智能电网 逐风追光——记华南理工大学电力学院院长唐文虎教授

□ 宋 洁

唐文虎

自进入21世纪以来，由于全球经济增长与电气化推进的共同作用，使电力的社会需求日趋紧张，而且近年来各类小概率高风险的极端事件对电力系统的稳定运行造成了严重影响，为了满足电能的更高需求和应对电网运行中存在的风险，一种能容纳接入各种不同发电形式、具备坚强和自愈特性、且涵盖抵御攻击、完善电力市场以及资产高效运行的电网应运而生，这就是电网的智能化——智能电网，也称为“电网2.0”。

随着电网的不断发展，智能化已经成为其发展的必然趋势，近年来在世界范围内的专家学者中已普遍达成了共识：智能电网是一种将先进的传感测量技术、信息通信技术、决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成新型现代化电网。

如今，在“智能化”的热度与日俱增之际，又出现了绿色节能意识，此新意识的驱动，加上各种先进技术在电网中的广泛应用，发展智能电网不仅仅是电力系统发展的必然选择，也成为世界各国竞相角逐发展的一个重要领域。为实现清洁能源的开发、输送和消纳，电网就必须提高其灵活性和兼容性，为抵御日益频繁的自然灾害和外界干扰，电网也必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。同样，为了降低运营成本，促进节能减排，科研人员在致力于电网运行变得更为经济高效的同时，还必须对用电设备进行智能控制，尽可能地减少用电消耗和增强电网的恢复力。

由此看来，智能电网的发展是现有技术和新技术协同发展的产物，是一个逐步演变过程，必将会引起一场技术的变革。为了这场电力变革的成功，不知有多少电力专家前赴后继，可在这背后却鲜为人知，智能电网的雏形以及与智能电网相关的多项研究都关联着一个学者的名字——华南理工大学电力学院院长唐文虎教授。他率先开始了智能电网的早期研究，而在他的身后又离不开其所在团队所有成员的鼎力支持。这群人从事电力行业，是他们的担当，是他们的责任，更是他们从未改变过的毕生梦想。

探寻电力之魅

“中国的工业化发展必然推动电力行业的大发展，学电吧。”谁曾想，在20多年前，就是这样简单的一句话改变了唐文虎的一生。

1974年出生于江苏盐城的唐文虎，可以说从小就是在身为中学物理教师的父亲的熏陶下成长的。对于青少年时期的唐文虎来说，他秉承着“书山有路勤为径，学海无涯苦作舟”的信念，潜心书海,发奋攻读。加之动手能力强，本身又很喜欢逻辑思维性高的自然科学课程，他尤其对理科方面的课程特别感兴趣。可当他在填写高考志愿时，却不禁犯了难，正当他难以抉择时，父亲那句对电力行业的展望触动了他，从而选择相信父亲对电力行业的预测。1992年，唐文虎毅然背起行囊从江苏盐城来到湖北武汉华中科技大学投身电机、电器及其控制专业的学习。

度过了四年大学生活，唐文虎顺利毕业并对电力行业有了初步的认识与了解。对电一直有着浓厚研究兴趣的他，决定进一步深入了解电气工程的奥秘。随后，他在华中科技大学因为成绩优异免试攻读硕士，续写与电机、电器及其控制专业的缘分。不久他又在硕士导师马志云教授的推荐下，远赴英国利物浦大学进行了为期一年的联合培养。“我记得那时国内的网络、科研资料和硬件条件都还不是很完善，在那种情况下获得的留学机会很宝贵，既能够积累电气工程方面的前沿科技知识，还能以后将所学用来报效祖国。”质朴的话语背后，饱含着他满满的科学热情，更为他科研报国打下了坚实的基础。

一年后，唐文虎在华中科技大学取得硕士学位，并选择继续到英国利物浦大学攻读博士，他获得了英国政府ORS奖学金（Overseas Research Scholarship）并师从世界著名电力系统学者吴青华教授学习。在英国期间，除了专研电气工程难题，唐文虎也参与了一部分教学与社团工作，不仅担任博士后研究员、讲师等工作，还兼任英国利物浦大学NI-e自动化实验室副主任和英国利物浦中国学生学者联谊会主席（Chairman of Liverpool Chinese Students and Scholars Association）。在学习与工作的过程中，唐文虎对有着“夕阳学科”之称的电气工程学科逐渐有了自己的认知，他认为该学科历史悠久，长期以来研究思路难免会形成固定模式，但并不是一成不变的，相反随着科技的不断进步，电气工程的发展方向也发生了新的变化，正向着新能源电力系统和交叉学科的方向迈进，焕发出新的活力。这一点唐文虎在英国留学时感受颇深，那时他深刻感受到了英国的同事同行对跨学科研究的重视程度，他也因此做了一个决定，要把自己以后的研究方向集中在新能源电力系统建模、控制和运维智能决策领域。就是这样，他在吴青华教授的引领下，开始一步步深入探索新能源电力系统的未知领域。

