基于文獻(xiàn)計(jì)量法的智慧電網(wǎng)成熟度評估

孫 芊 吉祥鑫 王忠強(qiáng) 熊 峰

1(國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 河南 鄭州 450000) 2(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200444)

0 引 言

智慧電網(wǎng)的建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)高度自動(dòng)化、信息化、數(shù)據(jù)化，是現(xiàn)在電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[1]。為了對智慧電網(wǎng)進(jìn)行有效評估，歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，如美國的“智慧電網(wǎng)成熟度模型”，從核心價(jià)值、主要特性和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域三個(gè)方面進(jìn)行評估；歐洲的智慧電網(wǎng)收益體系則更加關(guān)注智慧電網(wǎng)建設(shè)針對環(huán)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(wǎng)具體發(fā)展到何種地步，缺乏普適、直觀的評價(jià)方法。楊本臣等[3]針對智慧電網(wǎng)的穩(wěn)定性使用聚類的方法進(jìn)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(yùn)用層次分析法對智慧電網(wǎng)IT能力成熟度進(jìn)行評估，可靠性高，但是計(jì)算復(fù)雜。

為了簡單直觀地表現(xiàn)目前智慧電網(wǎng)的成熟度，本文在現(xiàn)有評估體系的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行更加細(xì)致的分析，從智慧電網(wǎng)基本的技術(shù)性能、功能要求等方面建立了新的智慧電網(wǎng)成熟度的評估體系。在成熟度評估方法選擇上，采取技術(shù)文獻(xiàn)計(jì)量法，通過各類文獻(xiàn)比例關(guān)系，簡明直觀地分析了智慧電網(wǎng)的成熟程度。

1 智慧電網(wǎng)的成熟度指標(biāo)

成熟度是指研究對象與其預(yù)期完美狀態(tài)的相對值，電網(wǎng)的成熟度是指電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在規(guī)劃發(fā)展中所處的階段，一般分為五個(gè)等級：萌發(fā)期、起步期、成長期、成熟期、優(yōu)化期[5]。在萌芽期時(shí)，技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)都較低，需要投入大量時(shí)間推動(dòng)技術(shù)發(fā)展；進(jìn)入起步期后，在相同投入時(shí)間里，技術(shù)增長變快；當(dāng)進(jìn)入成長期，技術(shù)增長速率達(dá)到最大；之后開始衰減，進(jìn)入成熟期；而進(jìn)入最后階段優(yōu)化期后，技術(shù)增長速率基本為零。據(jù)此建立電網(wǎng)成熟度模型，縱坐標(biāo)為技術(shù)性能，代表技術(shù)性能的不斷優(yōu)化提高，橫坐標(biāo)代表技術(shù)的研發(fā)時(shí)間[6]。模型見圖1。

圖1 智慧電網(wǎng)成熟度等級體系

根據(jù)上述電網(wǎng)成熟度的五個(gè)劃分等級，提出了智慧電網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)成熟度的評價(jià)指標(biāo)，智慧電網(wǎng)是傳統(tǒng)物理電網(wǎng)技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，旨在為用戶提供更加人性化的服務(wù)，所以在考察智慧電網(wǎng)成熟度時(shí)，不單單要考察相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，還應(yīng)當(dāng)兼顧智慧電網(wǎng)出現(xiàn)對社會(huì)的改變[7]，故該評價(jià)指標(biāo)涵蓋技術(shù)性能、功能要求以及社會(huì)影響三個(gè)大方面。由于智慧電網(wǎng)是一個(gè)整合所有使用者及其行為的電力網(wǎng)路，需要能夠保證高效、經(jīng)濟(jì)、可靠地供應(yīng)電力，所以技術(shù)性能成熟度主要從可靠性、經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)質(zhì)性三個(gè)角度進(jìn)行評價(jià)；智慧電網(wǎng)在功能要求方面主要可分為三大類：發(fā)電、輸電、配電，所以考察內(nèi)容是這三個(gè)方面是否能高效、安全地完成各自的任務(wù)；社會(huì)層面成熟度則是站在用戶、企業(yè)和經(jīng)濟(jì)三個(gè)角度來評估，更具有全面性，具體是通過企業(yè)管理的優(yōu)劣、能否促進(jìn)就業(yè)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展這幾個(gè)方面來判斷，評價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 智慧電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)成熟度評價(jià)指標(biāo)體系

