協(xié)同電力能源調(diào)控 促進(jìn)綠色生態(tài)共享
——記清華-伯克利深圳學(xué)院特別研究員郭燁

陳 璐

郭燁在進(jìn)行科研工作

能源，是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，更是一個(gè)國(guó)家強(qiáng)盛的動(dòng)力和安全的基石。回顧世界能源發(fā)展態(tài)勢(shì)，每一次工業(yè)革命都伴隨著一次能源革命。美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書(shū)中寫(xiě)道：可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源相融合，將全球的電力網(wǎng)變?yōu)槟茉垂蚕砭W(wǎng)絡(luò)，使億萬(wàn)人能夠在家中、辦公室、工廠(chǎng)生產(chǎn)可再生能源并與他人分享。由此，能源互聯(lián)網(wǎng)理念風(fēng)靡全球。

2015年9月26日，國(guó)家主席習(xí)近平在紐約聯(lián)合國(guó)總部出席聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)并發(fā)表《謀共同永續(xù)發(fā)展，做合作共贏伙伴》的重要講話(huà)。在講話(huà)中，習(xí)近平倡議探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)以清潔和綠色方式滿(mǎn)足全球電力需求。而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，破除阻礙開(kāi)放共享能源生態(tài)形成的各類(lèi)壁壘，實(shí)現(xiàn)不同能源種類(lèi)、不同區(qū)域、不同管理主體之間的協(xié)調(diào)和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是至關(guān)重要的。清華-伯克利深圳學(xué)院特別研究員郭燁的科研方向就是立足于這一問(wèn)題展開(kāi)的。

在我國(guó)能源領(lǐng)域的現(xiàn)狀之下，一直以來(lái)，郭燁對(duì)自己的科研目標(biāo)都有著清晰的認(rèn)知與規(guī)劃。作為一名青年科學(xué)家，他用滿(mǎn)腔的求知熱情，跨越了科研旅程的懵懂與未知，砥礪前行中，在智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度、市場(chǎng)設(shè)計(jì)、狀態(tài)感知、隨機(jī)優(yōu)化與魯棒優(yōu)化等方面打下了堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)，一步步蛻變?yōu)橐幻墒斓目蒲腥恕Ｈ缃袂》晡覈?guó)電力市場(chǎng)改革快速推進(jìn)，他更加意識(shí)到了多區(qū)域電力市場(chǎng)協(xié)調(diào)理論對(duì)我國(guó)的重要性。在這一背景下，他用多年積累的科研經(jīng)驗(yàn)來(lái)施展自己的科研抱負(fù)，為全國(guó)電力和能源領(lǐng)域的可持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展而獻(xiàn)力的愿望也變得愈加強(qiáng)烈起來(lái)。

敲開(kāi)電氣工程探索之門(mén)

天行健，君子以自強(qiáng)不息；地勢(shì)坤，君子以厚德載物。郭燁的科學(xué)研究夢(mèng)是在清華大學(xué)這一沃土上蔓延、生長(zhǎng)的。

興趣是理想的發(fā)源之地。從小，郭燁就對(duì)理工類(lèi)的學(xué)科十分感興趣，并在這一方面展現(xiàn)了極大天賦。但他坦言，當(dāng)時(shí)自己在報(bào)考大學(xué)專(zhuān)業(yè)時(shí)，對(duì)電子工程、土木工程、機(jī)械工程等學(xué)科并沒(méi)有特別具體的概念。在大學(xué)從事教職工作的父母的建議下，郭燁選擇了電氣工程作為自己的專(zhuān)業(yè)攻關(guān)方向，并結(jié)緣至今。功夫不負(fù)有心人，最終他以?xún)?yōu)異的成績(jī)考入了清華大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，在這里展開(kāi)了科研人生新的一頁(yè)。

