协同电力能源调控 促进绿色生态共享

陈璐

能源，是人类赖以生存的物质基础，更是一个国家强盛的动力和安全的基石。回顾世界能源发展态势，每一次工业革命都伴随着一次能源革命。美国经济学家里夫金在《第三次工业革命》一书中写道：可以通过互联网技术与可再生能源相融合，将全球的电力网变为能源共享网络，使亿万人能够在家中、办公室、工厂生产可再生能源并与他人分享。由此，能源互联网理念风靡全球。

2015年9月26日，国家主席习近平在纽约联合国总部出席联合国发展峰会并发表《谋共同永续发展，做合作共赢伙伴》的重要讲话。在讲话中，习近平倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。而想要实现这一目标，破除阻碍开放共享能源生态形成的各类壁垒，实现不同能源种类、不同区域、不同管理主体之间的协调和优势互补是至关重要的。清华-伯克利深圳学院特别研究员郭烨的科研方向就是立足于这一问题展开的。

在我国能源领域的现状之下，一直以来，郭烨对自己的科研目标都有着清晰的认知与规划。作为一名青年科学家，他用满腔的求知热情，跨越了科研旅程的懵懂与未知，砥砺前行中，在智能电网与能源互联网的优化调度、市场设计、状态感知、随机优化与鲁棒优化等方面打下了坚实的科研基础，一步步蜕变为一名成熟的科研人。如今恰逢我国电力市场改革快速推进，他更加意识到了多区域电力市场协调理论对我国的重要性。在这一背景下，他用多年积累的科研经验来施展自己的科研抱负，为全国电力和能源领域的可持续、协调发展而献力的愿望也变得愈加强烈起来。

敲开电气工程探索之门

天行健，君子以自强不息；地势坤，君子以厚德载物。郭烨的科学研究梦是在清华大学这一沃土上蔓延、生长的。

兴趣是理想的发源之地。从小，郭烨就对理工类的学科十分感兴趣，并在这一方面展现了极大天赋。但他坦言，当时自己在报考大学专业时，对电子工程、土木工程、机械工程等学科并没有特别具体的概念。在大学从事教职工作的父母的建议下，郭烨选择了电气工程作为自己的专业攻关方向，并结缘至今。功夫不负有心人，最终他以优异的成绩考入了清华大学电气工程专业，在这里展开了科研人生新的一页。

随着本科期间日渐深入的学习，郭烨真切地感受到电力能源领域对于环境可持续发展的重要作用。“电力是环境污染的最大排放源，电力能源的可持续发展是我们将来面临的最根本、最重要的挑战之一。”郭烨说。这一学科既有理论创新又有工程实践的基础，愈深入其中愈能体会到其巨大的研究价值以及研究魅力。在大学二、三年级时期，郭烨就开始跟随自己的老师进行电气工程方向的研究训练。通过不断的研究锤炼，他对电气工程这一领域有了更加深刻的认识与了解。与此同时，他也坚定了自己今后的科研方向选择。

积跬步而致千里，不断的学习探索让郭烨积累了丰富的科研知识。2008—2013年，郭烨开始在清华大学电机系攻读博士学位。就读博士期间，郭烨就开展了多区域电网协调状态估计的相关研究。在理论上证明了所提方法具有和集中式状态估计的高斯-牛顿迭代等价的收敛性，相关论文在IEEE Trans. on Power Systems上发表。

研究视野要放眼于国际大舞台，美国拥有运行几十年的相对比较成熟的电力市场环境，走出去，可以学习更加先进的电力工程领域知识，博士毕业后的郭烨决心前往美国康奈尔大学进行博士后研究。

从2014年2月—2018年7月，在美国4年多的时间，郭烨静心于科学研究之中，从未止步。在他人眼中略显枯燥的科研生活，郭烨却习惯并享受其中。在郭烨看来，博士后时期是他科研工作的黄金时期，那种百分之百的科研投入感，让他更能感受到科研所带给自己的激情与动力。在这段期间，他不仅在美国康奈尔大学感受到了不同的科研氛围与科研态度，还在合作交流中不断汲取科研营养，在互联电网的分布式优化方向取得了一系列优秀的科研成果。

