基于光量子計(jì)算機(jī)的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化方法
郭夢(mèng)婕1論文，王晗2，嚴(yán)正3，張文博1，陶瑋1，周新生1，文凱4，馬寅4，魏海4
(1.北京清大科越股份有限公司論文；2.上海非碳基能源轉(zhuǎn)換與利用研究院(上海交通大學(xué))；3.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué))；4.北京玻色量子科技有限公司)
DOI論文：10.13334/j.0258-8013.pcsee.232192
1、研究背景
量子計(jì)算作為一種新型計(jì)算方法，能夠在量子力學(xué)規(guī)律下調(diào)控量子信息單元以完成高速并行計(jì)算，其指數(shù)級(jí)加速效果已引起國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注論文。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，量子計(jì)算相關(guān)探索研究目前主要涉及電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、機(jī)組組合優(yōu)化、穩(wěn)定性評(píng)估等。但受限于物理硬件，大多數(shù)研究均采用量子模擬器或模擬平臺(tái)開(kāi)展，仿真計(jì)算的量子加速效果可能無(wú)法在實(shí)際量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)仍然是制約量子計(jì)算推廣應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。
目前，量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建方案主要有超導(dǎo)、離子阱、光學(xué)，各方案的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示論文。
表1 三種量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建方案
考慮量子計(jì)算機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀論文，針對(duì)電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題，光量子計(jì)算機(jī)具備獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：
1）現(xiàn)有絕大多數(shù)電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究本質(zhì)為直接或間接處理混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問(wèn)題，然后調(diào)用商業(yè)求解軟件求解論文。而光量子計(jì)算機(jī)是求解組合優(yōu)化問(wèn)題的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)，可將MILP問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二次無(wú)約束二值優(yōu)化(QUBO)問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)高性能求解，這是其在電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。
2）相較于其他類(lèi)型的量子計(jì)算機(jī)，光量子計(jì)算機(jī)量子比特?cái)?shù)量具備大規(guī)模擴(kuò)展的可能性，其支撐量子計(jì)算在電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行領(lǐng)域發(fā)揮算力優(yōu)勢(shì)的預(yù)期更強(qiáng)、可實(shí)踐性更高論文。
2、論文解決問(wèn)題及意義
展開(kāi)全文
量子技術(shù)的研究處于初期階段，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)仍然任重道遠(yuǎn)論文。以光量子計(jì)算機(jī)為代表的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)最先取得特定領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，將對(duì)助推整個(gè)行業(yè)技術(shù)的衍生發(fā)展具有重要意義。本文以虛擬電廠內(nèi)分布式資源解聚合優(yōu)化問(wèn)題為研究對(duì)象，依托團(tuán)隊(duì)研發(fā)的光量子計(jì)算機(jī)，開(kāi)展了模型驗(yàn)證與真機(jī)測(cè)試，并期望為電力系統(tǒng)與量子計(jì)算交叉融合提供可行范例。本文主要貢獻(xiàn)包括：
1）提出了面向虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化的QUBO模型構(gòu)建方法，詳細(xì)說(shuō)明了優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)、等式和不等式約束對(duì)應(yīng)QUBO模型懲罰項(xiàng)的轉(zhuǎn)換方式，為應(yīng)用光量子計(jì)算機(jī)求解電力系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題提供了可行的量子計(jì)算范式論文。
2）提出了考慮虛擬電廠運(yùn)行特征的冗余約束辨識(shí)方法與量子比特共用機(jī)制，減少光量子計(jì)算機(jī)求解時(shí)所需的量子比特?cái)?shù)量論文?；趫F(tuán)隊(duì)研發(fā)的光量子計(jì)算機(jī)真機(jī)開(kāi)展應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了光量子計(jì)算機(jī)求解虛擬電廠解聚合優(yōu)化問(wèn)題的可行性與有效性。
3、論文重點(diǎn)內(nèi)容
本文重點(diǎn)研究虛擬電廠解聚合優(yōu)化過(guò)程，以虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商收益最大化為目標(biāo)，提出基于光量子計(jì)算機(jī)的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化流程，如圖1所示論文。
