2017年11月,由中国电力科学研究院(以下称中国电科院)牵头承担、国家“千人计划”专家马钊主持的项目“现代配电网健康指数理论与工程实现体系研究及示范应用”顺利通过国家电网公司(以下称公司)科技部组织的验收。

闻讯后,经记者多次努力,才成功约访到百忙中的马钊。开门见山,记者亮出了国际大电网会议(CIGRE)前主席克劳斯·弗罗里赫对马钊团队的高度评价:“据我所知,这是第一个针对配电网健康指数的项目,我认为非常值得电力部门关注。这对于全面显著提升配电系统性能而言,是一项突出贡献。”

但对马钊而言,攻关出的成果是他和团队历经1000多个日夜努力的印记。“能够踏踏实实地做一两件事,并把事情做好,也不枉回国这一场。”马钊的“大道”就是这样朴实。

直面挑战 配电网的逆袭

配电网是国民经济和社会发展的重要公共基础设施。随着时代的发展,在以清洁能源为主导、电力为中心的能源发展新格局下,配电网不仅是直接联接可再生能源和用户的桥梁,还是智能电网的物理载体和基石,是一切新技术所需数据的来源,是能源互联网不可或缺的角色。

公司作为国有特大型能源企业,高度重视配电网建设与发展,不断加大对配电网的建设力度,持续提升配网供电可靠性和智能化水平。中国电科院作为公司直属科研单位,下辖的配电研究所面向配电网规划、能源互联网、智能配电传感及配电系统试验检测等重点领域和重大需求开展技术攻关,是国内唯一从事配电专业技术与综合业务的研究机构,拥有配电变压器节能技术北京市重点实验室、公司重点实验室“先进配电自动化与配电网优化控制联合实验室”,以及与法国电力集团联手打造的实验室和项目基地等一批科研平台。配电研究所同时负责CIGRE C6中国国家委员会配电专委会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会等多家学术组织的相关工作,成功培育了配电网高可靠供电技术、城市电网自愈控制技术、配电网数模混合仿真技术等一批核心成果,累计获各级科技奖励110余项。在智能配电技术领域,配电研究所已处于国际先进、国内领先地位。

“在很长一段时间内,我国电力行业‘重发、轻供、不管用’,导致配电网发展基础相对薄弱。”配电领域是“弱项”,也是“方向”。在国外从事智能配电网工作多年,马钊很欣慰地看到配电网如今在国内的逆袭和角色的转变。尤其随着国家能源局《配电网建设改造行动计划(2015—2020年)》的发布,配电网正受到前所未有的重视,逐步走向舞台中央。

当前,在配电领域的诸多科技问题中,量大面广的配电设备和复杂多变的配电网健康评估,至今还是世界公认的难题。难在哪里?马钊认为:其一,目前世界上缺乏评价配电设备和网络健康指数的系统理论和有效工具;其二,全球电力行业,特别是欧美国家面临着能源电力人才青黄不接和知识传承的危机。

“上世纪50年代,发达国家电力系统就迎来了大发展。到上世纪末,大多数设备都已经老化,检修更换量很大。”马钊回忆道。以他曾在的英国为例,英国电力私有化之后,相关经费比较紧张,英国政府要求电力公司在提高供电可靠性的同时降低运营费用。一时间,如何让不断老化的设备检修费用更低、使用寿命更长,用户停电时间和频率不断降低,成为英国电力公司面临的重要挑战。接到任务的马钊,也深觉此事不易。

无巧不成书,当时,马钊刚好做完了体检。体检报告称,马钊在未来10年患上冠心病的概率为3%。这份报告令他灵光一闪,人体这么复杂都能通过健康指数检查得如此清楚,能不能把这一理念应用在电网设备的资产管理上,也给电网设备做做体检呢?

1998年,马钊参与创建英国中部电力公司设备数据库;2000年,他与合作伙伴共同提出输配电力设备健康指数(HI)理念,并参与创建输配电设备健康指数和管理体系。他所研究的基于状态、风险和全寿命资产管理的配电网设计规划和资产管理方法,为配电网设备检修、更换计划提供了一种全新的管理理念,被英国电力公司采纳和推广。2005年起,HI被英国电力监管办公室用于监管指标。而后,用于指导有形实物资产管理优化和可持续发展的重要标准PAS 55,也引入了该系列成果。到2014年1月,第一部国际资产管理标准ISO 55000正式颁布,该标准基于PAS 55,是当今应用范围最广泛、体系建设最完整的资产管理标准。当初的一闪灵光,如今绵延出旺盛的生命力。

在马钊看来,以往粗放式资产管理方式已经难以适应“集约化发展、精益化管理”的要求,我国配电网建设和管理也应顺应大数据技术潮流,实现从定性到定量,从人工到智能检测的跃升。“例如,现在我们国家装了5亿多只电表,除了计量电费,它们还可以分析用户的用电行为、总结用电趋势,并根据实际负荷来进行用电调度,包括进行故障定位等。但这些功能还未能充分发挥出来。”

