西安交通大学（谢海鹏）：2025年量子计算驱动的电力系统弹性提升-探索与展望报告

量子计算驱动的电力系统弹性提升谢海鹏付炜2025年10月2025年10月需求!发电厂发电厂开压变变电站¥输电系统输电系统变电站配电系统变电站22015年，台风彩虹登陆我国447.3万户停电，损失超过125亿2015年，台风彩虹登陆我国447.3万户停电，损失超过125亿干旱干旱洪水冻雨风暴热带气旋极端事件数量损失十亿美元极端事件数量损失十亿美元技术需求技术需求投资规划评估难以兼顾效率与准确度规划中考虑运行精细化建模不实际投资规划评估难以兼顾效率与准确度规划中考虑运行精细化建模不实际技术·技术多资源协同恢复优化求解效率低量子计算+经典计算4证明量子图灵机和量子搜索算法推出首台商用量子计算机发布了世界上第一发布了世界上第一0用量子计算机来模拟量子系统的演化首次提出量子图灵机的构架和可以证明量首次提出量子图灵机的构架和可以证明量子加速的算法发布了6量子比特的可编程量子计算机定义量子计算复杂性定义量子计算复杂性2023-20242023-20242025·本源量子公司上线量子计算云平台·超导量子计算原型机“祖冲之二号”冲之二号”量子电路5发展现状发展现状2020年10月，习近平总书记在中共中央政治局就量子科技举行的第二十四次集体学习中指出，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性。加强量子科技发展战略谋划和系统布局，要把握大趋势，下好先手棋。中共中央政治局举行第二十四次集体学习，中华人民共柯难经济和中华人民共柯难经济和(中望人同共和四民经n和时合发展第十四个瞄准人工智能、量子信息、集成电路等科技前沿领域攻关，研制通用量子计算原型机和实用三年院和2035年国梓肇行本出..“十四五”规划远景目标纲要中，将中华人民共耗国中央人民造府(e初.an/.习近平在中央政治局第二十四次集体学习时强调深刻认识推进量子料技发展重大意义加强量子科技发展战略谋划和系统布局/2020/10/17/VIDEBeZ9nv6jihbIHWxtr613201017.shtml6发展现状发展现状国外国内量子计算软件与云平台国外国内量子计算软件与云平台作为量子计算的必要工具与基础平台，现已处于软件架构探索和迭代发展的起步阶段。百度图灵量子计算云平台本源量子云太元一号量易伏弧光量子云平台酷原量子云太章 一待上线—学术成果学术成果恢复3个层面开展深入研究。量子并行估计故障概率+尾部风险高效量化+量子-经典混合弹性评估量子并行估计故障概率+尾部风险高效量化+量子-经典混合弹性评估分解协调算法+交通网-电网协同恢复+量子退火算法嵌入学术成果3.3:基于光量子计算的灾后恢复策略优化方法分解协调算法+机组运行策略优化/多微网协同恢复+光量子加速计算8事前评估量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法事前评估极端灾害风险动态演化下，利用传统方法进行高维极端场景的生成和分析效率低，量子计算提供了精准高效解决的可能。+24小时预警36小时预警猛热带风尾部小概率高风险事件尾部小概率高风险事件高概率低风险事件停电损失x电力网架线路台风中心70%概率范围台风预警信息动态更新量子叠加态生成极端灾害场景并行化估计潜在风险量子线路刻画风险损失台风预警信息动态更新量子叠加态生成极端灾害场景并行化估计潜在风险量子线路刻画风险损失443%iHn5线路故障概率动态变化高效量化厚尾分布下风险Hn5线路故障概率动态变化付炜，谢付炜，谢海鹏”辛宇，陈展，别朝红.灾变风险动态演化下量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法[J.中国电机工程学报，2025,45(15):5771-5784.事前评估量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法事前评估全过程模拟故障损失风险评估4,新短时滚动风险预警下快速风险评估故埠影率切负荷损失固值较风险价值P姒姒PK位寄存器|0)M位寄存器|0)一nn11经典寄存器-量子-经典混合弹性评估流程付炜，谢海鹏”辛字，陈展，别朝红.灾变风险动态演化下量子经典灌合驱动的电力系统弹性评估方法[J].中国电机工程学报，2025,45(15):5比较器比较器事前评估量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法事前评估用量子线路模型刻画电力线路故障概率与系统负荷损失的映射关系，更新各时刻下线路故障概率，即可实现系统损失风险的短时滚动快速评估。84QQ场景2Q24个时预警场景1风速曲线(白风怪兼至过境)一平均风述20场景2风速曲续(台风经袭至过境)一平均凤流80%框枣区同一台风风速税假48场景3风速曲峡(台风经表至过墙)一平均风速80%隔率区间开始更新7小时预警下的潜在气象灾害分布情况风险预警信息动态更新利用量子计解技术综合镜扣受灾电力度路龄障概市选产位方空全过程模拟评估性祥4时刻下的故障集(线略旅障模型、修复模型)记录第。