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

陳 璐

郭燁在進行科研工作

能源，是人類賴以生存的物質基礎，更是一個國家強盛的動力和安全的基石。回顧世界能源發(fā)展態(tài)勢，每一次工業(yè)革命都伴隨著一次能源革命。美國經(jīng)濟學家里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中寫道：可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術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，使億萬人能夠在家中、辦公室、工廠生產可再生能源并與他人分享。由此，能源互聯(lián)網(wǎng)理念風靡全球。

2015年9月26日，國家主席習近平在紐約聯(lián)合國總部出席聯(lián)合國發(fā)展峰會并發(fā)表《謀共同永續(xù)發(fā)展，做合作共贏伙伴》的重要講話。在講話中，習近平倡議探討構建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動以清潔和綠色方式滿足全球電力需求。而想要實現(xiàn)這一目標，破除阻礙開放共享能源生態(tài)形成的各類壁壘，實現(xiàn)不同能源種類、不同區(qū)域、不同管理主體之間的協(xié)調和優(yōu)勢互補是至關重要的。清華-伯克利深圳學院特別研究員郭燁的科研方向就是立足于這一問題展開的。

在我國能源領域的現(xiàn)狀之下，一直以來，郭燁對自己的科研目標都有著清晰的認知與規(guī)劃。作為一名青年科學家，他用滿腔的求知熱情，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)化調度、市場設計、狀態(tài)感知、隨機優(yōu)化與魯棒優(yōu)化等方面打下了堅實的科研基礎，一步步蛻變?yōu)橐幻墒斓目蒲腥恕Ｈ缃袂》晡覈娏κ袌龈母锟焖偻七M，他更加意識到了多區(qū)域電力市場協(xié)調理論對我國的重要性。在這一背景下，他用多年積累的科研經(jīng)驗來施展自己的科研抱負，為全國電力和能源領域的可持續(xù)、協(xié)調發(fā)展而獻力的愿望也變得愈加強烈起來。

敲開電氣工程探索之門

天行健，君子以自強不息；地勢坤，君子以厚德載物。郭燁的科學研究夢是在清華大學這一沃土上蔓延、生長的。

興趣是理想的發(fā)源之地。從小，郭燁就對理工類的學科十分感興趣，并在這一方面展現(xiàn)了極大天賦。但他坦言，當時自己在報考大學專業(yè)時，對電子工程、土木工程、機械工程等學科并沒有特別具體的概念。在大學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業(yè)攻關方向，并結緣至今。功夫不負有心人，最終他以優(yōu)異的成績考入了清華大學電氣工程專業(yè)，在這里展開了科研人生新的一頁。

隨著本科期間日漸深入的學習，郭燁真切地感受到電力能源領域對于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要作用?！半娏κ黔h(huán)境污染的最大排放源，電力能源的可持續(xù)發(fā)展是我們將來面臨的最根本、最重要的挑戰(zhàn)之一?！惫鶡钫f。這一學科既有理論創(chuàng)新又有工程實踐的基礎，愈深入其中愈能體會到其巨大的研究價值以及研究魅力。在大學二、三年級時期，郭燁就開始跟隨自己的老師進行電氣工程方向的研究訓練。通過不斷的研究錘煉，他對電氣工程這一領域有了更加深刻的認識與了解。與此同時，他也堅定了自己今后的科研方向選擇。

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

研究視野要放眼于國際大舞臺，美國擁有運行幾十年的相對比較成熟的電力市場環(huán)境，走出去，可以學習更加先進的電力工程領域知識，博士畢業(yè)后的郭燁決心前往美國康奈爾大學進行博士后研究。