现在回想起当年在英国的求学与工作经历，唐文虎认为，在英国期间能相对很轻松地获取电气工程领域的前沿研究信息，这对他的研究有很大的促进作用。而且英国学者治学严谨、细致不浮躁的治学态度也给他留下了深刻印象。“英国的学者大都可以在多年的时间里，将自己沉浸在同一个研究领域里进行深入钻研，哪怕再枯燥、再小的研究领域都有人涉足。”他感慨道，他也由此受到启发，认为目前中国顶级学者的研究已经完成了“从点到面”的跨越，完全可以系统地提出很多框架性的原创性研究，但与此同时，他也注意到在少数学术报告中有“求大而不求精，夸夸其谈，言之无物”的倾向。因此，近年来唐文虎总是呼吁年轻学者在发表科研成果时能够多讲述概念较狭义的话语，同时也要讲有逻辑的话，摒弃浮躁，秉承科学的“工匠精神”专攻一个研究领域，不能浮躁而急功近利。

聆听电网之音

在英国期间，唐文虎也正是带着这种科学的“工匠之心”在做科研的。他跟随吴青华教授带领的团队参与了多项英国国家电网的科技项目，相继完成了西门子公司、阿尔斯通公司、美国国家仪器公司、欧美克朗电子仪器公司等一系列工业界的科研项目，并作为项目负责人获得英国工程物理委员会基金项目。

其中，针对智能电网，唐文虎深入研究了可再生能源发电系统建模、控制及并网方法和计算智能方法及在电力系统运行中的应用。其实，早在2000年，计算机技术的发展刚刚露出“尖尖角”时，他就已经把研究目光放在了计算机的智能算法上，并积极将计算机学科中的现代理论运用到电力系统的基础理论研究和工程应用上，换句话说，也就是把计算机工程的智能算法以及与网络相关的技术应用到电力系统的状态监测和故障诊断中。有鉴于此，基于多代理技术首创开发了一套变电站智能状态监测和故障诊断系统，该成果已经在英国国家电网中得到应用。“可以毫不讳言地说，智能电网的早期研究就是从我所在的e-自动化团队开始的。”他表示。

在英国期间，唐文虎获批英国工程物理委员会基金和英国利物浦大学国际合作项目各1项，致力于计算机优化算法及电力设备参数辨识方面的研究，包括电力设备油色谱诊断、局部放电分析和绕组变形检测；多种计算机分类学习方法被运用于电力设备故障分类，包括贝叶斯网络、支持向量机、遗传规划、关联规则挖掘和基于概率的故障推理等，建立了一系列基于计算智能算法的电力设备故障诊断新方法，他也逐渐成为智能电网领域里的领军人物。

据唐文虎介绍，根据英国科研评价的规则，6年为一个科研考核周期，例如在6年内共发表30篇SCI论文，但篇篇评分都在2星以下，就不如发表5篇电气工程领域IEEE优质期刊文章。“这类文章能保证篇篇都开拓了新的科研方向，且解决了长期亟待解决的基础研究和关键技术问题。”在他看来，这两类文章中前者创新性低，而后者则是能提升学校院系的科研排名、使学校获得更多政府资助的成果。在每次英国大学科研评估之前，他所在的电子与电气工程系都会事先举办内部的自评会，让每个老师提交4篇精品代表作，再按照保守原则进行自评，打分一般都会低于外审，以确保成果质量。

虽然考核严格，评价犀利，但令唐文虎印象深刻的却是在英国高校的科研工作中，并没有过多密集和关乎利害的考核和评价。与国内相比，英国高校的科研自由探索较普遍，且安心做科研的学者很多。“做科研，绝不能跟着‘钱’跑，急需的是多一些安心做好研究、做优质文章的人。”他感慨道。

而要做到这一点就要坚持从小事做起，注重细节。还记得在攻读博士期间，唐文虎基于改进热电类比模型，开展了有关电力变压器负载能力评估的研究。他先是在传热学理论和电路定律的基础上，精确地计算了变压器的顶层油温和热点温度，进而准确评估出变压器的负载能力。但当他在利用现场数据对散热模型参数运用人工智能算法学习时，很快就发现优化后的参数与实际参数之间总是相差着整数倍，这令他百思不得其解。凭着不撞南墙不回头的精神，经过持续研究后，他才终于发现了问题的突破口。那就是现场数据采集率都是以“分钟”为单位的，基于国际单位制的散热模型参数则是以“秒”为单位的，而用现场数据优化学习出来的参数并不是国际单位制，在这种情况下，仅仅简单运用数据驱动的人工智能算法就会存在诸多局限性，因此在运用人工智能算法的同时必须理解具体问题的物理意义才能获得有价值的模型。解决了这个细节问题后，他趁热打铁，建立了一系列基于计算智能算法的电力变压器故障诊断新方法，并于2012年在国际权威出版社Springer出版专著Condition Monitoring And Assessment Of Power Transformers Using Computational Intelligence（基于计算智能的电力变压器状态监测与诊断）。

