陳璐

能源，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，更是一個國家強盛的動力和安全的基石?；仡櫴澜缒茉窗l(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(xué)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(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)，使億萬人能夠在家中、辦公室、工廠生產(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，國家主席習(xí)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(xí)近平倡議探討構(gòu)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(biāo)，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(diào)和優(yōu)勢互補是至關(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題展開的。

在我國能源領(lǐng)域的現(xiàn)狀之下，一直以來，郭燁對自己的科研目標(biāo)都有著清晰的認知與規(guī)劃。作為一名青年科學(xué)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(diào)度、市場設(shè)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(chǔ)，一步步蛻變?yōu)橐幻墒斓目蒲腥?。如今恰逢我國電力市場改革快速推進，他更加意識到了多區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)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(lǐng)域的可持續(xù)、協(xié)調(diào)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(xué)研究夢是在清華大學(xué)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(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)時自己在報考大學(xué)專業(yè)時，對電子工程、土木工程、機械工程等學(xué)科并沒有特別具體的概念。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業(yè)攻關(guān)方向，并結(jié)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(xué)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(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?！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(xué)科既有理論創(chuàng)新又有工程實踐的基礎(chǔ)，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(xué)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(xùn)練。通過不斷的研究錘煉，他對電氣工程這一領(lǐng)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(xué)習(xí)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(xué)電機系攻讀博士學(xué)位。就讀博士期間，郭燁就開展了多區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)狀態(tài)估計的相關(guān)研究。在理論上證明了所提方法具有和集中式狀態(tài)估計的高斯-牛頓迭代等價的收斂性，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(xué)習(xí)更加先進的電力工程領(lǐng)域知識，博士畢業(yè)后的郭燁決心前往美國康奈爾大學(xué)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(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，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(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(diào)度中心分布式地運行調(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(diào)調(diào)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(nèi)的發(fā)電容量日趨擴大，發(fā)電種類和負荷構(gòu)成日趨復(fù)雜，造成控制區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率越來越大且變化多樣，運行控制異常復(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(zhì)，由此設(shè)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(yīng)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(chǔ)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(shè)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(guān)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(chǔ)上，他設(shè)計了區(qū)域間市場電力交互的廣義協(xié)調(diào)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(luò)線計劃，是已知的唯一在理想條件下能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域間價格收斂的區(qū)域間市場機制。相關(guān)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(nèi)的廣泛關(guān)注，郭燁還受邀至美國加州大學(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Argonne國家實驗室、以及國內(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(xué)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(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在國內(nèi)外所積累的基礎(chǔ)以及實踐經(jīng)驗，為我國多區(qū)域電力市場調(diào)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(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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、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(diào)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(guān)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(yīng)。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(nèi)部，造成這些電網(wǎng)實際潮流分布系統(tǒng)性地明顯偏離調(diào)度計劃，從而導(dǎo)致難以估量的經(jīng)濟損失。

在美國從事科學(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，這一切都為他在國內(nèi)開展科學(xué)研究工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

在這一背景之下，2019年，郭燁順利申請了國家自然科學(xué)基金面上項目“計及潮流外溢效應(yīng)的多區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)理論研究”，在這一項目中，他將結(jié)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(diào)理論的新進展，構(gòu)建計及潮流外溢效應(yīng)的多區(qū)域電力市場協(xié)調(diào)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(yīng)分攤與定價方法，提出實用化的市場結(jié)算資金流程；理清潮流外溢效應(yīng)對區(qū)域內(nèi)市場出清的影響，提出計及潮流外溢效應(yīng)的市場出清的修正模型，并分析修正后區(qū)域內(nèi)市場的平衡點及相關(guān)性質(zhì)；建立計及潮流外溢效應(yīng)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(diào)方法，為我國電力的大規(guī)?？鐓^(qū)域輸送提供軟件和算法側(cè)的理論支持，推動我國電力市場的改革發(fā)展。

做學(xué)生的人生導(dǎo)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(xué)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(lǐng)下，實驗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際化研究團隊。

孫宏斌教授是郭燁科研上的啟蒙老師，從大學(xué)本科時期郭燁就在他的帶領(lǐng)下進行本科生的研究訓(xùn)練。他也是郭燁研究生階段同一團隊的輔助指導(dǎo)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(guān)心、支持郭燁科研工作的開展。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)所得傳授給新時期的莘莘學(xué)子。

“我認為大學(xué)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(xué)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(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。“實際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(xué)過的，都是自己到網(wǎng)上自學(xué)?！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(xué)生領(lǐng)入知識的殿堂，另外則是培養(yǎng)學(xué)生去搜索自己需要的知識的能力，除此之外在科學(xué)研究的學(xué)術(shù)道德以及學(xué)術(shù)論文的撰寫規(guī)范上，都需要老師給予學(xué)生指導(dǎo)，來幫助他們走上一條正規(guī)的學(xué)術(shù)道路。

從學(xué)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(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。而身處于理工類的研究中，還要時刻謹記將研究理論結(jié)合到工程實踐中。在新時期，科學(xué)研究還不能止于一隅，要通過與不同領(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，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(chǔ)以及應(yīng)用研究中，他還將發(fā)揮自己的無限潛能，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！