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

建较130周年ivYAn——探索与展望谢海鹏付炜2025年10月2025年10月研究背景研究背景金融社会服务交通公共事业通信电力系统是国家关键基础设施研究背景研究背景2015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125亿2008年中国南方冰灾热带气旋2008年中国南方冰灾山火冰暴损失95%CI—5年平均损失2012年飓风桑迪极端事件数量损失十亿美元未来将影极端事件数量损失十亿美元未来将影响电力安全2015年台风彩虹2021年美国得州停电2022年中国四川高温干旱1421条输配电线路停运447.3万户停电风险评估风险评估响应恢复评估难以兼顾效率与准确度多维数据预测-融合难规划中考虑运行精细化建模不实际·复杂安全约束构建极端事件风险防范与应急管理技术极端事件风险防范与应急管理技术多资源协同恢复优化求解效率低量子计算+经典计算发展历程发展历程用I首次提出量子图灵机的构架和可以证明量子加速的算法定义量子计算复杂性发布了6量子比特的首次提出量子图灵机的构架和可以证明量子加速的算法定义量子计算复杂性发布了6量子比特的号”发展现状发展现状瞄准人工智瞄准人工智息、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化量子模拟机发展现状发展现状国外国内国外国内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—当前已经具备探索量子计算进行工业问题求解的基础条件当前已经具备探索量子计算进行工业问题求解的基础条件学术成果1:量子经典混合驱动的电力系统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-经典混合弹性评估致灾不确定性+机组组合鲁棒优化+变分量子计算嵌入学术成果3.1、3.2:分解协调算法+交通网-电网协同恢复+量子退火算法嵌入灾后恢复学术成果3.3:基于光量子计算的灾后恢复策略优化方法灾后恢复分解协调算法+机组运行策略优化/多微网协同恢复+光量子加速计算事前评估事前评估124小时预警124小时预警概率小影响广高概率高概率停电损失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思路所提方法量子线路刻画风险损失量子经典混合驱动量子线路刻画风险损失线路故障概率动态变化线路故障概率动态变化付炜，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.事前评估事前评估全过程模拟故障损失风险评估系统线路运行状态量量子比上器比上器K位寄存器|0)M位寄存器|0)一故端彩率KK辅助量子比特0)—辅助量子比特0)—系统运行状态及平均值EILS风险价值VaR条件风险价值系统运行状态及平均值EILS量子-经典混合弹性评估流程付炜，谢付炜，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):5771-5784.事前评估事前评估场景3场景3风速曲峡(台风经表至过墙)-36小时预警场景2场景1电力网架线路收集台风入侵第7小时预警信息(预测电力数据、台风气象数据等)更新7小时预警下的潜在气象灾害分布情况性祥4时刻下的故障集(线略旅障模型、修复模型)电力系族响应恢复分析是古修复究平榆出电力线路加周排序方案便新》次蒙持卡洛横拟后的系统运打状态指标平均监星舌收数条件是香解除预赁是构造量子电路评估风险价值构造最子电路评估条件风险价值CVaR(LS)短时滚动风险预警下快速评估故路整率刻西置付炜，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事前评估事前评估=T₁2123456789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事前评估事前评估重复实验-IQAE重复实验-MC场景100040.05%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%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故障清除不迅速系统失控指令失效系统失控运行控制不稳定鲁棒优化预鲁棒优化预调度策略挖掘潜力挖掘潜力优势面向极端事件抵御电磁脉冲攻击极端高温台风面向极端事件抵御 致灾因子致灾因子致灾概率模型线路故障不确定性机组组合鲁棒优化模型s.t.Ay+Bu+Dz≥E·机组启停状态约束 