基于光量子計算機的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化方法
郭夢婕1，王晗2，嚴正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；2.上海非碳基能源轉(zhuǎn)換與利用研究院(上海交通大學)；3.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學)；4.北京玻色量子科技有限公司)
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.232192
1、研究背景
量子計算作為一種新型計算方法，能夠在量子力學規(guī)律下調(diào)控量子信息單元以完成高速并行計算，其指數(shù)級加速效果已引起國內(nèi)外研究人員的廣泛關注。在電力系統(tǒng)領域，量子計算相關探索研究目前主要涉及電力系統(tǒng)潮流計算、機組組合優(yōu)化、穩(wěn)定性評估等。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開展，仿真計算的量子加速效果可能無法在實際量子計算機中實現(xiàn)，實用化量子計算機的研發(fā)仍然是制約量子計算推廣應用的瓶頸問題。
目前，量子計算機構建方案主要有超導、離子阱、光學，各方案的技術優(yōu)缺點對比如表1所示。
表1 三種量子計算機構建方案
考慮量子計算機研發(fā)現(xiàn)狀，針對電力系統(tǒng)優(yōu)化運行問題，光量子計算機具備獨特應用優(yōu)勢：
1）現(xiàn)有絕大多數(shù)電力系統(tǒng)優(yōu)化運行研究本質(zhì)為直接或間接處理混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)問題，然后調(diào)用商業(yè)求解軟件求解。而光量子計算機是求解組合優(yōu)化問題的專用量子計算機，可將MILP問題轉(zhuǎn)化為二次無約束二值優(yōu)化(QUBO)問題并實現(xiàn)高性能求解，這是其在電力系統(tǒng)優(yōu)化運行領域應用的基礎。
2）相較于其他類型的量子計算機，光量子計算機量子比特數(shù)量具備大規(guī)模擴展的可能性，其支撐量子計算在電力系統(tǒng)優(yōu)化運行領域發(fā)揮算力優(yōu)勢的預期更強、可實踐性更高。
2、論文解決問題及意義
量子技術的研究處于初期階段，量子計算機的研發(fā)仍然任重道遠。以光量子計算機為代表的專用量子計算機最先取得特定領域的應用實踐，將對助推整個行業(yè)技術的衍生發(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)化問題為研究對象，依托團隊研發(fā)的光量子計算機，開展了模型驗證與真機測試，并期望為電力系統(tǒng)與量子計算交叉融合提供可行范例。本文主要貢獻包括：
1）提出了面向虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化的QUBO模型構建方法，詳細說明了優(yōu)化問題目標函數(shù)、等式和不等式約束對應QUBO模型懲罰項的轉(zhuǎn)換方式，為應用光量子計算機求解電力系統(tǒng)運行優(yōu)化問題提供了可行的量子計算范式。
2）提出了考慮虛擬電廠運行特征的冗余約束辨識方法與量子比特共用機制，減少光量子計算機求解時所需的量子比特數(shù)量。基于團隊研發(fā)的光量子計算機真機開展應用測試，驗證了光量子計算機求解虛擬電廠解聚合優(yōu)化問題的可行性與有效性。
3、論文重點內(nèi)容
本文重點研究虛擬電廠解聚合優(yōu)化過程，以虛擬電廠運營商收益最大化為目標，提出基于光量子計算機的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化流程，如圖1所示。
圖1 基于光量子計算機的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化流程圖
1）光量子計算機概述。
玻色量子公司開發(fā)的相干伊辛機(Coherent Ising Machine，CIM)是一款專用光量子計算機，具有常溫光量子編碼操控、全聯(lián)接等方面的技術優(yōu)勢。該光量子計算機是一種混合量子計算系統(tǒng)，包含光學和電氣兩部分系統(tǒng)。其中，光學系統(tǒng)主要負責量子比特的制備與存儲，電氣系統(tǒng)主要負責量子比特的控制與計算。具體原理如圖2所示。
圖2 光量子計算機原理圖
2）光量子計算機可求解的QUBO模型。
QUBO模型常用于組合優(yōu)化問題建模，其可進一步轉(zhuǎn)換為Ising模型，并利用專用量子計算機實現(xiàn)超高速求解。因此，面向?qū)嶋H應用，如何將所研究的問題轉(zhuǎn)化為QUBO模型是依托專用量子計算機實現(xiàn)量子加速求解的關鍵。
3）面向虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化的QUBO模型構建方法。
本文構建了面向虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化的QUBO模型，進一步提出冗余約束辨識和量子比特共用機制，以盡可能減少所用量子比特的數(shù)量。首先通過模型邏輯關系辨識并削減冗余約束，然后通過共用相同的量子比特表征松弛變量，減少占用的量子比特數(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)化問題求解時可以去除，以減少約束條件數(shù)量，從而減少所使用的量子比特數(shù)量。在辨識和去除冗余約束后，對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，進一步降低虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化問題求解對量子比特數(shù)量的依賴。相關計算結(jié)果如下圖表所示。
