智能用电技术路线图规划与技术评估跟踪管理

沈 瑜， 岳园园， 张一戈， 袁静伟， 石怀德， 郭炳庆

(1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室， 清华大学电机系， 北京 100084;2. 中国电力科学研究院， 北京 100192)

智能用电技术路线图规划与技术评估跟踪管理

沈 瑜1， 岳园园1， 张一戈1， 袁静伟2， 石怀德2， 郭炳庆2

(1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室， 清华大学电机系， 北京 100084;2. 中国电力科学研究院， 北京 100192)

智能用电是我国智能电网建设的关键环节之一，近年来得到了广泛的理论研究与实践探索。智能用电相关技术涉及多个学科领域，技术方向繁多，甄别出需要重点关注及追踪发展的技术具有重要意义。本文研究智能用电技术路线图规划与技术评估跟踪管理方法，在构建智能用电技术储备库的基础上，基于技术生命周期理论及引文分析法对技术储备库中的技术进行综合评估，进而分析相关技术的发展趋势，识别关键使能技术，从而绘制智能用电技术发展路线图，并给出智能用电技术管理的若干建议。

智能用电； 技术发展路线图； 生命周期理论； 引文分析法

1 引言

当前，以电为中心、以能源大规模利用为特征、以智能电网为基础平台的新一轮能源变革正在全世界范围内蓬勃兴起[1,2]。智能用电作为构建智能电网中与用户联系最为紧密的关键环节，直接关系到用户电能质量、电网经济运行、能源利用效率和节能环保等多方面[2-4]。

智能用电技术是指：可切实保障用户侧分布式清洁能源及各类智能化主动性设备友好接入，全面服务用户差异化用电和多元化供电需求，有力支撑电气化交通等新型用电方式的发展与运营，科学调度各类需方资源，以技术、经济之方式帮助客户优化用能方式，同时满足环保约束、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性目的的所有技术集合。

智能用电技术载体涵盖了用户侧供用电设备、分布式发电设备、储能设备的采集、监控、分析系统及服务接口，涉及到高速实时通信、智能电能表、智能采集、双向交互和需求响应等多方面的技术[5-9]，具有显著的跨学科、跨行业特点。

对于智能用电产业发展战略规划和决策者，明确哪些技术需要重点跟踪，并对其发展阶段进行定期的科学评估具有重要意义。在技术规划和管理业务方面，目前主要采用基于专家的方法进行定性分析，依据本领域技术专家的经验对未来技术发展态势进行评估研判。这类方法的缺点在于，专家的认知主观性成分较大，专家之间意见难以统一。本文建立计算机辅助分析和结构化德尔菲法的智能用电与需求侧管理技术评估模型，将技术路线图规划思路应用于智能用电技术储备库构建与入库出库筛选管理中。

2 技术路线图规划思路

技术路线图是一种有效的科技决策和管理工具，可以给出产业技术发展的大致方向并识别实现需求目标的关键技术[10-13]。

为了克服专家经验参与的不足，本文尝试将综合专家经验和计算机的混合分析方法[14]应用于智能用电产业发展规划。具体步骤如下。

(1)通过专家推荐和计算机文献检索关键词，筛选确定路线图绘制的技术储备库，对储备库中潜在技术进行合理评估和筛选，得到出库技术合集，并考虑智能用电与需求侧管理新技术的业务导入。

(2)基于本产业技术发展规律和特点，分析典型技术发展模式。对于每个出库技术，在文献及专利数据库中检索其发文量、专利申请量及引文数据，基于技术生命周期理论对其进行技术发展阶段及发展模式评估，在此基础上预测出库技术的未来发展走势。

(3)基于引文分析理论进行不同技术之间的引文网络分析，在预测关键使能技术的发展时序基础上，进一步定位其他相关技术的发展时序，确定各类技术的发展路线。

(4)绘制可视化效果较强的智能用电技术发展路线图，研究技术创新商业模式和应用模式，给出战略决策建议。

技术路线图整体规划思路如图1所示。

图1 智能用电技术路线图整体规划思路Fig.1 Planning guidelines of roadmap of smart power consumption technologies

3 智能用电相关技术的跨学科发展调研

智能用电技术需要与新材料、生物技术、信息技术、网络技术等深度有机融合，智能用电技术的发展与材料学科、化工学科、通信学科、物联网、信息学科等密切相关。智能用电技术的进步建立在这些学科相关技术发展的基础之上。

经过广泛调研，分析了化学工程、材料、核工程、通信工程、信息工程、物联网技术和电力电子7个技术领域、动力电池等二十多个技术类别的一百多个技术方向。在此基础上，形成智能用电的跨学科发展调研潜在技术合集。智能用电技术跨学科调研内容如图2所示。

