造就超大规模电力系统“超级大脑”

造就超大规模电力系统“超级大脑”——“天权”求解器研发纪实

【创新故事】

◎本报记者 张佳星

今夏，我国月度用电量首次突破万亿千瓦时。作为全球集中统一出清规模最大的电力市场，中国南方区域电力市场刚刚打赢这场迎峰度夏攻坚战，在电力负荷陡增时，以最优调度确保电力“满格”供应。

这背后，离不开我国自主研发的“智慧大脑”——“天权”求解器（以下简称“天权”）。自南方区域电力市场启动连续结算以来，“天权”支撑了该市场超7000个模型节点、超200万项出清变量的高效计算。

“求解器被称为‘工业软件之芯’。在能源、金融、物流等领域，要想‘求得’最优运行方案，就需要用到它。”技术负责人、中国南方电力调度控制中心（以下简称“南方总调”）自动化处主管彭超逸告诉科技日报记者，“天权”问世，不但独立支撑了南方区域电力市场连续运行，而且实现了计算性能比进口求解器快14%的跃升，将我国电力保障主动权牢牢攥在自己手中。

夯实“底座”

2015年，打破电力“定价”、实现市场化的改革“发令枪”响起，南方区域的电力市场成为首批参与变革的主力。从以政府定价为主，到基于用电成本、环保支出等因素，找到电力市场定价最合理、调度最优的方案，“求解器”成为解题的关键。

彼时，国产求解器性能一度落后于国际主流求解器数十倍。求解同一问题，国产求解器要多花三四十倍时间，根本无法满足工业界实时、复杂的需求。

改革在即，似乎只剩“买进口”一条路。但南方电网科创部副总经理胡玉峰深知其中风险：“国外求解器是很成熟，但用什么公式、代码怎么运作、模型如何求解，外国公司都不会提供。不掌握这些运行规则，就是极大的安全隐患。”

电力保障容不得半分差错，只能组建研发团队，自己干！“我们在调研中发现，很多国产求解器用的都是没有优化的开源底层代码，这也正是性能落后的最大原因。”彭超逸介绍。

为了得到更优的底层代码，团队先后与数十家来自数学、计算机、电力领域的相关单位专家开展座谈，集纳海量经验，再将这些调度运行经验和物理规律抽象成数学模型，用求解器能听得懂的语言描述出来。

“有些经验是调度员经年积累的，‘为什么这样决定’，需要把决策分拆成不同模型，但又不能太复杂。”在彭超逸看来，甄选平衡点、提升“同声传译”精准度是最难的环节。

在“啃透”经验、反复沟通打磨的基础上，“天权”首次实现将电力系统专业知识融入求解计算过程中。胡玉峰回忆，尽管那时的“天权”只是初具雏形，能不能追上进口求解器还是未知数，但团队对他们为“天权”奠定的代码底座充满信心。后来的事实也证明，底层代码正是让“天权”比进口求解器快14%的关键所在。

百炼“成型”

搞定代码只是第一步。“天权”要想在电力市场中大显身手，还需要尽早进入“试炼场”。而第一次“试炼”过程，直接给研发团队泼了一盆冷水。

“我们第一次用‘天权’运算一个案例就花了2万多秒，用时是进口求解器的11倍。”这个结果让南方总调自动化处高级经理周华锋倍感压力。

面对如此巨大的差距，团队开始尝试打开进口求解器的“黑盒”，期望由此找到提高运算效率的办法。但“天权”联合研发方、杉数科技联合创始人兼首席技术官王子卓直言，国外的软件公司不仅不提供代码，甚至封闭整个运行过程，团队根本无从入手。

为了让“天权”长成，南方电网启动专项研究并创新项目组织模式将其作为首个“揭榜挂帅”项目。

立项成为团队探索、试错的坚强后盾。最初，团队把希望寄托于相关的学术文献。周华锋告诉记者，为了寻找优化方案，团队翻阅了数万页论文、资料，但能找到的方法往往只能实现小规模优化，对于工业级应用，效果微乎其微。

大家还试过从进口求解器的计算日志上探寻线索。然而，南方区域电力市场是目前世界上集中统一出清规模最大的高阶先进电力市场形态，求解器运行的求解过程异常复杂，可选方案数的位数超21万位，相当于在2的78万次方里挑“1”，计算规模动辄万亿步。

与此相对的是，“露出”的计算日志少得可怜。“可能‘黑盒’里已经跑了几千几万步了，日志才‘露出’一小行，参考价值非常有限。”彭超逸说。

“既然找不到参考，我们必须靠自己，摸出优化方法来！”彭超逸带着团队，一边，让“天权”原型进行大量案例计算，再细致地对整个计算过程进行拆解分析，针对“哪里慢”“为什么慢”逐行代码找原因、“抠”答案，一点一点拼“碎片”；另一边，团队每个人将积累的调度运行经验和特定领域知识“注入”至求解器算法中，让底层代码得到深度优化。

无数次的案例模拟，直到又一次模拟结束后，大家惊奇地发现，针对同一案例，“天权”的计算速度竟然比进口求解器还快14%！“天权”团队凭着一股韧性，一步一挪追效率，终于让“天权”的计算速度实现重大突破，系统基本成型。

勇担“主力”

对于通用求解器而言，其应用的领域或多或少都允许一定的容错空间。但电力市场不一样，南方总调技术专家梁彦杰深知，“天权”的可靠性直接关系着电网安全，事关大量执行单位、用电单位，容错空间几乎为零。

为了确保准确，“天权”开启了漫长的“晋级”过程。团队从南方电网各级网络，调度大量电厂、变电站真实数据形成案例，用于“天权”实习期测试，每一个案例中都包含数十万个出清变量。

通过实习考察后，“天权”走上一线“陪练”。那时，它的作用仅是处理实时数据，通过实战不断优化各项参数设置，其计算结果还未被使用。随着时间的推移，“天权”的处理效率与进口求解器不相上下，处理结果也持续优化。

2022年，“天权”凭借优异成绩单，开始与进口求解器双轨部署。但令彭超逸没想到的是，不同部门反馈的各类问题接踵而至：“这个运算结果和原来求解的结果不一样，为什么？”“抽调这些机组供电确定合理吗？”……

五花八门的问题没有难住团队。“‘天权’的每步算法都有依据，我们能给执行单位讲清楚每个运算过程。”彭超逸解释，进口求解器是“黑盒”，没有过程，只有执行结果，“而我们自己研发的求解器，可以针对每个问题展示底层逻辑。”

电力市场从不打烊，彭超逸和同事们也跟着不眠不休，随时准备回应每个质疑，并根据市场实战情况，不断给“天权”优化升级。终于，“天权”的计算结果得到兄弟部门的一致认可。

与进口求解器双轨运行近两年后，“天权”正式转为主用求解器独立运行，支撑交易时间由2天扩大到整月，品种由“日前”扩展为“日前+实时”，类型由传统能源扩充至新能源……在长达35个月的筹备和12轮内部测试后，“天权”最终独立支撑起南方区域电力市场实现连续结算。

上海交通大学智能计算研究院教授葛冬冬认为，该成果解决了超大规模电力市场出清优化的技术挑战，达到国际领先水平。

“习近平总书记强调，能源的饭碗必须端在自己手里。‘天权’的自主研发和落地应用，正是科研工作者用智慧为能源安全贡献的‘硬核’技术力量。”南方总调总经理黄河说。未来，南方总调不仅要为全国统一电力市场提供硬核支撑，还将为油气、航空、制造等重点行业提供求解器解决方案。