基于知识图谱的抽水蓄能专利信息挖掘与可视化研究

2023-10-09于凯黄馨阅

科学技术与工程 2023年26期

于凯, 黄馨阅

(1.新疆财经大学信息管理学院, 乌鲁木齐 830012; 2.新疆财经大学公共管理学院, 乌鲁木齐 830012)

追溯最早的抽水蓄能电站是建于1882年的瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站,利用地势落差,将汛期河流多余的水量抽到山上的湖泊中,在枯水期用这些水来发电,是一座季调节型抽水蓄能电站。目前抽水蓄能电站分布广泛,遍及瑞士、意大利、德国、奥地利、捷克、法国、西班牙、美国、巴西、智利和日本等国家。该技术于20世纪六七十年代引入中国,经历迅速的发展,中国于2017年成为全世界抽水蓄能电站规模最大的国家[1]。

抽水蓄能技术是以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分,其原理是在山上山下建设两个水库,在用电低谷时用“富余”的电,把山下的水抽到山上储存起来,在用电高峰时,放水发电,其本质相当于一个大的清洁能源蓄电池,可以作为电网的稳压器,清洁能源的储存器。抽水蓄能电站能够优化电能结构,提高电网消化新能源的能力,存储风电、太阳能发电、核电等清洁能源,节约煤炭资源,减少二氧化碳排放。在2021年9月,国家能源局印发《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》[2]中指出:抽水蓄能技术是当前经济性最优、技术最成熟、最具大型规模开发条件的电力系统,同时也是助力实现“碳达峰、碳中和”的重要技术。为此在全球应对气候变化,中国努力实现“2030年前碳达峰、2060 年前碳中和”目标,加快能源绿色低碳转型的新形势下,抽水蓄能加快发展势在必行。

近年来中外相关抽水蓄能技术研究成果丰富。在抽水蓄能电站的选址[3-5]与建设方面,考虑水文因素、地质因素、经济因素、施工条件等[6]因素,抽水蓄能电站的选址范围从传统的上下游水库发展到废弃矿井[7-11]和沿海及海岛地区[12-17]。这种地下或浅水层抽水蓄能电站可以合理利用地质资源,减少投资以及对于当地景观和居民的影响,也能拓展在平坦地形中建设抽水蓄能电站思路。在抽水蓄能与其他新能源协调发展方面,提出了“抽水蓄能+其他清洁能源”的联合发展模型[18-21]。建立了以光伏、潮汐能、风电[22-24]、核能[25-26]和抽水蓄能为主体的新能源抽水蓄能组合系统模型,这为清洁能源存储提供了灵活有效的解决方案,也为中国西部太阳能、风能的开发和稳定输出提供了新的技术支持[27]。在抽水蓄能电站优化方面,包括电站的智能化[28],以及对于设备的优化[29]。通过数字技术完善对电站进行检修[30-31],依托云计算平台及大数据收集分析[32],实现了掘进数据的分析与共享[33]。这些智能化的优化帮助抽水蓄能电站建设和后期的管理。通过完善了抽水蓄能机组的调节功能[34-37],降低对电网造成的频率调节压力;完善相关变压器的功能算法[38-39],保护电站的安全运行;改善调速器的精确性[40],提高电站的控制性能等。这些关键部件的优化,帮助实现电站的稳定运行。在抽水蓄能电价的设定方面,提出了依据电力市场背景下的抽水蓄能电站参与市场交易机制的具体方案[41-48]。如通过分阶段然后使用长期边际成本法[49]获得抽水蓄能电站的分时报价策略,提高报价精度,实现更大利益。

综上所述,中外学者针对抽水蓄能主要聚焦于选址、协调、优化、运营等方面的研究,目前鲜有抽水蓄能的专利研究,所以现以抽水蓄能相关专利为研究对象,通过对抽水蓄能专利信息的挖掘,用知识图谱的方式展示中外抽水蓄能领域的研究热点、研究现状及专利权人的分布状况,用PageRank算法结合聚类分析展示抽水蓄能领域所研究的重点方向,并基于中国目前的研发现状提供建议。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 知识图谱研究法

