我國電力關鍵領域發展趨勢與演化規律的技術圖譜分析

摘要：文章選擇電力系統中的繼電保護作為研究方向，從WoS數據庫中檢索得到論文樣本，從Derwent Innovations Index數據庫和Patstat中檢索得到專利樣本，時間跨度為2000年至2024年，共檢索到9666篇論文與11261篇專利樣本，梳理其年度發文量、國家分布、核心機構與作者、高被引文獻與專利等情況。通過建立基于語義關系、引用關系、合作關系、共現關系等關聯網絡，形成可視化技術圖譜，探究電力關鍵領域研究發展趨勢與前沿。研究發現，繼電保護的研究熱點集中在故障檢測、過流保護和智能電網相關技術上。同時，文章提出了加強跨學科合作、優化科研資源配置、重視專利保護與技術輸出、促進產業與科研的深度融合等建議。

關鍵詞：電力領域；發展趨勢；技術圖譜

中圖分類號：F426.61;F273.1" 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著我國電力行業的快速發展，關鍵領域的技術進步和市場結構發生了深刻變革。《國家中長期科學和技術發展規劃 （2021—2035）》指出，要適應科學研究范式變革，推動學科交叉，聚焦重大需求，推動未來發展，而發展戰略的制定需要基于對歷史發展脈絡和現狀的系統梳理，落實落地，科學地做好整體布局。國家能源局發布的《新型電力系統發展藍皮書》更是明確提出，新時代電力系統需要建立電力系統智慧化運行體系。由此可見，當前電力系統的技術創新工作必然走向科學化、精準化，這就意味著創新所需要的科技情報服務從知識服務轉向智能服務［1］。在這樣的大趨勢下，科技創新對前沿方向識別與趨勢判斷提出了更高的要求。

為了更好地理解我國電力關鍵領域的發展趨勢和演化規律，迫切需要通過數據可視化技術，系統性地展示和分析行業內的技術創新、政策導向及市場演變等關鍵因素。可視化研究不僅能夠揭示復雜數據背后的趨勢和規律，還能為決策者提供更加直觀、科學的依據，從而助力我國電力行業的高質量發展［2］。因此，針對電力關鍵領域發展趨勢與演化規律的可視化研究具有重要的理論和實踐意義，為推動行業技術創新和產業升級提供了寶貴的參考。

目前，關于電力領域關鍵技術與研究熱點的研究大多采用文獻計量分析，如周鈺山等［3］采用了文獻計量方法對WoS收錄的1100篇電力大數據文獻進行了關鍵詞分析，得到了電力大數據領域的研究熱點；韓真真［4］以中國知網電廠碳排放研究文獻為研究對象，采用文獻計量方法探究了電廠碳排放領域的發展趨勢。但目前的研究鮮有將文獻、專利、機構、作者進行結合，雖然構建了相關可視化圖譜，但研究視角較為單一。本文在數據建模與表示的過程中，建立了一個包含專利、論文、作者、機構發表日期等節點的全面的技術圖譜，使技術圖譜具有更廣泛的應用范圍，可以用于全面了解多個技術領域之間的關系和交叉點，為企業提供復雜的決策和規劃支持。

1 研究思路與方法

本文結合數據特征、前沿技術預測結果和專業人士意見，選擇關鍵技術領域。建立基于語義關系、引用關系、合作關系、共現關系等的關鍵技術領域科學和技術之間的關聯模型，使用關聯模型，將技術表示為圖譜中的節點，將科學和技術之間的關聯關系表示為圖譜中的邊，從而形成技術圖譜，使用可視化工具，將技術圖譜進行可視化展示。具體技術路線如圖1所示。

第一步，根據企業自身需求和發展目標以及本項目對數據的探索，確定要研究的核心技術領域。通過開源的科技文獻，運用IPC抽取、關鍵詞匹配等方式找到特定技術相關的科學論文、專利文獻和研究報告等公開文獻，形成關鍵領域“科學-技術”數據庫。為了揭示技術領域的關聯關系和發展趨勢，本項目將構建異構圖模型。在構建過程中，綜合考慮科學和技術之間的語義關系、引用關系、合作關系、共現關系等多種關聯信息。

