電力科技創(chuàng)新研究者

劉巖松++舒鵬

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命正在孕育興起，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢(shì)和特征。華南理工大學(xué)電力學(xué)院陳皓勇教授，在電力科研領(lǐng)域創(chuàng)造了多個(gè)國(guó)際首次，填補(bǔ)了多個(gè)國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白，他還不遺余力的為祖國(guó)的科技事業(yè)培養(yǎng)高新人才。

認(rèn)準(zhǔn)三大方向，不斷攻堅(jiān)克難

陳皓勇教授長(zhǎng)期秉持著科學(xué)精神，不斷發(fā)揚(yáng)我國(guó)科技界愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)、淡泊名利的優(yōu)良傳統(tǒng)，以身作則，嚴(yán)格自律，在攻堅(jiān)克難、崇德向善中做到學(xué)為人師、行為世范，身體力行地踐行社會(huì)注意核心價(jià)值觀。

雖然年僅四十歲，但陳皓勇教授的科研人生已經(jīng)走過(guò)了20個(gè)春秋，長(zhǎng)期以來(lái)，他以復(fù)雜（大規(guī)模、隨機(jī)性、分布式、網(wǎng)絡(luò)化）電力（能源）系統(tǒng)建模、分析、優(yōu)化與控制為核心學(xué)術(shù)方向，長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行與控制，電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理，新能源并網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域的教學(xué)、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化工作。并在三個(gè)大方向上取得了一系列創(chuàng)新的研究成果。

一是系統(tǒng)地研究了電力系統(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃的大規(guī)模、非凸、離散與隨機(jī)優(yōu)化的理論、模型及算法，首次提出適用于電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與規(guī)劃、電力市場(chǎng)決策等的協(xié)同進(jìn)化算法，研究成果在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

二是在基于博弈理論的電力市場(chǎng)建模、分析與仿真方面取得系統(tǒng)研究成果，首次提出電力系統(tǒng)頻率/電壓協(xié)同控制的微分博弈模型及其求解算法，開(kāi)拓了基于博弈論的電力系統(tǒng)多主體協(xié)同控制新方向。

三是深入研究能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)理論，為實(shí)現(xiàn)多種類型能源的綜合利用，在探討能量本質(zhì)的基礎(chǔ)上，建立了能量網(wǎng)絡(luò)的基本理論，并系統(tǒng)探索了能源互聯(lián)網(wǎng)中的信息、通信前沿問(wèn)題。

系統(tǒng)優(yōu)化，創(chuàng)最佳收益

電力系統(tǒng)領(lǐng)域的協(xié)同進(jìn)化算法，是陳皓勇教授針對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題提出的，主要借鑒自然界中的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制，在傳統(tǒng)單物種進(jìn)化算法的基礎(chǔ)上引入生態(tài)系統(tǒng)的概念，生態(tài)系統(tǒng)中多個(gè)物種相互作用、共同進(jìn)化，使整個(gè)系統(tǒng)不斷演進(jìn)。機(jī)組組合問(wèn)題的協(xié)同進(jìn)化算法松弛全系統(tǒng)的約束后形成對(duì)偶問(wèn)題，對(duì)偶問(wèn)題可分解為一系列子系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題，采用遺傳算法求解維數(shù)較低但非凸、離散、非線性的子系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)于對(duì)偶問(wèn)題則用基于次梯度的隨機(jī)優(yōu)化方法來(lái)求解，兩者交替迭代進(jìn)行，直到找出最優(yōu)或次優(yōu)的對(duì)偶解。

在隨后的研究中，陳皓勇教授將協(xié)同進(jìn)化算法發(fā)展成為電力系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和優(yōu)化規(guī)劃的重要方法。在電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題中，他通過(guò)種群劃分和協(xié)同進(jìn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功分區(qū)優(yōu)化和各區(qū)域之間的協(xié)調(diào)，能獲得高質(zhì)量的全局優(yōu)化解，求解速度快，能應(yīng)用于較大規(guī)模的實(shí)際電力系統(tǒng)，該方法已獲得國(guó)家發(fā)明專利。

