基于CiteSpace软件的微电网研究热点分析

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(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

微电网是能源互联网领域的基础环节,该领域的发展与微电网(以下简称“微网”)技术密不可分[1]。目前,微网仍处于研究和实验室阶段,且其结构趋于复杂,准确把握该研究领域的热点和前沿,对微网的发展具有重要意义。由于微网的研究方向较多[2-3],例如规划设计[4]、运行优化[5]、保护控制[6]、实验仿真[7]等,研究热点相对分散,所以很难把握具体的前沿趋势。行业专家对微网的前沿发展现状研究,大部分是基于定性的点状信息采集和加工分析的方法,主观性较强,未通过具体数据进行量化角度的统计分析。

情报计量学是一门以情报(数据、文本、文献等)为研究对象,以统计学和引文分析等为研究方法,揭示情报结构和规律性的一门学科[8]。它已在风力发电领域[9]和电力行业现状研究领域[10]得到了相关应用。可视化软件CiteSpace是情报计量学中的先进工具,以科学文献为数据源,对文献中的相关信息进行分析与处理[11],绘制相关领域的知识图谱,从量化视角突出研究热点和前沿。目前,在国内家用空调领域[12]和光电技术领域[13]已基于该软件进行了相关研究,但此类研究方法在微网领域中还未得到运用。

本文运用可视化软件CiteSpace,对中国知网(CNKI)数据库中微网技术领域的工程索引(EI)期刊文献进行关键词和突现词分析,绘制可视化图谱,分析和总结了当前微网技术领域的研究热点。

1 微网数据来源与研究方法

1.1 数据来源

选择中国知网(CNKI)全文数据库,以“微网”或“微电网”为关键词,在EI期刊中进行检索,文献覆盖时间范围为2000—2017年,共得到1 342条相关数据结果,来源于电力领域及交叉学科的22种期刊,具体期刊如表1所示。手动剔除征稿信息等无关记录后得到1 291条结果。数据下载截止日期为2017年9月15日。

1.2 研究方法

运用可视化软件CiteSpace对数据源文献进行处理,针对核心作者群体和研究机构展开分析,通过频次统计分析指标描述作者群体和机构的研究力量分布;针对热点技术和前沿关注点的识别,基于关键词的共现分析,通过频次统计分析指标和中介中心性指标识别前沿的热点技术,通过突现值指标定位领域前沿关注点。综合以上热点技术和前沿关注点,分析微网领域未来的发展趋势。具体流程如图1所示。

表1 来源期刊表

图1 可视化分析流程示意

图1中所依据的指标包括:频次统计分析指标,节点的大小体现关键词出现的频次多少,节点越大,所受关注度越高;中介中心性指标是文献重要性的衡量指标;突现值指标是指关键词的词频变化率,体现了关注点的热度变化。

2 微网领域研究成果趋势和研发力量分布

2.1 时间分布

针对CNKI中检索的微网1 291条期刊文献数据,研究其时间分布情况,结果如图2所示。由图2可以看出,“微网”概念在2003年就被提出,随后几年未得到较多的重视。从2008年开始,文章数量快速增长(2017年的文献还未完全收录)。从数量曲线的趋势可以看出,未来几年微网领域的研究热度将持续上升,相关文献和研究成果也会越来越多。

图2 微网期刊文献发表时间分布

2.2 核心作者分布

国内微网领域发表EI期刊文献数量前10位的作者所发表的论文数量达到264篇,占2000—2017年EI期刊微网相关文献总量的20.4%,具体如表2所示。从定量的角度来看,EI期刊发表数目越多,则该作者在微网领域的影响也就越大,其所属团队的研究力量也就越强。

表2 国内微网领域发文前10名的作者

对排名前3位作者的情况作简要总结:王成山,天津大学,主要研究方向为城市电网规划、分布式发电技术及微网、电力系统安全性分析等;李鹏,华北电力大学,主要研究方向为分布式电源并网发电与微网技术、电能质量分析、柔性配电技术、电力电子技术在智能电网中的应用等;赵波,浙江省电力公司,主要研究方向为分布式发电以及微网方向的技术等。

2.3 研究机构分布

国内各个研究机构2000—2017年在22种微网领域的EI期刊的发文数量如表3所示。由表3可以看出,中国电力科学研究院和浙江大学电气学院在微网领域的研究力量较强,其他各个机构的发文数量紧随其后,微网领域的研究力量分布总体比较均匀,并未出现一家独大的形势。

表3 国内微网领域发文前10名的机构

3 微网领域的热点定位、前沿关注点及趋势分析

3.1 微网领域热点定位

通过认知微网技术领域的研究热点,有助于更好地把握整个行业的发展动向,使相应行业人员明确领域发展态势,为下一阶段微网领域的研究提供更具有意义的参考性建议。运用CiteSpace软件对检索到的期刊文献展开关键词共现分析,生成微网可视化技术图谱,并定位微网技术热点。

将2000—2017年公开的全部期刊数据转化成WoS数据格式导入CiteSpace软件,节点类型设置为“keyword”,时间间隔选择1年,其他都选择默认格式。运行软件进行初步分析,生成的关键词共现网有207个节点,828条连线,这导致共现网络太密集,重点不突出,故利用软件自带的网络裁剪功能,对合并后的网络进行裁剪,结果如图3所示。裁剪后的网络共有207个节点,224条连线。由图3获取了高频节点信息表格,如表4所示。