互联电网通常由多个调度中心分布式地运行调控，是多主体系统，各调度中心只监控所辖电网，但是，各区域电网之间具有很强的互补性，在保留各自独立性前提下实现区域间协调调度和市场交易可获得巨大效益。现如今，互联电力系统控制区域内的发电容量日趋扩大，发电种类和负荷构成日趋复杂，造成控制区域间联络线功率越来越大且变化多样，运行控制异常复杂。

在這一现状之下，郭烨基于多参数优化理论，利用最优值对于边界状态（参数）的函数特征以及该函数的作用域（临界域）刻画分布式优化的参数化性质，由此设计了基于临界域探索的分布式优化新算法，无需求解完整多参数规划，而仅通过局部参数化信息智能地探索新的临界域直至找到最优边界状态。与传统方法相比，临界域探索算法的优势在于其充分利用分布式优化的参数化特征提取出每个子问题对于给定边界状态的响应信息，实现了更有效的信息交互。

科研攀登的脚步从未停止，哪里存在科研创新的空间，哪里就有郭烨的身影。在实现信息交互的基础上，他从未放弃寻求下一步突破。电力市场改革是我国电力工业发展的重要趋势。国际上可供参考的单区域电力市场很多，但在区域市场间的交互问题上，尚无公认有效的市场化方法，既能实现整体最优性，又能顾及每个区域市场的利益和隐私。特别是在美国电力市场设计中，ISO作为市场管理者不直接参与任何形式的电力交易，跨区域的电力传输需要通过出清市场参与者的套利竞价完成。这一交互机制也是更好地消纳新能源的关键问题。

利用之前的临界域探索法，郭烨提出了求解互联电网最优的电力交互计划的高效求解算法。在此基础上，他设计了区域间市场电力交互的广义协调交易机制，鼓励市场参与者遵循特定规律竞价，最终以出清竞价的市场模式逐步实现最优的联络线计划，是已知的唯一在理想条件下能够实现区域间价格收敛的区域间市场机制。相关研究获IEEE PES General Meeting 2019最佳论文奖（另有一篇论文入围最佳论文候选），PSERC IBA Meeting最佳论文奖和Midwest Workshop控制与博弈类最佳论文奖。因其在临界域探索法及在区域是常见电力交互方面的工作受到世界范围内的广泛关注，郭烨还受邀至美国加州大学伯克利分校、伊利诺伊大学香槟分校、德州A&M大学、美国Argonne国家实验室、以及国内的多所高校介绍该工作，在领域内引起了巨大反响。基于以上研究成果，郭烨在2018年被评选为国家青年特聘专家，受邀全职回国工作。

立足祖国现状探索电力系统

青年科学家志在四方但根在祖国。2018年7月，暌违祖国4年多的郭烨回来了。在恰逢我国电力市场改革快速推进，全国第一个省级现货市场将在广东投运的背景下，他来到了清华-伯克利深圳学院担任特别研究员和博士生导师，决心利用自己多年来在国内外所积累的基础以及实践经验，为我国多区域电力市场调控研究助力。

一直以来，我国自然资源与负荷分布具有地理上不均的特点，电力的大量跨省、跨区交易在我国的整体能源结构中具有极其重要的地位。在这一现状之下，科学家们开始寻求将西部这些廉价清洁的电力输送到东部的负荷中心。一方面，可以在环境方面减少东部地区环境污染所带来的压力，另一方面，可以優化我国特别是西部地区整体能源结构，更好地实现可持续发展。其中，西电东送是在西部大开发的重点工程中工程量最大、投资额最多的工程，从2001年到2010年的10年间，总投资超过5200亿元。这一工程的成功实施，有利于西部能源资源优势转化为经济优势，减轻了环境和运输压力，对于合理配置资源、优化能源结构、促进我国社会经济可持续发展具有重要意义。然而尽管跨区域输电的硬件条件得到了显著改善，但在软件方面仍存在一系列问题。由于缺乏有效的区域间协调和电力交易机制，已有输电走廊的作用未能充分发挥，不同区域之间仍存在显著的价格壁垒，而问题的关键则在软件、算法和市场机制等方面仍存在无法逾越的“墙壁”需要打破。