回望国外的10多年学习和科研生涯，唐文虎收获的绝不仅仅是对智能电网领域层层递进的了解，更多的是这些经历对他回国后的科研工作起到了切实的指导作用，做出更多“精品”研究。“我所理解的‘精品’研究要么是开创新的研究方向，要么就是要解决悬而未决的关键科研问题。”回国后的唐文虎也是这样做的，他经常从交叉学科的角度来思考和解决电气工程领域里的难题，致力开创“精品”研究。

创新电力之魂

在国外积累了丰富的智能电网研究经验，唐文虎决定回国对所学进行进一步探索和实践。他始终认为，科研的最终目的就是为了报效祖国、回馈社会。而在智能电网这一领域里，仍有巨大的科研价值亟待挖掘。

在他看来，电力行业是关系国计民生的基础能源产业，随着全球经济的稳步发展以及人民生活水平的逐步提高，多国对电力的需求都在急速增加，在我国尤为明显。近年来我国持续加大对电力基础设施的投资力度，也带动了电网建设和电力相关的科研发展。而在全国范围来看，广东省却是个特例，其经济发展虽然活跃，但电力发展与经济发展并不匹配，电力研究相关人才也很紧缺。当时，还在英国的他已经意识到这是由于国情不同所造成的。国外往往因电力需求增长有限，科研的需求并不强，而且科研成果的转化与实用化的机会也极其有限，但电气工程学科在中国将会有更大的发展空间。看着迸发出蓬勃生机的中国科研、不断涌现出的研究资源与一批批科研人才，他萌发出回国的念头。于是，2013年，他再度背起行囊，一如当年那个远赴海外求学的青年学子，不同的是此时的他则是带着对祖国培养的感恩、沉甸甸的使命感和对教师职业新的理解和认识。

机会总是留给有准备的人，2011年7月唐文虎入选广东省科研创新团队“智能能源网及其自动化团队”核心成员，2012年又入选国家青年“千人计划”与华南理工大学第一批“杰出人才与团队引进计划”，他深切感受到了背后来自国家、广东省和华南理工大学的各方大力支持。“我觉得自己非常幸运，能够回国工作也是我一直以来的愿望。”他说道。于是，他终于下定决心回国来到广州华南理工大学电力学院工作。

来到华南理工大学后，他坚守当初在英国期间立下的科研志愿，将研究重点放在电力设备智能化、风力发电、弹性电网评估和计算机智能及应用方面，并带领团队攻坚克难，自主创新。在电力设备智能状态监测与故障诊断方面，他首创建立了一个基于热电相似原理的电力变压器温升计算模型，该热模型的计算准确度远高于IEEE国际标准采用的温升计算模型。他还开创性地提出了基于精确的混合参数变压器绕组频谱分析模型，与传统方法相比，该模型具备了准确度高、计算量低和模型物理意义明确等特性，可以被运用于基于频谱分析的变压器绕组变形故障检测与局部放电定位。

其后，在可再生能源新技术研发方面，唐文虎着眼于风力发电机组建模和控制，为了克服常规控制器过分依赖精确系统模型、抗干扰性差和控制鲁棒性差等一系列缺点，他先是设计出新的观测器，随后基于该观测器提出了一种新型最大功率追踪自适应规律，从而提高了控制器的性能，而且还降低了电力电子硬件的成本，并利用搭建的实验平台对其进行了实验验证，有一定的工程应用价值。

除此之外，唐文虎在网络多代理技术的智能变电站监测和控制基础上，开发了一套基于网际协议和多代理平台的变电站设备状态监测和信息管理系统，其中包括一个变电站设备智能状态监测系统和一个基于网络多代理的变电站多层信息管理系统。据悉，该实验系统已在英国的一所变电站安装并试运行。

除了在电力设备智能化方面竭尽全力，唐文虎也没有放松对电力系统运行状态风险评估的研究。他推陈出新，开创性地将证据理论运用到电力设备故障诊断方面的研究中，并由此提出了电力设备及系统的状态评估模型以及一种改进的证据推理状态评估方法，还将其应用于变电站和电力系统的可靠性分析中。