隨著本科期間日漸深入的學(xué)習(xí)，郭燁真切地感受到電力能源領(lǐng)域?qū)τ诃h(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要作用。“電力是環(huán)境污染的最大排放源，電力能源的可持續(xù)發(fā)展是我們將來(lái)面臨的最根本、最重要的挑戰(zhàn)之一。”郭燁說(shuō)。這一學(xué)科既有理論創(chuàng)新又有工程實(shí)踐的基礎(chǔ)，愈深入其中愈能體會(huì)到其巨大的研究?jī)r(jià)值以及研究魅力。在大學(xué)二、三年級(jí)時(shí)期，郭燁就開(kāi)始跟隨自己的老師進(jìn)行電氣工程方向的研究訓(xùn)練。通過(guò)不斷的研究錘煉，他對(duì)電氣工程這一領(lǐng)域有了更加深刻的認(rèn)識(shí)與了解。與此同時(shí)，他也堅(jiān)定了自己今后的科研方向選擇。

積跬步而致千里，不斷的學(xué)習(xí)探索讓郭燁積累了豐富的科研知識(shí)。2008—2013年，郭燁開(kāi)始在清華大學(xué)電機(jī)系攻讀博士學(xué)位。就讀博士期間，郭燁就開(kāi)展了多區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)狀態(tài)估計(jì)的相關(guān)研究。在理論上證明了所提方法具有和集中式狀態(tài)估計(jì)的高斯-牛頓迭代等價(jià)的收斂性，相關(guān)論文在IEEE Trans. on Power Systems上發(fā)表。

研究視野要放眼于國(guó)際大舞臺(tái)，美國(guó)擁有運(yùn)行幾十年的相對(duì)比較成熟的電力市場(chǎng)環(huán)境，走出去，可以學(xué)習(xí)更加先進(jìn)的電力工程領(lǐng)域知識(shí)，博士畢業(yè)后的郭燁決心前往美國(guó)康奈爾大學(xué)進(jìn)行博士后研究。

從2014年2月—2018年7月，在美國(guó)4年多的時(shí)間，郭燁靜心于科學(xué)研究之中，從未止步。在他人眼中略顯枯燥的科研生活，郭燁卻習(xí)慣并享受其中。在郭燁看來(lái)，博士后時(shí)期是他科研工作的黃金時(shí)期，那種百分之百的科研投入感，讓他更能感受到科研所帶給自己的激情與動(dòng)力。在這段期間，他不僅在美國(guó)康奈爾大學(xué)感受到了不同的科研氛圍與科研態(tài)度，還在合作交流中不斷汲取科研營(yíng)養(yǎng)，在互聯(lián)電網(wǎng)的分布式優(yōu)化方向取得了一系列優(yōu)秀的科研成果。

互聯(lián)電網(wǎng)通常由多個(gè)調(diào)度中心分布式地運(yùn)行調(diào)控，是多主體系統(tǒng)，各調(diào)度中心只監(jiān)控所轄電網(wǎng)，但是，各區(qū)域電網(wǎng)之間具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，在保留各自獨(dú)立性前提下實(shí)現(xiàn)區(qū)域間協(xié)調(diào)調(diào)度和市場(chǎng)交易可獲得巨大效益。現(xiàn)如今，互聯(lián)電力系統(tǒng)控制區(qū)域內(nèi)的發(fā)電容量日趨擴(kuò)大，發(fā)電種類(lèi)和負(fù)荷構(gòu)成日趨復(fù)雜，造成控制區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率越來(lái)越大且變化多樣，運(yùn)行控制異常復(fù)雜。

在這一現(xiàn)狀之下，郭燁基于多參數(shù)優(yōu)化理論，利用最優(yōu)值對(duì)于邊界狀態(tài)（參數(shù)）的函數(shù)特征以及該函數(shù)的作用域（臨界域）刻畫(huà)分布式優(yōu)化的參數(shù)化性質(zhì)，由此設(shè)計(jì)了基于臨界域探索的分布式優(yōu)化新算法，無(wú)需求解完整多參數(shù)規(guī)劃，而僅通過(guò)局部參數(shù)化信息智能地探索新的臨界域直至找到最優(yōu)邊界狀態(tài)。與傳統(tǒng)方法相比，臨界域探索算法的優(yōu)勢(shì)在于其充分利用分布式優(yōu)化的參數(shù)化特征提取出每個(gè)子問(wèn)題對(duì)于給定邊界狀態(tài)的響應(yīng)信息，實(shí)現(xiàn)了更有效的信息交互。

