——记香港大学电机电子工程系终身教授侯云鹤

曹笑轩

 

正看着电视，突然断电了，屋里一片漆黑，只得点上蜡烛照明……这样的场景，存在于许多70后、80后的记忆中。现在，我国电网发展成熟，人们已经习惯了电力无处不在：做饭要用电，天气热了开空调要用电，手机要充电，甚至汽车也要充电……

电力系统如此重要，会不会像以前一样突然断电？也不是没有这个可能。2003年美国和加拿大就曾出现过大范围的停电事故，导致重大损失。未来，随着人们日常生活越来越电气化，电力系统将变得越来越重要。而随着我国双碳目标的提出，可以预见，未来电力系统必然会接入更多的可再生能源。电力系统变得越来越复杂，不再是以前多架几根电线这么简单了。

如果电力系统出了故障，该怎么办？这个看似简单的问题，背后却有很深的学问。对此，《科学中国人》采访了香港大学电机电子工程系终身教授、电气工程和能源工程专业主任侯云鹤。他长期从事电力系统风险分析和电力系统弹性评估及策略构建方面的研究工作。由他主持研发的电力系统故障恢复在线决策支持系统在美国电科院成员电力公司中投入商业化运行，是唯一在北美电力系统实现商业化的香港开发的软件。

从工程师到教授，从美国到香港……侯云鹤的学术道路一步一个脚印，不断向前延伸。他用自己的才华、勤奋和丰硕成果，铺就了一条多彩的学术轨迹。

 

博采众长 学会多角度看问题

 

侯云鹤办公室的书架上，放着三张照片，分别是他与3位导师的合影。

第一张是他与博士生导师——中国科学院院士、华中科技大学教授程时杰的照片。

侯云鹤与程时杰院士颇有些渊源。侯云鹤在读本科的时候就喜欢自己捣鼓点儿小发明，因此也写过一篇论文。等到毕业实习的时候，正好是程时杰带他们。程时杰是学校里德高望重的人物。侯云鹤把自己的论文拿给他看时，其实并没有抱太大的希望。他觉得程时杰平时非常忙，一篇本科三年级学生的论文或许并不会被重视。

“实习的时候，我们师生都住在一个筒子楼里面。有一天下班，大概晚上12点多了，我路过程老师房间。房间还亮着灯。我就在门口望了一下，恰好看到他桌子上放着我那篇文章，当时就觉得很不可思议。”侯云鹤回忆，果然过了几天，程老师就把他叫过去，明明白白、仔仔细细地指出了他的文章哪里好、哪里不好。程时杰对待学生的认真态度和深厚的学问深深打动了侯云鹤，让他笃定了要跟随这位导师学习，榜样的力量从此鞭策他不断前行。

第二张是他与吴复立教授的合影。

侯云鹤读博士二年级的时候，一次偶然的机会，他接触到了电气工程领域的著名学者吴复立。当时还是香港大学副校长的吴复立到华中科技大学作报告。正是在这次报告会上，侯云鹤了解到，香港大学和清华大学在深圳成立了一个研究所，可以联合培养学生。他果断选择去深圳，成为吴复立的学生。正是在吴教授的引导之下，侯云鹤走上了研究的道路。

侯云鹤至今还清晰记得第一次见吴复立时的情景：他把自己在国内发表的几篇论文拿给老师看。吴复立提出的意见是：文章要立足价值写清楚，这样大家才能知道你在做什么，能产生怎样的价值。“我当时就有种醍醐灌顶的感觉，他跟我理解的层次真不一样。我一开始写文章的主要目的就是把它发表出来。而老师所想的是写出来的文章将来有什么用。”侯云鹤说。

吴复立给侯云鹤另外一个重要的启发就是：思考问题要从最基础的理论出发。这一点侯云鹤读了多年博士之后才深有感悟：“他永远以基础为出发点，强调理论要从最基础的角度出发，模型要做到由繁入简、干干净净。这和他的为人很像，做事很正直。”

2005年，侯云鹤从华中科技大学博士毕业，之后继续跟着吴复立在深圳从事博士后研究。那时的吴复立在香港、深圳两头跑，但每周不管刮风下雨，他都要坚持到深圳听学生的报告，和每一个学生单独谈半小时到一个小时。