該評價(jià)體系同時(shí)兼顧了技術(shù)與社會(huì)兩個(gè)方面，在全面展現(xiàn)智慧電網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r這一方面做出了探索。通過此成熟度評價(jià)體系指標(biāo)，可以在一定程度上對智慧電網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行快捷有效的判定。

2 智慧電網(wǎng)的成熟度

2.1 評估方法

文獻(xiàn)計(jì)量法是1969年提出的，通過技術(shù)對應(yīng)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到發(fā)展規(guī)律，完成技術(shù)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)的判斷，最終獲得成熟度評級。其中的期刊與會(huì)議論文比例法，用期刊與會(huì)議論文數(shù)的比例關(guān)系，來反映當(dāng)前技術(shù)的成熟度[8]。

由于會(huì)議文獻(xiàn)多為設(shè)想和概念的提出，大多不涉及具體實(shí)驗(yàn)操作，而期刊文獻(xiàn)則一般是對某一想法的實(shí)踐檢驗(yàn)。若會(huì)議文獻(xiàn)更多，則說明目前仍在討論可行性，成熟度處于萌芽期；當(dāng)會(huì)議與期刊文獻(xiàn)數(shù)量差距縮小時(shí)，則說明技術(shù)正在發(fā)展進(jìn)化中，成熟度處于起步期；當(dāng)期刊文獻(xiàn)與會(huì)議文獻(xiàn)相近時(shí)，說明技術(shù)已經(jīng)在蓬勃發(fā)展，成熟度處于成長期；當(dāng)會(huì)議文獻(xiàn)幾乎沒有，只存在大量期刊文獻(xiàn)時(shí)，才說明技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一定高度，電網(wǎng)發(fā)展真正進(jìn)入成熟期[9]。

技術(shù)文獻(xiàn)計(jì)量法存在優(yōu)點(diǎn)與一些不足。其優(yōu)點(diǎn)在于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)方法獲得，具有一定統(tǒng)計(jì)意義，且便于量化。不足之處在于一項(xiàng)技術(shù)的成熟度并不僅僅局限于技術(shù)發(fā)展層面，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合對當(dāng)時(shí)社會(huì)層面的影響加以判斷，僅僅是對技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析會(huì)造成偏差。并且單單比較期刊文獻(xiàn)與會(huì)議文獻(xiàn)的多少，會(huì)使評估結(jié)果過于籠統(tǒng)，不具有針對性。

2.2 評估方法優(yōu)化

為彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，在文獻(xiàn)計(jì)量法的基礎(chǔ)上，引入主成分分析法。主成分分析法利用降維思想，將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量，其中每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合，各主成分之間互不相關(guān)，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(fù)雜問題得以簡化，同時(shí)得到更為科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)果。

主成分分析法的代數(shù)模型建立如下：假設(shè)用p個(gè)變量來描述研究對象，分別用X1，X2，…，Xp來表示，這p個(gè)變量構(gòu)成的p維隨機(jī)向量為X=(X1,X2,…，Xp)t。設(shè)隨機(jī)向量的均值為μ，協(xié)方差矩陣為Σ。假設(shè)X是以n個(gè)標(biāo)量隨機(jī)變量組成的列向量，并且uk是其第k個(gè)元素的期望值，即uk=E(Xk)，協(xié)方差矩陣然后被定義為：