当更多的太阳能、风能等可持续再生能源接入,当电动汽车等新型负荷的出现产生出即插即用的需求,当用户对用电数量、质量等提出越来越高的要求,当消费者改变为产用能一体化的用户单元……在新需求到来之际,要从网架结构、控制保护、运行维护、计量营销、资产管理等诸多方面考虑改造现有配电网,使之具有灵活可靠、主动智能、精准检修、高效环保、开放互动等功能特点,从而成为建设未来综合能源电力系统的主动力。

马钊理想中的配电网要能应对全方位的复杂局面。这要求研究思路从“配电网”思维向“系统思维”转变,把技术视野下的“硬件组合”和经济社会以及人文相关的“软件组合”相结合,在这一视野下再综合考虑如何规划设计适应电流双向流动的主动配电系统?如何考虑不确定性、非线性的电源和负荷匹配平衡问题?如何避免重复性建设,因地制宜以差异化标准发展配电网?

“这是思维的转变。随着电力体制改革不断深化,配电行业越来越不容许有‘糊涂账’,配电资产逐步要‘算明白’。主动、精益地管理电力资产,意味着配电网管理思路要向‘以人民为中心’的服务理念转变,从专业技术管理为主向综合能源服务为主的转变。对配电网来说,不是卖的电越多越好,要综合考虑如何把电卖得更有经济价值、社会效益,并体现绿色观念。习近平总书记指出,雄安新区建设要秉持‘世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位’,配电网建设也应该有同样的标准。”谈及此处,马钊目光炯炯。

突破边界 挑战难题

“我国配电资产会越来越庞大,但在理念和技术上与国际尚有差异。”作为CIGRE中国国家委员会技术委员会委员,马钊深知CIGRE的两大方向之一就是研究如何尽限利用现有电网资产。公司“千人计划”专项支持项目——“现代配电网健康指数理论与工程实现体系研究及示范应用”,即属于这一范畴。

2014年3月,该项目正式立项为“千人计划”专项支持项目,以应对配电网健康评估的理论方法和实用化工具等挑战。“力争在配电网资产管理领域赶超国际领先水平,为实现国网公司确定的到2020年全面建成世界一流配电网发展战略目标做出贡献。”责任如山,从此,马钊和团队开始了3年多的攻关之路。

早在英国推广HI时,马钊就收到过一线工人和检修工程师的反馈,他们在做检修时面对的是一个变电站,一条线路,不可能把单一设备当成检修单元去检测。马钊将这件事记在了心上,在“千人计划”支持项目中,他结合我国配电系统的实际情况,将“健康指数”理念从单一设备扩展到群体设备和配电网络,首创性地提出了配电网健康指数理论,开发了统一、全面、可共享的配电网健康指数评估数据平台和评价系统,制定了健康指数评价规范和数据规范,系统地实现了配电设备和网络健康状态的评估和预测。

“知识资产”的更新传承和管理,是一个新的世界性难题。“国外的电力发展比我们早几十年,现在已经基本饱和,有经验的一线老工人、技师和工程师逐渐退休,年轻一代具备先进的IT技术但缺乏系统全面的电力系统培训,也没有传统形式的师徒传教和正式培训,正在形成人才和知识的断层。”为解决这一问题,马钊带领团队,立足国内现状,以国际视野提出物理和知识资产传承管理理念方法,开发出将机理分析、数据驱动、专家经验融合的平台,提出了内嵌专业知识和经验的机器学习方法——引导学习,有效将人的强项——创造性强、富有想象力和创造性、善于推理转化并在不确定的环境中做出决策,和机器的特长——记忆力强、逻辑性强、善做重复性工作紧密结合,大幅提升了机器学习的精度和鲁棒性,实现了人、机共生的混合智能。

“把我们算出的结果,与一线工人的实践数据相比较,相差不大就证明模型性能达标;差异大,就再进行比较修改,直到最优状态。”马钊轻描淡写地说着攻关过程。他一心想要解决现有配电网健康评价难题,没想到一招出手,竟能够将一线经验储存下来,利用机器学习、自反馈学习、自循环迭代、自改进完善等前沿技术,逐步实现数据和知识的存储与利用。当IET GTD主编表示这“填补了知识传承的空白”时,马钊才发觉,他们的工作开拓了知识资产传承与管理的新方向。

既有世界眼光,又能紧接地气,马钊将理论指导实践这一原则发挥得淋漓尽致。“大道至简”,他补充道:“我们的原则就是不求最全最细,但求科学实用,这应该是从事现代配电网研究的一个重要原则。得想怎么把复杂问题简单做,简单问题重复做,重复问题量化做,量化的问题让计算机程序做。”