第二步，通過圖嵌入技術，將技術圖譜中的節點映射到低維向量空間中，以保留節點之間的相似性和關聯關系。同時，結合節點的多維屬性信息，進行節點表示學習，使得節點在向量空間中具有更豐富的語義信息。節點表示學習的目標是將節點映射到連續向量空間，使得在向量空間中相似的節點在拓撲結構上也是相似的，從而更好地捕捉技術之間的關聯關系。

第三步，為了更好地展現多維信息之間的關聯和結構，使用可視化工具將構建好的技術圖譜進行可視化展示。圖譜的可視化呈現了技術之間的聯系和重要節點，使得研究者和企業能夠更直觀地理解技術領域的發展趨勢和演化規律。通過可視化展示，企業可以更加直觀地了解技術圖譜中的關鍵信息，為決策和戰略規劃提供更準確的依據。綜合起來，本論文通過選定核心技術領域、構建多維技術圖譜以及可視化展示，為企業提供深入洞察技術領域的有力工具和方法。

2 研究現狀統計分析

本文依據國網上海市電力公司內部專家的建議及相關初步調研結果，選擇了電力系統中的繼電保護作為研究方向。國家電網在繼電保護領域的發表年度趨勢如圖2所示，由圖2可以看出，本文選定的研究領域年度發表趨勢雖然存在一定的波動，但總體來看，該領域近年來都呈現出穩定上升的趨勢。

2.1 繼電保護論文發文數量與被引頻次及專利數量分析

繼電保護在保障電力系統穩定運行方面起著至關重要的作用，其技術的創新和優化直接關系到整個電力系統的安全性和效率［5］。當前，國家電網對繼電保護的研究集中在不同場景下的差動保護、繼電保護的實施和應用等方面。隨著人工智能和機器學習技術的發展，國家電網也在積極探索智能繼電保護技術，將深度學習等智能化技術應用于繼電保護中，以提高故障檢測和隔離的準確性和速度［6-8］。這些技術創新不僅有助于提升電力系統的穩定性和可靠性，還能為電力行業的智能化發展提供有力支撐。

數據顯示，該領域的論文發表數量在2020年之前呈現逐年上升的趨勢，在2020年達到頂峰，共發表了134篇論文。然而，此后論文數量開始出現波動并逐漸下降。繼電保護領域的論文被引頻次的變化數據顯示，被引頻次在2016年至2018年期間呈現劇烈波動上升的趨勢，在2018年達到頂峰，共有1233次引用。2018年以后，被引頻次開始呈現下降趨勢。這些變化可能反映了該領域研究的熱度和影響力在不同時間段內的動態變化。專利發表數量隨年份的變化數據顯示，德溫特一共檢索到11261個專利，其中帶有中國發表的有9518個，占據了全部專利的84.52%，處于領先位置。這顯示出中國在繼電保護技術創新和專利申請上的顯著地位和強大實力。通過對科研機構論文數量的統計，可以清晰地觀察到繼電保護領域的科研規模和布局。

2.2 繼電保護論文發表的國家分布分析

從國家層面來看，繼電保護領域的國際科研規模和布局呈現出明顯的集中化趨勢，其中中國、美國和印度位列前三，論文發表占比均超過15%。具體數據表明，中國在繼電保護領域的論文數量最多，達到1074篇，占據了顯著的領先地位。美國和印度以17.9%的占比并列第二，各自的論文數量均為823篇。第四名的澳大利亞僅占9.6%，論文數量為443篇，與前三名相比存在明顯差距。其他國家在這一領域的研究表現為分散式分布，顯示出較為均衡但不集中的科研布局。這些數據不僅反映了中國、美國和印度在繼電保護領域的科研活躍度和影響力較高，也突顯了其他國家在該領域的分散研究特征。

2.3 繼電保護領域高被引論文/專利的研究內容分析

本文以引用量作為論文在該領域的影響程度測量，選取Top5引用量進行分析。總體來看，這些引用量較高的論文和專利反映了繼電保護領域當前的研究熱點和發展趨勢，主要集中在直流配電技術、分布式發電技術、智能電網傳感技術以及繼電保護技術的創新和優化。這些研究不僅關注技術本身的發展，還涉及了電力系統的安全、效率和智能化管理。

