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2024-02-29

作者:market
分类:研发进展
“量子计算+电力”成果发表顶刊,玻色量子联合清大科越、上海交大发表《中国电机工程学报》
2024-02-29 00:00:00

2024年2月26日,北京玻色量子科技有限公司(以下简称“玻色量子”)联合北京清大科越股份有限公司(以下简称“清大科越”)、上海交通大学,在国家一级学报——《中国电机工程学报》上首发以《基于光量子计算机的虚拟电厂分布式资源解聚合优化方法》为题的学术论文研究成果。

 

这是2024年玻色量子与清大科越、上海交通大学三方联合的首个战略合作成果,也是玻色量子在“量子计算+电力”领域中取得的重要研究突破,完成了量子计算在虚拟电厂场景中实用化的真机验证,这无疑为“量子计算+电力”生态奠定了坚实的基础。

 

目前,玻色量子与清大科越、上海交通大学已开展战略合作,共同从电力行业的实际场景与业务需求出发,聚焦科技创新、人才培养与储备,共同探索量子信息技术与电力系统优化运行等前瞻性技术的突破,共同打造基于光量子计算的电力能源领域实用型场景解决方案。

论文下载地址:https://link.cnki.net/urlid/11.2107.TM.20240222.1604.001
目前在电力系统领域,量子计算相关探索研究主要涉及电力系统潮流计算、机组组合优化、稳定性评估等,但受限于现有量子计算机物理硬件额制约,大多数研究均采用量子模拟器或模拟平台开展,难以体现出仿真计算的量子加速效果。量子计算机的的实用性与算力仍然是制约其推广的瓶颈问题。

针对电力系统优化运行问题,光量子计算机无疑具备更多的应用优势:

1)现有绝大多数电力系统优化运行研究本质为直接或间接(线性化或转化)处理混合整数线性规划(Mixed integer linear programming,MILP)问题,然后调用商业求解软件Gurobi或Cplex求解。而光量子计算机可将MILP问题转化为二次无约束二值优化(Quadratic unconstrained binary optimization,QUBO)问题并实现高效求解,这是其在电力系统优化运行领域应用的基础。

2)相较于其他类型的量子计算机,光量子计算机量子比特规模更大,可扩展性更好,其支撑量子计算在电力系统优化运行领域发挥算力优势的预期更强、可实践性更高。

以下为本篇论文的主要内容:

本文以虚拟电厂内分布式资源解聚合优化问题为研究对象,依托玻色量子的相干光量子计算机真机——“天工量子大脑”,开展了模型验证与真机测试,主要贡献包括:

1)提出了面向虚拟电厂分布式资源解聚合优化的QUBO模型构建方法,详细说明了优化问题目标函数、等式和不等式约束对应QUBO模型惩罚项的转换方式,为应用光量子计算机求解电力系统运行优化问题提供了可行的量子计算范式。

2)提出了考虑虚拟电厂运行特征的冗余约束辨识方法与量子比特共用机制,减少光量子计算机求解时所需的量子比特数量。基于玻色量子自研的光量子计算机真机开展应用测试,验证了光量子计算机求解虚拟电厂解聚合优化问题的可行性与有效性。

测试结果表明含101个计算量子比特的光量子计算机求解效率优于Gurobi和Cplex,实现了电力系统优化问题通过光量子计算机真机求解的突破,也为未来大规模电力系统优化问题的求解开辟了新路径。

 

虚拟电厂分布式资源解聚合优化模型
虚拟电厂参与市场交易后获得市场出清结果,并以此为基础进行内部分布式资源的解聚合,以实现分布式资源协调优化。本文重点研究虚拟电厂解聚合优化过程,以虚拟电厂运营商收益最大化为目标,构建分布式资源解聚合优化模型。该模型的目标函数包含两项:第1项F1为虚拟电厂总收益,第2项F2为尽可能减少分布式资源调节次数而设置的惩罚项,如下所示:
所构建虚拟电厂分布式资源解聚合优化模型的约束条件包括:
(1)分布式资源调节功率约束
本文所考虑的分布式资源分为两种:
①具有固定上调或者下调功率的分布式资源,包括柔性负荷(如可平移负荷、可削减负荷)、配储的分布式风电机组、配储的分布式光伏等,适合申报固定可调用容量;②灵活可调的分布式资源,包括分布式储能装置、燃气轮机等,具有更强的调度灵活性。对于第①种分布式资源有如下约束:
(2)中标量与分布式资源调节总量平衡约束
(3)功率调节偏差考核约束
(4)全时段总用电量平衡约束
(5)分布式资源调节范围约束
(6)分布式资源运行成本降低约束

