造就超大規模電力系統“超級大腦”——“天權”求解器研發(fā)紀實(shí)

【創(chuàng )新故事】

◎本報記者 張佳星

今夏，我國月度用電量首次突破萬(wàn)億千瓦時(shí)。作為全球集中統一出清規模最大的電力市場(chǎng)，中國南方區域電力市場(chǎng)剛剛打贏(yíng)這場(chǎng)迎峰度夏攻堅戰，在電力負荷陡增時(shí)，以最優(yōu)調度確保電力“滿(mǎn)格”供應。

這背后，離不開(kāi)我國自主研發(fā)的“智慧大腦”——“天權”求解器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天權”）。自南方區域電力市場(chǎng)啟動(dòng)連續結算以來(lái)，“天權”支撐了該市場(chǎng)超7000個(gè)模型節點(diǎn)、超200萬(wàn)項出清變量的高效計算。

“求解器被稱(chēng)為‘工業(yè)軟件之芯’。在能源、金融、物流等領(lǐng)域，要想‘求得’最優(yōu)運行方案，就需要用到它?！奔夹g(shù)負責人、中國南方電力調度控制中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南方總調”）自動(dòng)化處主管彭超逸告訴科技日報記者，“天權”問(wèn)世，不但獨立支撐了南方區域電力市場(chǎng)連續運行，而且實(shí)現了計算性能比進(jìn)口求解器快14%的躍升，將我國電力保障主動(dòng)權牢牢攥在自己手中。

夯實(shí)“底座”

2015年，打破電力“定價(jià)”、實(shí)現市場(chǎng)化的改革“發(fā)令槍”響起，南方區域的電力市場(chǎng)成為首批參與變革的主力。從以政府定價(jià)為主，到基于用電成本、環(huán)保支出等因素，找到電力市場(chǎng)定價(jià)最合理、調度最優(yōu)的方案，“求解器”成為解題的關(guān)鍵。

彼時(shí)，國產(chǎn)求解器性能一度落后于國際主流求解器數十倍。求解同一問(wèn)題，國產(chǎn)求解器要多花三四十倍時(shí)間，根本無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)界實(shí)時(shí)、復雜的需求。

改革在即，似乎只?！百I(mǎi)進(jìn)口”一條路。但南方電網(wǎng)科創(chuàng )部副總經(jīng)理胡玉峰深知其中風(fēng)險：“國外求解器是很成熟，但用什么公式、代碼怎么運作、模型如何求解，外國公司都不會(huì )提供。不掌握這些運行規則，就是極大的安全隱患?！?/p>

電力保障容不得半分差錯，只能組建研發(fā)團隊，自己干！“我們在調研中發(fā)現，很多國產(chǎn)求解器用的都是沒(méi)有優(yōu)化的開(kāi)源底層代碼，這也正是性能落后的最大原因?！迸沓萁榻B。

為了得到更優(yōu)的底層代碼，團隊先后與數十家來(lái)自數學(xué)、計算機、電力領(lǐng)域的相關(guān)單位專(zhuān)家開(kāi)展座談，集納海量經(jīng)驗，再將這些調度運行經(jīng)驗和物理規律抽象成數學(xué)模型，用求解器能聽(tīng)得懂的語(yǔ)言描述出來(lái)。

“有些經(jīng)驗是調度員經(jīng)年積累的，‘為什么這樣決定’，需要把決策分拆成不同模型，但又不能太復雜?！痹谂沓菘磥?lái)，甄選平衡點(diǎn)、提升“同聲傳譯”精準度是最難的環(huán)節。

在“啃透”經(jīng)驗、反復溝通打磨的基礎上，“天權”首次實(shí)現將電力系統專(zhuān)業(yè)知識融入求解計算過(guò)程中。胡玉峰回憶，盡管那時(shí)的“天權”只是初具雛形，能不能追上進(jìn)口求解器還是未知數，但團隊對他們?yōu)椤疤鞕唷钡於ǖ拇a底座充滿(mǎn)信心。后來(lái)的事實(shí)也證明，底層代碼正是讓“天權”比進(jìn)口求解器快14%的關(guān)鍵所在。

百煉“成型”

搞定代碼只是第一步?！疤鞕唷币朐陔娏κ袌?chǎng)中大顯身手，還需要盡早進(jìn)入“試煉場(chǎng)”。而第一次“試煉”過(guò)程，直接給研發(fā)團隊潑了一盆冷水。

“我們第一次用‘天權’運算一個(gè)案例就花了2萬(wàn)多秒，用時(shí)是進(jìn)口求解器的11倍?！边@個(gè)結果讓南方總調自動(dòng)化處高級經(jīng)理周華鋒倍感壓力。

面對如此巨大的差距，團隊開(kāi)始嘗試打開(kāi)進(jìn)口求解器的“黑盒”，期望由此找到提高運算效率的辦法。但“天權”聯(lián)合研發(fā)方、杉數科技聯(lián)合創(chuàng )始人兼首席技術(shù)官王子卓直言，國外的軟件公司不僅不提供代碼，甚至封閉整個(gè)運行過(guò)程，團隊根本無(wú)從入手。

為了讓“天權”長(cháng)成，南方電網(wǎng)啟動(dòng)專(zhuān)項研究并創(chuàng )新項目組織模式將其作為首個(gè)“揭榜掛帥”項目。

