智能電網 逐風追光
——記華南理工大學電力學院院長唐文虎教授

□ 宋 潔

唐文虎

自進入21世紀以來，由于全球經濟增長與電氣化推進的共同作用，使電力的社會需求日趨緊張，而且近年來各類小概率高風險的極端事件對電力系統的穩定運行造成了嚴重影響，為了滿足電能的更高需求和應對電網運行中存在的風險，一種能容納接入各種不同發電形式、具備堅強和自愈特性、且涵蓋抵御攻擊、完善電力市場以及資產高效運行的電網應運而生，這就是電網的智能化——智能電網，也稱為“電網2.0”。

隨著電網的不斷發展，智能化已經成為其發展的必然趨勢，近年來在世界范圍內的專家學者中已普遍達成了共識：智能電網是一種將先進的傳感測量技術、信息通信技術、決策技術、自動控制技術和能源電力技術相結合，并與電網基礎設施高度集成而形成新型現代化電網。

如今，在“智能化”的熱度與日俱增之際，又出現了綠色節能意識，此新意識的驅動，加上各種先進技術在電網中的廣泛應用，發展智能電網不僅僅是電力系統發展的必然選擇，也成為世界各國競相角逐發展的一個重要領域。為實現清潔能源的開發、輸送和消納，電網就必須提高其靈活性和兼容性，為抵御日益頻繁的自然災害和外界干擾，電網也必須依靠智能化手段不斷提高其安全防御能力和自愈能力。同樣，為了降低運營成本，促進節能減排，科研人員在致力于電網運行變得更為經濟高效的同時，還必須對用電設備進行智能控制，盡可能地減少用電消耗和增強電網的恢復力。

由此看來，智能電網的發展是現有技術和新技術協同發展的產物，是一個逐步演變過程，必將會引起一場技術的變革。為了這場電力變革的成功，不知有多少電力專家前赴后繼，可在這背后卻鮮為人知，智能電網的雛形以及與智能電網相關的多項研究都關聯著一個學者的名字——華南理工大學電力學院院長唐文虎教授。他率先開始了智能電網的早期研究，而在他的身后又離不開其所在團隊所有成員的鼎力支持。這群人從事電力行業，是他們的擔當，是他們的責任，更是他們從未改變過的畢生夢想。

探尋電力之魅

“中國的工業化發展必然推動電力行業的大發展，學電吧。”誰曾想，在20多年前，就是這樣簡單的一句話改變了唐文虎的一生。

1974年出生于江蘇鹽城的唐文虎，可以說從小就是在身為中學物理教師的父親的熏陶下成長的。對于青少年時期的唐文虎來說，他秉承著“書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟”的信念，潛心書海,發奮攻讀。加之動手能力強，本身又很喜歡邏輯思維性高的自然科學課程，他尤其對理科方面的課程特別感興趣。可當他在填寫高考志愿時，卻不禁犯了難，正當他難以抉擇時，父親那句對電力行業的展望觸動了他，從而選擇相信父親對電力行業的預測。1992年，唐文虎毅然背起行囊從江蘇鹽城來到湖北武漢華中科技大學投身電機、電器及其控制專業的學習。

度過了四年大學生活，唐文虎順利畢業并對電力行業有了初步的認識與了解。對電一直有著濃厚研究興趣的他，決定進一步深入了解電氣工程的奧秘。隨后，他在華中科技大學因為成績優異免試攻讀碩士，續寫與電機、電器及其控制專業的緣分。不久他又在碩士導師馬志云教授的推薦下，遠赴英國利物浦大學進行了為期一年的聯合培養。“我記得那時國內的網絡、科研資料和硬件條件都還不是很完善，在那種情況下獲得的留學機會很寶貴，既能夠積累電氣工程方面的前沿科技知識，還能以后將所學用來報效祖國。”質樸的話語背后，飽含著他滿滿的科學熱情，更為他科研報國打下了堅實的基礎。