2.4 繼電保護領域的論文和專利在機構層面上的分布情況分析

印度理工學院以710篇的發文量高居榜首；埃及知識庫為非高校機構的第一名，數量為402篇。Top15涵蓋印度、埃及、美國、中國、德國等多個國家的機構，呈現“多點開花”的布局。對于繼電保護領域的專利部分，德溫特數據庫總計檢索到11261項專利，其中有9518項專利由中國人發表，占據了總體的84.52%，領先于其他國家。這顯示出中國在繼電保護技術創新和專利申請上的顯著地位和強大實力。通過對科研機構的論文數量統計，可以清晰地觀察到繼電保護領域的科研規模和布局。對繼電保護領域專利數量Top10的研究顯示，前十名全部由中國機構壟斷，其中國家電網總部以899篇專利位居榜首。私企中，許繼集團有限公司以105篇專利數量位列第三。這些數據進一步凸顯了中國在繼電保護技術研發和專利申請方面的領先地位，顯示出其在該領域的深厚積累和持續創新能力。

2.5 頭部機構在繼電保護領域的研究重點分析

針對繼電保護論文領域的前兩名發文機構——印度理工學院和埃及知識庫，進行論文關鍵詞分析，結果如表2所示。可以得出，對于繼電保護論文領域的頂尖機構而言，分布式發電、故障檢測、繼電距離為關鍵詞出現頻次最高的3個關鍵詞，這些領域是頭部機構的關注重點。同樣，在繼電保護專利領域，分析了前兩名發文機構——國家電網中國和廣東電網有限公司的專利內容關鍵詞。結果顯示，對于繼電保護專利領域的領先機構，繼電保護、電力系統、變電器為關鍵詞出現頻次最高的3個關鍵詞。這些領域是這些機構在專利發表方面的重點關注方向。

3 可視化技術圖譜分析

本研究通過建立基于語義關系、引用關系、合作關系、共現關系等的關聯網絡，將技術表示為圖譜中的節點，將技術之間的關聯關系表示為圖譜中的邊，從而形成可視化技術圖譜［9-10］。

在繼電保護領域下構建異構網絡，包括論文的5個元素：基于文章的引用關系、關鍵詞的共現關系、作者的合作關系、機構的合作關系、領域的交叉關系。節點類型包括文章、關鍵詞、作者、機構和領域，邊的類型包括引用、關鍵詞共現、作者合作、機構合作、領域交叉［11］。

3.1 繼電保護的論文引用網絡分析

論文引用網絡，節點為論文的標題，邊為論文的引用關系。從引用分布來看，IEEE T POWER DELIVER期刊在relay protection受到最廣泛的引用，如圖3所示。《IEEE電力傳輸匯刊》的代表性論文包括《5G在傳輸系統中啟用的集中開關故障限流器的分配》《基于逆變器的資源對基于負序量的保護元件的影響》，主要的研究內容集中在可再生能源與繼電器誤操作問題。

《電力系統研究》的代表性論文包括《可再生能源集成交流微電網的保護研究綜述及未來趨勢》《基于正弦余弦算法的復雜配電網中定向過流繼電器的優化協調》，主要的研究內容集中在可再生能源與微電網、過流繼電器優化問題。

3.2 繼電保護的關鍵詞共現網絡分析

關鍵詞共現網絡，節點為論文關鍵詞，邊為關鍵詞的共現關系。繼電保護領域的高頻關鍵詞包括電力系統保護、故障檢測、過流保護，如圖4所示。包含高頻關鍵詞的代表性論文有以下幾篇，《一種改進的模擬退火-線性規劃混合算法應用于定向過流繼電器的優化協調》運用線性規劃算法解決繼電器優化問題，《基于卷積神經網絡的微電網智能保護策略》運用卷積神經網絡優化智能故障保護策略。繼電保護領域的整體趨勢是運用線性規劃、深度學習等新方法優化繼電保護問題。

3.3 繼電保護的作者合作網絡分析

作者合作網絡，節點是論文作者，邊是作者的合作關系。從合作分布來看，合作呈現分塊屬性，各自合作形成閉環，形成小團體，而團體之間的合作幾乎為0，如圖5所示。

作者合作網絡中的代表作者包括：（1）Brahma Sukumar，就職于新墨西哥州立大學，代表論文包括《利用通信協議增強配電網保護策略》《基于多智能體系統的分布式發電微電網保護》，主要的研究內容包括基于協同仿真平臺和計算機輔助設計解決微電網的復雜問題。（2）Yin Xianggen/尹項根，就職于華中科技大學，代表論文包括《考慮電網側和轉子側變流器協調控制策略的DFIG短路模型》，主要的研究內容包括可再生能源電網的繼電保護問題。