圖3 光量子比特相位演化過程
圖4 光量子計算機最大割示意圖
表2 六種方法的計算結(jié)果
4、結(jié)論
1）本文提出的QUBO模型構建方法為電力系統(tǒng)優(yōu)化問題求解提供了可行的量子計算范式，為光量子計算機在電力系統(tǒng)優(yōu)化運行研究中的推廣應用奠定了模型基礎。
2）所提出的考慮虛擬電廠運行特征的冗余約束辨識方法與量子比特共用機制，顯著減少了QUBO問題求解所需的量子比特數(shù)量，可作為有限量子比特資源下提升量子計算機可用性的重要手段。
3）針對小規(guī)模優(yōu)化問題，光量子計算機真機求解效率優(yōu)于Gurobi與Cplex，驗證了光量子計算機作為專用硬件資源在電力系統(tǒng)優(yōu)化運行領域應用的可行性，為未來研發(fā)更為高效、自主可控的大規(guī)模電力系統(tǒng)優(yōu)化問題求解器開辟了新思路，如國產(chǎn)化硬件量子計算服務器代替國外商用軟件求解器。
引文信息
郭夢婕，王晗，嚴正，張文博，陶瑋，周新生，文凱，馬寅，魏海．基于光量子計算機的虛擬電廠分布式資源解聚合優(yōu)化方法．中國電機工程學報． 2025，45(8)：2936-2945．
GUO Mengjie，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．
團隊介紹
上海交通大學電氣工程系智能電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度研究團隊是由嚴正教授帶領、多名中青年教師為骨干組成的研究群體，研究團隊成員30余人。主要面向智能電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度和能源互聯(lián)網(wǎng)運行與控制領域，近年來在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與能量管理、電力-交通耦合運行、電力市場及技術經(jīng)濟、可再生能源運行與風險管理等方面的研究取得了豐碩成果，負責和參與多個國家級、省部級項目，相關研究工作得到國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、基金委、科技部等大力支持。團隊總結(jié)多年的教學、科研、項目經(jīng)驗，積累形成編著和專著10余部，近五年發(fā)表SCI，EI期刊論文百余篇，榮獲上海市科技進步獎一等獎、中國電工技術學會科技進步一等獎等多項榮譽。
北京清大科越股份有限公司成立于2004年，是一家長期專注于電力市場交易、電網(wǎng)智能調(diào)度、智能發(fā)售電和能源互聯(lián)網(wǎng)等應用領域戰(zhàn)略咨詢、算法研究、軟件開發(fā)的高新技術企業(yè)。公司共擁有授權發(fā)明專利20項及軟件著作權226項，獲得省(部)級科技進步獎16個(其中一等獎2個，二等獎8個)、電力公司科技進步獎20個、出版合著2部、發(fā)表論文150余篇、獲得政府基金支持6項。
北京玻色量子科技有限公司自成立以來始終以“推動量子計算實用化與產(chǎn)業(yè)化”為核心目標，依托研究團隊原創(chuàng)的相干量子計算技術，專注于規(guī)?；瘜嵱眯土孔佑嬎阍O備的研發(fā)工作。累計布局發(fā)明專利30余項。在產(chǎn)品研發(fā)領域，公司重點聚焦相干光量子計算機研發(fā)，于2025年5月發(fā)布最新1000量子比特相干光量子計算機，在工程化程度、量子比特數(shù)量、穩(wěn)定工作時長、計算準確度等關鍵指標上均達到國際領先水平，能夠支持穩(wěn)定可靠的量子算力及算法服務。
作者介紹
郭夢婕，女，博士生，工程師。主要研究方向：綜合能源管理，虛擬電廠，交通能源融合，量子計算。
王晗，男，副研究員，博士生導師，主要研究方向：電力系統(tǒng)不確定性分析，量子計算在電力系統(tǒng)中的應用。
嚴正，男，教授，博士生導師，主要研究方向：電力系統(tǒng)優(yōu)化運行，電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及智能電網(wǎng)。
文凱，男，北京玻色量子科技有限公司創(chuàng)始人，CEO，同時擔任粵港澳大灣區(qū)（廣東）量子科學中心PI研究員。清華大學本碩，美國斯坦福大學電子工程系博士，師從龍桂魯教授和量子光學和量子信息泰斗Yoshihisa Yamamoto（山本喜久）教授。文凱博士在相干量子計算方向上做出了開創(chuàng)性的成就，成為該領域在全球范圍內(nèi)首位博士，已發(fā)表多篇頂級論文和專利。
馬寅，男，北京玻色量子科技有限公司創(chuàng)始人、COO，量子計算專業(yè)正高級工程師。領導玻色量子榮獲北京市顛覆性企業(yè)，財富50科技企業(yè)，MIT最聰明的50家公司等多項榮譽，在量子計算領域負責多項重大科技成果轉(zhuǎn)化項目及應用場景落地。本科畢業(yè)于天津大學精密儀器學院，研究生畢業(yè)于中國科學院國家空間科學中心，博士就讀于北師大人工智能學院；曾參與負責多艘載人航天飛船和中國空間站的精密儀器系統(tǒng)設計；參與多次重大發(fā)射任務。帶領團隊獲得已授權發(fā)明專利超過40項；還同時擔任北京航空航天大學、天津大學、東南大學等高校校外導師、信通院量子計算產(chǎn)業(yè)知識產(chǎn)權聯(lián)盟副理事長，中國移動中電科量子計算外部專家等多項學術及社會職務。
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，后赴斯坦福攻讀電子工程學博士，專注高性能計算、量子計算領域。曾研發(fā)世界首個碳納米管計算機并登上Nature封面，曾任阿里高管。
轉(zhuǎn)自：C114通信網(wǎng)
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