科研攀登的腳步從未停止，哪里存在科研創(chuàng)新的空間，哪里就有郭燁的身影。在實(shí)現(xiàn)信息交互的基礎(chǔ)上，他從未放棄尋求下一步突破。電力市場(chǎng)改革是我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。國(guó)際上可供參考的單區(qū)域電力市場(chǎng)很多，但在區(qū)域市場(chǎng)間的交互問(wèn)題上，尚無(wú)公認(rèn)有效的市場(chǎng)化方法，既能實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)性，又能顧及每個(gè)區(qū)域市場(chǎng)的利益和隱私。特別是在美國(guó)電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)中，ISO作為市場(chǎng)管理者不直接參與任何形式的電力交易，跨區(qū)域的電力傳輸需要通過(guò)出清市場(chǎng)參與者的套利競(jìng)價(jià)完成。這一交互機(jī)制也是更好地消納新能源的關(guān)鍵問(wèn)題。

利用之前的臨界域探索法，郭燁提出了求解互聯(lián)電網(wǎng)最優(yōu)的電力交互計(jì)劃的高效求解算法。在此基礎(chǔ)上，他設(shè)計(jì)了區(qū)域間市場(chǎng)電力交互的廣義協(xié)調(diào)交易機(jī)制，鼓勵(lì)市場(chǎng)參與者遵循特定規(guī)律競(jìng)價(jià)，最終以出清競(jìng)價(jià)的市場(chǎng)模式逐步實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)計(jì)劃，是已知的唯一在理想條件下能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域間價(jià)格收斂的區(qū)域間市場(chǎng)機(jī)制。相關(guān)研究獲IEEE PES General Meeting 2019最佳論文獎(jiǎng)（另有一篇論文入圍最佳論文候選），PSERC IBA Meeting最佳論文獎(jiǎng)和Midwest Workshop控制與博弈類(lèi)最佳論文獎(jiǎng)。因其在臨界域探索法及在區(qū)域是常見(jiàn)電力交互方面的工作受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，郭燁還受邀至美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、德州A&M大學(xué)、美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、以及國(guó)內(nèi)的多所高校介紹該工作，在領(lǐng)域內(nèi)引起了巨大反響。基于以上研究成果，郭燁在2018年被評(píng)選為國(guó)家青年特聘專(zhuān)家，受邀全職回國(guó)工作。

立足祖國(guó)現(xiàn)狀探索電力系統(tǒng)

青年科學(xué)家志在四方但根在祖國(guó)。2018年7月，暌違祖國(guó)4年多的郭燁回來(lái)了。在恰逢我國(guó)電力市場(chǎng)改革快速推進(jìn)，全國(guó)第一個(gè)省級(jí)現(xiàn)貨市場(chǎng)將在廣東投運(yùn)的背景下，他來(lái)到了清華-伯克利深圳學(xué)院擔(dān)任特別研究員和博士生導(dǎo)師，決心利用自己多年來(lái)在國(guó)內(nèi)外所積累的基礎(chǔ)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)多區(qū)域電力市場(chǎng)調(diào)控研究助力。

