基于知识图谱的能源互联网研究热点与趋势分析

赵振宇，杨燕宇

（华北电力大学经济与管理学院，北京 102206）

1 研究背景

美国学者里夫金在《第三次工业革命》中提出了一种以新能源技术和信息技术深入结合为特征的新型能源利用体系，并将其命名为“能源互联网”［1］。能源互联网能够显著提高可再生能源的利用效率，降低经济发展对传统化石能源的依赖程度［2］，已成为近年来我国绿色低碳转型背景下学术界和产业界共同关注的焦点。国家电网公司也明确将“建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业”作为企业的发展愿景。

知识图谱是显示科学知识演化进程与结构关系的一种图形，通过使用可视化技术描述人类随时间拥有的知识资源及其载体，挖掘、分析和显示科学技术知识以及它们之间的相互关系，在组织内创造知识共享的环境以促进科学技术研究的合作和深入［3］。由于它以科学知识为计量研究对象，因此属于科学计量学范畴［4］。

目前，学者们对能源互联网展开了全方位的研究探索，相关研究成果不断涌现，然而尚缺少通过大数据分析工具对能源互联网文献进行全面梳理、展示该领域研究热点和趋势的成果。基于此，本研究借助知识图谱，构建能源互联网研究领域的合作网络、关键词、突现词及其可视化分析结果，深入剖析该领域研究热点及发展趋势，以期为后续相关研究提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

鉴于我国能源互联网研究文献最早发表于2010年，故选取2010 年1 月至2022 年9 月被收录于中国知网（CNKI）的学术期刊文献为数据源，以“能源互联网”为主题词进行高级检索。通过对所得文献的标题、摘要和关键词进行逐一筛选，剔除相关度较低的文献，最终选定2 029 篇有效文献为数据样本。

2.2 研究方法

CiteSpace 软件以Java 为架构，基于共被引分析和共现分析，可根据导入的文献资料绘制引文与共词网络等一系列知识图谱，深层次挖掘文献信息，呈现出知识间的结构关系，帮助探寻研究热点及趋势［5］。相比于其他知识图谱分析软件，CiteSpace功能完善、操作方便、易于解读，适用于对期刊数据库中导出的数据进行格式转换，因此本研究利用CiteSpace 软件（6.1.R3 版本）来绘制知识图谱。将样本文献以Refworks 格式从中国知网中导出，文件数据中主要包含的信息有作者、机构、标题、发表时间、关键词以及摘要等。

3 知识图谱分析

3.1 年度发文量分析

通过对能源互联网研究文献的年度发文量情况进行分析（见图1），能够了解该领域内不同时期的研究水平，判断其整体发展趋势。同时，结合我国能源互联网发展重要事件时间轴（见图2），将我国能源互联网研究划分为3 个发展时期：

图1 样本文献的发文量年度分布

图2 我国能源互联网发展重要事件时间轴

（1）萌芽期（2010—2013 年）。基于我国已有的智能电网研究以及未来可再生电能传输与管理系统（FREEDM）等外国能源项目理念，2010 年起我国开始有学者关注能源互联网这一领域。在这个阶段，各年发文数量均在10 篇以下。

（2）成长期（2014—2017 年）。自2014 年起，有关研究成果数量迅猛上升。《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》等相关鼓励政策的出台，极大促进了该领域的发展，我国能源互联网研究由此步入成长期。这一阶段的文献主要从概念架构和关键技术对能源互联网进行阐述，为后续研究奠定了基础。

（3）繁荣期（2018 年至今）。从2018 年开始，能源互联网领域的发文量趋于平稳，保持在较高水平。截至2022 年9 月，2022 年已有相关论文146 篇。由于理论基础已清晰构建，相关研究进入到了以促进能源互联网建设为主要目标的新发展阶段。