一年后，唐文虎在華中科技大學取得碩士學位，并選擇繼續到英國利物浦大學攻讀博士，他獲得了英國政府ORS獎學金（Overseas Research Scholarship）并師從世界著名電力系統學者吳青華教授學習。在英國期間，除了專研電氣工程難題，唐文虎也參與了一部分教學與社團工作，不僅擔任博士后研究員、講師等工作，還兼任英國利物浦大學NI-e自動化實驗室副主任和英國利物浦中國學生學者聯誼會主席（Chairman of Liverpool Chinese Students and Scholars Association）。在學習與工作的過程中，唐文虎對有著“夕陽學科”之稱的電氣工程學科逐漸有了自己的認知，他認為該學科歷史悠久，長期以來研究思路難免會形成固定模式，但并不是一成不變的，相反隨著科技的不斷進步，電氣工程的發展方向也發生了新的變化，正向著新能源電力系統和交叉學科的方向邁進，煥發出新的活力。這一點唐文虎在英國留學時感受頗深，那時他深刻感受到了英國的同事同行對跨學科研究的重視程度，他也因此做了一個決定，要把自己以后的研究方向集中在新能源電力系統建模、控制和運維智能決策領域。就是這樣，他在吳青華教授的引領下，開始一步步深入探索新能源電力系統的未知領域。

現在回想起當年在英國的求學與工作經歷，唐文虎認為，在英國期間能相對很輕松地獲取電氣工程領域的前沿研究信息，這對他的研究有很大的促進作用。而且英國學者治學嚴謹、細致不浮躁的治學態度也給他留下了深刻印象。“英國的學者大都可以在多年的時間里，將自己沉浸在同一個研究領域里進行深入鉆研，哪怕再枯燥、再小的研究領域都有人涉足。”他感慨道，他也由此受到啟發，認為目前中國頂級學者的研究已經完成了“從點到面”的跨越，完全可以系統地提出很多框架性的原創性研究，但與此同時，他也注意到在少數學術報告中有“求大而不求精，夸夸其談，言之無物”的傾向。因此，近年來唐文虎總是呼吁年輕學者在發表科研成果時能夠多講述概念較狹義的話語，同時也要講有邏輯的話，摒棄浮躁，秉承科學的“工匠精神”專攻一個研究領域，不能浮躁而急功近利。

聆聽電網之音

在英國期間，唐文虎也正是帶著這種科學的“工匠之心”在做科研的。他跟隨吳青華教授帶領的團隊參與了多項英國國家電網的科技項目，相繼完成了西門子公司、阿爾斯通公司、美國國家儀器公司、歐美克朗電子儀器公司等一系列工業界的科研項目，并作為項目負責人獲得英國工程物理委員會基金項目。

其中，針對智能電網，唐文虎深入研究了可再生能源發電系統建模、控制及并網方法和計算智能方法及在電力系統運行中的應用。其實，早在2000年，計算機技術的發展剛剛露出“尖尖角”時，他就已經把研究目光放在了計算機的智能算法上，并積極將計算機學科中的現代理論運用到電力系統的基礎理論研究和工程應用上，換句話說，也就是把計算機工程的智能算法以及與網絡相關的技術應用到電力系統的狀態監測和故障診斷中。有鑒于此，基于多代理技術首創開發了一套變電站智能狀態監測和故障診斷系統，該成果已經在英國國家電網中得到應用。“可以毫不諱言地說，智能電網的早期研究就是從我所在的e-自動化團隊開始的。”他表示。

在英國期間，唐文虎獲批英國工程物理委員會基金和英國利物浦大學國際合作項目各1項，致力于計算機優化算法及電力設備參數辨識方面的研究，包括電力設備油色譜診斷、局部放電分析和繞組變形檢測；多種計算機分類學習方法被運用于電力設備故障分類，包括貝葉斯網絡、支持向量機、遺傳規劃、關聯規則挖掘和基于概率的故障推理等，建立了一系列基于計算智能算法的電力設備故障診斷新方法，他也逐漸成為智能電網領域里的領軍人物。