陳皓勇教授還把協(xié)同進(jìn)化算法推廣應(yīng)用于電力市場(chǎng)領(lǐng)域。電力市場(chǎng)寡頭壟斷模型的共同特征是在某些假設(shè)條件下尋求市場(chǎng)均衡，但是當(dāng)考慮實(shí)際電力市場(chǎng)的復(fù)雜因素如成本函數(shù)的非凸性和非連續(xù)性、發(fā)電機(jī)的跨時(shí)段調(diào)度等時(shí)，往往難以求得解析形式的解。為此，他將協(xié)同進(jìn)化算法應(yīng)用于寡頭壟斷電力市場(chǎng)的模擬和分析，對(duì)Cournot模型和SFE（供給函數(shù)均衡）模型分別進(jìn)行了研究，有效地解決了這些問(wèn)題，開(kāi)辟了基于協(xié)同進(jìn)化計(jì)算的電力市場(chǎng)建模的新方向，并在IEEE Trans. on Power Systems上發(fā)表系列論文。

陳皓勇教授的研究成果得到了世界各地專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室決策和信息科學(xué)研究小組和伊利諾理工大學(xué)Robert W. Galvin電力創(chuàng)新中心將協(xié)同進(jìn)化算法框架直接擴(kuò)展至電力市場(chǎng)投標(biāo)策略分析和發(fā)電容量擴(kuò)展規(guī)劃等領(lǐng)域，得到了理想的結(jié)果。美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)先進(jìn)的診斷、自動(dòng)化與控制實(shí)驗(yàn)室將協(xié)同進(jìn)化算法框架直接應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（D-NCS）的建模和優(yōu)化，并指出該算法是解決分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能和安全性平衡問(wèn)題的最佳選擇。為了解決實(shí)際工程問(wèn)題，陳皓勇教授還將研究成果應(yīng)用于國(guó)家及西北電力市場(chǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等重大科技項(xiàng)目，并在國(guó)內(nèi)率先研究了基于協(xié)同進(jìn)化算法的輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

陳皓勇教授對(duì)電力系統(tǒng)優(yōu)化理論和方法的研究由來(lái)已久。早在1998年，他就提出了電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化的退火選擇遺傳算法（遺傳算法和模擬退火算法相結(jié)合的一種新型進(jìn)化算法）。另外，在電源規(guī)劃方面，陳皓勇教授和導(dǎo)師王錫凡院士一起，在三峽工程動(dòng)能經(jīng)濟(jì)論證的主要工具JASP I的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)Lagrangian松弛法進(jìn)行電源投資決策，采用等效電量函數(shù)法（EEF）進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬，形成電源優(yōu)化程序JASP II。

近年來(lái)，陳皓勇教授在國(guó)內(nèi)率先研究了多風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)條件下的安全約束機(jī)組組合問(wèn)題，提出了描述間歇式電源功率不確定性的極限場(chǎng)景法，奠定了魯棒調(diào)度的基礎(chǔ)。申請(qǐng)人作為國(guó)際上魯棒調(diào)度思想的首先提出者之一，在2012年IEEE電力與能源學(xué)會(huì)年會(huì)上宣讀了相關(guān)論文，引起與會(huì)者的熱烈討論，并發(fā)表了國(guó)際上第一篇關(guān)于含多類型新能源的電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度魯棒調(diào)度研究的論文。目前正在前期理論研究的基礎(chǔ)上，建立世界上第一個(gè)含多類型新能源的電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度魯棒調(diào)度系統(tǒng)，并在海南島國(guó)家智能電網(wǎng)示范工程中實(shí)施。

博弈對(duì)局，求多方均衡

博弈論是二人在平等的對(duì)局中各自利用對(duì)方的策略變換自己的對(duì)抗策略，達(dá)到取勝的目的。博弈思想古已有之，中國(guó)古代的《孫子兵法》就包含了博弈思想的閃光。發(fā)展到今天，博弈論已經(jīng)成為一類先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具。而陳皓勇教授的一個(gè)重要研究方向就是圍繞博弈論展開(kāi)的。

