电力科技创新研究者

刘岩松++舒鹏

进入21世纪以来，新一轮科技与产业革命正在孕育兴起，全球科技创新呈现出新的发展态势和特征。华南理工大学电力学院陈皓勇教授，在电力科研领域创造了多个国际首次，填补了多个国内外技术空白，他还不遗余力的为祖国的科技事业培养高新人才。

认准三大方向，不断攻坚克难

陈皓勇教授长期秉持着科学精神，不断发扬我国科技界爱国奉献、淡泊名利的优良传统，以身作则，严格自律，在攻坚克难、崇德向善中做到学为人师、行为世范，身体力行地践行社会注意核心价值观。

虽然年仅四十岁，但陈皓勇教授的科研人生已经走过了20个春秋，长期以来，他以复杂（大规模、随机性、分布式、网络化）电力（能源）系统建模、分析、优化与控制为核心学术方向，长期从事电力系统规划、运行与控制，电力技术经济与管理，新能源并网和智能电网技术等领域的教学、应用基础研究和产业化工作。并在三个大方向上取得了一系列创新的研究成果。

一是系统地研究了电力系统运行与规划的大规模、非凸、离散与随机优化的理论、模型及算法，首次提出适用于电力系统优化运行与规划、电力市场决策等的协同进化算法，研究成果在电力行业得到广泛应用。

二是在基于博弈理论的电力市场建模、分析与仿真方面取得系统研究成果，首次提出电力系统频率/电压协同控制的微分博弈模型及其求解算法，开拓了基于博弈论的电力系统多主体协同控制新方向。

三是深入研究能源互联网的基础理论，为实现多种类型能源的综合利用，在探讨能量本质的基础上，建立了能量网络的基本理论，并系统探索了能源互联网中的信息、通信前沿问题。

系统优化，创最佳收益

电力系统领域的协同进化算法，是陈皓勇教授针对电力系统机组组合问题提出的，主要借鉴自然界中的协同进化机制，在传统单物种进化算法的基础上引入生态系统的概念，生态系统中多个物种相互作用、共同进化，使整个系统不断演进。机组组合问题的协同进化算法松弛全系统的约束后形成对偶问题，对偶问题可分解为一系列子系统的优化问题，采用遗传算法求解维数较低但非凸、离散、非线性的子系统优化问题，对于对偶问题则用基于次梯度的随机优化方法来求解，两者交替迭代进行，直到找出最优或次优的对偶解。

在随后的研究中，陈皓勇教授将协同进化算法发展成为电力系统运行优化和优化规划的重要方法。在电力系统无功优化问题中，他通过种群划分和协同进化来实现无功分区优化和各区域之间的协调，能获得高质量的全局优化解，求解速度快，能应用于较大规模的实际电力系统，该方法已获得国家发明专利。

陈皓勇教授还把协同进化算法推广应用于电力市场领域。电力市场寡头垄断模型的共同特征是在某些假设条件下寻求市场均衡，但是当考虑实际电力市场的复杂因素如成本函数的非凸性和非连续性、发电机的跨时段调度等时，往往难以求得解析形式的解。为此，他将协同进化算法应用于寡头垄断电力市场的模拟和分析，对Cournot模型和SFE（供给函数均衡）模型分别进行了研究，有效地解决了这些问题，开辟了基于协同进化计算的电力市场建模的新方向，并在IEEE Trans. on Power Systems上发表系列论文。

陈皓勇教授的研究成果得到了世界各地专家学者的广泛关注。美国阿贡国家实验室决策和信息科学研究小组和伊利诺理工大学Robert W. Galvin电力创新中心将协同进化算法框架直接扩展至电力市场投标策略分析和发电容量扩展规划等领域，得到了理想的结果。美国北卡罗莱纳州立大学先进的诊断、自动化与控制实验室将协同进化算法框架直接应用于分布式网络控制系统（D-NCS）的建模和优化，并指出该算法是解决分布式网络控制系统性能和安全性平衡问题的最佳选择。为了解决实际工程问题，陈皓勇教授还将研究成果应用于国家及西北电力市场仿真系统设计和开发等重大科技项目，并在国内率先研究了基于协同进化算法的输电网络规划。