 

基于光量子计算机的虚拟电厂分布式资源解聚合优化

光量子计算机原理图

 

为尽可能减少所用量子比特的数量,本文提出面向虚拟电厂分布式资源解聚合优化问题的冗余约束辨识和量子比特共用机制,即首先通过模型逻辑关系辨识并削减冗余约束,然后通过共用相同的量子比特表征松弛变量,减少占用的量子比特数量,以实现虚拟电厂运行特征的QUBO问题简化。

基于光量子计算机的虚拟电厂分布式资源解聚合优化流程图

 

可以看出,光量子计算机在哈密顿量总能量最低值时获得最优计算结果,且最优结果保持不变,求解稳定性良好。进一步,下图光量子比特相位演化过程给出了光量子计算机求解过程中光量子比特相位演化的过程,从图中(a)到(c)可以看出演化过程中量子比特逐步出现对称性破缺,即其相位逐渐向 0 值两侧变化,并最终达到稳定,相位的正负值分别对应于二元变量的“1”和“0”,从而得到优化问题决策变量的最终值。 

哈密顿量总能量值变化图

 

光量子比特相位演化过程

六种方法的计算结果

光量子计算机最大割示意图

分布式资源调用情况

 

结论

本文提出了面向虚拟电厂分布式资源解聚合优化问题的 QUBO 模型,并依托玻色量子的光量子计算机真机开展了模型验证与真机测试研究,主要结论如下:

1)本文提出的QUBO模型构建方法为电力系统优化问题求解提供了可行的量子计算范式,为光量子计算机在电力系统优化运行研究中的推广应用奠定了模型基础。

2)所提出的考虑虚拟电厂运行特征的冗余约束辨识方法与量子比特共用机制,显著减少了QUBO问题求解所需的量子比特数量,可作为有限量子比特资源下提升量子计算机可用性的重要手段。

3)针对小规模优化问题,光量子计算机真机求解效率优于Gurobi与Cplex,验证了光量子计算机作为专用硬件资源在电力系统优化运行领域应用的可行性,为未来研发更为高效、自主可控的大规模电力系统优化问题求解器开辟了新思路,如国产化硬件量子计算服务器代替国外商用软件求解器。

值得关注的是,量子计算机的研发仍然任重道远,但以光量子计算机为代表的相干光量子专用计算机最先取得特定领域的应用实践,对助推整个行业技术的衍生发展具有重要意义。

未来,玻色量子将基于AI、金融、电力、生物制药等各行业真实业务场景,联合“量子+”产业生态伙伴共同实现真机测试验证与应用探索等方面的研究突破,为“量子+”行业的交叉融合提供更多的可行范例。

 

关于《中国电机工程学报》
《中国电机工程学报》(半月刊)是电力行业国家一级学报,全国中文核心期刊,国内外公开发行。被国外 EI、INSPEC等6种数据库收录,被国内 CSCD、CSTPC 等8种数据库收录。1964年创刊,由中国科学技术协会主管,中国电机工程学会主办。主要报道电力系统及其自动化、发电、电工电机领域的新理论、新方法、新技术、新成果。在动力与电力工程类期刊中,连续多年综合排名第一位。
关于合作单位
清大科越成立于2004年,是一家长期专注于电力能源行业关键应用技术的创新型高新技术软件企业,在智能电网调度,电力市场交易,智能发售电,能源互联网,虚拟电厂等业务领域拥有20年的咨询、研发、实施经验。
玻色量子与清大科越的战略合作始于2023年6月。此前,清大科越已成功在玻色量子第一代相干光量子计算机“天工量子大脑”真机上实现对虚拟电厂聚合资源优化求解问题的计算验证,在毫秒级时间内找到了全局最优解,相比于经典优化算法的计算速度提升100倍以上🔗

在电力系统运行研究领域,玻色量子与上海交通大学严正教授带领的智能电网优化运行团队也已建立合作研究关系,双方就量子计算在求解电力系统优化问题的适用性、优越性展开深入讨论,充分融合学科交叉思维,力争以量子计算为驱动解决实际电力系统运行问题。

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