在現(xiàn)階段不斷開(kāi)放的市場(chǎng)環(huán)境下，電力系統(tǒng)中存在不同的利益主體，在規(guī)劃和運(yùn)行決策中通常以自身利益最大化為目標(biāo)，傳統(tǒng)的統(tǒng)一優(yōu)化模型難以適用。作為一類先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具，博弈論通過(guò)建立電力系統(tǒng)中多方優(yōu)化決策模型并求解均衡策略，使得各方均能獲得最佳收益。在這個(gè)背景下，陳皓勇教授長(zhǎng)期從事基于博弈理論的電力市場(chǎng)建模、分析與仿真研究：提出了運(yùn)用多項(xiàng)式方程系統(tǒng)求解電力市場(chǎng)均衡的方法，在國(guó)際上首次形成了基于實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的電力市場(chǎng)博弈分析系統(tǒng)理論和方法，在國(guó)際上首次結(jié)合基于協(xié)同進(jìn)化計(jì)算的智能模擬和實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法研究了電力市場(chǎng)主體的博弈策略和市場(chǎng)均衡問(wèn)題。這些研究工作得到國(guó)際同行的一致認(rèn)可，被意大利都靈理工大學(xué)、西班牙卡斯蒂利亞·拉曼查大學(xué)和美國(guó)惠普實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)權(quán)威學(xué)者所引用。特別美國(guó)惠普實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Kay-Yut Chen在國(guó)際量子力學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Quantum Information Processing所發(fā)表的論文中大段引用陳皓勇教授關(guān)于實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的研究工作，而國(guó)際最權(quán)威的科技期刊之一《自然》雜志則專文報(bào)導(dǎo)了Kay-Yut Chen所做類似工作及相關(guān)的量子博弈論（quantum game theory）的巨大發(fā)展前景，這項(xiàng)研究在工程科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)之間架起一座橋梁。

另一方面，從工程角度來(lái)看，電力系統(tǒng)包含大量分布式控制器，在智能電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，將引入更多的新型控制器。這些控制器作用于不同層面，控制目標(biāo)相互獨(dú)立，甚至存在沖突。制定控制策略時(shí)若不進(jìn)行協(xié)調(diào)，則可能導(dǎo)致各方相互牽制、抵消，背離控制目標(biāo)?；谶@種考慮，陳皓勇教授首次提出基于博弈理論的電力系統(tǒng)協(xié)同控制思想。不同于傳統(tǒng)的單主體控制，這種方法將每個(gè)控制器都視為獨(dú)立決策主體，通過(guò)其間的自組織競(jìng)爭(zhēng)達(dá)到均衡，更貼近于多控制器協(xié)調(diào)問(wèn)題的本質(zhì)。在國(guó)際上首次將微分博弈理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)頻率/電壓協(xié)調(diào)控制，以解決多個(gè)控制器動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的難題，基于微分博弈理論的電力系統(tǒng)最優(yōu)協(xié)調(diào)電壓控制研究已獲國(guó)家自然科學(xué)基金資助，并在國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Control Systems Technology上發(fā)表了第一篇關(guān)于基于微分博弈的電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率協(xié)同控制論文。這項(xiàng)研究工作開(kāi)拓了電力系統(tǒng)協(xié)同控制新方向，正得到國(guó)內(nèi)外同行越來(lái)越多的認(rèn)可。

能源網(wǎng)絡(luò)，探未來(lái)發(fā)展

隨著化石能源的嚴(yán)重污染和逐漸枯竭、可再生能源和智能電網(wǎng)等的迅速發(fā)展，多種能源形式的綜合利用已成為發(fā)展的趨勢(shì)，而工程實(shí)際中能源的生產(chǎn)、傳輸和利用大多采用網(wǎng)絡(luò)化的方式進(jìn)行。在能源的開(kāi)發(fā)與利用實(shí)踐中，人們逐漸形成Energy Network（能源網(wǎng)絡(luò)或能量網(wǎng)絡(luò)）的概念。在實(shí)際工程中，不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換必然存在能量損失，并且一種形式能量的傳遞可能需要消耗另外一種能量（比如壓能、熱能等的傳遞可能要消耗電能）。因而有必要通過(guò)能源網(wǎng)絡(luò)的深入研究確定如何根據(jù)用戶對(duì)不同形式能量的需求來(lái)選擇用能的方式，從而減少能源損失。同時(shí)，現(xiàn)階段不同形式能量的價(jià)格不同，通過(guò)能源網(wǎng)絡(luò)的研究也可以在保證滿足需求的情況下，通過(guò)合理使用不同形式的能量減小費(fèi)用支出。此外，能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行等也需要基于嚴(yán)格的定量分析進(jìn)行。為對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和分析，有必要深入研究不同形式的能量在傳遞過(guò)程中的共性，從更深、更廣的層次上研究能量的傳遞和轉(zhuǎn)換規(guī)律。陳皓勇教授綜合熱力學(xué)、傳熱學(xué)、電網(wǎng)絡(luò)、流體網(wǎng)絡(luò)多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，在深入分析能量本質(zhì)的基礎(chǔ)上，建立了能量網(wǎng)絡(luò)的基本理論，并通過(guò)實(shí)際工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論的正確性。他從能量在空間的普遍化傳遞方程出發(fā)，推導(dǎo)出能量在線（管）路中的普遍化傳遞方程；并深入分析了能量和?在線（管）路中傳遞的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，借鑒電網(wǎng)絡(luò)、流體網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)的基本理論和方法，進(jìn)一步提出能量網(wǎng)絡(luò)的廣義基爾霍夫定律，并建立了能量（?）在線（管）路中傳遞的集中參數(shù)等效傳遞方程，最后通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立了能量網(wǎng)絡(luò)方程。能量網(wǎng)絡(luò)理論的提出為當(dāng)今全世界普遍關(guān)注的能源互聯(lián)網(wǎng)（Energy Internet）的研究與工程實(shí)施提供了理論基礎(chǔ)。陳皓勇教授的相關(guān)論文已發(fā)表在《西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)》上（2014年第10期），并正參與由中石化董事長(zhǎng)、中國(guó)工程院王玉普院士與李立浧院士共同主持的《我國(guó)能源技術(shù)革命體系發(fā)展戰(zhàn)略研究》重大項(xiàng)目的相關(guān)研究。