图2 智能用电技术跨学科调研示意图Fig.2 Diagram of research on other subjects about smart power consumption technologies

4 智能用电新技术评估与出库

4.1 智能用电新技术基础储备库

建立智能用电新技术储备库，首先需要确定该学科领域的热点词汇。获得热点词汇的手段有两种：①采用结构化的德尔菲法，将专家意见综合为智能用电领域相关热点词汇；②计算机文献检索关键词获得热点词汇。

在此基础上，征集专家意见并进行汇总整理，并将整理过的材料再反馈给每位专家。专家们分析判断，在整理后材料的基础上提出新的论证意见；如此重复直到意见逐步趋于一致，筛选出智能用电相关的新技术，构建智能用电新技术储备库，具体流程如图3所示。

4.2 智能用电新技术评估指标体系

得出新技术储备库后，为评估储备库中的各项对于智能用电新技术储备库中技术的政策性、技术性、经济性、社会性和实用性等指标进行综合分析，从而对不同的新技术得出科学合理的评估，根据评估结果确定出库技术。

新技术，建立了层次化(包括目标层、准则层、指标层)的智能用电新技术评估指标体系，如表1所示。

表1 智能用电新技术评估指标体系

对于表1中的标度设计均为5个等级，可赋予不同的分值。根据已有的指标评估体系，采用层次分析法计算不同指标的权重，综合形成表格后由专家分析评价打分。最后采用加乘法等统计得分进行排序，分析得分情况对不同技术做出评估，形成出库技术的集合。

4.3 智能用电新技术出库合集

在对智能用电新技术储备库的每一项技术逐个评估后，按照设定的出库标准，输出智能用电新技术出库合集。

出库标准有两个：①各技术类别评分前M名；②综合评分前N名。分别满足这两个标准，则可出库进行跟踪。其中，M和N的取值按照产业发展跟踪技术的能力进行设定。例如拟对不超过100项出库新技术进行跟踪，按7个技术领域的20多个技术类别考虑，则M可设定为2，N可设定为50。

初步筛选的出库技术涵盖智能用电技术的各个方面，包括分布式电源、光伏发电及风电功率预测、小型核电、分布式电源并网、微电网、电动汽车、动力电池、快速充电技术、无线充电技术、电动汽车有序充电、充换电设施、电气化交通、电动汽车参与电网互动、电动汽车运营模式、电池储能、储氢制氢技术、熔融盐蓄热储能、储能优化规划、用电能效管理、节电技术、电能替代、电能质量管理、智能电表、智能终端、智能量测技术等67个技术。

4.4 智能用电新技术业务导入

目前，电力营销业务应用领域可分为需求侧管理、计量采集、营业管理和客户服务四个业务应用专题。智能用电作为电网与用户联系最为密切的一个环节，其新技术的发展将对电力营销业务产生重要影响。因此，需要基于现有营销业务现状及业务流程，对智能用电新技术的导入方法、导入后衍生的商业模式进行梳理。

5 智能用电技术评估方法

5.1 单个技术的评估

针对智能用电各项技术，可利用技术生命周期的相关理论对技术发展阶段进行评估[15]，通过分析关键词发文量及专利申请量等数据，判断技术所处发展阶段，筛选典型发展模式，进而预测单个技术的未来发展趋势。

技术的发展模式有一定的规律可循。通过智能用电典型技术的技术生长率指标分析，可按不同生长率曲线形状进行归类，得出平稳增长型、台阶增长型、爆发增长型和往复震荡型4种技术典型发展模式。

单个技术的评估具体步骤为：①根据技术属于应用型技术或理论型技术进行分类，决定对应采用专利数据分析或文献数据分析；②计算技术生长率与技术成熟系数，判断技术目前所处阶段；③根据技术生长率曲线情况，将发展模式进行归类，通过计算在上升期中，数量超过20之后，有无超过5倍的增长确定平稳型与爆发型；④根据成熟系数曲线，判断技术的成熟趋势，确定是否属于较容易转化为实际的技术；⑤将文献生长率与专利生长率进行对照，得出技术相应的发展趋势；⑥根据S曲线拟合结果，对技术在未来发展过程中的重要时间节点进行评估。

以已处于成熟期的电动汽车技术为例，说明上述方法进行技术评估的思路和过程。

电动汽车技术属于应用型技术，因而拟采用专利数据分析。通过对专利数据库的检索，获得电动汽车技术每年的专利申请数目，进而逐年求出技术的生长率及技术成熟系数变化曲线。基于上述曲线可以看出，电动汽车技术的发展模式属于平稳增长型，生长率为0.35左右，因此技术仍然处于生长阶段。技术成熟系数为0.7，因此判断出电动汽车技术已经达到了一定的成熟程度；同时，有外观专利出现，均说明了该技术目前进入一个平稳增长期。曲线图表现为有一个生长率高峰，然后逐渐下降达到一个较为平稳的时期。

