用于优化机组组合的量子计算方法、装置、设备及介质与流程

本申请涉及量子计算，特别地涉及一种用于优化机组组合的量子计算方法、装置、计算设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、机组组合优化（unit commitment, uc）问题是电力系统规划和运营中的一个核心问题，其目的是通过合理调度电力系统中的发电机组，以最小化发电成本，同时满足用户对电能的需求。uc问题通常包含大量的决策变量和复杂的约束条件，包括发电机组的物理限制、电力需求的变化、燃料成本、启停成本以及环境排放标准等。这一问题的本质是一个混合整数规划（mixed-integer programming, mip）问题，既涉及连续变量，也涉及离散变量，这使得问题的求解变得尤为复杂。

2、传统的解决机组组合优化问题，依赖于诸如cplex、gurobi、scip、copt等专业的mip求解器。这些求解器具备处理复杂数学优化问题的能力，能够找到最优或近似最优的解决方案。然而，随着电力系统规模的不断扩大，机组组合优化问题的计算复杂度也随之增加，这对传统优化器的性能提出了更高的要求。尽管这些求解器集成了多种算法，传统优化器在处理大规模uc问题时，依然面临计算时间过长、解空间搜索不充分以及难以处理高度非线性约束等局限性。

3、量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算模式，与经典计算相比，量子计算利用量子比特的叠加和纠缠特性，能够并行处理大量计算任务，理论上在某些问题上表现出显著的计算加速潜力。然而，量子计算在解决uc问题时需要构建一个包含大量量子比特的量子系统，以表示复杂的发电机组组合。这不仅需要消耗大量的量子资源，而且随着量子比特数量的增加，系统的稳定性也会显著下降。因此，尽管量子计算在理论上具有巨大的潜力，但如何有效地利用有限的量子资源来求解uc问题仍然是一个亟待解决的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种用于优化机组组合的量子计算方法，所述方法包括：搭建具有n个量子比特的量子线路，以输出2n个叠加态，机组数量n为2n；计算每台机组的功率比例：确定量子线路输出的2n个叠加态的概率xi，并将每个叠加态的概率xi作为相应机组的功率比例xi，以确定每台机组的功率比例xi，其中，所述2n个叠加态的概率xi之和为1；计算每台机组功率：根据电力系统的总负荷pd和每台机组的功率比例xi，确定每台机组的功率pi；优化参数：根据每台机组的功率pi计算电力系统的总发电费用fc和/或根据预设约束条件优化量子线路中的参数值；重复执行计算每台机组的功率比例的步骤、计算每台机组功率的步骤和优化参数的步骤，直至总发电费用fc或参数值收敛于设定阈值时，停止优化量子线路，并将收敛后的量子线路作为最优量子线路；根据最优量子线路输出的量子态，确定电力系统中最优机组组合。

2、如上所述的方法，计算每台机组的功率比例包括：根据量子线路输出的量子态确定振幅向量；将振幅向量进行模方运算得到概率向量，即

3、；

4、其中，概率向量中xi为叠加态的概率，且满足。

5、如上所述的方法，所述每台机组的功率比例利用如下式子表示：

6、；且

7、；

8、其中，为第i台机组在t时段的功率，取值为0或1，表示第i台机组在t时段处于停运或运行状态，为第i台机组在t时段的发电功率，为t时段的总负荷。

9、如上所述的方法，所述总发电费用fc利用以下公式计算：

10、；

11、；

12、；

13、其中，fc为总发电费用，t为时段变量，t为总时段数，i为机组编号，n为机组总数，为第i台机组在t时段处于停运或运行状态，为第i机组的发电费用函数，为第i机组在t时段的启动费用，为第i机组的发电费用参数，是第i机组在第t时段的发电功率，分别为第i机组的冷、热启动费用，为第i机组在第t时段已经连续运行时间或连续停机时间， 为第i机组的最小停机时间，为第i机组的冷启动时间。