博士后工作期间，侯云鹤主要有两个研究方向，一个是如何规划电力系统，一个是研究电力市场化，即电力市场怎么样引入金融工具。时过境迁回头看，电力市场化如今充分展现了其应用价值，对此侯云鹤颇有些感慨。

做了几年博士后研究工作后，侯云鹤打算到企业找工作。之所以有这样的选择是因为他大学本科毕业后，曾在武汉供电局上过两年班，一开始做工程师，后来在局办做秘书。不论是与工程师还是与领导打交道，他都感觉很愉快。抱定主意后他投了简历，很快就收到了几份不错的工作邀请。当他兴冲冲地跑去找吴复立，陈述自己的计划时，导师的叮咛给了他新的思路：“吴老师很郑重地跟我谈，说我做学问蛮好的，再加上我有在企业工作过的背景，清楚一线的需求，何不将这两个优势结合起来做更加深入的科研。”深受启发的侯云鹤从此开启了不一样的科研人生。

吴复立退休后去了美国，侯云鹤有机会就去拜访他，给他讲讲研究的进展等，就像当初学生时代作报告一样。正是在美国，侯云鹤与吴复立拍了张合影，一直保存在书架上。

第三张是侯云鹤与在美国留学的导师——刘镇钦的合影。

2008年，在吴复立的推荐下，侯云鹤来到美国爱荷华州立大学，跟着刘镇钦教授做研究，最初接触的项目就是到美国电科院进行合作研究。刘镇钦与美国工业界有很多合作。他告诉侯云鹤，有很多工业界的人，他们不怎么懂理论，也不能清晰地表达他们实际的需求。

“刘老师当时告诉我，我最重要的工作应该是从工业界找到一般性的需求，然后把它科学化，解决了之后再用回到工业界。”刘镇钦认为，有影响力的工作，关键是要从工业一般需求里面找到科学问题，这才是独特的贡献，而这靠的是对学科的深刻认识。导师的这些观点，让侯云鹤受益无穷。

2009年起，刘镇钦前往爱尔兰都柏林国立大学任教，侯云鹤追随导师多年，跟他学到了不少让自己获益终身的学习思维方式和研究方法。正是这些思维和方法照亮了侯云鹤之后的人生航程。多年后，刘镇钦有一次到香港来，侯云鹤跟他一起照了相，将相片一直保存在书架上。

师恩如灯，照亮前行。时至今日，细数起数位科研前辈对自己的影响，侯云鹤仍充满了感激：“几位老师对我最大的影响就是让我明白，看问题应该从不同的角度去看。比如电气工程中的问题，可以从最基础的理论去理解，也可以从最实用的角度去解决。科学的发展，就需要这种多样性。”侯云鹤说，他把老师们的照片放在办公室，就是要督促自己，鞭策自己不断吸纳各方精髓，博采众长，从而走出一条传承与发展相得益彰的科研路。

 

精巧构思 实现电网的“自愈”梦想

 

电力工业从最初诞生起，实际上就是一门生意：人们要用电器，电厂就架一根电线过去。随着用电的场景越来越多，电线也越来越多、越来越复杂，最终形成了一个庞大的电力系统。电力系统用的是交流电，在不同的节点需要同步赫兹，否则会不稳定。因此电力系统需要一个统一的协调控制中心。

从20世纪80年代开始，各个国家的电力系统开始市场化。市场化的结果之一是节点分散，控制模式也不一样。另一个结果是，电力基础设施投资不够，导致容量不够。2003年美国和加拿大发生的大范围停电事故就是这个原因导致的。

停电不仅会造成巨大的经济损失，另一方面也让人们认识到了电网的脆弱。因此，极端状况下电力系统的运行逐渐成了研究的重点。

侯云鹤在美国做研究员的时候，正参与美国电科院（EPRI）委托的通用电力系统极端条件下恢复理论和工具的开发工作。他主要负责“电力系统故障恢复决策支持系统构建理论研究”“电力系统故障恢复决策支持系统开发”“基于开关模型的系统恢复策略”及“电力系统决策支持工具核心技术研究和开发”项目，同时也是“下一代电力控制中心功能设计”项目的第二负责人。现在，他的研究成果已取得国际性的影响，并得到广泛的应用。