圖1 基于光量子計(jì)算機(jī)的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化流程圖
1）光量子計(jì)算機(jī)概述論文。
玻色量子公司開(kāi)發(fā)的相干伊辛機(jī)(Coherent Ising Machine，CIM)是一款專(zhuān)用光量子計(jì)算機(jī)，具有常溫光量子編碼操控、全聯(lián)接等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)論文。該光量子計(jì)算機(jī)是一種混合量子計(jì)算系統(tǒng)，包含光學(xué)和電氣兩部分系統(tǒng)。其中，光學(xué)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)量子比特的制備與存儲(chǔ)，電氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)量子比特的控制與計(jì)算。具體原理如圖2所示。
圖2 光量子計(jì)算機(jī)原理圖
2）光量子計(jì)算機(jī)可求解的QUBO模型論文。
QUBO模型常用于組合優(yōu)化問(wèn)題建模，其可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為Ising模型，并利用專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)超高速求解論文。因此，面向?qū)嶋H應(yīng)用，如何將所研究的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為QUBO模型是依托專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子加速求解的關(guān)鍵。
3）面向虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化的QUBO模型構(gòu)建方法論文。
本文構(gòu)建了面向虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化的QUBO模型，進(jìn)一步提出冗余約束辨識(shí)和量子比特共用機(jī)制，以盡可能減少所用量子比特的數(shù)量論文。首先通過(guò)模型邏輯關(guān)系辨識(shí)并削減冗余約束，然后通過(guò)共用相同的量子比特表征松弛變量，減少占用的量子比特?cái)?shù)量。若在其他約束條件下某約束始終可以被滿足，即為冗余約束，冗余約束在優(yōu)化問(wèn)題求解時(shí)可以去除，以減少約束條件數(shù)量，從而減少所使用的量子比特?cái)?shù)量。在辨識(shí)和去除冗余約束后，對(duì)于剩余的分布式資源調(diào)節(jié)范圍約束，可共用同一量子比特表示左側(cè)不等式或右側(cè)不等式的松弛變量，進(jìn)一步降低虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化問(wèn)題求解對(duì)量子比特?cái)?shù)量的依賴(lài)。相關(guān)計(jì)算結(jié)果如下圖表所示。
圖3 光量子比特相位演化過(guò)程
圖4 光量子計(jì)算機(jī)最大割示意圖
表2 六種方法的計(jì)算結(jié)果
4、結(jié)論
1）本文提出的QUBO模型構(gòu)建方法為電力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題求解提供了可行的量子計(jì)算范式，為光量子計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究中的推廣應(yīng)用奠定了模型基礎(chǔ)論文。
2）所提出的考慮虛擬電廠運(yùn)行特征的冗余約束辨識(shí)方法與量子比特共用機(jī)制，顯著減少了QUBO問(wèn)題求解所需的量子比特?cái)?shù)量，可作為有限量子比特資源下提升量子計(jì)算機(jī)可用性的重要手段論文。
3）針對(duì)小規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題，光量子計(jì)算機(jī)真機(jī)求解效率優(yōu)于Gurobi與Cplex，驗(yàn)證了光量子計(jì)算機(jī)作為專(zhuān)用硬件資源在電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，為未來(lái)研發(fā)更為高效、自主可控的大規(guī)模電力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題求解器開(kāi)辟了新思路，如國(guó)產(chǎn)化硬件量子計(jì)算服務(wù)器代替國(guó)外商用軟件求解器論文。
引文信息
郭夢(mèng)婕論文，王晗，嚴(yán)正，張文博，陶瑋，周新生，文凱，馬寅，魏海．基于光量子計(jì)算機(jī)的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化方法．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)． 2025，45(8)：2936-2945．
GUO Mengjie論文，WANG Han，YAN Zheng，ZHANG Wenbo，TAO Wei，ZHOU Xinsheng，WEN Kai，MA Yin，WEI Hai．Disaggregation Optimization of Distributed Resources in Virtual Power Plants Based on Optical Quantum Computer．Proceedings of the CSEE．2025，45(8)：2936-2945．
團(tuán)隊(duì)介紹