14、如上所述的方法，根据最优量子线路输出的量子态，确定电力系统中最优机组组合包括：利用最优量子线路计算出最小总发电费用fc-min；以及确定最优机组组合中每台机组的功率。

15、如上所述的方法，所述约束条件包括：功率平衡约束、旋转备用约束、机组有功处理上下限约束、最小启停时间约束和机组出力爬坡约束中的一者或多者。

16、根据本申请的另一方面，提出一种用于优化机组组合的量子计算装置，包括：量子线路搭建模块，用于搭建具有n个量子比特的量子线路，以输出2n个叠加态，机组数量n为2n；功率比例计算模块，用于确定量子线路输出的2n个叠加态的概率xi，并将每个叠加态的概率xi作为相应机组的功率比例xi，以确定每台机组的功率比例xi，其中，所述2n个叠加态的概率xi之和为1；机组功率计算模块，用于根据电力系统的总负荷pd和每台机组的功率比例xi，确定每台机组的功率pi；经典优化器，用于根据每台机组的功率pi计算电力系统的总发电费用fc和/或根据预设约束条件优化量子线路中的参数值；功率比例计算模块、功率比例计算模块和机组功率计算模块重复工作，直至判断模块判断出总发电费用fc或参数值收敛于设定阈值时，停止优化量子线路，并将收敛后的量子线路作为最优量子线路；机组组合确定模块，用于根据最优量子线路确定电力系统中最优机组组合。

17、如上所述的装置，所述量子线路包括：参数化线路，包括一层或多层量子门，每层量子门包括参数化ry门和cnot门，cnot门作用在相邻量子比特之间；参数化ry门，作用在参数化线路输出的量子比特上。

18、根据本申请的另一方面，提出一种计算设备，包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的用于优化机组组合的量子计算方法。

19、根据本申请的另一方面，提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时实现如上所述的用于优化机组组合的量子计算方法。

20、本申请利用量子线路中叠加态的概率表示机组的功率比例，降低了量子线路计算机组组合优化问题时量子比特的数量，节省了量子计算资源，极大地促进了其在物理实验环境中的实施和应用。另外，通过量子计算的并行计算能力，可以在更短的时间内计算出最优的解决方案，显著提升了求解大规模uc问题的效率。

技术特征：

1.一种用于优化机组组合的量子计算方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算每台机组的功率比例包括：

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每台机组的功率比例利用如下式子表示：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总发电费用fc利用以下公式计算：

5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据最优量子线路输出的量子态，确定电力系统中最优机组组合包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括：功率平衡约束、旋转备用约束、机组有功处理上下限约束、最小启停时间约束和机组出力爬坡约束中的一者或多者。

7.一种用于优化机组组合的量子计算装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述量子线路包括：

9.一种计算设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-6中任一所述的用于优化机组组合的量子计算方法。

技术总结本申请涉及量子计算领域，公开了一种用于优化机组组合的量子计算方法，包括：搭建具有n个量子比特的量子线路，以输出2<supgt;n</supgt;个叠加态；确定量子线路输出的2<supgt;n</supgt;个叠加态的概率x<subgt;i</subgt;，并将每个叠加态的概率x<subgt;i</subgt;作为相应机组的功率比例x<subgt;i</subgt;；根据电力系统的总负荷P<subgt;D</subgt;和每台机组的功率比例x<subgt;i</subgt;，确定每台机组的功率P<subgt;i</subgt;；根据每台机组的功率P<subgt;i</subgt;计算电力系统的总发电费用F<subgt;C</subgt;和/或根据预设约束条件优化量子线路中的参数值；重复执行上述步骤，直至总发电费用F<subgt;C</subgt;或参数值收敛于设定阈值时，停止优化量子线路，并将收敛后的量子线路作为最优量子线路；根据最优量子线路确定电力系统中最优机组组合。本申请的技术方案在筛选出最优的机组组合时，具有时间短和准确度高等优点。技术研发人员：周旭,周卓俊,罗乐,万相奎,王流伍受保护的技术使用者：国开启科量子技术（安徽）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/18