3.4 繼電保護的機構合作網絡分析

機構合作網絡，節點是論文所屬機構，邊是機構的合作關系。機構合作呈現“核心-外圍”特征，核心以歐美國家機構合作為主，如加利福尼亞大學；外圍包括印度理工大學、國家電網、華中科技大學，如圖6所示。代表機構包括：（1）國家電網，代表研究包括《基于變分模態分解和卷積神經網絡的電網故障診斷》《一種基于改進虛測電壓的距離保護新方案》，主要的研究內容包括運用深度學習、強化學習等先進方法解決電網故障診斷和繼電保護問題。（2）印度理工學院，代表研究包括《低壓直流微電網故障檢測與定位新算法》，主要的研究內容包括智能微電網、過流繼電器優化問題。

3.5 繼電保護的領域交叉網絡分析

領域交叉網絡，節點是論文所屬的領域，邊是領域的交叉關系。從領域交叉分布來看，電氣工程和能源燃料領域的交叉最多，如圖7所示。涉及的相關交叉領域還包括信息系統、材料科學和通信。代表性的領域：（1）信息系統領域，代表論文包括《數字雙邊緣網絡的高效通信聯邦學習和許可區塊鏈》《物聯網中的級聯故障：可靠性和彈性的回顧與展望》，主要研究內容包括結合區塊鏈、物聯網的智能故障檢測。（2）人工智能領域，代表論文包括《基于SOM聚類技術的微電網自適應保護方案》《動態FDB選擇方法及其應用：定向過流繼電器協調建模與優化》，主要研究內容包括結合人工智能聚類、分類算法進行建模與優化。

3.6 核心領域集群與邊緣領域擴展網絡模式分析

3.6.1 核心領域集群分析

在繼電保護的研究領域中，識別出了一個核心領域集群，即“Engineering， Electrical amp; Electronic”。這個領域集群由3篇核心論文節點構成，它們在被引數上位于前五名。這表明，這些論文在繼電保護領域內具有較高的學術影響力和認可度。核心領域集群的存在，反映了該領域的研究熱點和主要研究方向。

3.6.2 邊緣領域擴展網絡模式

除了核心領域集群之外，還觀察到了邊緣領域擴展網絡模式。具體來說，有兩篇論文節點分別關聯了兩個不同的研究領域：“Green amp; Sustainable Science amp; Technology”與“Energy amp; Fuels”，“Ecology”與“Geography， Physical”。這種模式表明，繼電保護領域的研究正在向其他學科領域擴展，形成了跨學科的研究趨勢。

3.6.3 跨學科研究的推動作用

跨學科研究能夠促進不同領域的知識和方法的融合，為繼電保護領域帶來新的視角和解決方案［12］。例如，“Green amp; Sustainable Science amp; Technology”領域的論文強調了環境保護和可持續性在繼電保護技術中的應用，而“Energy amp; Fuels”領域的論文探討了能源效率和新能源技術在繼電保護中的作用。同樣，“Ecology”和“Geography， Physical”領域的論文從生態系統和地理環境的角度，為繼電保護提供了新的研究路徑。

4 研究結論與建議

4.1 研究結論

本研究通過對我國電力關鍵領域的發展趨勢和演化規律進行可視化分析，系統地梳理了繼電保護領域的技術創新和研究熱點。研究結果顯示，隨著人工智能和大數據技術的應用，繼電保護技術正在朝著智能化、自動化和高效化方向發展。我國在繼電保護領域的科研論文和專利數量都處于全球領先地位，特別是在智能電網和分布式能源的研究方面取得了顯著進展。同時，跨學科的合作與研究為電力系統的技術進步提供了新思路，推動了繼電保護技術的多維發展。

通過對技術圖譜的分析，發現繼電保護的研究熱點集中在故障檢測、過流保護和智能電網相關技術上。中國在該領域的專利和科研論文數量遠超其他國家，顯示出我國在電力關鍵領域技術創新中的核心地位。此外，電力系統的智能化升級帶動了更多新技術的應用，如深度學習、卷積神經網絡等，這些技術的引入大幅提升了電力系統的運行效率與安全性。