次莹特卡洛模扣下的4一1时刻系统运行状态风险指标结果权衡分析，便新》次蒙持卡洛横拟后的系统运打状态指标平均监T是根据系统运行性能计算弹性指标积据电力线路故障概率，设定不问加固初选方案构造最子电路评估条件风险慨率，提高测量结果准班性是香解除预赁是短时滚动风险预警下快速评估故路整率刻西舌经典弹性评估经典弹性评估付炜，谢海鹏”辛宇，陈腰，别朝红，灾变风险动态演化下量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法[J].中国电机工程学报，2025,45(15):5771-5784.11事前评估量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法事前评估结果显示，相较经典蒙特卡洛模拟，线路故障概率估计中量子算法迭代次数减少75%以上，与经典解析法比测量结果误差均在10-4以内。畅确值畅确值：9.0624经典解析法十误差量子计算方法态出现概率123456789付炜，谢海鹏”辛宇，陈膜，别朝红.灾变风险动态演化下量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法[J].中国电机工程学报，2025,45(15):5771-5784.12所提方法可较蒙特卡洛模拟法效率提升40%。场景1000三3.6回政惠三3.6回政惠L2么440.05%误差内，所提方法较蒙特卡罗模拟法效率提升7%,改进内嵌搜索算法后效率提升40%E(LS)--MCVaR₀9(LS)--MC解→CVaR₀(LS--精确解24付炜，谢海鹏”辛字，陈膜，别朝红.灾变风险动态演化下量子经典混合驱动的电力系统弹性评估方法[J].中国电机工程学报，2025,45(15):5771-5784.13灾前预防量子嵌入式弹性约束机组组合鲁棒优化方法灾前预防极端事件下，电力元件故障随机性强，灾前制定抵御极端事件的鲁棒优化预调度策略具有重要意义。故障清除不迅速系统失控系统失控运行控制不稳定控制指令调整延迟，量子嵌入式弹性约束机组组合鲁棒优化方法考虑故障不确定性、运行经济性和安全性，构建两阶段三层鲁棒优化模型，将分解出的离散子问题转化为量子优化模型，进而借助变分量子算法求解。 致灾因子致灾因子一→致灾概率模型线路故障不确定性重-重-m机组组合鲁棒优化模型s.t.Ay+Bu+Dz≥EFTu≥d 变分量子算法嵌入就离散优化子问题0/1决策变量)部署于量子计算机量子可解释模型0超2WelFu.HaipengXie".ChenChen,ZhaohongBie,Quantum-EmbeddedRobus灾前预防量子嵌入式弹性约束机组组合鲁棒优化方法灾前预防updatethelowerboupdatetheupperbouNoSolvetheproblembyit3.MeasureandcomputetheexpectationofHamiltonian4.ComputetheminimumvaluebyclassicalalgorithmQUBO/lsingmodel→KaiwuSDK→CPStep5:CheckconverWeiFu,HaipengXie"Ch灾前预防量子嵌入式弹性约束机组组合鲁棒优化方法灾前预防psimda5000010060(b)C&CGu-ADMMnrepr=8t四honiad20002-00000111000120不同规模下不同规模下QAOA计算耗时urni2D-lfurni2D-lfNumofbinaryvariablesi各主流量子计算真机/模拟器计算耗时对比各主流量子计算真机/模拟器计算耗时对比算法参数算法参数青左五在M11M:Pndthekolqauoimsimahr.PIBMIBM量子真机测试与最优结果实现概率WelFu,HaipengXie°ChenChen,ZhaohongBie,Quantum-EmbeddedRobustOptimization灾后恢复基于量子计算的灾后拓扑重构及协同恢复方法力支撑。自然灾害人为攻击恢复策略决策中心交通中心②极端事件范围广、影响大极端事件范围广、影响大力灾后快速恢复灾灾后应急资源协调不充分、有序复电难维修队伍1--T=目41* 目标权衡[开关动作成本失负荷损失* 策略恢复[用户负荷策略信息配电网分布式配电网数据输入开关控制模块开关控制模块恢复供电功率控制模块数据流配电网调度中心目标函数约束条件问题抽象化jnF(x)+C()At.Gx=b,J(y)≤0.R(x,量子退火嵌入式交替方向乘子算法离散/连续变量显式分离构造交替迭代的子问题子问题1选代计算选代计算数据处理模块子问题2经典计算环境经典计算环境子计算境子计算境灾后恢复基于混合量子-灾后恢复在混合量子-经典计算框架下实现弹性配电网灾后拓扑重构，205节点配网算例下，计算效率较经典计算可提升约34%,未来大规模系统下优势将持续增强。