Σ=E{[X-E(X)][X-E(X)]}=

再對X進(jìn)行線性變換：

主成分是不相關(guān)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(guān)的線性組合中方差最大者,Zp是與Z1,Z2,…,Zp-1都不相關(guān)的線性組合中方差最大者。

采用上述方法，對智慧電網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)、業(yè)務(wù)進(jìn)行去粗取精，保留主成分進(jìn)行分析對其進(jìn)行技術(shù)成熟度預(yù)測可以大大提高對一項(xiàng)技術(shù)或一個(gè)業(yè)務(wù)的成熟度分析精確度，同時(shí)，在相對數(shù)值分析基礎(chǔ)上，添加了絕對數(shù)值分析，增加了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 評估流程

為了更加準(zhǔn)確地表述目前智慧電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展情況和總體趨勢，對期刊文獻(xiàn)與會(huì)議文獻(xiàn)數(shù)量比值進(jìn)行更加細(xì)化的分級，定義會(huì)議文獻(xiàn)與期刊文獻(xiàn)比值為γ，γ大于3說明技術(shù)理論發(fā)展還處于萌芽期，僅僅提出大量設(shè)想，鮮有實(shí)踐；γ大于2小于3說明技術(shù)理論發(fā)展步入起步期，大量設(shè)想提出的同時(shí)，也有較多實(shí)踐對這些理論進(jìn)行檢驗(yàn)；γ小于2大于1，說明技術(shù)理論正處于起步期的末期，臨近成長期；γ小于等于1時(shí)，說明技術(shù)理論已經(jīng)進(jìn)入成長期；當(dāng)比值無限趨近于0時(shí)，說明技術(shù)理論已經(jīng)進(jìn)入成熟期，大量設(shè)想已經(jīng)被實(shí)踐證明并投入使用。具體分級見表2。

表2 成熟度細(xì)化表

通過主成分分析法的篩選，技術(shù)性能層面以電網(wǎng)可靠性為檢索主體；功能方面以配電、輸電和發(fā)電環(huán)節(jié)中的主要技術(shù)為主；最后在社會(huì)影響上將企業(yè)的管理作為代表性環(huán)節(jié)[10]。具體內(nèi)容詳見表3。

表3 智慧電網(wǎng)成熟度評估各環(huán)節(jié)主要成分

智慧電網(wǎng)成熟度評估具體流程如圖2所示。

圖2 智慧電網(wǎng)成熟度評估流程

2.4 文獻(xiàn)分析

檢索文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)主要來源于知網(wǎng)、百度學(xué)術(shù)、Web of Science、Engineering Village等文獻(xiàn)庫，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為主。因?yàn)橹腔垭娋W(wǎng)這一概念出現(xiàn)的時(shí)間在2009年左右，故統(tǒng)計(jì)了2009年到2018年的期刊會(huì)議文獻(xiàn)數(shù)量，主要觀測期刊文獻(xiàn)數(shù)量與會(huì)議文獻(xiàn)數(shù)量的數(shù)量以及它們的比例關(guān)系。

1) 智慧電網(wǎng)可靠性，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 電網(wǎng)可靠性會(huì)議期刊文獻(xiàn)

2) 電網(wǎng)功能要求。

(1) 分布式電源技術(shù),具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 分布式電源技術(shù)會(huì)議期刊文獻(xiàn)

(2) 柔性輸電技術(shù)，具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 柔性輸電技術(shù)會(huì)議期刊文獻(xiàn)

(3) 配電自動(dòng)化技術(shù)，具體數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 配電自動(dòng)化技術(shù)會(huì)議期刊文獻(xiàn)

3) 智慧電網(wǎng)企業(yè)管理，具體數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 智慧電網(wǎng)企業(yè)管理會(huì)議期刊文獻(xiàn)