從2014年2月—2018年7月，在美國4年多的時間，郭燁靜心于科學研究之中，從未止步。在他人眼中略顯枯燥的科研生活，郭燁卻習慣并享受其中。在郭燁看來，博士后時期是他科研工作的黃金時期，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力。在這段期間，他不僅在美國康奈爾大學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)通常由多個調度中心分布式地運行調控，是多主體系統(tǒng)，各調度中心只監(jiān)控所轄電網(wǎng)，但是，各區(qū)域電網(wǎng)之間具有很強的互補性，在保留各自獨立性前提下實現(xiàn)區(qū)域間協(xié)調調度和市場交易可獲得巨大效益?，F(xiàn)如今，互聯(lián)電力系統(tǒng)控制區(qū)域內的發(fā)電容量日趨擴大，發(fā)電種類和負荷構成日趨復雜，造成控制區(qū)域間聯(lián)絡線功率越來越大且變化多樣，運行控制異常復雜。

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）刻畫分布式優(yōu)化的參數(shù)化性質，由此設計了基于臨界域探索的分布式優(yōu)化新算法，無需求解完整多參數(shù)規(guī)劃，而僅通過局部參數(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)化特征提取出每個子問題對于給定邊界狀態(tài)的響應信息，實現(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。在實現(xiàn)信息交互的基礎上，他從未放棄尋求下一步突破。電力市場改革是我國電力工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。國際上可供參考的單區(qū)域電力市場很多，但在區(qū)域市場間的交互問題上，尚無公認有效的市場化方法，既能實現(xiàn)整體最優(yōu)性，又能顧及每個區(qū)域市場的利益和隱私。特別是在美國電力市場設計中，ISO作為市場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出清市場參與者的套利競價完成。這一交互機制也是更好地消納新能源的關鍵問題。

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)的電力交互計劃的高效求解算法。在此基礎上，他設計了區(qū)域間市場電力交互的廣義協(xié)調交易機制，鼓勵市場參與者遵循特定規(guī)律競價，最終以出清競價的市場模式逐步實現(xiàn)最優(yōu)的聯(lián)絡線計劃，是已知的唯一在理想條件下能夠實現(xiàn)區(qū)域間價格收斂的區(qū)域間市場機制。相關研究獲IEEE PES General Meeting 2019最佳論文獎（另有一篇論文入圍最佳論文候選），PSERC IBA Meeting最佳論文獎和Midwest Workshop控制與博弈類最佳論文獎。因其在臨界域探索法及在區(qū)域是常見電力交互方面的工作受到世界范圍內的廣泛關注，郭燁還受邀至美國加州大學伯克利分校、伊利諾伊大學香檳分校、德州A&M大學、美國Argonne國家實驗室、以及國內的多所高校介紹該工作，在領域內引起了巨大反響?；谝陨涎芯砍晒?，郭燁在2018年被評選為國家青年特聘專家，受邀全職回國工作。

立足祖國現(xiàn)狀探索電力系統(tǒng)

青年科學家志在四方但根在祖國。2018年7月，暌違祖國4年多的郭燁回來了。在恰逢我國電力市場改革快速推進，全國第一個省級現(xiàn)貨市場將在廣東投運的背景下，他來到了清華-伯克利深圳學院擔任特別研究員和博士生導師，決心利用自己多年來在國內外所積累的基礎以及實踐經(jīng)驗，為我國多區(qū)域電力市場調控研究助力。

一直以來，我國自然資源與負荷分布具有地理上不均的特點，電力的大量跨省、跨區(qū)交易在我國的整體能源結構中具有極其重要的地位。在這一現(xiàn)狀之下，科學家們開始尋求將西部這些廉價清潔的電力輸送到東部的負荷中心。一方面，可以在環(huán)境方面減少東部地區(qū)環(huán)境污染所帶來的壓力，另一方面，可以優(yōu)化我國特別是西部地區(qū)整體能源結構，更好地實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。其中，西電東送是在西部大開發(fā)的重點工程中工程量最大、投資額最多的工程，從2001年到2010年的10年間，總投資超過5200億元。這一工程的成功實施，有利于西部能源資源優(yōu)勢轉化為經(jīng)濟優(yōu)勢，減輕了環(huán)境和運輸壓力，對于合理配置資源、優(yōu)化能源結構、促進我國社會經(jīng)濟可持續(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題。由于缺乏有效的區(qū)域間協(xié)調和電力交易機制，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格壁壘，而問題的關鍵則在軟件、算法和市場機制等方面仍存在無法逾越的“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。也就是說，在我國“西電東送”、大量電力從西部向東部負荷中心傳輸?shù)倪^程中，無法讓全部電力均沿著最理想的特/超高壓輸電走廊流通，而會有一部分電力外溢到沿途各省級電網(wǎng)內部，造成這些電網(wǎng)實際潮流分布系統(tǒng)性地明顯偏離調度計劃，從而導致難以估量的經(jīng)濟損失。