4.2 研究建議

（1）加強跨學科合作：未來應進一步加強電力系統與信息技術、人工智能等領域的跨學科合作，特別是在智能電網、可再生能源管理與故障檢測等方面，推動技術融合與創新發展。

（2）優化科研資源配置：針對繼電保護技術的研究熱點，建議政府和科研機構優化資源配置，支持高影響力研究，加大對關鍵技術的專項資助，促進技術成果的快速轉化與應用。

（3）重視專利保護與技術輸出：在當前全球競爭加劇的背景下，建議進一步強化專利保護機制，同時積極推動繼電保護技術的國際輸出，提升我國電力技術在國際市場的影響力。

（4）促進產業與科研的深度融合：鼓勵電力企業與高校、科研院所建立更緊密的合作機制，將最新的科研成果迅速應用到實際生產中，實現技術創新的快速落地與推廣。

5 結語

本研究圍繞繼電保護技術在中國電力領域的發展趨勢與演化規律進行了系統分析，通過可視化技術圖譜揭示了這一領域的研究熱點和技術創新。研究結果表明，隨著智能化和自動化技術的廣泛應用，繼電保護正在向高效化、智能化的方向發展，中國在該領域的科研與專利數量處于全球領先地位，尤其在智能電網和分布式能源的研究方面取得顯著進展。為了進一步推動電力系統技術的創新與應用，建議加強跨學科合作，優化科研資源配置，重視專利保護與技術輸出，促進產業與科研的深度融合。這些舉措將為我國電力行業的高質量發展提供有力支持，為未來技術創新奠定堅實基礎。

參考文獻

［1］王頌.國家電網公司：當好新型電力系統建設主力軍［J］.農村電工，2024（8）：3.

［2］鄢敏，付海彥.數據可視化應用前景［J］.電子技術與軟件工程，2019（2）：173.

［3］周鈺山，呂濤，李娜.電力大數據研究現狀及熱點：基于文獻計量分析［J］.能源研究與管理，2024（1）：27-36，42.

［4］韓真真.基于CNKI數據庫的電廠碳排放文獻計量分析［J］.低碳世界，2024（4）：172-174.

［5］杜澤鴻.電力系統中智能變電站繼電保護技術分析［J］.智能建筑與智慧城市，2024（9）：153-155.

［6］朱鴻飛，葉佳.智能變電站繼電保護技術［J］.產品可靠性報告，2024（8）：139-141.

［7］許云鵬，劉凱.繼電保護自動化技術在電力系統中的應用研究［J］.產品可靠性報告，2024（8）：106-107.

［8］李洪蕾，廖杰，王俊剛.智能電網繼電保護故障診斷與處理技術研究［J］.中國高新科技，2024（15）：103-105.

［9］華斌，宋平.基于技術圖譜的科技創新數字化服務體系研究［J］.企業管理，2021（增刊1）：354-355.

［10］潘東華，徐珂珂.基于專利文獻分類碼的技術知識圖譜繪制方法研究［J］.情報學報，2015（34）：866-874.

［11］蔡大鵬，李夢洋，翟東升.基于技術演化圖譜的優勢專利技術研發方向識別方法研究［J］.中國科技論壇，2023（3）：149-159.

［12］陳悅，謝俊杰，王智琦.科學計量學的跨學科研究范式演變和發展進路［J/OL］.科學學研究，1-16［2024-09-24］.https：//doi.org/10.16192/j.cnki.1003-2053.20240913.002.

Analysis of the development trend and evolution law of the key fields of electric

power in China

Abstract：" The article focuses on relay protection in power systems as the research direction. It retrieves paper samples from the WoS database and patent samples from the Derwent Innovations Index and Patstat databases， analyzing their annual publication volume， country distribution， core institutions and authors， highly cited literature， and patents. By establishing association networks based on semantic relationships， citation relationships， collaboration relationships， and co-occurrence relationships， a visual technology map is created to explore research trends and frontiers in key areas of electricity. The study finds that the research hotspots in relay protection concentrate on fault detection， overcurrent protection， and smart grid-related technologies. Additionally， the study suggests strengthening interdisciplinary collaboration， optimizing research resource allocation， emphasizing patent protection and technology transfer， and promoting deep integration between industry and research.

Key words： electric power field; development trend; technical map