3.2 研究主体分析

如图3所示，合作网络中共含有机构节点367个、合作连线364 条，知识图谱密度为0.005 4。总体上看，我国能源互联网研究机构类型较多。在发文量排名前11 位的机构中（见表1），有4 所高校，发文量达到391 篇，占总发文量的19%。论文成果较多的机构还有国家电网公司和各省区市电力公司，上述机构研究人员构成了我国能源互联网研究领域的重要骨干。从合作关系来看，我国能源互联网研究已形成大型合作网络。其中，中国电力科学研究院和华北电力大学所在节点外环明显，中介中心性较高，分别达到0.19 和0.15。这两家机构最为活跃，发挥了枢纽作用，联系起更多机构间的合作，推动了领域内知识交流。然而，我国能源互联网研究机构间联系强度仍然不高，还应进一步增强合作。

表1 样本文献中研究机构发文数量统计

图3 样本文献的研究机构合作网络

通过统计高被引文献发表数量来确定影响力较高的学者。借鉴宗淑萍［6］的做法，基于普赖斯定律计算得出文献的被引次数，将被引数达到28 次及以上的文献定义为高被引文献。高被引文献发表量排名前9 位的作者如表2 所示，这9 位作者多来自我国能源互联网领域内影响力较高的研究机构，各自分别从不同视角提出了创新观点。例如，清华大学的孙宏斌等［7］主要聚焦于多能流能量管理问题，提出静态安全分析方法，设计并研发多能流综合能量管理系统；华北电力大学曾鸣教授等［8-9］将“源—网—荷—储”的电力系统运营模式延伸至能源互联网领域，并提出能源互联网与新能源电力系统协同优化的运营模式。

表2 样本文献中高被引文献发表量排名前9 位作者情况

作者合作网络图谱如图4 所示。可以看出，样本文献共来自415 位作者，合作连线有484 条，网络图谱密度为0.005 6。围绕着高被引作者，我国能源互联网领域初步形成了较大规模的合作网络，但更多的是散落在图谱四周、发文量不多的小型团队与独立研究学者。

图4 样本文献的作者合作网络图谱

3.3 关键词分析

关键词在一定程度上能够反映出文献的研究主旨，呈现出研究的重点内容，因此通过关键词分析来把握我国能源互联网领域的研究热点，探究该领域的重点发展方向。

3.3.1 关键词共现分析

如图5所示，关键词共现图谱中共有节点372个、连线637 条，知识图谱密度为0.009 2，说明我国能源互联网研究分支多，研究方向较为丰富。对样本文献中频次排名前11 位的高频关键词进行梳理可以看出（见表3），“智能电网”的出现频次高达110次，位列第一；“区块链”“储能”分别以94 次、89 次分列第二和第三。11 个高频关键词都首次出现在2016 年及以前，即早在能源互联网研究繁荣期开始前就已经是重点关注的研究对象。“智能电网”“智慧能源”“储能”“新能源”和“清洁能源”这5个关键词的节点中介中心性分别为0.24、0.19、0.13、0.12 和0.12，均超过0.10，为关键节点，即这5 个关键词在共现网络中影响力较高，有望延伸出更多的研究分支，成为领域创新的重点。

表3 样本文献的高频关键词分布

图5 样本文献的关键词共现网络图谱

3.3.2 关键词聚类分析

对所得关键词进行聚类并生成如图6 所示的时间线图。当聚类图模块值（Q值）大于0.3 时表示聚类结构显著、平均轮廓值（S值）达到0.7 时表示聚类令人信服［10］，而样本文献关键词聚类的Q值为0.611 9、S 值为0.842 4，符合显著性和信度要求。将能源互联网研究关键词划分为12 个聚类，其中最大的聚类是互联网，其次是区块链，最小的聚类是虚拟电厂。2014 年以前，相关研究方向主要集中在智能电网和配电网，通过电网概念衍生出能源互联网架构；2014—2017 年，研究领域持续拓宽，诞生出互联网、区块链、商业模式、需求响应、关键技术、储能、微电网、碳中和、多能互补、虚拟电厂等10个全新聚类；2018—2022 年，研究内容侧重点向数字化、智能化转移，例如，衍生出的关键词“数字孪生”，其应用将促进能源互联网领域建立起物理和虚拟数字两个维度之间的实时互动［11］，是数字化时代的必然趋势，衍生出的关键词“智能感知”，是决定能源互联网信息与物理融合的关键技术，虽然这些关键词所在的节点年轮较小、相关研究成果尚不多，但未来值得期待。