原始模型→经典算法分解→变分量子算法分解量子近似优化算法(QAOA)离散优化子问题0/1决策变量)量子可解释模型传递优化后的参数变分量子算法嵌入部署于量子计算机得到最优解灾前预防灾前预防updatethelowerbo3.MeasureandcomputetheexpectationofHamiltonian4.Computetheminimumvaluebyclassicalalgorithmresults;Else,gotohat-?ot-nme50000100609(b)C&CGu-ADMMnre算法参数算法参数PsOBABILTYRESULTSON2UNT×4PRIOD青左五在M11M:P极端事件应急管理中心自然灾害人为攻击恢复策略决策中心交通中心信息流交通网维修队伍2拓扑快速重构拓扑快速重构乘子算法(QA-ADMM),通过目标函数映射转化伊辛模型、嵌入量子硬件实现量子驱动增强经典计算。灾后重构优化问题线路故障及修复状态信息目标函数问题抽象化jnF(x)+C()At.Gx=b,J(y)≤0.R(x,y目标权衡开关动作成本失信号配电网调度中心重构策略数据输入选代计算选代计算数据流量子退火嵌入式交替方向乘子算法离散/连续变量显式分离形成增广拉格朗日函数构造交替迭代的子问题·涉及配电网运行约束、且标中失负荷成本自适应调节机制更新惩罚因子P·涉及配电网拓扑约束、目标中开关动作成本量子请求信息响应信息用户数据库服务器端应用编程接口后端服务器保子机盖描令QPU求解器子计算境子计算境灾后恢复多资源协同恢复灾后恢复多资源协同恢复拓扑快速重构拓扑快速重构多资源协同恢复输配微协调恢复计算可提升约34%,未来大规模系统下优势将持续增强。平均值I1.5IQR内的范围一中位线·异常值大规模系统下计算效率有望进一步提升2.0440 迭代次数QA-ADMM的收敛次数受p的影响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多资源协同恢复输配微协调恢复拓扑快速重构灾后恢复多资源协同恢复输配微协调恢复拓扑快速重构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耗时中位数小分布较集中耗时中位数小分布较集中不同采样次数(samplingtimes)下保证混合量子-经典算法框架设计的合理性灾后恢复输配微协调恢复拓扑快速重构多资源协同恢复灾后恢复输配微协调恢复拓扑快速重构多资源协同恢复ofdamagedcomponentDwave-QPUAdditionalSolvers灾后恢复拓扑快速重构多资源协同恢复灾后恢复拓扑快速重构多资源协同恢复二值优化(QUBO)问题，通过量子计算与经典计算交互迭代，高效输出多资源协同恢复策略。目标：灾后切负荷、恢复时效性原优化问题主问题s.t.Am≤b,Dæ对偶理论+Benders分解子问题经典约束考+z₂≥1≤买++z≤1输入利用量子云服务嵌入量子计算机优化结果输出交互接口交互接口数据转换优化结果输出WelFu.HaipengXie”,HaoZhu,etal,Coordina灾后恢复拓扑快速重构多资源协同恢复灾后恢复拓扑快速重构多资源协同恢复Performancecomparisonfordifferentcalculationalgorithmunde68.262.3451.02550.2155"hybridbinaryquadraticmodelversion2:HybridsolverforgeneralBQMprAdvantagesystem4.1:99.7%(5627qubits)with99.4%ofcouplers(3)复杂模型建立和求解任务相关的计算成本增大。监35g盒盒盒3⑧311灾后恢复拓扑快速重构输配微协调恢复灾后恢复拓扑快速重构输配微协调恢复TransmissionSystemRestor即查查r(modelcompilation,resultcSchematicSchematicdiagramofcoherentIsingmechanismconstructionandprinciple灾后恢复拓扑快速重构多资源协同恢复输配微协调恢复输电网机组组合与优化运行配电网-微电网协同复电策略多区域维修人员调配优化优化问题松弛分解+协调，加速收敛引入绝对值惩罚项来处理耦合约束的违反情况引入辅助变量q,将绝对值项线性化灾后恢复灾后恢复输配微协调恢复initialsystemparanCombineresultsofIBSPIterations算法计算用时算法计算用时灾后恢复拓扑快速重构输配微协调恢复灾后恢复拓扑快速重构输配微协调恢复血optimizeddeploymentpointsfor