其实早在20世纪50年代，人们就已经意识到电力系统的恢复是一个很重要的事情，但是一直没有取得实质性进展。“一个系统要全部恢复，那它运行时的全部约束条件都要考虑进去。而且还有优化的问题，要先恢复谁、后恢复谁？”复杂的约束条件，让很多人都不知道该从何入手。

“以前的电力系统恢复，一般都是极力找出一条最短的路，但是因为选择太多、变化太快，根本找不到。比如，电力系统有故障的时候，有些设备坏了，等恢复到一半儿的时候才发现这个情况。这就像好好的路走着走着，突然桥断了，走不下去了。”侯云鹤回忆说，自己的导师刘镇钦对此有清醒的认识，他认为电力系统既然是个很复杂的问题，就不要指望在理论上算出最优来，而应该把它拆解开，变成工程上一个个可解的小问题，最后再把它组合回去。

侯云鹤采取的正是这个办法。在此基础上，他提出了“系统恢复通用里程碑”的概念，即将拆分开的节点视作一个里程碑，同时设计了很多工具包，根据不同的条件，可以选择相应的工具包去解决问题。只要最后能打通各个里程碑达到目的就行。“这就好比要从香港到北京，中间的广州、武汉、郑州都算是节点，至于怎么从香港到广州，得自己想办法。”侯云鹤设计的工具包，实际上是一系列精巧的优化模型与算法，在世界上首次给出了电力系统在故障和灾变情况下进行复杂的恢复过程的完整解决方案。

基于这一创新思想，侯云鹤回到香港后和同事开发了世界上第一套电力系统故障恢复的在线决策支持系统“System Restoration Navigator, SRN”，并且通过EPRI的测试。

“这还是得益于在电力公司工作的经验。”侯云鹤说，他对一些工程上的问题非常清楚，与美国的工程师也能聊得来。因此2009年到香港任教后，美国电科院还继续与他合作开发软件原型。于是就有了世界上第一套电力系统故障恢复的在线决策支持系统，而且正式5.0版在EPRI成员的电力公司投入应用，获得了美国电科院技术转移奖。IEEE智能电网电子月刊（IEEE Smart Grid Newsletter）曾头版报道了这个研究成果，称其为“将自愈电网的梦想逐步变为现实”。

 

紧跟前沿 探索一般性理论

 

在电气工程领域，目前有两个前沿课题，侯云鹤的研究都有所涉及。

一个是再生能源的接入。现在，全世界都在提碳中和，其发展趋势就是要慢慢达到碳的零排放。这不可避免需要用可再生能源发电，那这些电力该怎么接入电网？目前，世界上大部分的工业、农业还依靠汽油、柴油，如果它们全都电气化了，会怎么样？“可以预见，到时整个电力系统的负荷特性都会改变。”侯云鹤说，那时电力系统应该怎么运行，还需要进行很多探索。

其实，在这方面，侯云鹤一直在探索。他主持了一项国家自然科学基金重大项目，即与中国电科院合作，到2030年设计出我国可再生能源增长的轨迹。“这个轨迹就是可再生能源慢慢增长，同时老电厂慢慢退役的过程。它的设计需要科学的方法，需要理论的支撑。”侯云鹤说，然而到目前为止，关于可再生能源接入研究，都是基于优化理论做出一点结果，缺乏一般性的方法。

侯云鹤认为要找到一般性的方法，需要引进一些新的观点，包括信息论的观点。目前有几个学生在跟着他一起做这方面的尝试。他们的目标是在近几年做出一般性的理论。

另一个前沿课题是电力系统的弹性研究。近些年，人们越来越认识到，由于气候变化和可再生能源的接入，大量的发电设备和电力系统高度依赖气候。然而，由于全球气候变化，以前很少出现的极端事件，现在变得越来越频繁，对此该怎么应对？“比如，香港经常有台风。如果电厂都是靠太阳能和风电的话，台风一起，就会出现故障。这种情况已经不能算是传统意义上的故障了。”侯云鹤说。

除了自然的极端事件，还有一些人为的极端事件。现在的电力系统都有中央控制，中央控制数据都是在网络上传送的，这就涉及信息安全的问题。如果有黑客攻击，怎么保证信息安全？