图6 样本文献的关键词时间线

3.4 突现词分析

在经济、技术快速发展驱动下，能源互联网领域的研究前沿也不断发生变化，突现词可以反映出能源互联网重点研究问题的演变过程，用来预测今后研究的趋势动向。在CiteSpace 中生成样本文献的关键词共现知识图谱后，选择控制面板中的Burstness 模块，并鉴于能源互联网领域研究发展较快而2010—2022 年研究时间范围较短，因此将最短突现年限改为1 年，得到能源互联网突现词演进情况。共检索得到11 个突现词（见表4），其突现时间跨度不一。其中，最早的突现词是“智能电网”，突现时间为2011 年至2015 年，是自我国开启能源互联网研究起在研究萌芽期内唯一的突现词；2014—2017 年，出现了6 个新的突现词，包括“化石能源”“能源互联”“互联网+”“电动汽车”“互联网”和“特高压”，但突现词持续时间较短，多为1～2 年；“多能互补”和“综合能源”分别是2018 年和2019 年的突现词，保障多能互补协同运行、建设智慧能源是这一时期的代表性研究问题；2020年起截至2022 年9 月的突现词有“区块链”和“边缘计算”，反映了近期能源互联网研究的前沿热点，也预示了今后一个时期该领域的研究趋势。

表4 样本文献突现词的突现时间

4 能源互联网研究热点分析

综合上述分析，我国能源互联网研究热点主题可以总结归纳为以下4 个方向：

（1）我国能源互联网概念及发展路径探索。谢开等［12］、陈树勇等［13］指出，智能电网以电力系统为主要研究对象，通过引入先进的通信、自动控制等技术改造电力网络，以提高其在能源转换、供电质量、可靠性和安全性等方面的性能表现。在我国能源互联网研究起步阶段，学者们普遍认为能源互联网是智能电网概念的进一步延伸，多由智能电网建设引出对我国能源互联网发展的见解。在发展路径方面，现有文献主要提出2 种路径：其一是革命性路径，即从未来能源需求入手，构建崭新的能源与信息深度融合网络，如汪灿等［14］、曹军威等［15］的研究，但由于此种发展路径颠覆现有能源体系，建设难度较大；其二是演进性路径，即在已有能源供应基础上逐步构建以分布式能源为中心、多能互补的能源供应体系，如曹军威等［15］、邓建玲［16］的研究，该发展路径在我国具备一定的实践基础。

（2）新能源消纳问题。近年来我国新能源发展迅速，装机容量持续增加，但新能源发电的波动性和随机性特征制约了其在能源互联网中的消纳利用［17］，储能成为缓解这一困境的有效技术途径。储能设备不仅可以实现电能双向转换，还能够实现电能与其他能量形式单向存储与转换［18］。在能源互联网中，发展储能技术能够平滑风光发电出力功率波动，增强电力系统灵活性，提升新能源消纳水平。相对于集中配置储能系统，电动汽车无须单独建设运维，是一种更为经济、灵活的移动式储能单元［19］，在有序的协调调度下，大规模的电动汽车足以聚合提供一定可调度容量与电网形成良性互动。通过需求响应引导电动汽车用户在用电低谷期进行充电，储存电网过剩的发电量，能显著提高新能源消纳能力。已有越来越多的学者开展上述领域的研究。

（3）我国能源互联网商业模式构建。能源消费变革与数字经济的加速推进对能源电力企业转型发展和能源互联网的业态模式创新提出了更高要求，商业模式需要动态创新、迭代和演进。刘敦楠等［20］根据能源互联网行业商业模式经验，提出集中模式、B2C 模式、C2C 模式等5 种商业模式，认为分散式微平衡模式将成为未来能源互联网的主体；王君安等［21］站在电力企业角度，从商业模式组成要素入手分析如何创新。此外，面对能源领域中储能、区块链等技术发展，学者们对多种应用场景开展商业模式研究和综合效益评价分析，有学者提出能源互联网商业模式既需政策引导支持，又受各市场主体影响，各企业应发挥自主创新性，以带动行业协同发展［22］。