據唐文虎介紹，根據英國科研評價的規則，6年為一個科研考核周期，例如在6年內共發表30篇SCI論文，但篇篇評分都在2星以下，就不如發表5篇電氣工程領域IEEE優質期刊文章。“這類文章能保證篇篇都開拓了新的科研方向，且解決了長期亟待解決的基礎研究和關鍵技術問題。”在他看來，這兩類文章中前者創新性低，而后者則是能提升學校院系的科研排名、使學校獲得更多政府資助的成果。在每次英國大學科研評估之前，他所在的電子與電氣工程系都會事先舉辦內部的自評會，讓每個老師提交4篇精品代表作，再按照保守原則進行自評，打分一般都會低于外審，以確保成果質量。

雖然考核嚴格，評價犀利，但令唐文虎印象深刻的卻是在英國高校的科研工作中，并沒有過多密集和關乎利害的考核和評價。與國內相比，英國高校的科研自由探索較普遍，且安心做科研的學者很多。“做科研，絕不能跟著‘錢’跑，急需的是多一些安心做好研究、做優質文章的人。”他感慨道。

而要做到這一點就要堅持從小事做起，注重細節。還記得在攻讀博士期間，唐文虎基于改進熱電類比模型，開展了有關電力變壓器負載能力評估的研究。他先是在傳熱學理論和電路定律的基礎上，精確地計算了變壓器的頂層油溫和熱點溫度，進而準確評估出變壓器的負載能力。但當他在利用現場數據對散熱模型參數運用人工智能算法學習時，很快就發現優化后的參數與實際參數之間總是相差著整數倍，這令他百思不得其解。憑著不撞南墻不回頭的精神，經過持續研究后，他才終于發現了問題的突破口。那就是現場數據采集率都是以“分鐘”為單位的，基于國際單位制的散熱模型參數則是以“秒”為單位的，而用現場數據優化學習出來的參數并不是國際單位制，在這種情況下，僅僅簡單運用數據驅動的人工智能算法就會存在諸多局限性，因此在運用人工智能算法的同時必須理解具體問題的物理意義才能獲得有價值的模型。解決了這個細節問題后，他趁熱打鐵，建立了一系列基于計算智能算法的電力變壓器故障診斷新方法，并于2012年在國際權威出版社Springer出版專著Condition Monitoring And Assessment Of Power Transformers Using Computational Intelligence（基于計算智能的電力變壓器狀態監測與診斷）。

回望國外的10多年學習和科研生涯，唐文虎收獲的絕不僅僅是對智能電網領域層層遞進的了解，更多的是這些經歷對他回國后的科研工作起到了切實的指導作用，做出更多“精品”研究。“我所理解的‘精品’研究要么是開創新的研究方向，要么就是要解決懸而未決的關鍵科研問題。”回國后的唐文虎也是這樣做的，他經常從交叉學科的角度來思考和解決電氣工程領域里的難題，致力開創“精品”研究。

創新電力之魂

在國外積累了豐富的智能電網研究經驗，唐文虎決定回國對所學進行進一步探索和實踐。他始終認為，科研的最終目的就是為了報效祖國、回饋社會。而在智能電網這一領域里，仍有巨大的科研價值亟待挖掘。

在他看來，電力行業是關系國計民生的基礎能源產業，隨著全球經濟的穩步發展以及人民生活水平的逐步提高，多國對電力的需求都在急速增加，在我國尤為明顯。近年來我國持續加大對電力基礎設施的投資力度，也帶動了電網建設和電力相關的科研發展。而在全國范圍來看，廣東省卻是個特例，其經濟發展雖然活躍，但電力發展與經濟發展并不匹配，電力研究相關人才也很緊缺。當時，還在英國的他已經意識到這是由于國情不同所造成的。國外往往因電力需求增長有限，科研的需求并不強，而且科研成果的轉化與實用化的機會也極其有限，但電氣工程學科在中國將會有更大的發展空間。看著迸發出蓬勃生機的中國科研、不斷涌現出的研究資源與一批批科研人才，他萌發出回國的念頭。于是，2013年，他再度背起行囊，一如當年那個遠赴海外求學的青年學子，不同的是此時的他則是帶著對祖國培養的感恩、沉甸甸的使命感和對教師職業新的理解和認識。

