歐洲專利局、韓國、德國、澳大利亞、加拿大和英國。其中世界知識產權組織（WⅠPO）是聯合國保護知識產權的一個專門機構，有193個成員國，共同遵守《WⅠPO公約》，其宗旨是通過國與國之間的合作，并在適當的情況下，與其他國際組織進行協作，以促進在全世界范圍內保護知識產權；歐洲專利局（EPO）是根據歐洲專利公約，于1977年10月7日正式成立的一個政府間組織，其主要職能是負責歐洲地區的專利審批工作。歐洲專利局有38個成員國，覆蓋了整個歐盟地區及歐盟以外的10 個國家。需要注意的是：雖然德國屬于歐洲專利局組織的一個成員，但德國同時也有自身的專利局，圖中德國指的是德國自身的專利局受理的專利。

圖3 2011-2020年能源互聯網專利產出前10名國家（或組織）

從圖3 可以看出，近10 年能源互聯網領域專利產出排名前10 的國家（組織）數量相差較大。中國、美國的專利產出數量遙遙領先其他國家，分別達到了70241項和32962項。日本、世界知識產權組織、歐洲專利局和韓國的專利數量相當；而德國、澳大利亞、加拿大和英國專利數量相對較少。可知，中美兩國在能源互聯網研究領域處于領先地位。各國能源互聯網的發展水平一方面受到國家體量、經濟發展等因素影響，另一方面，也與國家對相關領域的重視程度有著密切關系。

2011—2020年能源互聯網領域專利產出前10國家（組織）的年產出變化趨勢如圖4 所示。數據顯示我國能源互聯網發展一枝獨秀。2013年前，專利數量低于美國。2015年以后專利數量大幅上升，增長勢頭強勁。2015年后我國能源互聯網專利數量的爆發與國家政策引導及國內市場需求密切相關，如國務院印發《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》力推互聯網由消費領域向生產領域拓展，強調互聯網與各領域的融合發展。到2018年專利數量達到近10年的最大值。雖然之后略有下降，但總體保持不斷發展的趨勢。

圖4 2011-2020年全球主要國家（組織）能源互聯網專利數量變化趨勢

2013 年之前，美國專利產出數量位居世界首位。2011—2017 年的專利產出也呈現持續上升趨勢。2013年之后，專利數量落后中國，但仍高于其他的主要國家。整體上看，美國的專利數量近10年的波動變化不大，處于相對穩定發展階段。

需要注意的是：除中國之外，多數國家近2018—2020年專利數量呈下降趨勢。這是因為專利授權的公開期具有滯后性。而中國2019年之后仍呈現上升趨勢的主要原因是國內專利申請人在初審合格后可以提前公開發明專利。

2.3 專利產出前10機構

能源互聯網專利產出的前10 名機構主要為企業，如圖5 所示。前10 機構分別為國家電網公司（中國）、豐田自動車株式會社（日本）、株式會社LG化學（韓國）、三星電子株式會社（韓國）、中國電力科學研究院有限公司（中國）、西門子公司（德國）、現代自動車株式會社（韓國）、羅伯特·博世有限公司（德國）、高通股份有限公司（美國）以及通用電氣公司（美國）。圖中，中國電力科學研究院有限公司雖隸屬于國家電網公司，但作為獨立法人單位，其專利數量單獨進行統計。

圖5 2011-2020年全球能源互聯網專利產出前10名機構

專利產出數量排名第一的是國家電網公司，專利數量高達8038 項，其他機構的專利產出數量在1000～2000 左右。國家電網公司專利產出數量大幅領先其他企業。這從側面證明了國家電網公司對能源互聯網發展的重視與投入程度，也與國家電網公司“建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業”戰略目標相吻合。從國別分析，韓國機構數量最多，為3 個；中國機構、美國機構和德國機構數量均為2；日本機構數量為1。表明了中國、美國、韓國、德國和日本企業在能源互聯網技術領域基礎研究中的領先地位。韓國、德國和日本雖整體專利數量無法與中、美相比，但其部分企業仍具有良好的技術積累與強勁的競爭力。

3 能源互聯網專利技術分布分析

為了進一步研究能源互聯網熱門研究領域，本文采用專利數據進行聚類分析，得到了能源互聯網領域專利兩級技術分布情況。

3.1 技術分布對比

2011—2020 年能源互聯網專利的技術分布如圖6 所示。專利產出主要集中在工程學領域，占比高達80%。其次是計算機科學、材料科學、化學和物理學，占比分別約為10%、5%、4%和1%。這反映了能源互聯網研究涉及的學科范圍廣，技術分布覆蓋面廣。但其研究主體主要集中在工程學領域。