“世界一流”的配电网到底是什么?马钊认为不能仅仅局限于一流设备和一流网架的“硬件组合”,毕竟它们都会随着时间和技术的进展而迭代,应该拓展至配电系统的全流程资产管理等“软件组合”维度,“软硬结合、双管齐下”。为了让健康指数在规划和运维中更具操作性,他和团队梳理出了100多条影响因素,进一步筛选后依然有38条。一番考量之下,他们精简出“安全、可靠、经济、绿色、开放”五大评价维度和标准;制定了从设备到网络,从定性到定量,从局部到整体,自上而下与自下而上相结合的策略;按照科学性、简洁性、可行性、系统性、相对全面性等原则,探索人机智能共生的行为增强与知识演化方法,并提出了基于全寿命周期健康指数的设备故障率模型及全状态集成法的参数求解方法。

目前,该项目成果已经在北京卢沟桥变电站和南京古平岗变电站进行了试点应用。据了解,配电网供电可靠性可提高10%,配电网运维费用则降低了约20%,能极大提高设备利用率,延缓配电网固定资产投资费用,提升配电网运营效率,推动配网资产管理向系统化、精益化跃升。

“这是一个基础,也是一个新的视角,而且辐射面很广,除电力行业之外,铁路、石油、航空航天等资产密集型行业也可以应用相关的理论和工具,经济和社会效益巨大。”马钊说。在他心中,这一套平台工具,将在不断实践中融合不同行业对精益化资产管理的需求,并为其提供有力的技术支撑。“项目成果的潜在价值巨大,并且所提出的机器学习方法可有效应对复杂多变的计算环境的难题。”ABB集团副总裁Britta Buchholz的这句话是行业内对这套成果的典型意见,在业界高度认可之下,马钊的“理想”似乎也没那么遥远了。

马钊(左二)参加国际学术论坛

脚踏实地 奉献毕生所学

在配电网领域,马钊成绩不俗。但作为恢复高考后的第二批天之骄子,上世纪80年代初入电力行业的大门起,他先从事了15年高压设备研究,而后从事智能配电技术研究20多年。在他看来,发达国家的智能电网技术主要在配用电领域,这既是他的兴趣所在,也是责任所担。

2014年年初,马钊与周孝信院士讨论起“能源互联”。回国之前,马钊在国际咨询公司为英国一个城市做规划时,就用到了这一理念,以太阳能、风能为主,能源不足时就用天然气作后备,来缓解当时“储能太贵”的尴尬。基于在国外的实践探索,两人一致认为,可以在国内尝试建设“能源互联网”重大研究方向,并领先开展研究。2015年,在周院士鼓励下,马钊以第一作者在《电网技术》发表了“能源互联网概念、关键技术及发展模式探索”,推动了国内“能源互联网、互联网+智慧能源”的研究热潮。

“配电网很重要,多种能源的综合利用也很重要。”马钊表示,他所努力要达成的目标,一是尽可能多地利用可再生能源,二是将现有的配电网资产尽限利用。从这一角度来说,配电网是节流,能源互联网是开源,二者缺一不可。他倡导在未来配电系统形态、能源互联网基础架构、信息物理系统(CPS)及综合能源系统等前沿领域开展研究,所发表的相关文章中,一篇被中共中央党校中国领导科学研究会《求是先锋—新常态下中国改革与发展的理论与实践》丛书收录,另有一篇入选《领跑者5000—中国精品科技期刊顶尖学术论文(F5000)》。研究成果得到了广泛关注,多次受邀在国内外学术会议上作报告,并为中国科学院“能源技术革命战略行动计划”等提供技术咨询服务。

“‘千人计划’项目是一个很好的平台,国家支持力度也比较大,我想把平生所学奉献给中国的电力事业,并力争有所创新与突破,实实在在做一两件实事,真正为国家做点贡献。”回国之初,马钊如是说。几年来,他也的确在尽力挖掘“平生所学”的潜力。

在英国25年,马钊先后在利物浦大学、阿尔斯通高压开关公司、英国中部电力公司及国际咨询公司从事研究工作,涉猎甚广。正因如此,他敏感地意识到,一场研发高压直流断路器的激烈竞争甚至正在ABB、西门子和阿尔斯通等国际电力设备制造商之间悄然进行。旅英期间,马钊就向国家电网公司建议将之作为研究方向,很快被采纳。而他关于高压隔离断路器的建议和超导限流断路器的探索都为后续研究起到了积极引导和借鉴作用。