（4）新一代信息技术在能源互联网中的融合架构研究。以边缘计算和区块链为代表的新一代信息技术将对能源互联网发展产生深远的影响。边缘计算是指在靠近数据源头的网络侧，部署融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在快速连接、实时业务、智能应用、安全与隐私保护等方面的关键技术［23］。能源互联网运行采集数据来源复杂，数据量极大，而在边缘计算中数据无须传送至云端，在边缘侧即可完成处理，数据处理的实时性和安全性远胜于云计算［23］。目前已有研究主要探讨解决如下两方面的问题：其一是能源互联网中的智能感知和数据处理水平的提升；其二是能源互联网系统的稳定性优化问题。目前在能源互联网背景下引入边缘计算的研究尚处于架构阶段，还需进一步提升技术水平、增进实践应用研究、完善相关标准体系。此外，“区块链”不仅是高频关键词，还在关键词聚类中以第二大聚类的形式出现。作为一种保障信息安全的技术，区块链与能源互联网高度契合的技术形态使其在能源互联网中拥有广阔的应用前景。从图6 可以看出，边缘计算被划分入区块链聚类中。程冬玲等［24］、覃惠玲等［25］提出了一种全新架构，将边缘计算和区块链有机结合，以全面提升能源互联网中信息传输的安全、可靠性，值得关注。

通过以上对能源互联网中区块链相关论文的综合分析，提炼出有待今后研究的两个方面问题：一是实际应用中的经济性问题。将区块链技术融入能源互联网需要将现有系统升级改造，付出高昂的建设成本；此外，区块链技术本身的去中心化需要计算机算力支撑，会消耗大量的存储资源［26］。要实现能源互联网高效性、经济性目标要求，需要选择合适的区块链应用场景，综合考量区块链的成本和效益，发挥其最大使用价值［27］。二是监管问题。区块链中完全隐匿了用户个人信息，无法及时找到违约主体，从而导致市场监管难题［28］，因此，需要尽快开展相关监管制度研究，加强立法工作，避免在今后能源互联网的大规模应用中造成损失。

5 能源互联网研究趋势分析

当前正处在能源互联网研究的繁荣期，以边缘计算、区块链为代表的新一代信息技术的引进将为能源互联网更加安全、稳定、高效地运行搭建平台，因此，如何让新技术更好、更快地融入能源互联网建设是今后本领域研究的重点。尽管目前已有较多相关研究成果，但实际应用中还需综合考虑技术、经济、政策等多方面因素，面临诸多挑战；此外，“互联网”“商业模式”“配电网”“虚拟电厂”等4个关键词聚类位于活跃状态，其所包含的三流协同、多站融合、数字孪生等相关研究有望催生能源互联网新业态。

随着我国能源互联网研究从智能电网概念延伸、打破地域限制建立信息网络，协调各类能源的接入、形成理论分析框架，进入到如何真正引领实践的关键阶段，学界必须关注实际中遇到的难题。如在国家能源局的55 个首批能源互联网项目中，有41 个项目推进效果尚不尽如人意，遭遇延期或撤销的问题［29］。只有打破各行业间的壁垒，实现各环节的深度协调互动，才能推动能源业务走向市场化［29］。在信息技术不断更迭发展过程中，能源互联网形态也会加速向智能化迈进［30］。能源互联网之“互联”要走进千家万户，还需更多企业和用户的参与支持，增强合作、实现共赢。

6 结论

本研究基于能源互联网相关文献，借助知识图谱对我国能源互联网研究的发文量、研究主体合作、研究热点和前沿趋势等状况进行了可视化分析，得出如下结论：从年度发文量来看，2010 年以来我国能源互联网研究可分为萌芽期、成长期、繁荣期3个阶段，当前正处于繁荣期；从研究主体来看，已经初步形成大规模合作网络，合作强度仍有待加强；在研究热点及趋势方面，热点方向主要包括概念及发展路径探索、新能源消纳、商业模式构建、以区块链和边缘计算为代表的技术融合架构等，此外，如何实现新一代信息技术在能源互联网中的深度应用将成为未来重要的研究方向。