另一方面，由于能源網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的耦合日益緊密，陳皓勇教授還深入研究了現(xiàn)代信息通信理論（如統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理）等在電力與能源系統(tǒng)的應(yīng)用問(wèn)題，在電力系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)估計(jì)、過(guò)電壓檢測(cè)/辨識(shí)/定位等方面進(jìn)行了一系列開(kāi)創(chuàng)性工作。

海峽兩岸科技交流，促學(xué)術(shù)國(guó)際化

為了時(shí)刻關(guān)注世界電力科技的前沿，陳皓勇教授借助廣東毗鄰港澳的地域優(yōu)勢(shì)，與香港理工大學(xué)、香港大學(xué)等保持著經(jīng)常性交流與合作，充分利用香港作為學(xué)術(shù)國(guó)際化的理想平臺(tái)，不僅促進(jìn)了自身學(xué)術(shù)水平的不斷提高，同時(shí)加深了海峽兩岸同胞的感情。曾先后擔(dān)任香港理工大學(xué)副研究員、訪問(wèn)教授；與香港大學(xué)也建立了密切聯(lián)系。他特別與香港亞太智能電網(wǎng)與新能源研究院建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，長(zhǎng)期共同致力于智能電網(wǎng)與新能源科學(xué)研究、技術(shù)轉(zhuǎn)移、政策咨詢與人才培訓(xùn)等工作。此外，還曾擔(dān)任美國(guó)哥倫比亞大學(xué)與澳大利亞昆士蘭大學(xué)訪問(wèn)教授。

2015年4月，以粵港澳合作為特色的廣東自貿(mào)區(qū)正式掛牌，其中廣州市南沙片區(qū)為最核心的部分，該片區(qū)重點(diǎn)發(fā)展航運(yùn)物流、特色金融、國(guó)際商貿(mào)、高端制造等產(chǎn)業(yè)，建設(shè)以生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)為主導(dǎo)的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)新高地和具有世界先進(jìn)水平的綜合服務(wù)樞紐。作為科技創(chuàng)新的重要平臺(tái)，南沙片區(qū)正加快建設(shè)中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所主體園區(qū)暨廣州深藍(lán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心、中國(guó)科學(xué)院廣州工業(yè)技術(shù)研究院二期及廣州市香港科技大學(xué)霍英東研究院等科研機(jī)構(gòu)。陳皓勇教授也緊抓這一契機(jī)，在南沙資訊科技園建設(shè)智能電網(wǎng)與新能源技術(shù)研發(fā)基地，積極推動(dòng)粵港科技合作。他堅(jiān)信廣東自貿(mào)區(qū)憑借優(yōu)越的地理?xiàng)l件、廣闊的對(duì)外開(kāi)放空間，以及巨大的創(chuàng)新發(fā)展?jié)摿?，必將為全面深化改革和促進(jìn)內(nèi)地與港澳深度合作發(fā)揮重要作用，對(duì)海峽兩岸經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展具有重要意義，他也愿意為此盡自己的一份綿薄之力。

科技創(chuàng)新永無(wú)止境。我們相信，在陳皓勇教授等科技開(kāi)拓者的帶領(lǐng)下，我國(guó)的科技創(chuàng)新能力將不斷增強(qiáng)。