通过对专利信息的挖掘,可以反映出该技术领域的发展情况。在现存专利信息挖掘研究中,大量采用知识图谱的研究方式,运用CiteSpace等软件,通过德温特手工代码将专利信息从宏观与微观层面对专利信息进行量化挖掘研究分析,绘制所研究领域知识结构、知识演化等各类知识图谱。之后再利用共现和聚类分析等方法来挖掘技术间的互联关系,直观清晰地呈现技术背后的研究领域的关键技术及其分化趋势,再通过文本信息挖掘其发展趋势,然后梳理出该领域的技术发展时间演变趋势图,经过这一系列的研究后,可以从现有专利信息推测该领域未来可能的技术机会,例如,张问采等[50]直观清晰地展示全球4D打印技术现阶段的新兴技术、关键领域。肖涵彬等[51]利用知识图谱的可视化展示了碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技术专利的时间与空间分布、整体热点技术与前沿技术,该研究在碳中和背景下会对未来从事该技术领域研究的学者起到了引导作用。在不同的时期对同一种专利技术进行分析,也会得到不一样结果,像区块链技术,邵泽宇等[52]基于知识图谱研究区块链专利发现,研究重点从早期的数据库、密码学、金融演化到法律法规、识别等方向,车辆微处理器系统等应用占据关键地位;王传高等[53]研究得出区块链热点技术领域为金融商业、通信和数据处理,其中数据处理和通讯领域是由于政策的推动,近两年增速较快。由此可见,基于知识图谱的专利信息挖掘可以在宏观微观层次上对于技术的发展进行展示,也能通过整合现有专利信息对于未来技术走向进行预测,还能对于现在的研究起到技术梳理的作用。

1.1.2 PageRank算法

有许多指标可以用来分析科研合作网络的拓扑特征和演化特征。一共选取了4个指标:度、聚类系数、中介中心性和PageRank来研究机构间科研合作网络的结构特征和演化特征。

PageRank算法借鉴了传统的引文分析的思想,其原本用于分析网页之间的贡献程度,然后利用其结果对于网页进行重要值的排序[54],这个排序对于网页检索有很大的帮助。国内学者利用PageRank算法来对学术论文进行评价,因为PageRank算法将不同引用的重要性差别考虑在内,可以挖掘出容易被引次数忽视的重要的论文[55]。和传统的利用被引次数来挖掘重要论文的方法相比,它可以更好地反映论文的权威性。此外,PageRank算法得到的排序能包含来自不同领域的论文,利用这个特性,可以利用其对“全局”进行排序。将利用PageRank算法的特性,将它所得的重要性值与聚类分析后专利的类别进行分类累加,然后对其值进行排序分析,得到最重要的类别排序,分析其类别中专利的特性,反映出该技术领域的特性。

将聚类分析所得的类与PageRank算法相结合,将聚类后所包含的每个专利的PageRank值进行累加之后排序,由此得出所得类的重要程度的排序,再对这些类进行分析,得出抽水蓄能领域重要研究方向。

1.2 数据来源

德温特专利数据库(derwent innovation index,DII)是全球最权威的专利数据库之一,收录1963年至今全世界不同专利机构授权的数千万条专利信息,且每周更新一次[56-59]。本文研究使用的专利数据是在德温特专利数据库中以“抽水蓄能”为检索主题,检索式为TS=“pump* storag*”“OR pump* hydro”,获得到2021年12月31日为止有关抽水蓄能的技术专利数据2 601条,数据下载日期为2022年1月26日。

2 研究结果与分析

2.1 总体时间和空间分布

如图1所示,1974—2021年期间全球抽水蓄能专利申请整体上呈上升趋势。其中,1974—2011年,抽水蓄能专利申请呈平稳增长态势但申请量整体偏小。进入2011年后,专利申请量逐年大幅攀升,2017年专利申请数量有所回落,2018—2021年专利申请数量又开始快速增长。截至2021年12月31日,累计专利数达2601件。

图1 1974—2021抽水蓄能技术专利时间分布

在拥有抽水蓄能技术专利数量排名前10的专利权人中,如表1所示,来自中国的公司和大学占大多数,分别为:国家电网有限公司、国网新源控股公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、山东泰山抽水蓄能电站有限公司、华北电力大学、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司、华中科技大学。其他占专利权人排名前10的公司分别来自日本和德国,它们分别是:日立有限公司、东芝集团、沃伊斯造纸专利有限公司。