将电动汽车专利年度申请量数据导入Origin软件，对其进行拟合，拟合结果如图4所示。可以看出，电动汽车技术从第一反曲点2004年发展至第二反曲点2010年，目前已处于平稳增长期，发展时长为6年。

图4 电动汽车技术S曲线拟合Fig.4 S model curve fitting of electric vehicle

实际上，电动汽车正是在2010年前后进入应用阶段。标志性的事件是：美国能源部2009年10月开始电动汽车项目“EV Project”，推动用户电动汽车的使用；我国在2009年启动“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”，在中国部分城市推广新能源汽车在公交车、公务车、社会服务车辆以及出租车中的示范运营。分析基本与产业发展实际情况相符。

借鉴上述思路，对近10年来的相关学科与技术领域的成熟技术进行S曲线拟合，拟合结果用于出库技术中相似发展规律的技术发展时序预测工作。

5.2 引文网络评估

智能用电技术的引文网络评估分析不同关键词引用文献之间的上下游关系，从而判断出关键使能技术、先导技术及技术之间的发展时序关系。

一篇文章在引文网络中所处的位置直接反映了该文章在整体学术网络中的重要程度，也可以非常直观地反映出文章所研究领域在时间上的上下游关系。此外，引文网络可以迅速定位出关键文献。现代引用网络分析还涉及到网络图论的结构分析，能够利用文献网络的拓扑结构进行分析。

分析关键词文献的引用文献和引证文献信息，得到这两组文献引用和引证频次达到5%以上的文献，统计其关键词的数量，确定与关键词文献有关联性的关键词，生成关键词关系矩阵，利用pajek软件可以得出关键词之间的网络关系图，如图5所示。

图5 有向引文网络(部分)Fig.5 Part of directed citation network

图5中三角形结构表示三个关键词之间具有紧密联系，可以归为一类，例如电能质量管理，电能质量监测和电力营销架构；电池储能，电动汽车和微电网。多个相邻的三角形可以构成技术族。可以据此对技术关键词进行聚类，相邻的三角形结构越多，则表明技术之间的关联程度越高。

应用技术引文网络分析结果，可判断出对后续技术发展起先导作用的关键使能技术。

6 智能用电技术发展路线图

对技术储备库中的67个技术分别进行单个技术评估及引文网络评估后，得出每个技术所处阶段、发展模式及技术之间的关系，形成技术聚合集，构建智能用电技术路线图。

6.1 智能用电技术发展应用时序

图6 智能用电技术发展应用时序Fig.6 Application time map of smart power consumption technologies

将智能用电技术聚合为电动汽车充换电及运营关键技术、分布式发电及并网协调技术、用户侧储能技术、区域能源管理及用电自动化技术、用户侧能效管理与节能技术、电能质量管理与多元化供电技术、智能化用户设备友好接入及用电共性技术7个技术聚合集。智能用电技术发展应用时序如图6所示。

图6所示技术路线图从整体层面表明了每个技术聚合集的技术发展联系、技术发展时序，对于单个技术聚合集本研究进行了更为详细的分析。

6.2 单个技术聚合集技术发展路线图

以电动汽车充换电及运营关键技术为例，在对该技术类别的五个技术子方向进行逐个评估后，结合专家经验与时序预测，得到其技术发展路线如图7所示。

图7 电动汽车充换电及运营关键技术发展路线图示例Fig.7 Roadmap of electric vehicle charging and operation key technologies

6.3 智能用电技术发展关键点

对于7个技术合集，根据综合技术评估及引文网络分析结果，综合考虑每个技术合集的使能技术及技术发展应用时序，得出各技术合集技术关键点如表2所示。

7 智能用电技术管理若干建议

随着智能用电的技术发展，分布式电源、储能和电动汽车等新型用电设备的快速发展为构建国家范围的能源互联网提供了丰富的调控资源，这些业务也对现有营销业务带来了快速发展的机遇与技术层面的挑战。针对智能用电技术管理工作，提出如下建议。

(1)应进一步重视分布式电源及微电网快速发展对电网运营管理的影响。大量分散的分布式电源及储能设备的接入，可以丰富终端用户能源供给方式，提高用户抵御故障风险能力。然而，大规模、多种类、随机性和间歇性的分布式电源接入对电网运营管理和供电安全提出了新的要求，如何让分布式电源有序自适应接入电网，如何设计交直流混合供用电的技术架构以最大程度发挥用户侧储能设备的利用效率，如何科学计量分布式电源向电网反供能力以及对电网影响，需要大幅度提升智能用电领域技术、完善用电基础设施对清洁能源接入的支撑。