陈皓勇教授对电力系统优化理论和方法的研究由来已久。早在1998年，他就提出了电力系统无功优化的退火选择遗传算法（遗传算法和模拟退火算法相结合的一种新型进化算法）。另外，在电源规划方面，陈皓勇教授和导师王锡凡院士一起，在三峡工程动能经济论证的主要工具JASP I的基础上，采用改进Lagrangian松弛法进行电源投资决策，采用等效电量函数法（EEF）进行随机生产模拟，形成电源优化程序JASP II。

近年来，陈皓勇教授在国内率先研究了多风电场并网条件下的安全约束机组组合问题，提出了描述间歇式电源功率不确定性的极限场景法，奠定了鲁棒调度的基础。申请人作为国际上鲁棒调度思想的首先提出者之一，在2012年IEEE电力与能源学会年会上宣读了相关论文，引起与会者的热烈讨论，并发表了国际上第一篇关于含多类型新能源的电力系统多时间尺度鲁棒调度研究的论文。目前正在前期理论研究的基础上，建立世界上第一个含多类型新能源的电力系统多时间尺度鲁棒调度系统，并在海南岛国家智能电网示范工程中实施。

博弈对局，求多方均衡

博弈论是二人在平等的对局中各自利用对方的策略变换自己的对抗策略，达到取胜的目的。博弈思想古已有之，中国古代的《孙子兵法》就包含了博弈思想的闪光。发展到今天，博弈论已经成为一类先进的数学工具。而陈皓勇教授的一个重要研究方向就是围绕博弈论展开的。

在现阶段不断开放的市场环境下，电力系统中存在不同的利益主体，在规划和运行决策中通常以自身利益最大化为目标，传统的统一优化模型难以适用。作为一类先进的数学工具，博弈论通过建立电力系统中多方优化决策模型并求解均衡策略，使得各方均能获得最佳收益。在这个背景下，陈皓勇教授长期从事基于博弈理论的电力市场建模、分析与仿真研究：提出了运用多项式方程系统求解电力市场均衡的方法，在国际上首次形成了基于实验经济学的电力市场博弈分析系统理论和方法，在国际上首次结合基于协同进化计算的智能模拟和实验经济学方法研究了电力市场主体的博弈策略和市场均衡问题。这些研究工作得到国际同行的一致认可，被意大利都灵理工大学、西班牙卡斯蒂利亚·拉曼查大学和美国惠普实验室的多个权威学者所引用。特别美国惠普实验室首席科学家Kay-Yut Chen在国际量子力学领域权威期刊Quantum Information Processing所发表的论文中大段引用陈皓勇教授关于实验经济学的研究工作，而国际最权威的科技期刊之一《自然》杂志则专文报导了Kay-Yut Chen所做类似工作及相关的量子博弈论（quantum game theory）的巨大发展前景，这项研究在工程科学和基础科学之间架起一座桥梁。

另一方面，从工程角度来看，电力系统包含大量分布式控制器，在智能电网的发展过程中，将引入更多的新型控制器。这些控制器作用于不同层面，控制目标相互独立，甚至存在冲突。制定控制策略时若不进行协调，则可能导致各方相互牵制、抵消，背离控制目标。基于这种考虑，陈皓勇教授首次提出基于博弈理论的电力系统协同控制思想。不同于传统的单主体控制，这种方法将每个控制器都视为独立决策主体，通过其间的自组织竞争达到均衡，更贴近于多控制器协调问题的本质。在国际上首次将微分博弈理论应用于电力系统频率/电压协调控制，以解决多个控制器动态协调的难题，基于微分博弈理论的电力系统最优协调电压控制研究已获国家自然科学基金资助，并在国际自动控制领域权威期刊IEEE Transactions on Control Systems Technology上发表了第一篇关于基于微分博弈的电力系统负荷频率协同控制论文。这项研究工作开拓了电力系统协同控制新方向，正得到国内外同行越来越多的认可。