除此之外，电力的大规模、跨区域输送可能引起显著的潮流外溢效应。也就是说，在我国“西电东送”、大量电力从西部向东部负荷中心传输的过程中，无法让全部电力均沿着最理想的特/超高压输电走廊流通，而会有一部分电力外溢到沿途各省级电网内部，造成这些电网实际潮流分布系统性地明显偏离调度计划，从而导致难以估量的经济损失。

在美国从事科学研究期间，郭烨曾在解决多区域电力系统的协调方面积累了丰富的经验，这一切都为他在国内开展科学研究工作打下了坚实的基础。

在这一背景之下，2019年，郭烨顺利申请了国家自然科学基金面上项目“计及潮流外溢效应的多区域电力市场协调理论研究”，在这一项目中，他将结合我国电力市场改革的实际特点和近年来多区域电力市场协调理论的新进展，构建计及潮流外溢效应的多区域电力市场协调的基本理论框架并解决其中的主要核心问题。其中包括，提供合理的潮流外溢效应分摊与定价方法，提出实用化的市场结算资金流程；理清潮流外溢效应对区域内市场出清的影响，提出计及潮流外溢效应的市场出清的修正模型，并分析修正后区域内市场的平衡点及相关性质；建立计及潮流外溢效应的跨区域电力市场模型，提出这种跨区域电力市场平衡点的求解方法，定量分析市场参与者可能具有的市场力，提出必要的避免操纵跨区域市场交易价格的监管措施。他希望借此提出完善的多区域电力市场协调方法，为我国电力的大规模跨区域输送提供软件和算法侧的理论支持，推动我国电力市场的改革发展。

做学生的人生导师

科研从来都不是单打独斗的工作。一直以来，团队的支持都是郭烨开展科研工作的有力支撑。来到清华-伯克利深圳学院之后，郭烨就扎根于智能电网与新能源实验室，在平台的支持下开展研究工作。目前在实验室主任孙宏斌教授的引领下，实验室吸纳了包括郭烨在内的全职教师4人，清华大学电机系兼职教师4人，加州大学伯克利分校兼职教师3人，形成了特色鲜明的国际化研究团队。

孙宏斌教授是郭烨科研上的启蒙老师，从大学本科时期郭烨就在他的带领下进行本科生的研究训练。他也是郭烨研究生阶段同一团队的辅助指导教师。一直以来，无论是郭烨在美国期间的职业规划阶段，还是回国后的科研起步阶段，孙宏斌教授都主动、耐心地为郭烨答疑解惑，给予了他很大的科研支持，帮助郭烨的研究工作更好地走入正轨。同一团队的吴文传教授、郭庆来教授也长期关心、支持郭烨科研工作的开展。以他们为榜样，郭烨也希望能发挥自己身为一名师者的表率作用，将自己的所学所得传授给新时期的莘莘学子。

“我认为大学老师最重要的工作在两个方面，一方面是做科研，为科技发展贡献力量；另一方面是培养学生。我觉得这是两项比较有价值的工作。”郭烨说，而在研究生时期，他就坚定了自己在高校从事教学以及科研工作的理想。

现如今，随着互联网的发展，人们的学习方式也发生了很大改变。“实际上我最初做研究的时候，很多新理论新方法，是在课堂上没有学过的，都是自己到网上自学。”郭烨说。但是，这并不是意味着老师的作用逐渐消失了。在郭烨看来，老师的意义在于将学生领入知识的殿堂，另外则是培养学生去搜索自己需要的知识的能力，除此之外在科学研究的学术道德以及学术论文的撰写规范上，都需要老师给予学生指导，来帮助他们走上一条正规的学术道路。

从学生时代一路走来，郭烨也有着属于自己的科研心得感悟。在他看来，不管是已经走上科研领域的工作者还是即将要走向科研领域的青年学子，是否真心想要从事科学研究才是最重要的。而身处于理工类的研究中，还要时刻谨记将研究理论结合到工程实践中。在新时期，科学研究还不能止于一隅，要通过与不同领域科研人员的合作，培养自己的多学科科研背景。只有这样才能做出更多高质量的学术成果。

凡是走过，必留痕迹。科研路途中所经历的点点滴滴都形成了郭烨科研人生的宝贵财富。作为一名青年科研人，他的身上还有无限的科研能量亟待挖掘。今后，在能源互联网方向的基础以及应用研究中，他还将发挥自己的无限潜能，为构建全球能源互联网事业的伟大宏图而不懈努力！