一直以來(lái)，我國(guó)自然資源與負(fù)荷分布具有地理上不均的特點(diǎn)，電力的大量跨省、跨區(qū)交易在我國(guó)的整體能源結(jié)構(gòu)中具有極其重要的地位。在這一現(xiàn)狀之下，科學(xué)家們開(kāi)始尋求將西部這些廉價(jià)清潔的電力輸送到東部的負(fù)荷中心。一方面，可以在環(huán)境方面減少東部地區(qū)環(huán)境污染所帶來(lái)的壓力，另一方面，可以?xún)?yōu)化我國(guó)特別是西部地區(qū)整體能源結(jié)構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。其中，西電東送是在西部大開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)工程中工程量最大、投資額最多的工程，從2001年到2010年的10年間，總投資超過(guò)5200億元。這一工程的成功實(shí)施，有利于西部能源資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，減輕了環(huán)境和運(yùn)輸壓力，對(duì)于合理配置資源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而盡管跨區(qū)域輸電的硬件條件得到了顯著改善，但在軟件方面仍存在一系列問(wèn)題。由于缺乏有效的區(qū)域間協(xié)調(diào)和電力交易機(jī)制，已有輸電走廊的作用未能充分發(fā)揮，不同區(qū)域之間仍存在顯著的價(jià)格壁壘，而問(wèn)題的關(guān)鍵則在軟件、算法和市場(chǎng)機(jī)制等方面仍存在無(wú)法逾越的“墻壁”需要打破。

除此之外，電力的大規(guī)模、跨區(qū)域輸送可能引起顯著的潮流外溢效應(yīng)。也就是說(shuō)，在我國(guó)“西電東送”、大量電力從西部向東部負(fù)荷中心傳輸?shù)倪^(guò)程中，無(wú)法讓全部電力均沿著最理想的特/超高壓輸電走廊流通，而會(huì)有一部分電力外溢到沿途各省級(jí)電網(wǎng)內(nèi)部，造成這些電網(wǎng)實(shí)際潮流分布系統(tǒng)性地明顯偏離調(diào)度計(jì)劃，從而導(dǎo)致難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。

在美國(guó)從事科學(xué)研究期間，郭燁曾在解決多區(qū)域電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這一切都為他在國(guó)內(nèi)開(kāi)展科學(xué)研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在這一背景之下，2019年，郭燁順利申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“計(jì)及潮流外溢效應(yīng)的多區(qū)域電力市場(chǎng)協(xié)調(diào)理論研究”，在這一項(xiàng)目中，他將結(jié)合我國(guó)電力市場(chǎng)改革的實(shí)際特點(diǎn)和近年來(lái)多區(qū)域電力市場(chǎng)協(xié)調(diào)理論的新進(jìn)展，構(gòu)建計(jì)及潮流外溢效應(yīng)的多區(qū)域電力市場(chǎng)協(xié)調(diào)的基本理論框架并解決其中的主要核心問(wèn)題。其中包括，提供合理的潮流外溢效應(yīng)分?jǐn)偱c定價(jià)方法，提出實(shí)用化的市場(chǎng)結(jié)算資金流程；理清潮流外溢效應(yīng)對(duì)區(qū)域內(nèi)市場(chǎng)出清的影響，提出計(jì)及潮流外溢效應(yīng)的市場(chǎng)出清的修正模型，并分析修正后區(qū)域內(nèi)市場(chǎng)的平衡點(diǎn)及相關(guān)性質(zhì)；建立計(jì)及潮流外溢效應(yīng)的跨區(qū)域電力市場(chǎng)模型，提出這種跨區(qū)域電力市場(chǎng)平衡點(diǎn)的求解方法，定量分析市場(chǎng)參與者可能具有的市場(chǎng)力，提出必要的避免操縱跨區(qū)域市場(chǎng)交易價(jià)格的監(jiān)管措施。他希望借此提出完善的多區(qū)域電力市場(chǎng)協(xié)調(diào)方法，為我國(guó)電力的大規(guī)模跨區(qū)域輸送提供軟件和算法側(cè)的理論支持，推動(dòng)我國(guó)電力市場(chǎng)的改革發(fā)展。

做學(xué)生的人生導(dǎo)師

科研從來(lái)都不是單打獨(dú)斗的工作。一直以來(lái)，團(tuán)隊(duì)的支持都是郭燁開(kāi)展科研工作的有力支撐。來(lái)到清華-伯克利深圳學(xué)院之后，郭燁就扎根于智能電網(wǎng)與新能源實(shí)驗(yàn)室，在平臺(tái)的支持下開(kāi)展研究工作。目前在實(shí)驗(yàn)室主任孫宏斌教授的引領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室吸納了包括郭燁在內(nèi)的全職教師4人，清華大學(xué)電機(jī)系兼職教師4人，加州大學(xué)伯克利分校兼職教師3人，形成了特色鮮明的國(guó)際化研究團(tuán)隊(duì)。