機會總是留給有準備的人，2011年7月唐文虎入選廣東省科研創新團隊“智能能源網及其自動化團隊”核心成員，2012年又入選國家青年“千人計劃”與華南理工大學第一批“杰出人才與團隊引進計劃”，他深切感受到了背后來自國家、廣東省和華南理工大學的各方大力支持。“我覺得自己非常幸運，能夠回國工作也是我一直以來的愿望。”他說道。于是，他終于下定決心回國來到廣州華南理工大學電力學院工作。

來到華南理工大學后，他堅守當初在英國期間立下的科研志愿，將研究重點放在電力設備智能化、風力發電、彈性電網評估和計算機智能及應用方面，并帶領團隊攻堅克難，自主創新。在電力設備智能狀態監測與故障診斷方面，他首創建立了一個基于熱電相似原理的電力變壓器溫升計算模型，該熱模型的計算準確度遠高于IEEE國際標準采用的溫升計算模型。他還開創性地提出了基于精確的混合參數變壓器繞組頻譜分析模型，與傳統方法相比，該模型具備了準確度高、計算量低和模型物理意義明確等特性，可以被運用于基于頻譜分析的變壓器繞組變形故障檢測與局部放電定位。

其后，在可再生能源新技術研發方面，唐文虎著眼于風力發電機組建模和控制，為了克服常規控制器過分依賴精確系統模型、抗干擾性差和控制魯棒性差等一系列缺點，他先是設計出新的觀測器，隨后基于該觀測器提出了一種新型最大功率追蹤自適應規律，從而提高了控制器的性能，而且還降低了電力電子硬件的成本，并利用搭建的實驗平臺對其進行了實驗驗證，有一定的工程應用價值。

除此之外，唐文虎在網絡多代理技術的智能變電站監測和控制基礎上，開發了一套基于網際協議和多代理平臺的變電站設備狀態監測和信息管理系統，其中包括一個變電站設備智能狀態監測系統和一個基于網絡多代理的變電站多層信息管理系統。據悉，該實驗系統已在英國的一所變電站安裝并試運行。

除了在電力設備智能化方面竭盡全力，唐文虎也沒有放松對電力系統運行狀態風險評估的研究。他推陳出新，開創性地將證據理論運用到電力設備故障診斷方面的研究中，并由此提出了電力設備及系統的狀態評估模型以及一種改進的證據推理狀態評估方法，還將其應用于變電站和電力系統的可靠性分析中。

一道道難關的攻克，一項項成果的取得，背后是唐文虎的辛勤與汗水。“梅花香自苦寒來，寶劍鋒從磨礪出”，唐文虎逐漸在其研究領域獲得了業界的認可，他成功入選了英國電氣工程技術學會會士（IET Fellow）、美國電氣與電子工程師學會高級會員（IEEE Senior Member）、英國皇家特許工程師（CEng）。截至2018年12月，他已發表由國際權威出版社Springer出版的科研專著1本和120篇科技論文，其中包括40余篇SCI索引科技論文，被國內外相關科研人員引用近1900次，h-index 22，i10-index 40（Google Scholar）；作為主持人，唐文教授虎帶領團隊負責了包括國家青年“千人計劃”科研基金、英國工程物理委員會基金、國家自然科學基金面上項目、原國家“863”計劃子課題、電網輸變電設備防災減災國家重點實驗室開放項目等多個科研項目，團隊因取得的多項重要成果也獲得了國內外同行的認可。他同時也積極參與行業協會的工作，擔任了CSEE Journal of Power and Energy Systems國際SCI期刊編委、中國電機工程學會電力防災減災專委會委員（第一屆）、中國電機工程學會能源互聯網專委會委員（第一屆）。他在2017年榮獲國際期刊CSEEJPES突出貢獻編委獎和華南理工大學“校長基金最具科研潛質獎”，2018榮獲國際會議PowerCON2018優秀論文獎。