大规模系统下计算效率有望进一步提升643.1160.0940.4090.609IEEE14节点系统IEEE33节点系统IEEE69节点系统IEEE123节点系统改进205节点系统208算例规模个计算耗时增长速率：QA-ADMM<C-ADMM不同系统规模下求解时间对比付炜，谢海鹏，王鹤峰，陈展，别朝红混合量子经典算法的配电网灾后拓扑重构方法[J].西安交通大学学报2025,59(01):1-16无需大范围调整此参数即可实现较快收敛拓扑重构结果及混合量子-经典算法性能灾后恢复灾后恢复计、参数选择、平台模拟的局限性需要持续研究。1.量子比特规模有限性2.算法参数设定合理性3.量子平台模拟时效性不同采样次数(samplingtimes)下算法计算用时分布图设计了基于混合量子-经典计算的灾后恢复提升理论框架，构建城市配电网灾后恢复调度优化模型。借助量子云平台与本地服务器交互求解，融合了量子计算与经典计算优势。Masterproblem·ReformulatemasterproDwave-QPUAdditionalSolversWeiFu.HaipengXie*,HaoZhu,et多资源协同恢复多资源协同恢复目标：灾后切负荷、恢复时效性配电网运行约束微电网运行约束主问题MP:子问题SP:考+z₂≥1≤Az≤B形成QUBO模型输入利用量子云服务嵌入量子计算机计算优化结果输出交互接口交互接口数据转换PC优化结果输出灾后恢复灾后恢复Performancecomparisonfordifferentcalculationalgorithmunde68.262.3451.02550.2155"hybridbinaryquadraticmodelversion2:HybridsolverforgeneralBQMproblems;Maximum3317三5正志本监35g盒盒盒⑧11问题规模增大后，可能会导致以下挑战：1)模型的minor-embedding过程需要更多时间；2)量子计算机上受噪声影响增大，Qubits之间的Couplers的有效性会降低，可能导致原有约束不满足；3)复杂模型建立和求解任务相关的计算成本增大。不同时间维度下计算耗时WelFu,HaipengXie*,HaoZhu,etal,Coordinatedpost-disasterrestoratio构建了基于光量子计算的输-配-微系统协调恢复框架，挖掘光量子相干伊辛机在解决灾后维修人员调配、多层级电网资源协同复电策略的加速决策优势潜力，提供实用化方法与求解技术。predsurhaneeeposdiubunshicmporedorstaepndnaabolspme1Parl-…SchematicSchematicdiagramofcoherentIsingmechanismconstructionandprincipleWetFu.HaipengXie",YuXin.Quantum-AcceleratedPost-EventResstorationThroughQuantumSurogateAbsolu灾后恢复拓扑快速重构多资源协同恢复输配微协调恢复助变量线性化绝对值项，以“分解+协调”思想，并行求解子问题，实现优化问题加速收敛。g(y)=Ay-40WeiFu,HaipengXie",YuXin.Quantum-AcceleratedPost-EventRestorationThroughQuantumSurrogaleAbsolute-ValueLagrangianRetaxation,Reliability输配微协调恢复输配微协调恢复Updatemultopherandpena…CombineresultsofIBSPCalculatethenumberof喜quantumresourcelimstrategiesandrestora量子代理拉格朗日松弛算法96300算法迭代过程算法迭代过程算法计算用时算法计算用时灾后输电系统机组运行优化多资源协同恢复拓扑快速重构WeiFu.HaipengXie",YuXin.Quanum-AcceleratedPost-EventRestorationThroughQuantumSurogateAbsolute-ValueLagrangianRelaxation.Reliab多资源协同恢复拓扑快速重构应用于多微网互联的配电网灾前-灾后两阶段恢复问题中，针对灾前应急资源预部署、灾后配-微协同恢复优化决策，相较商业求解器Gurobi,计算效率分别提升73.8%、43.9%。Opotentialdeploymentpointsfor血optimizeddeploymentpointsforreMGmicrogrids□□transportatiopre-positionRCs6血84395较商业求解器较商业求解器Gurobi计算效率提升73.8%十较商业求解器较商业求解器Gurobi计算效率提升43.9%Value