2015年7月,马钊代表中国在CIGRE发起成立“直流配电可行性研究”并获批,SC6.31成为CIGRE SC6成立来第一个由中国发起成立、并担任召集人的工作组。由于在CIGRE C6的一系列杰出贡献,他受邀作为配电系统和分布式能源专委会优先专题的特邀报告人,审阅点评论文并提出方向、问题,以供讨论。目前,承担国网公司“直流配电网络架构与关键技术初证研究”项目,研究适应未来交直流配电网协调发展的思路与方法,身为项目负责人的他正在组织撰写MVDC可行性研究技术专著。

“我瞅准了是一个势头,但不确定世界会给什么反应,就想先尝试做可行性研究,没想到进展还不错。”与这一派风光相比,马钊最开心的是,这些努力能够为中国在国际配电领域占住一席之地并逐步成为主导力量,能为将中国电科院建成世界一流的电力研究咨询机构,为提升中国在智能配电技术领域在国际的地位贡献自己的力量。

言传身教 培养人才

回国5年来,无论参加什么会议,马钊都不忘呼吁社会重视配电系统。在他和团队共同努力下,成果颇丰:近5年来发表学术论文51篇(第一作者14篇,SCI检索11篇,EI检索23篇);申请中国专利15项,另有1项海外专利在PCT阶段;登记软件著作权3项;完成配电网健康指数数据规范、评价规范等2项标准文稿;开发平台1套,原型系统软件3套、硬件3套。相关成果获第46届日内瓦国际发明展金奖。

除此之外,马钊最骄傲的是通过这个项目,他们培养了2名博士、7名硕士,眼下还有4名在读博士。其中,最典型的就是尚宇炜。2015年7月,尚宇炜从清华大学硕士毕业加入马钊团队。此后两年多,他成为“健康指数”项目主要工作人员,合作发表论文11篇(SCI5篇,EI6篇)。2017年,尚宇炜被国网公司推荐到俄罗斯去参加国际清洁能源论坛竞赛,获绿色科技奖。同年,参加到国网公司配网资产管理国际对标工作中。“他追求上进,我就给他机会,培养他独立工作能力。”马钊诚恳地说。

尚宇炜和其他团队成员的成长令马钊由衷地自豪。他习惯把自己放在与学生平视的位置,指导他们,也认为可以从他们身上汲取能量。“先做人后做事”“不能控制的事没办法,但能力范围的事一定尽力做到最好”,这是马钊最常对学生说的话。学生们也由衷地佩服这位严谨治学,谦和低调的师友。

“创新其实很辛苦、很枯燥,必须要有一颗愿意为科学献身的精神。”马钊有时候也担心,他所接触的年轻人积极、刻苦,但也会有些浮躁。“低调做人,踏实做事”,几年来,他将这一态度言传身教给学生。他常常跟学生们说,做研究绝对不会一帆风顺,一定要沉下心来,准备好坐3~5年冷板凳,之后才会逐渐出成果。在学生们面前,他从不藏私,从项目筹备立项,到研究思路、研究方法的确立,一直到实际应用,结题,都会让学生们深入接触。用他的话说,是让学生们熟悉课题的整体思路,推动学生们形成系统的学习和科研观。

他希望学生们具有团队协作精神,不畏难、能坚持。而在学生们眼里,马钊也是位竭尽全力为他们创造机会的导师,国内外的学术会议,都会尽量带他们去见识。出去多了,学生们发现马钊在国际会议中,在国外同行中备受尊重。马钊则会抓住时机教导他们:“要赢得尊重,得有令人服气的真本事,讲话做事得有理有节。”

“人是有潜力的,可能只是没发挥出来。”马钊希望做好激发学生潜力的角色,让他们在今后的科研生涯中,扬长避短,少走弯路,成长为中国电力事业的中流砥柱。马钊已推荐国内7名专家参与CIGRE等相关国际工作组工作。他也积极参与国家引才目录(配电及新能源领域)的制定,推荐“高精尖缺”人才,所提多项建议被采纳。

马钊的办公室里,仅仅“千人计划”支持项目的材料就足有4000多页。这些文件里,记录着他和团队在各级领导的支持下不惜时间、不吝精力的奋斗。“白驹过隙啊”,他忍不住感叹道。如今,马钊只想抓紧时间,把目标中的“一两件事”做得尽善尽美。在他心里,能够追求理想,为实现“中国梦”添砖加瓦、贡献绵薄之力已经是实实在在的幸福。

专家简介

马钊,博士,CEng,FIET,国家“千人计划”专家,中国电力科学研究院有限公司智能配电首席专家。现任CIGRE中国国家委员会技术委员会委员、配电系统及分布式发电专委会中国委员、CIGRE中国和亚太区SC6主席、IEC SYC LVDC中国委员、中国科学院电工研究所客座研究员、西安交通大学兼职教授、国家下一代互联网产业技术创新战略联盟专家委员会委员。曾获部级科技进步奖3项,IEE专业持续进步奖2项,日内瓦国际发明展金奖1项。