表1 抽水蓄能技术专利数量排名前10位的专利权人

通过统计各个国家发表的专利数目,对拥有专利数超过10个的共15个关键国家做矩形树图,如图2所示。从整体来看,大部分专利都来自于中国,且专利量远高于其他国家。排在第二位和第三位的国家分别是日本和德国。

图2 关键国家抽水蓄能技术专利矩形树图

2.2 抽水蓄能技术创新热点分析

2.2.1 技术创新领域共现分析

将从德温特专利数据库中采集到的2 601条抽水蓄能相关的专利数据导入CiteSpace中,首先进行格式转换,转化为CiteSpace可以识别的格式。采集的数据中最早的一条是在1974年,所以本文研究将时间段定为1974—2021年,时间切片设置为1年。阈值设置方式选择阈值插值,为了让图谱体现出重要关系,将阈值(c,cc,ccv)分别设置为(1,2,20)、(3,2,20)、(4,3,20),剪枝算法选择Pathfinder,剪枝策略选择Pruning slice network以简化网络突出重要结构,以德温特手工代码为节点构建德温特手工代码共现网络,得到一个节点数N=258、节点间连线E=608、网络密度Density=0.02的网络,结果如图3所示。

圆圈表示专利中所包含的德温特手工代码;圆圈大小表示其出现次数的多少;连线表示各手工代码之间的共现情况

为了更好地分析抽水蓄能专利的具体专利分布,统计了在德温特手工代码共现网络中频次排名前20位的手工代码,并查询每一个手工代码的释义和在共现网络中第一次出现的年份,具体结果如表2所示。

表2 频次排名前20位的德温特手工代码

如表2所示,频次最高的德温特手工代码是Q54-X(其他非容积式流体发动机/机器;其他机械能系统),排在第2位的手工代码是X12-H01B(多源系统、系统互连、电力传输),排在第3位的是X16-B01(电池)。可以看到排在前8位的手工代码中,除了排在第2位和第4位的代码,其他德温特手工代码首次出现的年份都在2012年之后;从整体排在前20位的德温特手工代码来看,只有5个代码最早出现在1997年之前,其他的代码首次出现都在2012年之后。可见虽然抽水蓄能技术已经非常成熟,但在近10年里仍然有许多技术突破。1997年之前的研究主要集中在对抽水蓄能电站、电力传输、发电厂、涡轮机、电能存储等一些大方面的基础技术研究,而在2012年之后主要是从一些具体的方面做出技术改进或者有新的应用,技术改进包括减少或防止电源振荡、供水管理、水的净化、控制电压的产生等,新的应用包括其他发动机、平衡网络负载、电气设备配套处理系统等。

2.2.2 技术创新领域突现分析

突发性检测可以用于检测短期内节点频次突然增加[51],德温特手工代码突发性检测可以从动态的角度反映出一段时间里影响力较大的研究技术[60]。统计1974—2021年突现值排名前21位的德温特手工代码如表3所示。其中,突现度排在前10位的手工代码分别是X11-B09(水力发电厂的其他详细信息)、X11-B06(抽水蓄能电站)、X16-B01(电池)、U24-H(低功率系统)、D04-A01F1(其他过滤工艺)、X25-H03(水和污水处理)、X13-G02X(发电机其他控制细节)、X11-B10(监控、操作和控制)、X21-A01F(电动车)和P14-B01(吓唬、捕捉或杀死动物)。根据突现的时间分布情况可以将抽水蓄能的技术发展大致分为4个阶段。

表3 Burst值排名前21位的德温特手工代码突现情况

在第一阶段(1978—1996年),在这个时间区间里的专利技术主要与水力发电厂和发电机的其他细节相关(X11-B09和X13-G02X);有关泵、压缩机(X25-L03)和启动电动机或转换器(X13-F01)的研究也都是第一阶段里的热点技术。这时主要以蓄水为目的,用于调节水电站发电季节不平衡的问题,主要是汛期蓄水,枯水期发电。