在美國從事科學研究期間，郭燁曾在解決多區(qū)域電力系統(tǒng)的協(xié)調方面積累了豐富的經(jīng)驗，這一切都為他在國內開展科學研究工作打下了堅實的基礎。

在這一背景之下，2019年，郭燁順利申請了國家自然科學基金面上項目“計及潮流外溢效應的多區(qū)域電力市場協(xié)調理論研究”，在這一項目中，他將結合我國電力市場改革的實際特點和近年來多區(qū)域電力市場協(xié)調理論的新進展，構建計及潮流外溢效應的多區(qū)域電力市場協(xié)調的基本理論框架并解決其中的主要核心問題。其中包括，提供合理的潮流外溢效應分攤與定價方法，提出實用化的市場結算資金流程；理清潮流外溢效應對區(qū)域內市場出清的影響，提出計及潮流外溢效應的市場出清的修正模型，并分析修正后區(qū)域內市場的平衡點及相關性質；建立計及潮流外溢效應的跨區(qū)域電力市場模型，提出這種跨區(qū)域電力市場平衡點的求解方法，定量分析市場參與者可能具有的市場力，提出必要的避免操縱跨區(qū)域市場交易價格的監(jiān)管措施。他希望借此提出完善的多區(qū)域電力市場協(xié)調方法，為我國電力的大規(guī)?？鐓^(qū)域輸送提供軟件和算法側的理論支持，推動我國電力市場的改革發(fā)展。

做學生的人生導師

科研從來都不是單打獨斗的工作。一直以來，團隊的支持都是郭燁開展科研工作的有力支撐。來到清華-伯克利深圳學院之后，郭燁就扎根于智能電網(wǎng)與新能源實驗室，在平臺的支持下開展研究工作。目前在實驗室主任孫宏斌教授的引領下，實驗室吸納了包括郭燁在內的全職教師4人，清華大學電機系兼職教師4人，加州大學伯克利分校兼職教師3人，形成了特色鮮明的國際化研究團隊。

和同事沈欣煒博士（左1）合作指導學生

孫宏斌教授是郭燁科研上的啟蒙老師，從大學本科時期郭燁就在他的帶領下進行本科生的研究訓練。他也是郭燁研究生階段同一團隊的輔助指導教師。一直以來，無論是郭燁在美國期間的職業(yè)規(guī)劃階段，還是回國后的科研起步階段，孫宏斌教授都主動、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。同一團隊的吳文傳教授、郭慶來教授也長期關心、支持郭燁科研工作的開展。以他們?yōu)榘駱?，郭燁也希望能發(fā)揮自己身為一名師者的表率作用，將自己的所學所得傳授給新時期的莘莘學子。

“我認為大學老師最重要的工作在兩個方面，一方面是做科研，為科技發(fā)展貢獻力量；另一方面是培養(yǎng)學生。我覺得這是兩項比較有價值的工作?！惫鶡钫f，而在研究生時期，他就堅定了自己在高校從事教學以及科研工作的理想。

現(xiàn)如今，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們的學習方式也發(fā)生了很大改變?！皩嶋H上我最初做研究的時候，很多新理論新方法，是在課堂上沒有學過的，都是自己到網(wǎng)上自學?！惫鶡钫f。但是，這并不是意味著老師的作用逐漸消失了。在郭燁看來，老師的意義在于將學生領入知識的殿堂，另外則是培養(yǎng)學生去搜索自己需要的知識的能力，除此之外在科學研究的學術道德以及學術論文的撰寫規(guī)范上，都需要老師給予學生指導，來幫助他們走上一條正規(guī)的學術道路。

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

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