圖6 2011-2020年能源互聯網專利產出各技術主題占比

圖7 和圖 8 是 2011—2015 年和 2016—2020 年兩個不同階段的能源互聯網專利產出技術主題分布圖。整體上看，能源互聯網領域的主要技術主題變化不大，包括工程學、計算機科學、材料科學、化學、物理學、醫學、環境地質學和生物學，反映了能源互聯網領域學科交叉性強，覆蓋面廣泛的特點。相比于2011—2015年期間，2016—2020年期間能源互聯網加速發展，各技術主題專利產出數量均有所增長，其中以工程學和計算機科學主題的專利產出增長較多，分別增加了24819 項和5610 項。而其余技術主題的專利數量增長幅度較小。這體現了能源互聯網關鍵技術突破主要集中在這兩個方向。工程學和計算機科學已成為能源互聯網熱門研究領域。

圖7 2011-2015年能源互聯網專利產出技術主題分布

圖8 2016-2020年能源互聯網專利產出技術主題分布

3.2 熱點領域分析

工程學和計算機科學是能源互聯網研究的主要領域，通過進一步細分可得到專利數量排名前10的二級技術主題，如表1和表2所示。二級主題是依據專利內容進行分類，是一級主題的子分類。

表1 工程學中專利數量前10的二級技術主題

表2 計算機科學中專利數量前10的二級技術主題

從表中可以看出，二級技術主題較為全面地涵蓋了能源互聯網的核心技術。工程學的二級技術主題與能源轉換技術、直流電網技術、大功率電力電子器件及能源路由器等相關，計算機科學的二級技術主題與大數據技術、云計算技術、先進的通信技術等緊密聯系。

在工程學主題中，能源互聯網專利產出主要集中在電氣電子工程、汽車工程、控制理論、嵌入式系統、電信等，這些研究領域與電網呈強相關性，反映了能源互聯網以電網為主體的建設架構。近些年，新能源汽車在政策激勵下發展迅速，與此相關的車并網技術、電池技術等得到廣泛關注，是能源互聯網技術未來創新的重要方向。

信息技術融合是能源互聯網的另一關鍵特征。計算機科學中的二級主題主要包括實時計算、仿真、計算機網絡、計算機硬件、分布式計算、人工智能等。表明了國內外研究人員已將前沿的信息技術應用到能源互聯網，實現能源利用的高效化、智能化。

3.3 部分國家研究熱點分析

基于以上分析，通過對比能源互聯網領域主要國家（組織）在不同技術主題的專利數量，可以較為直觀地了解各個國家在能源互聯網領域的研究興趣和綜合實力。主要國家（組織）一級主題的技術分布如圖9 所示。二級主題的技術分布情況如圖10所示。

圖9 部分國家（組織）一級主題的技術分布

圖10 部分國家（組織）二級主題的技術分布

在一級主題的技術分布中，我國在各個一級技術主題的專利數量均高于其他的主要國家（組織），這在一定程度上反映出中國高度重視能源互聯網發展，在各個技術領域均有大量研究人員積極開展研究工作。此外，各個國家對工程學科都表現出極高的關注度，專利產出均遠高于其他主題。計算機科學是中國和美國的第二大技術主題。而日本和世界知識產權組織的第二大技術主題是材料科學，體現出不同國家在能源互聯網領域的研究重點存在差異。德國、澳大利亞、加拿大和韓國在工程學科以外的其他學科的專利數量較低，可見這些國家的研究人員在能源互聯網領域的關注點較為集中。

在二級技術主題中，電氣電子工程是各國專利數量最高的主題，該主題隸屬于工程學科，與上述分析相一致。中國和美國在電氣電子工程領域的專利數量遠高于其他國家，并在其他的技術領域也有可觀的專利產出，表明中國和美國在能源互聯網發展中重點領域突出，其他領域發展較為均衡。

4 結束語

全球能源互聯網正在向多元化、規模化發展，能源互聯網的發展需要持續的科技創新來推動。技術專利是能源互聯網發展中的一項重要內容，反映出能源互聯網的發展動態、發展水平、發展趨勢。

本文通過專利文獻檢索方法獲取了2011—2020年近10年間全球能源互聯網的專利數據，從專利產出和研究領域兩個方面進行了深入分析。研究結果表明，2011—2020 年期間，全球能源互聯網的專利數量總體呈逐年穩步上升的態勢。近幾年，我國能源互聯網技術發展迅猛，已成為全球能源互聯網發展的主要驅動力量之一。當前能源互聯網技術創新主要集中在電氣電子工程領域，能源-信息-計算機技術等多學科交叉融合日益明顯，是能源互聯網未來重要發展方向。