基於光量子計算機的虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化方法
郭夢婕1論文，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論文；2.上海非碳基能源轉換與利用研究院(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論文：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，能夠在量子力學規律下調控量子資訊單元以完成高速平行計算，其指數級加速效果已引起國內外研究人員的廣泛關注論文。在電力系統領域，量子計算相關探索研究目前主要涉及電力系統潮流計算、機組組合最佳化、穩定性評估等。但受限於物理硬體，大多數研究均採用量子模擬器或模擬平臺開展，模擬計算的量子加速效果可能無法在實際量子計算機中實現，實用化量子計算機的研發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，各方案的技術優缺點對比如表1所示論文。
表1 三種量子計算機構建方案
考慮量子計算機研發現狀論文，針對電力系統最佳化執行問題，光量子計算機具備獨特應用優勢：
1）現有絕大多數電力系統最佳化執行研究本質為直接或間接處理混合整數線性規劃(MILP)問題，然後呼叫商業求解軟體求解論文。而光量子計算機是求解組合最佳化問題的專用量子計算機，可將MILP問題轉化為二次無約束二值最佳化(QUBO)問題並實現高效能求解，這是其在電力系統最佳化執行領域應用的基礎。
2）相較於其他型別的量子計算機，光量子計算機量子位元數量具備大規模擴充套件的可能性，其支撐量子計算在電力系統最佳化執行領域發揮算力優勢的預期更強、可實踐性更高論文。
2、論文解決問題及意義
展開全文
量子技術的研究處於初期階段，量子計算機的研發仍然任重道遠論文。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，將對助推整個行業技術的衍生發展具有重要意義。本文以虛擬電廠內分散式資源解聚合最佳化問題為研究物件，依託團隊研發的光量子計算機，開展了模型驗證與真機測試，並期望為電力系統與量子計算交叉融合提供可行範例。本文主要貢獻包括：
1）提出了面向虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化的QUBO模型構建方法，詳細說明了最佳化問題目標函式、等式和不等式約束對應QUBO模型懲罰項的轉換方式，為應用光量子計算機求解電力系統執行最佳化問題提供了可行的量子計算正規化論文。
2）提出了考慮虛擬電廠執行特徵的冗餘約束辨識方法與量子位元共用機制，減少光量子計算機求解時所需的量子位元數量論文。基於團隊研發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最佳化問題的可行性與有效性。
3、論文重點內容
本文重點研究虛擬電廠解聚合最佳化過程，以虛擬電廠運營商收益最大化為目標，提出基於光量子計算機的虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化流程，如圖1所示論文。
圖1 基於光量子計算機的虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化流程圖
1）光量子計算機概述論文。
玻色量子公司開發的相干伊辛機(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、全聯接等方面的技術優勢論文。該光量子計算機是一種混合量子計算系統，包含光學和電氣兩部分系統。其中，光學系統主要負責量子位元的製備與儲存，電氣系統主要負責量子位元的控制與計算。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模型論文。
QUBO模型常用於組合最佳化問題建模，其可進一步轉換為Ising模型，並利用專用量子計算機實現超高速求解論文。因此，面向實際應用，如何將所研究的問題轉化為QUBO模型是依託專用量子計算機實現量子加速求解的關鍵。
3）面向虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化的QUBO模型構建方法論文。
本文構建了面向虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化的QUBO模型，進一步提出冗餘約束辨識和量子位元共用機制，以儘可能減少所用量子位元的數量論文。首先透過模型邏輯關係辨識並削減冗餘約束，然後透過共用相同的量子位元表徵鬆弛變數，減少佔用的量子位元數量。若在其他約束條件下某約束始終可以被滿足，即為冗餘約束，冗餘約束在最佳化問題求解時可以去除，以減少約束條件數量，從而減少所使用的量子位元數量。在辨識和去除冗餘約束後，對於剩餘的分散式資源調節範圍約束，可共用同一量子位元表示左側不等式或右側不等式的鬆弛變數，進一步降低虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化問題求解對量子位元數量的依賴。相關計算結果如下圖表所示。