和同事沈欣煒博士（左1）合作指導(dǎo)學(xué)生

孫宏斌教授是郭燁科研上的啟蒙老師，從大學(xué)本科時(shí)期郭燁就在他的帶領(lǐng)下進(jìn)行本科生的研究訓(xùn)練。他也是郭燁研究生階段同一團(tuán)隊(duì)的輔助指導(dǎo)教師。一直以來(lái)，無(wú)論是郭燁在美國(guó)期間的職業(yè)規(guī)劃階段，還是回國(guó)后的科研起步階段，孫宏斌教授都主動(dòng)、耐心地為郭燁答疑解惑，給予了他很大的科研支持，幫助郭燁的研究工作更好地走入正軌。同一團(tuán)隊(duì)的吳文傳教授、郭慶來(lái)教授也長(zhǎng)期關(guān)心、支持郭燁科研工作的開(kāi)展。以他們?yōu)榘駱樱鶡钜蚕Ｍ馨l(fā)揮自己身為一名師者的表率作用，將自己的所學(xué)所得傳授給新時(shí)期的莘莘學(xué)子。

“我認(rèn)為大學(xué)老師最重要的工作在兩個(gè)方面，一方面是做科研，為科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量；另一方面是培養(yǎng)學(xué)生。我覺(jué)得這是兩項(xiàng)比較有價(jià)值的工作。”郭燁說(shuō)，而在研究生時(shí)期，他就堅(jiān)定了自己在高校從事教學(xué)以及科研工作的理想。

現(xiàn)如今，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們的學(xué)習(xí)方式也發(fā)生了很大改變。“實(shí)際上我最初做研究的時(shí)候，很多新理論新方法，是在課堂上沒(méi)有學(xué)過(guò)的，都是自己到網(wǎng)上自學(xué)。”郭燁說(shuō)。但是，這并不是意味著老師的作用逐漸消失了。在郭燁看來(lái)，老師的意義在于將學(xué)生領(lǐng)入知識(shí)的殿堂，另外則是培養(yǎng)學(xué)生去搜索自己需要的知識(shí)的能力，除此之外在科學(xué)研究的學(xué)術(shù)道德以及學(xué)術(shù)論文的撰寫(xiě)規(guī)范上，都需要老師給予學(xué)生指導(dǎo)，來(lái)幫助他們走上一條正規(guī)的學(xué)術(shù)道路。

從學(xué)生時(shí)代一路走來(lái)，郭燁也有著屬于自己的科研心得感悟。在他看來(lái)，不管是已經(jīng)走上科研領(lǐng)域的工作者還是即將要走向科研領(lǐng)域的青年學(xué)子，是否真心想要從事科學(xué)研究才是最重要的。而身處于理工類(lèi)的研究中，還要時(shí)刻謹(jǐn)記將研究理論結(jié)合到工程實(shí)踐中。在新時(shí)期，科學(xué)研究還不能止于一隅，要通過(guò)與不同領(lǐng)域科研人員的合作，培養(yǎng)自己的多學(xué)科科研背景。只有這樣才能做出更多高質(zhì)量的學(xué)術(shù)成果。

凡是走過(guò)，必留痕跡。科研路途中所經(jīng)歷的點(diǎn)點(diǎn)滴滴都形成了郭燁科研人生的寶貴財(cái)富。作為一名青年科研人，他的身上還有無(wú)限的科研能量亟待挖掘。今后，在能源互聯(lián)網(wǎng)方向的基礎(chǔ)以及應(yīng)用研究中，他還將發(fā)揮自己的無(wú)限潛能，為構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的偉大宏圖而不懈努力！