表2 智能用电技术关键点

(2)应加强大规模电动汽车有序接入与用户侧用电管理的引导工作。电动汽车是一个既是负荷又是电源的典型新用户，规模化电动汽车应用将有效提高电能占终端能源比重，是电能替代的重要方面。

然而电动汽车作为高度不确定性的移动负荷，其充放电的随机性、群体性对电网承载能力提出了更高的要求，电动汽车与电网的双向互动是实现电动汽车与电网协调发展的重要保障。

(3)应将日益丰富的需求侧资源纳入到区域能源综合利用范畴。各类可中断、可调节负荷以及分布式电源、电动汽车等接入数量和容量的不断增多，为电网需方资源优化运行体系提供了新的元素。综合利用各类用电自动化、智能化技术，逐渐完善供用电基础设施，打造面向区域能源综合利用的需方资源优化配置平台、能源替代与转换平台、交易服务平台，支撑复杂而不可精确规划的需方资源接入业务是智能用电在区域能源管理领域面临的巨大挑战，也是集中应用和展示智能用电成果、实现低碳智慧生产生活的关键所在。

(4)应进一步推动终端用能的清洁度以及供用电设备用能效率的提高。在电网运营管理体系中，应系统性地应用新技术、新工艺、新材料，实现电网节能降耗，为用户提供差异化的节能检测、能效仿真和改造咨询服务。

(5)应重视客户定制化、差异化服务新需求对用电互动化服务工作的新要求。面对新形势、新变化，服务需求不断升级、服务标准不断提高，传统的以面对面、人对人服务为主的服务方式存在许多不足，移动终端、网上服务、手机服务等互动技术手段将成为主流模式。其服务的内涵已从传统的购电缴费、故障报修、业扩报装业务延展到了差异化电能质量服务、交直流混合供电服务、能源咨询服务等各类定制化服务。

(6)应大力支持电网友好型、电能替代类用电设备的接入规范。随着越来越多的电网友好型设备以及各类消纳可再生能源的电锅炉、电采暖设备接入电网，势必要求电网企业对本类设备提供通用服务接口、明晰接口标准，从而引导这类设备优化其用电特性，科学用电、合理用电；并从技术上实现多能源互联、互补，从规划、调度、控制、管理等方面保障供电服务的可靠性、优质性和清洁性。

(7)应重视信息与通信新技术在智能用电的信息交互、处理与互动服务能力中的应用。物联网、云计算、大数据、IPv6、宽带载波、塑料光纤等新技术，将极大地提高用电信息交互的便捷性、实时性和准确性。同时，信息互联程度的提高也将极大影响信息安全防护的难度。

8 结论

智能用电作为电网与用户联系最为紧密的环节，目前已得到广泛的关注及研究。本文在跨学科发展调研基础上，提出智能用电相关技术的评估方法；提出构建智能用电技术储备库与入库出库筛选管理的方法；研究智能用电技术发展应用时序，甄别了各技术合集技术关键点，在此基础上，绘制完整的智能用电技术发展路线图。希望本文提出的方法能对智能用电产业规划和技术跟踪管理有一定的参考和指导作用。

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Roadmap planning and technology evaluation methods for smart power consumption technologies

SHEN Yu1, YUE Yuan-yuan1, ZHANG Yi-ge1, YUAN Jing-wei2, SHI Huai-de2, GUO Bing-qing2

(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments， Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

The theoretical research and practical exploration of smart power consumption has become one of the hot issues in recent years. Smart power consumption is a multidisciplinary research field. Hence, it is of great significance to choose the key technologies which need to be tracked and followed up. Methods of roadmap planning and technology evaluation of smart power consumption are studied. An evaluation model is developed based on computer-aided bibliometric analysis method in this paper. A database of potential technologies is set up firstly. Based on the assessment index set, the key database of technologies is formed. Then, life cycle theory and S-curve model are applied to evaluate each technology and analyze the developing phase, pattern and trend. Citation analysis theory is applied to uncover the temporal sequence association of various technologies and identify key pilot technologies. Lastly, the roadmap of smart power consumption technologies is put forward and the opportunities and challenges of smart power consumption industry are discussed.

smart power consumption; technology roadmap; life cycle theory; citation analysis theory

2015-09-16

国家电网公司总部科技项目“智能用电技术发展路线图” (EPRIYDKJ(2015)2066)

沈 瑜(1972-), 男, 江苏籍, 副教授, 博士, 研究方向为电力系统分析、 电力市场及智能配用电； 岳园园(1992-)， 女， 陕西籍， 硕士研究生， 研究方向为智能用电与需求侧管理。

TM7

A

1003-3076(2016)03-0054-08