圖3 光量子位元相位演化過程
圖4 光量子計算機最大割示意圖
表2 六種方法的計算結果
4、結論
1）本文提出的QUBO模型構建方法為電力系統最佳化問題求解提供了可行的量子計算正規化，為光量子計算機在電力系統最佳化執行研究中的推廣應用奠定了模型基礎論文。
2）所提出的考慮虛擬電廠執行特徵的冗餘約束辨識方法與量子位元共用機制，顯著減少了QUBO問題求解所需的量子位元數量，可作為有限量子位元資源下提升量子計算機可用性的重要手段論文。
3）針對小規模最佳化問題，光量子計算機真機求解效率優於Gurobi與Cplex，驗證了光量子計算機作為專用硬體資源在電力系統最佳化執行領域應用的可行性，為未來研發更為高效、自主可控的大規模電力系統最佳化問題求解器開闢了新思路，如國產化硬體量子計算伺服器代替國外商用軟體求解器論文。
引文資訊
郭夢婕論文，王晗，嚴正，張文博，陶瑋，周新生，文凱，馬寅，魏海．基於光量子計算機的虛擬電廠分散式資源解聚合最佳化方法．中國電機工程學報． 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．
團隊介紹
上海交通大學電氣工程系智慧電網最佳化排程研究團隊是由嚴正教授帶領、多名中青年教師為骨幹組成的研究群體，研究團隊成員30餘人論文。主要面向智慧電網最佳化排程和能源網際網路執行與控制領域，近年來在電力系統最佳化排程與能量管理、電力-交通耦合執行、電力市場及技術經濟、可再生能源執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、省部級專案，相關研究工作得到國家電網、南方電網、基金委、科技部等大力支援。團隊總結多年的教學、科研、專案經驗，積累形成編著和專著10餘部，近五年發表SCI，EI期刊論文百餘篇，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於2004年，是一家長期專注於電力市場交易、電網智慧排程、智慧發售電和能源網際網路等應用領域戰略諮詢、演算法研究、軟體開發的高新技術企業論文。公司共擁有授權發明專利20項及軟體著作權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、發表論文150餘篇、獲得政府基金支援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業化”為核心目標，依託研究團隊原創的相干量子計算技術，專注於規模化實用型量子計算裝置的研發工作論文。累計佈局發明專利30餘項。在產品研發領域，公司重點聚焦相干光量子計算機研發，於2025年5月釋出最新1000量子位元相干光量子計算機，在工程化程度、量子位元數量、穩定工作時長、計算準確度等關鍵指標上均達到國際領先水平，能夠支援穩定可靠的量子算力及演算法服務。
作者介紹
郭夢婕，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，量子計算。
王晗，男，副研究員，博士生導師，主要研究方向：電力系統不確定性分析，量子計算在電力系統中的應用論文。
嚴正，男，教授，博士生導師，主要研究方向：電力系統最佳化執行，電力系統穩定分析及智慧電網論文。
文凱，男，北京玻色量子科技有限公司創始人，CEO，同時擔任粵港澳大灣區（廣東）量子科學中心PI研究員論文。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資訊泰斗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性的成就，成為該領域在全球範圍內首位博士，已發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始人、COO，量子計算專業正高階工程師論文。領導玻色量子榮獲北京市顛覆性企業，財富50科技企業，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化專案及應用場景落地。本科畢業於天津大學精密儀器學院，研究生畢業於中國科學院國家空間科學中心，博士就讀於北師大人工智慧學院；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設計；參與多次重大發射任務。帶領團隊獲得已授權發明專利超過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、信通院量子計算產業智慧財產權聯盟副理事長，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，本科畢業於清華大學，後赴斯坦福攻讀電子工程學博士，專注高效能運算、量子計算領域論文。曾研發世界首個碳奈米管計算機並登上Nature封面，曾任阿里高管。