第二阶段(1996—2011年),这段时间里,抽水蓄能电站(X11-B06)是研究的热点技术领域且持续时间有19年,可以看出抽水蓄能相关技术研究由第一阶段的由水力发电厂来发电供应到现在的通过抽水蓄能电站不仅将水能转化为电能,还能将电能存储起来等到需要的时候再用。这一阶段的热点技术还有对水力发电厂监控、操作和控制(X11-B10)技术和低功率系统(U24-H)技术。这时抽水蓄能电站主要发挥的是调峰的设备和功能,由于发达国家和地区像美国、西欧、日本等陆续建造了大量的核电站,带来了较大的调峰需求,为配合核电站运行,抽水蓄能电站蓬勃发展。同时,中国也积极发展引进抽水蓄能技术,在华北、东北、南方等地区相继建设了一批抽水蓄能电站。

第三阶段(2012—2016年),在这5年里出现了许多新的抽水蓄能热点技术,对于水的处理是其中一个技术研究热点,包括通过沉淀、沉降、絮凝净化水(D04-A01B)、水和污水处理(X25-H03)、工作液(X15-A01A1)和流体加热系统(Q74-A02A)等,在将水能转化为电能技术逐渐成熟后,更多的是去关注后续的水如何处理的技术问题。另一方面有关电能的具体应用,有电池(X16-B01)技术相关研究和如何应用到电动车(X12-A01F)、如何与太阳能结合的技术等。随着抽水蓄能技术的成熟和新能源的快速发展,抽水蓄能因其灵活的调节特新成为保障太阳能、风能等不可控新能源发电的重要手段。

从表3中可以看出，健康和婚姻状况依然是影响主观幸福感的显著因素。主观幸福感随着主观健康状况的恶化呈逐渐下降的趋势，客观疾病虽然对主观幸福感的负向影响依然显著，显著程度由OLS回归的1%的水平变为10%的水平。在婚姻状况中，已婚和离异对主观幸福感的影响并不显著，丧偶显著降低了个体的主观幸福感。对比表3与表2的结果发现，在控制了不可观测的个体变量如性格、心理及其他等因素后，健康、疾病对于主观幸福感的影响显著减少了，而丧偶对主观幸福感的负向影响显著增加了。这一结果与表2的回归结果相比更具真实性。

第四阶段(2017—2021年),在这个时间段内有关水处理的技术研究依然很多,有其他过滤工艺(D04-A01F1)和蓄水池(Q42-D03)。其他热点技术有管道和渡槽(Q42-D01)技术研究、减少和防止电源震荡(X12-H01A5)技术研究。由于抽水蓄能技术的成熟,该技术的发展更加注重于技术的改进。随着抽水蓄能对于新能源灵活调节被越来越多国家所重视,抽水蓄能的专利也越来越多,国际可再生能源署(International Renewable Energy Agency, IRENA)的相关也反映了各国抽水蓄能建设意向,其中IRENA展望报告《电力储存与可再生能源:2030年的成本与市场》[61]的基本预测情景中提出,到2030年,抽水蓄能装机增长幅度为40%～50%。中国也发布了《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》,这都表明未来抽水蓄能将会有一个很好的发展。

2.2.3 技术创新领域聚类分析

对抽水蓄能领域技术专利德温特手工代码共现网络进行k-means聚类,选取其中k聚类系数最大的10类,结果显示如图4所示,聚类模块度值Q为0.715 3,聚类平均轮廓值S为0.845 5,Q>0.3且S>0.7,说明聚类结构显著,聚类结果合理[61]。结合时间轴颜色的变化可以看出早期的4个类别(#3、#5、#8、#9)和其他类别融合程度较低,而后期余下的6类内容融合度比较高。从内容上看,主要研究的是结合太阳能板的水能与太阳能的混合发电技术(#0 solar energy panel);电能的存储方法(#1 shell body、#2 box body)、一些具体装置的改进技术(#6 water turbine)、污染物和废料的处理技术(#3 removing pollutant、#7 waste material box)等。