一道道难关的攻克，一项项成果的取得，背后是唐文虎的辛勤与汗水。“梅花香自苦寒来，宝剑锋从磨砺出”，唐文虎逐渐在其研究领域获得了业界的认可，他成功入选了英国电气工程技术学会会士（IET Fellow）、美国电气与电子工程师学会高级会员（IEEE Senior Member）、英国皇家特许工程师（CEng）。截至2018年12月，他已发表由国际权威出版社Springer出版的科研专著1本和120篇科技论文，其中包括40余篇SCI索引科技论文，被国内外相关科研人员引用近1900次，h-index 22，i10-index 40（Google Scholar）；作为主持人，唐文教授虎带领团队负责了包括国家青年“千人计划”科研基金、英国工程物理委员会基金、国家自然科学基金面上项目、原国家“863”计划子课题、电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室开放项目等多个科研项目，团队因取得的多项重要成果也获得了国内外同行的认可。他同时也积极参与行业协会的工作，担任了CSEE Journal of Power and Energy Systems国际SCI期刊编委、中国电机工程学会电力防灾减灾专委会委员（第一届）、中国电机工程学会能源互联网专委会委员（第一届）。他在2017年荣获国际期刊CSEEJPES突出贡献编委奖和华南理工大学“校长基金最具科研潜质奖”，2018荣获国际会议PowerCON2018优秀论文奖。

如果说在英国期间的学习与工作是唐文虎从事智能电网的契机与开端，那么在华南理工大学工作的这几年则使他真正得到了实践与锻炼的机会，也巩固了他在电力系统研究方面的基础。目前，他仍然保持着务实专研、作风严谨的科研态度，继续在智能电网领域里大显身手。

“我当前主要从事多领域交互的知识融合、气象灾害下弹性电网评估理论及其恢复力提升策略研究这两个方面的研究。”他说。首先，在解决多领域交互的知识融合问题上，他提到，摆在电力装备运维系统面前最大的问题就是其开放性、不确定性和复杂性突出，如果仅用传统方法解决该问题，也就是采用事先建立的简化机理模型已经难以准确建模，而且由此还会导致在复杂环境下出现理论模型存在偏差的情况，甚至还会出现无法给出满足性能要求的机理模型。与此同时，由于常规的数据驱动方法不能描述客观物理规律约束，一旦场景发生变化又或是这种变化超出一定范围，用户便会无法保证该算法的有效性。这种现象很常见，例如人工神经网络技术中存在弱可解释性和不可预测性风险，这就很可能导致系统性风险。因而，单独运用模型驱动或数据驱动的方法已经不能满足电力装备运维精确性和可靠性的需求。在这种两难境地，他迎难而上，创建了基于“模型驱动+数据驱动”的分析新框架，克服了多领域交互的知识融合诸多难题。

接下来，在唐文虎的另一研究重点——气象灾害下电网弹性评估及其恢复力提升优化方法研究，他也做好了充分的准备。要知道，从近年来在全球范围内发生的诸多事故中可以看出，这些事故无一不凸显了在难以预测的极端灾害性事件面前，可靠性高的电力系统仍然存在的众多薄弱环节。如2008年中国南方冰灾、日本福岛大地震及海啸，又或是美国加州Metcalf变电站恐怖袭击等，都给电力系统带来了严重破坏，造成大范围、长时间的停电，严重影响了当地居民的生活，还造成了巨大的经济损失。

但凡事都有两面性，也正是在这样严峻的事实面前，电力系统迅速成长起来，深刻的“教训”也起到了一定的积极作用，一方面增强了全球防范极端事件的前瞻性意识，另一方面还促进了构建具有恢复力的“弹性电网”的研究和建设，并使其逐渐成为各国政府着力发展的国家战略。对此，唐文虎颇有感触，他表示“弹性电网”凭借其最重要的恢复力这一特征，可以形象地反映出电力系统对扰动快速灵活响应的能力，能更好地应对小概率—高损失的极端事件，也能及时将事件影响范围缩至最小化。值得一提的是，在灾害破坏无法避免的情况下，“弹性电网”还能灵活适应环境变化并能快速恢复电网的供电能力。尽管目前弹性电网的理论研究正处于起步阶段，在弹性评估指标体系构建和灾变下恢复力提升方面尚存诸多问题，但他已经将弹性电网研究作为自己下一步研究的重中之重，毅然承担起新时代下电力系统提出的新要求与新挑战，以期为灾变下的电网调度提供前瞻性辅助策略，实现电网应急资源调配优化、减少故障停电经济损失和提高应急抢修执行效率。

坚守电力强国梦，做勇敢前行的开拓者，是唐文虎一直坚持的信念，也是父亲当初对他的期望。为实现电气工程领域焕发出崭新活力的目标，他会致力于“智能电网，逐风追光”的伟大事业，继续追寻电力系统的“智能”梦。