上海交通大學(xué)電氣工程系智能電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度研究團(tuán)隊(duì)是由嚴(yán)正教授帶領(lǐng)、多名中青年教師為骨干組成的研究群體，研究團(tuán)隊(duì)成員30余人論文。主要面向智能電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度和能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與控制領(lǐng)域，近年來(lái)在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與能量管理、電力-交通耦合運(yùn)行、電力市場(chǎng)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)、可再生能源運(yùn)行與風(fēng)險(xiǎn)管理等方面的研究取得了豐碩成果，負(fù)責(zé)和參與多個(gè)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目，相關(guān)研究工作得到國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、基金委、科技部等大力支持。團(tuán)隊(duì)總結(jié)多年的教學(xué)、科研、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，積累形成編著和專(zhuān)著10余部，近五年發(fā)表SCI，EI期刊論文百余篇，榮獲上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。
北京清大科越股份有限公司成立于2004年，是一家長(zhǎng)期專(zhuān)注于電力市場(chǎng)交易、電網(wǎng)智能調(diào)度、智能發(fā)售電和能源互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)略咨詢(xún)、算法研究、軟件開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)論文。公司共擁有授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)及軟件著作權(quán)226項(xiàng)，獲得省(部)級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)16個(gè)(其中一等獎(jiǎng)2個(gè)，二等獎(jiǎng)8個(gè))、電力公司科技進(jìn)步獎(jiǎng)20個(gè)、出版合著2部、發(fā)表論文150余篇、獲得政府基金支持6項(xiàng)。
北京玻色量子科技有限公司自成立以來(lái)始終以“推動(dòng)量子計(jì)算實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化”為核心目標(biāo)，依托研究團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的相干量子計(jì)算技術(shù)，專(zhuān)注于規(guī)?；瘜?shí)用型量子計(jì)算設(shè)備的研發(fā)工作論文。累計(jì)布局發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)。在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，公司重點(diǎn)聚焦相干光量子計(jì)算機(jī)研發(fā)，于2025年5月發(fā)布最新1000量子比特相干光量子計(jì)算機(jī)，在工程化程度、量子比特?cái)?shù)量、穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算準(zhǔn)確度等關(guān)鍵指標(biāo)上均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，能夠支持穩(wěn)定可靠的量子算力及算法服務(wù)。
作者介紹
郭夢(mèng)婕，女，博士生，工程師論文。主要研究方向：綜合能源管理，虛擬電廠，交通能源融合，量子計(jì)算。
王晗，男，副研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：電力系統(tǒng)不確定性分析，量子計(jì)算在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用論文。
嚴(yán)正，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及智能電網(wǎng)論文。
文凱，男，北京玻色量子科技有限公司創(chuàng)始人，CEO，同時(shí)擔(dān)任粵港澳大灣區(qū)（廣東）量子科學(xué)中心PI研究員論文。清華大學(xué)本碩，美國(guó)斯坦福大學(xué)電子工程系博士，師從龍桂魯教授和量子光學(xué)和量子信息泰斗Yoshihisa Yamamoto（山本喜久）教授。文凱博士在相干量子計(jì)算方向上做出了開(kāi)創(chuàng)性的成就，成為該領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)首位博士，已發(fā)表多篇頂級(jí)論文和專(zhuān)利。
馬寅，男，北京玻色量子科技有限公司創(chuàng)始人、COO，量子計(jì)算專(zhuān)業(yè)正高級(jí)工程師論文。領(lǐng)導(dǎo)玻色量子榮獲北京市顛覆性企業(yè)，財(cái)富50科技企業(yè)，MIT最聰明的50家公司等多項(xiàng)榮譽(yù)，在量子計(jì)算領(lǐng)域負(fù)責(zé)多項(xiàng)重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目及應(yīng)用場(chǎng)景落地。本科畢業(yè)于天津大學(xué)精密儀器學(xué)院，研究生畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，博士就讀于北師大人工智能學(xué)院；曾參與負(fù)責(zé)多艘載人航天飛船和中國(guó)空間站的精密儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)；參與多次重大發(fā)射任務(wù)。帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)獲得已授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利超過(guò)40項(xiàng)；還同時(shí)擔(dān)任北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)等高校校外導(dǎo)師、信通院量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟副理事長(zhǎng)，中國(guó)移動(dòng)中電科量子計(jì)算外部專(zhuān)家等多項(xiàng)學(xué)術(shù)及社會(huì)職務(wù)。
魏海，男，北京玻色量子科技有限公司CTO，本科畢業(yè)于清華大學(xué)，后赴斯坦福攻讀電子工程學(xué)博士，專(zhuān)注高性能計(jì)算、量子計(jì)算領(lǐng)域論文。曾研發(fā)世界首個(gè)碳納米管計(jì)算機(jī)并登上Nature封面，曾任阿里高管。