图4 抽水蓄能技术专利的聚类结果图

2.2.4 技术创新领域演化分析

图5展示的是k聚类系数排在前7位聚类的鱼眼图,类别按照聚类系数从大到小从上到下排列,圆圈代表技术,其标号为专利的德温特手工代码,圆圈的大小反映出现的频次,圆圈之间的连线反映着各技术之间的联系,图5最上方的年份反映着关键词首次出现的时间。鱼眼图一方面可以和时间线图一样体现每一个聚类内部的发展,另一方面可以将感兴趣的区域放大显示,焦点周围的信息内容逐渐缩小,更有利于分析关注时间区域内的信息。为了发现抽水蓄能领域的前沿技术,研究中重点关注近几年的技术。首先是从共聚物(#5 copolymer)的角度实现抽水蓄能一些技术上的突破,但这个方向的研究只在前期研究的比较多,1985年之后较少。对于箱体(#2 box body)和水轮机(#6 water turbine)的研究持续时间最长。对于箱体的研究,在1983年左右,研究者们从多源系统、系统互联、电力传输(X12-H01B)的角度实现在需要的时候将前期通过抽水存储起来的能量转化为电能并输送出去;2012年左右,出现从电池(X16-B01)角度出发的技术;紧接着研究发现通过抽水蓄能可以实现通过储能平衡网络负载(X12-H01A7)的目的,2018年左右研究如何减少或防止功率振荡的较多。太阳能电板(#0 solar energy panel)、壳体(#1 shell body)和抽水蓄能水电站(#4 pumping energy storage power station)主题的技术研究是近十年研究较集中且突破较多的主题。以太阳能电板主题研究为例,2012年左右出现集热板技术(X15-A01A)和发电机(X15-B01B)技术,之后关于这一主题的研究一直较多,在2016年出现水供应(Q42-D)方面的研究,包括随后出现的水利工程(Q42-A)和地下水(Q42-B)方面的研究,说明结合水能和太阳能的混合式发电系统逐渐成为研究热点。

图5 抽水蓄能技术专利的鱼眼图

2.3 抽水蓄能研究的机构合作分析

采集到的数据中,2 601个发明专利中有669个专利是机构间合作完成的,多机构申请专利约占26%。如图6所示,2010年之前有关抽水蓄能有关的研究较少,2010年以后,尤其是2017年开始有关抽水蓄能有关的研究显著增多,科学合作比例也逐渐增加。

图6 专利合作发表量和合作百分比的时间演化

如图6所示,前期的专利数量比较少,所以后续的研究重点放在2011—2021年的专利数据。如图7所示,2017年之后科研合作网络的规模逐年增大,专利的科研合作网络节点数量从46增长到117。对于抽水蓄能技术的研究,越来越多的机构意识到机构间合作的重要性,并积极参与到机构间的科研合作中来,一些权威机构也通过合作将资源分配给合作伙伴。

图7 机构合作网络节点和边数量的时间演化图

图8是2011—2021年抽水蓄能技术专利中机构合作网络图。可以看到,两个最大的节点分别是国家电网有限公司和国网新源控股有限公司,可以看出这两家公司在机构合作网络中的重要地位。

节点的大小代表节点加权度的大小;节点的颜色由节点属于的社区确定

为了验证度分布是否是幂律分布,对机构合作网络的度k和度对应的频数P(k)进行双对数处理,然后拟合成一条拟合度为0.769的直线,如图9所示,说明节点的度分布服从幂律分布,2011—2021年的机构合作网络具有异质性和无标度特性。因此机构合作网络中只有少数重要机构科研合作较多,大多数机构科研合作较少[62]。

图9 节点度分布

研究中将度值排名在前20的节点定义为重要机构。利用中介中心性和聚类系数来量化各个节点的中介作用。在合作网络中,中介中心性较高的节点是网络中的关键节点,通常是资源较为丰富的机构[51]。聚类系数是网络中个体的邻居节点同时也表示互为邻居节点的可能性。图10中的重要机构大部分都来自中国,并且大部分都是公司,只有3个是科研院校,它们分别是湖南大学、华北电力大学和中国电力科学研究院。从图10中可以看出聚类系数较小的国家电网有限公司、国网新源控股有限公司等机构中介中心性较高,这说明国家电网有限公司和国网新源控股有限公司处于抽水蓄能技术领域的中心位置,具有较多的资源。3个科研院校和国家电网有限公司相比中介中心性更低,但聚类系数要高于国家电网有限公司,说明3个科研院校在合作机构中不具有主导地位。