能源网络，探未来发展

随着化石能源的严重污染和逐渐枯竭、可再生能源和智能电网等的迅速发展，多种能源形式的综合利用已成为发展的趋势，而工程实际中能源的生产、传输和利用大多采用网络化的方式进行。在能源的开发与利用实践中，人们逐渐形成Energy Network（能源网络或能量网络）的概念。在实际工程中，不同形式能量之间的转换必然存在能量损失，并且一种形式能量的传递可能需要消耗另外一种能量（比如压能、热能等的传递可能要消耗电能）。因而有必要通过能源网络的深入研究确定如何根据用户对不同形式能量的需求来选择用能的方式，从而减少能源损失。同时，现阶段不同形式能量的价格不同，通过能源网络的研究也可以在保证满足需求的情况下，通过合理使用不同形式的能量减小费用支出。此外，能源网络的优化设计和运行等也需要基于严格的定量分析进行。为对能源网络进行建模和分析，有必要深入研究不同形式的能量在传递过程中的共性，从更深、更广的层次上研究能量的传递和转换规律。陈皓勇教授综合热力学、传热学、电网络、流体网络多学科的基础理论，在深入分析能量本质的基础上，建立了能量网络的基本理论，并通过实际工程数据验证了理论的正确性。他从能量在空间的普遍化传递方程出发，推导出能量在线（管）路中的普遍化传递方程；并深入分析了能量和?在线（管）路中传递的变化规律。在此基础上，借鉴电网络、流体网络和电力系统的基本理论和方法，进一步提出能量网络的广义基尔霍夫定律，并建立了能量（?）在线（管）路中传递的集中参数等效传递方程，最后通过严格的数学推导建立了能量网络方程。能量网络理论的提出为当今全世界普遍关注的能源互联网（Energy Internet）的研究与工程实施提供了理论基础。陈皓勇教授的相关论文已发表在《西安交通大学学报》上（2014年第10期），并正参与由中石化董事长、中国工程院王玉普院士与李立浧院士共同主持的《我国能源技术革命体系发展战略研究》重大项目的相关研究。

另一方面，由于能源网络与信息网络的耦合日益紧密，陈皓勇教授还深入研究了现代信息通信理论（如统计信号处理）等在电力与能源系统的应用问题，在电力系统状态动态估计、过电压检测/辨识/定位等方面进行了一系列开创性工作。

海峡两岸科技交流，促学术国际化

为了时刻关注世界电力科技的前沿，陈皓勇教授借助广东毗邻港澳的地域优势，与香港理工大学、香港大学等保持着经常性交流与合作，充分利用香港作为学术国际化的理想平台，不仅促进了自身学术水平的不断提高，同时加深了海峡两岸同胞的感情。曾先后担任香港理工大学副研究员、访问教授；与香港大学也建立了密切联系。他特别与香港亚太智能电网与新能源研究院建立了战略合作关系，长期共同致力于智能电网与新能源科学研究、技术转移、政策咨询与人才培训等工作。此外，还曾担任美国哥伦比亚大学与澳大利亚昆士兰大学访问教授。

2015年4月，以粤港澳合作为特色的广东自贸区正式挂牌，其中广州市南沙片区为最核心的部分，该片区重点发展航运物流、特色金融、国际商贸、高端制造等产业，建设以生产性服务业为主导的现代产业新高地和具有世界先进水平的综合服务枢纽。作为科技创新的重要平台，南沙片区正加快建设中国科学院南海海洋研究所主体园区暨广州深蓝产业创新中心、中国科学院广州工业技术研究院二期及广州市香港科技大学霍英东研究院等科研机构。陈皓勇教授也紧抓这一契机，在南沙资讯科技园建设智能电网与新能源技术研发基地，积极推动粤港科技合作。他坚信广东自贸区凭借优越的地理条件、广阔的对外开放空间，以及巨大的创新发展潜力，必将为全面深化改革和促进内地与港澳深度合作发挥重要作用，对海峡两岸经济和科技实现共同发展具有重要意义，他也愿意为此尽自己的一份绵薄之力。

科技创新永无止境。我们相信，在陈皓勇教授等科技开拓者的带领下，我国的科技创新能力将不断增强。