立項成為團隊探索、試錯的堅強后盾。最初，團隊把希望寄托于相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻。周華鋒告訴記者，為了尋找優(yōu)化方案，團隊翻閱了數萬(wàn)頁(yè)論文、資料，但能找到的方法往往只能實(shí)現小規模優(yōu)化，對于工業(yè)級應用，效果微乎其微。

大家還試過(guò)從進(jìn)口求解器的計算日志上探尋線(xiàn)索。然而，南方區域電力市場(chǎng)是目前世界上集中統一出清規模最大的高階先進(jìn)電力市場(chǎng)形態(tài)，求解器運行的求解過(guò)程異常復雜，可選方案數的位數超21萬(wàn)位，相當于在2的78萬(wàn)次方里挑“1”，計算規模動(dòng)輒萬(wàn)億步。

與此相對的是，“露出”的計算日志少得可憐?！翱赡堋诤小镆呀?jīng)跑了幾千幾萬(wàn)步了，日志才‘露出’一小行，參考價(jià)值非常有限?！迸沓菡f(shuō)。

“既然找不到參考，我們必須靠自己，摸出優(yōu)化方法來(lái)！”彭超逸帶著(zhù)團隊，一邊，讓“天權”原型進(jìn)行大量案例計算，再細致地對整個(gè)計算過(guò)程進(jìn)行拆解分析，針對“哪里慢”“為什么慢”逐行代碼找原因、“摳”答案，一點(diǎn)一點(diǎn)拼“碎片”；另一邊，團隊每個(gè)人將積累的調度運行經(jīng)驗和特定領(lǐng)域知識“注入”至求解器算法中，讓底層代碼得到深度優(yōu)化。

無(wú)數次的案例模擬，直到又一次模擬結束后，大家驚奇地發(fā)現，針對同一案例，“天權”的計算速度竟然比進(jìn)口求解器還快14%！“天權”團隊憑著(zhù)一股韌性，一步一挪追效率，終于讓“天權”的計算速度實(shí)現重大突破，系統基本成型。

勇?lián)爸髁Α?/p>

對于通用求解器而言，其應用的領(lǐng)域或多或少都允許一定的容錯空間。但電力市場(chǎng)不一樣，南方總調技術(shù)專(zhuān)家梁彥杰深知，“天權”的可靠性直接關(guān)系著(zhù)電網(wǎng)安全，事關(guān)大量執行單位、用電單位，容錯空間幾乎為零。

為了確保準確，“天權”開(kāi)啟了漫長(cháng)的“晉級”過(guò)程。團隊從南方電網(wǎng)各級網(wǎng)絡(luò )，調度大量電廠(chǎng)、變電站真實(shí)數據形成案例，用于“天權”實(shí)習期測試，每一個(gè)案例中都包含數十萬(wàn)個(gè)出清變量。

通過(guò)實(shí)習考察后，“天權”走上一線(xiàn)“陪練”。那時(shí)，它的作用僅是處理實(shí)時(shí)數據，通過(guò)實(shí)戰不斷優(yōu)化各項參數設置，其計算結果還未被使用。隨著(zhù)時(shí)間的推移，“天權”的處理效率與進(jìn)口求解器不相上下，處理結果也持續優(yōu)化。

2022年，“天權”憑借優(yōu)異成績(jì)單，開(kāi)始與進(jìn)口求解器雙軌部署。但令彭超逸沒(méi)想到的是，不同部門(mén)反饋的各類(lèi)問(wèn)題接踵而至：“這個(gè)運算結果和原來(lái)求解的結果不一樣，為什么？”“抽調這些機組供電確定合理嗎？”……

五花八門(mén)的問(wèn)題沒(méi)有難住團隊?！啊鞕唷拿坎剿惴ǘ加幸罁?，我們能給執行單位講清楚每個(gè)運算過(guò)程?！迸沓萁忉?zhuān)M(jìn)口求解器是“黑盒”，沒(méi)有過(guò)程，只有執行結果，“而我們自己研發(fā)的求解器，可以針對每個(gè)問(wèn)題展示底層邏輯?！?/p>

電力市場(chǎng)從不打烊，彭超逸和同事們也跟著(zhù)不眠不休，隨時(shí)準備回應每個(gè)質(zhì)疑，并根據市場(chǎng)實(shí)戰情況，不斷給“天權”優(yōu)化升級。終于，“天權”的計算結果得到兄弟部門(mén)的一致認可。

與進(jìn)口求解器雙軌運行近兩年后，“天權”正式轉為主用求解器獨立運行，支撐交易時(shí)間由2天擴大到整月，品種由“日前”擴展為“日前+實(shí)時(shí)”，類(lèi)型由傳統能源擴充至新能源……在長(cháng)達35個(gè)月的籌備和12輪內部測試后，“天權”最終獨立支撐起南方區域電力市場(chǎng)實(shí)現連續結算。

上海交通大學(xué)智能計算研究院教授葛冬冬認為，該成果解決了超大規模電力市場(chǎng)出清優(yōu)化的技術(shù)挑戰，達到國際領(lǐng)先水平。

“習近平總書(shū)記強調，能源的飯碗必須端在自己手里?！鞕唷淖灾餮邪l(fā)和落地應用，正是科研工作者用智慧為能源安全貢獻的‘硬核’技術(shù)力量?！蹦戏娇傉{總經(jīng)理黃河說(shuō)。未來(lái)，南方總調不僅要為全國統一電力市場(chǎng)提供硬核支撐，還將為油氣、航空、制造等重點(diǎn)行業(yè)提供求解器解決方案。