图3 微网关键词共现网络图谱

关键词频次中介中心性关键词频次中介中心性微电网4400.08微网2550.11下垂控制1140.04分布式电源1140.09分布式发电810.31储能650.01直流微电网510.15逆变器450.31能量管理390.09孤岛运行370.22协调控制320.09电能质量300.37蓄电池290.25经济调度270.13电动汽车240.02可再生能源240.31混合储能220.07多目标优化220.17多代理系统170.05可靠性评估140.01无缝切换130.08优化配置130.21能源互联网120.02经济运行120.15超级电容90.09微型燃气轮机80.01

由图3可以看出,“微网”和“微电网”的节点最大,对应高频关键词表中的频次也最多,这是由于将“微网”和“微电网”作为检索词所导致的。此外,“下垂控制”“分布式电源”“储能”“逆变器”“孤岛运行”以及“电能质量”等关键词在图中的节点也非常显眼,出现频次较多,节点相对较大,或者中介中心性较高,是微网领域的重要节点,也是拓展微网领域发展的关键枢纽。

综合频次统计分析指标和中介中心性指标,判定微网领域的技术热点主要集中在下垂控制技术、分布式发电技术、逆变器的研究、孤岛运行与孤岛检测技术、微网中的电能质量5方面。

3.2 微网领域前沿关注点识别

采用CiteSpace软件中的突现词检索功能,辨别词频变化率较大的词语。由于领域局部热点的变化可能通过词频增长率(突现率)变化大的关键词所体现,研究和分析这类关键词有助于发现和推动学科领域中的微观因素,在揭示学科发展方面更具代表性。因此,认为高突现率的关键词在一定意义上可以代表某一领域的前沿关注点。

图4列出了2000—2017年间微网技术研究的突现强度前9位的关键词。经过人为排除和筛选后,根据图4可知,突现强度较强的关键词前4名是“分布式发电”“智能电网”“微型燃气轮机”“能源互联网”,其变动趋势最大,为这段时期内微网的前沿热点。突现值较高的“孤岛检测”“并网运行”“微网能量管理系统”等,在微网领域受到的关注度也很大,是微网领域普及过程中的一系列关注点。此外,“能源互联网”的突现率从近3年开始呈上升趋势,是微网领域的研究前沿。

综合突现值与突现时段的不同,总结出微网领域的前沿热点主要集中在:分布式发电;孤岛检测;微网能源管理系统;能源互联网。

3.3 未来趋势分析

总结上述领域热点定位以及前沿关注点的识别分析,可认为既是热点又是前沿关注点的技术就是需要重点关注的技术,即技术与关注点中包含的关键词的频次和突现值均较高,就认为是未来微网领域重点关注与发展的技术。具体技术中所包含的高频词和突现词如表5所示。

表5 微网技术所含关键词与突现词统计表

3.3.1 含有频次高和突现值高的关键词的技术与关注点

(1) 微网分布式发电技术 分布式发电技术有助于充分利用各地丰富的清洁可再生能源,但分布式电源大规模的并网运行将会对电力系统的安全稳定和调度运行带来一定的影响。如何在满足系统要求下,充分利用分布式发电技术在各个方面(包括经济、能源和环境等)的优势,依然是微网领域今后的一个研究热点。

(2) 微网储能及能量管理技术 目前电池类、超级电容器和光伏电池等元件储能是微网储能技术的研究重点,储能往往伴随着微电网的能量管理。微网能量管理发展到现在,已实现了分布式能源的即插即用。未来储能技术将向多种储能元件协调配合使用方向发展,混合储能系统的优化将成为未来微网能量管理的一个研究趋势。

(3) 孤岛检测技术 孤岛检测是微网安全稳定运行过程中的重要技术环节。为了实现微网并网,孤岛模式的无缝切换,采用主动检测方法实现非破坏性无盲区孤岛检测,也是微网研究者们未来的一个研究热点。

3.3.2 含有频次较高和突现值高的关键词的技术与关注点

微网作为能源互联网领域进步的基础环节,其发展势必推动能源互联网领域前进。未来微网领域的发展将向能源互联网方向靠近,未来能源互联网势必成为行业领域的关注点,且关注度会越来越高。

3.3.3 含有频次高和突现值较高的关键词的技术与关注点

(1) 微网运行控制技术 与传统的电力系统控制技术不同,微网侧重并、离网控制技术(分布式电源控制技术有下垂控制技术、v/f控制技术、p/v控制技术)。此外,微网整体运行控制也是微网领域的热点和趋势。

(2) 有关微网电能质量的关注点 微网内存在逆变器型微电源和旋转电机型微电源(微型燃气轮机)以及大量的非线性负载,可能会造成谐波污染、电压波动、电压(频率)闪变、环流等问题,所以微网的电能质量问题依然是未来微网的研究热点之一。

4 结 语

本文基于CiteSpace软件对22种EI期刊中涉及微网的文献进行了研究,从量化角度分析总结了微网领域的研究热点与前沿,避免了过去研究过程中过度偏于主观的定性分析。经过分析得到该领域的研发力量分布:在核心作者群体中,王成山团队和李鹏团队在微网领域最为突出;在研究机构中,中国电力科学研究院、浙江大学电气学院、华北电力大学电气与电子工程学院等具有较强研究力量;针对关键词共现分析得到了微网领域热点技术与关注点的预测,其主要集中在微网分布式发电技术、储能技术、检测技术、电能质量和能源互联网关注点等。

为了更好地了解微网领域某一分支的具体技术脉络,未来可以针对微网某一特定的技术分支展开可视化分析,更深地挖掘某一技术的发展脉络。这一系列的分析结果,能为微网领域的发展提供参考性的指导建议。