如果說在英國期間的學習與工作是唐文虎從事智能電網的契機與開端，那么在華南理工大學工作的這幾年則使他真正得到了實踐與鍛煉的機會，也鞏固了他在電力系統研究方面的基礎。目前，他仍然保持著務實專研、作風嚴謹的科研態度，繼續在智能電網領域里大顯身手。

“我當前主要從事多領域交互的知識融合、氣象災害下彈性電網評估理論及其恢復力提升策略研究這兩個方面的研究。”他說。首先，在解決多領域交互的知識融合問題上，他提到，擺在電力裝備運維系統面前最大的問題就是其開放性、不確定性和復雜性突出，如果僅用傳統方法解決該問題，也就是采用事先建立的簡化機理模型已經難以準確建模，而且由此還會導致在復雜環境下出現理論模型存在偏差的情況，甚至還會出現無法給出滿足性能要求的機理模型。與此同時，由于常規的數據驅動方法不能描述客觀物理規律約束，一旦場景發生變化又或是這種變化超出一定范圍，用戶便會無法保證該算法的有效性。這種現象很常見，例如人工神經網絡技術中存在弱可解釋性和不可預測性風險，這就很可能導致系統性風險。因而，單獨運用模型驅動或數據驅動的方法已經不能滿足電力裝備運維精確性和可靠性的需求。在這種兩難境地，他迎難而上，創建了基于“模型驅動+數據驅動”的分析新框架，克服了多領域交互的知識融合諸多難題。

接下來，在唐文虎的另一研究重點——氣象災害下電網彈性評估及其恢復力提升優化方法研究，他也做好了充分的準備。要知道，從近年來在全球范圍內發生的諸多事故中可以看出，這些事故無一不凸顯了在難以預測的極端災害性事件面前，可靠性高的電力系統仍然存在的眾多薄弱環節。如2008年中國南方冰災、日本福島大地震及海嘯，又或是美國加州Metcalf變電站恐怖襲擊等，都給電力系統帶來了嚴重破壞，造成大范圍、長時間的停電，嚴重影響了當地居民的生活，還造成了巨大的經濟損失。

但凡事都有兩面性，也正是在這樣嚴峻的事實面前，電力系統迅速成長起來，深刻的“教訓”也起到了一定的積極作用，一方面增強了全球防范極端事件的前瞻性意識，另一方面還促進了構建具有恢復力的“彈性電網”的研究和建設，并使其逐漸成為各國政府著力發展的國家戰略。對此，唐文虎頗有感觸，他表示“彈性電網”憑借其最重要的恢復力這一特征，可以形象地反映出電力系統對擾動快速靈活響應的能力，能更好地應對小概率—高損失的極端事件，也能及時將事件影響范圍縮至最小化。值得一提的是，在災害破壞無法避免的情況下，“彈性電網”還能靈活適應環境變化并能快速恢復電網的供電能力。盡管目前彈性電網的理論研究正處于起步階段，在彈性評估指標體系構建和災變下恢復力提升方面尚存諸多問題，但他已經將彈性電網研究作為自己下一步研究的重中之重，毅然承擔起新時代下電力系統提出的新要求與新挑戰，以期為災變下的電網調度提供前瞻性輔助策略，實現電網應急資源調配優化、減少故障停電經濟損失和提高應急搶修執行效率。

堅守電力強國夢，做勇敢前行的開拓者，是唐文虎一直堅持的信念，也是父親當初對他的期望。為實現電氣工程領域煥發出嶄新活力的目標，他會致力于“智能電網，逐風追光”的偉大事業，繼續追尋電力系統的“智能”夢。