图10 重要机构的聚类系数与中介中心性

2.4 抽水蓄能研究的引用分析

将专利中除去无引用数据的专利后进行共现网络分析,共计838件专利,利用Gephi进行展示,各节点的大小反映其权重,引用次数越多的专利,其权重和大小会随之变大,其边反映各节点之间的引用关系,所得结果如图11所示,所得图密度为0.012,模块化为0.799,平均聚类系数为0.938,平均路径长度为5.182,具有小世界性的特征。

通过聚类被分为163个类,结合其节点的PageRank值之和来看类的重要程度,其中排名前10类的PageRank值已经占其全部值的近53%,于是选择其中排名前10的类进行分析。具体如表4所示。

表4 专利聚类分析排序表

表4中排名第1、3、4、6、10都是涉及抽水蓄能电站的能量转换方式及建造选址。抽水蓄能与清洁能源的结合改变了传统利用煤炭等燃烧产生电能转移成水的势能这一能量转换方式。太阳能、风能、潮汐能的结合使污染降低,同时,在选址时考虑距离清洁能源较近的地区建造抽水蓄能电站,可以在发挥抽水蓄能电站调峰功能的同时储存清洁能源,方便后续能源的使用,其中太阳能和抽水蓄能结合专利较多,可成为日后发展趋势。合理利用地势优势使得抽水蓄能电站的普及成为可能。浅海深海、露天矿井、湖泊或海洋的上部盆地等这些地方的选择,可以合理利用天然地势及废弃矿井资源,有计划和规划地建造抽水蓄能电站可以更好实现提高输电线路有效容量、输电系统安全稳定性,适应受端电网负荷变化需求,减少受端电网调峰压力和调峰电源规模,提高清洁能源在外送电量中的比例等目标。排名第四中的专利几乎都来自中国,可见中国机构内部之间合作程度高。其中中国专利涉及多源互补的电力系统、抽水蓄能电站调度、监测、控制、评估相关的方法和技术等内容较多。

排名第2、5、7、8、9都涉及电机、能源转换装置、建造抽水蓄能电站需要的零部件有关技术。如由磁性材料制成的静液压轴承、涡轮增压器、用于旋转机械转子的轴向气体推力轴承、用于生产磁盘驱动器的零静摩擦执行器枢轴轴承等。抽水蓄能电站建造离不开发电装置,特殊的发电环境需要考虑其零部件在液体环境中的密封、防振、抗腐蚀等特性,提高抽水蓄能电站使用稳定性及寿命。

聚类分析结果表明在进行抽水蓄能电站建设时要结合地势和当地丰富的清洁能源进行具体分析,注重相关设备技术的升级换代和运营管理技术的更新。

3 结论与政策建议

3.1 结论

基于德温特专利数据库中抽水蓄能专利数据,通过构建技术创新领域共现网络、机构合作网络和专利引用网络,来分析抽水蓄能技术创新的热点领域、领域演化过程和机构合作特点。得出如下结论。

(1)抽水蓄能技术创新热点领域是管道、渡槽技术领域和防止电源震荡技术领域。从领域出现频次可以发现,非容积式流体发动机和多源系统、系统互连、电力传输领域是总体的热点领域。

(2)与其他清洁能源相结合是未来研究趋势。目前抽水蓄能与太阳能的联合技术研究专利较多,是现在的技术创新热点领域,但与其他清洁能源的联合技术研究相对较少。抽水蓄能可以通过灵活调节保障风能、太阳能等不可控能源,是未来一大研究趋势。

(3)科研院校的学术研究落后于产业发展。中国抽水蓄能技术创新领域的重要机构主要是公司而非科研院校。从机构合作的角度,国家电网等公司处于抽水蓄能技术创新科研合作的中心位置,而科研院校在科研合作中没有体现出主导作用。所以我国抽水蓄能技术创新存在科研院校落后于产业发展的问题。

(4)抽水蓄能技术较成熟,需关注后续相关设备更新和日常维护。注重相关零部件、电机、发电机、功率转换装置、电源转换装置的发展;注重和液体相关的密封、防振、弹性缓冲、减振装置及其制造方法等的改进,以便使抽水蓄能电站进一步升级,在日常使用抽水蓄能电站时注意调度、监测、控制、评估等方法的改进,使其使用寿命更长。