“这就需要提高电力系统的弹性。”侯云鹤说，近些年，由于这种新情况的出现，电力系统恢复的概念已经被进一步延伸，被一个更广义的名词所替代——弹性。

从做极端情况下电力系统的恢复开始，侯云鹤研究电力系统的弹性已经有十几年了，现在仍然在研究。“我希望能够得出一个一般性的理论。能够把之前的研究都结合起来，做出一点点成果。”侯云鹤说。

现在电力系统涉及的学科越来越多了。“比如，可再生能源的接入设计，其中就涉及物理学科、电力学科、机械的一些学科，还有数学、计算机等学科。”侯云鹤认为，电力系统作为一个能源系统，未来会越来越复杂。

 

一起探索 期待青出于蓝

 

侯云鹤现在是香港大学电气工程专业和能源工程专业的主任，负责教学计划的安排，具体来说就是：要开哪些课，课程设置怎么样，给老师安排哪些课。“有些课很重要，但是找不到人来教，就要去找老师来教。”侯云鹤说，专业主任主要就是负责这些事情。随着新能源在电力系统中所占比例的提升和新型电力系统的建设，侯云鹤相应地进行了大量的教学改革，包括新教学内容的引入和教学方法的革新。

除了教学管理，侯云鹤也会亲自带学生。迄今为止，他培养了10名博士、15名博士后，所有毕业生均在学术界和工业界继续学术研究工作。他带学生，有一个原则：快乐。“学生学完一门课能从中体会到思维的快乐；或者是做完一项研究，整个研究过程是快乐的。”在侯云鹤心中，能够把事业和爱好结合到一起，那才是最成功的教育。

带学生做研究的时候，侯云鹤觉得自己更像个教练员，而学生就像是运动员。学生最后一定会做得比自己好。“传授知识只是其中很小的一部分，培养对学术的欣赏能力和对高品位学术的追求才更加重要。我带博士，更多的不是技能性的培训，而是尽力提供一些方法，它不一定管用，但我想让他们知道，我是跟他们在一起探索。”授人以鱼不如授人以渔，科研路上相伴相行，这正是当年刘镇钦教授带给侯云鹤的感受，如今，他也希望给学生带去同样的感受。

时至今日，侯云鹤回想起那段经历仍深有体会：2010年，一个偶然的机会，他到美国麻省理工学院信息与决策实验室作访问科学家。在那里，侯云鹤碰到了一群杰出的科研同伴，“他们思考的是人类最基础的事情，也是对人类未来有影响的一些事情”。那段时光虽然短暂，但让侯云鹤对自己和团队的科研方向有了深刻的启发：有些人是仰望星空的，有些人是脚踏实地干事的。人类要进步，这些人都不能少。如今，自己的团队建设日益走上规模，他也给自己定下了这样的愿望：做脚踏实地却又仰望星空的人，做人如此，做研究也是如此。

（责编：张闻）

 

专家简介

 

侯云鹤，香港大学电机电子工程系终身教授、电气工程和能源工程专业主任。2005年获华中科技大学工学博士学位，2005年至2007年在清华大学电机系做博士后研究，2008年和2009年分别在美国爱荷华州立大学、爱尔兰都柏林国立大学任研究员，2010年任美国麻省理工学院信息与决策实验室访问科学家。2009年起赴香港大学任教，是当时香港大学电机电子工程系唯一由中国内地培养的博士。2017年被聘为华中科技大学客座教授。

侯云鹤长期从事电力系统风险分析和电力系统弹性评估及策略构建方面的研究工作，发表论文150余篇，其中《科学引文索引》（SCI）检索论文70余篇，是科睿唯安世界前1%高被引学者，曾获IEEE PES期刊最佳论文奖2次。曾主持和作为学术骨干参与科技部、自然科学基金委员会、香港研究资助局、国家电网和美国电力科学研究院等国内外政府及科研机构的科研项目40余项，包括香港特区政府主题研究计划3项，“973计划”2项，国家重点研发计划项目2项，国家自然科学基金重大集成项目1项、面上项目3项，香港研究资助局面上项目10余项，美国电科院项目5项。