4) 折線圖。根據(jù)上述表格內(nèi)容，將期刊文獻(xiàn)與會(huì)議文獻(xiàn)的比值繪制成折線圖，具體內(nèi)容見圖3。

圖3 文獻(xiàn)比例分析圖

3 結(jié)果與分析

從上述的圖表數(shù)據(jù)可以看出，智慧電網(wǎng)可靠性、分布式電源技術(shù)和智慧電網(wǎng)企業(yè)管理理論的曲線波動(dòng)較為相似，比值在2010年、2011年達(dá)到峰值，隨后逐年下降，在2016年到2018年比值趨于1，說明技術(shù)理論實(shí)踐應(yīng)用數(shù)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(jìn)行轉(zhuǎn)變。配電自動(dòng)化技術(shù)在2009年到2015年間曲線波動(dòng)與分布式電源技術(shù)曲線類似，但是在2017年比值陡增，達(dá)到峰值，隨后下降至1.5附近，說明該技術(shù)發(fā)展仍存在較大研討空間，發(fā)展階段處于成長期，距離成熟期還有一定距離。對這些技術(shù)，未來發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)該放在實(shí)際應(yīng)用層面。

柔性輸電技術(shù)曲線波動(dòng)與其余技術(shù)理論大相徑庭，2010年到2012年間，會(huì)議、期刊文獻(xiàn)比穩(wěn)定在4附近，并于2015年達(dá)到峰值，隨后下降，比值穩(wěn)定在3，說明柔性輸電技術(shù)處于起步階段。之后對柔性輸電技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化分析，發(fā)現(xiàn)在支撐柔性直流輸電系統(tǒng)的各個(gè)技術(shù)中，其故障保護(hù)技術(shù)是制約發(fā)展的重要因素，在未來的發(fā)展研究中，應(yīng)將建立快速可靠的故障檢測方法作為研究重心。

為了驗(yàn)證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，對各年份的數(shù)據(jù)比例進(jìn)行了t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示p值均小于0.05，差異顯著，結(jié)果如表9所示。查閱國家電網(wǎng)試點(diǎn)工程的結(jié)果，分析顯示，智慧電網(wǎng)可靠性評分較高，配電自動(dòng)化與分布式電源技術(shù)發(fā)展評估結(jié)果同樣得分較高，而柔性輸電技術(shù)評估結(jié)果顯示輸電效率不高，未達(dá)到預(yù)期效果。

表9 單樣本檢驗(yàn)結(jié)果

綜上，本文分析結(jié)果與實(shí)際成熟度評估結(jié)果基本吻合，并且契合成熟度折線圖，因此運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量法的成熟度預(yù)測是可信的。

4 結(jié) 語

本文在智慧電網(wǎng)技術(shù)性能、功能要求和社會(huì)影響三個(gè)層面的基礎(chǔ)上，建立了智慧電網(wǎng)成熟度評價(jià)體系。根據(jù)該評價(jià)體系，運(yùn)用改進(jìn)后的文獻(xiàn)計(jì)量法對智慧電網(wǎng)發(fā)展成熟度做出了相應(yīng)評估，運(yùn)用主成分分析法選取了各個(gè)方向上的代表技術(shù)理論。通過對近幾年它們在Web of Science和EI會(huì)議上發(fā)表的文章數(shù)量以及比例的統(tǒng)計(jì)，了解到目前智慧電網(wǎng)發(fā)展處于成長階段的后期，正在穩(wěn)步朝成熟期邁進(jìn)，并且根據(jù)評估結(jié)果可判斷出，延誤電網(wǎng)發(fā)展的重要因素是關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展不平衡，技術(shù)成熟度參差不齊。該方法有效指出目前智慧電網(wǎng)發(fā)展的短板在于輸電技術(shù)安全方面保障方面不夠完善，能夠幫助企業(yè)結(jié)合技術(shù)生命周期理論，找到自身技術(shù)差距與業(yè)務(wù)發(fā)展瓶頸，讓企業(yè)能夠有的放矢地提高自身水平，尋找創(chuàng)新點(diǎn)。