造就超大規模電力系統“超級大腦”——“天權”求解器研發紀實

【創新故事】

◎本報記者 張佳星

今夏，我國月度用電量首次突破萬億千瓦時。作為全球集中統一出清規模最大的電力市場，中國南方區域電力市場剛剛打贏這場迎峰度夏攻堅戰，在電力負荷陡增時，以最優調度確保電力“滿格”供應。

這背后，離不開我國自主研發的“智慧大腦”——“天權”求解器（以下簡稱“天權”）。自南方區域電力市場啟動連續結算以來，“天權”支撐了該市場超7000個模型節點、超200萬項出清變量的高效計算。

“求解器被稱為‘工業軟件之芯’。在能源、金融、物流等領域，要想‘求得’最優運行方案，就需要用到它。”技術負責人、中國南方電力調度控制中心（以下簡稱“南方總調”）自動化處主管彭超逸告訴科技日報記者，“天權”問世，不但獨立支撐了南方區域電力市場連續運行，而且實現了計算性能比進口求解器快14%的躍升，將我國電力保障主動權牢牢攥在自己手中。

夯實“底座”

2015年，打破電力“定價”、實現市場化的改革“發令槍”響起，南方區域的電力市場成為首批參與變革的主力。從以政府定價為主，到基于用電成本、環保支出等因素，找到電力市場定價最合理、調度最優的方案，“求解器”成為解題的關鍵。

彼時，國產求解器性能一度落后于國際主流求解器數十倍。求解同一問題，國產求解器要多花三四十倍時間，根本無法滿足工業界實時、復雜的需求。

改革在即，似乎只剩“買進口”一條路。但南方電網科創部副總經理胡玉峰深知其中風險：“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，外國公司都不會提供。不掌握這些運行規則，就是極大的安全隱患。”

電力保障容不得半分差錯，只能組建研發團隊，自己干！“我們在調研中發現，很多國產求解器用的都是沒有優化的開源底層代碼，這也正是性能落后的最大原因。”彭超逸介紹。

為了得到更優的底層代碼，團隊先后與數十家來自數學、計算機、電力領域的相關單位專家開展座談，集納海量經驗，再將這些調度運行經驗和物理規律抽象成數學模型，用求解器能聽得懂的語言描述出來。

“有些經驗是調度員經年積累的，‘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。”在彭超逸看來，甄選平衡點、提升“同聲傳譯”精準度是最難的環節。

在“啃透”經驗、反復溝通打磨的基礎上，“天權”首次實現將電力系統專業知識融入求解計算過程中。胡玉峰回憶，盡管那時的“天權”只是初具雛形，能不能追上進口求解器還是未知數，但團隊對他們為“天權”奠定的代碼底座充滿信心。后來的事實也證明，底層代碼正是讓“天權”比進口求解器快14%的關鍵所在。

百煉“成型”

搞定代碼只是第一步。“天權”要想在電力市場中大顯身手，還需要盡早進入“試煉場”。而第一次“試煉”過程，直接給研發團隊潑了一盆冷水。

“我們第一次用‘天權’運算一個案例就花了2萬多秒，用時是進口求解器的11倍。”這個結果讓南方總調自動化處高級經理周華鋒倍感壓力。

面對如此巨大的差距，團隊開始嘗試打開進口求解器的“黑盒”，期望由此找到提高運算效率的辦法。但“天權”聯合研發方、杉數科技聯合創始人兼首席技術官王子卓直言，國外的軟件公司不僅不提供代碼，甚至封閉整個運行過程，團隊根本無從入手。

為了讓“天權”長成，南方電網啟動專項研究并創新項目組織模式將其作為首個“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的學術文獻。周華鋒告訴記者，為了尋找優化方案，團隊翻閱了數萬頁論文、資料，但能找到的方法往往只能實現小規模優化，對于工業級應用，效果微乎其微。

大家還試過從進口求解器的計算日志上探尋線索。然而，南方區域電力市場是目前世界上集中統一出清規模最大的高階先進電力市場形態，求解器運行的求解過程異常復雜，可選方案數的位數超21萬位，相當于在2的78萬次方里挑“1”，計算規模動輒萬億步。

與此相對的是，“露出”的計算日志少得可憐。“可能‘黑盒’里已經跑了幾千幾萬步了，日志才‘露出’一小行，參考價值非常有限。”彭超逸說。

“既然找不到參考，我們必須靠自己，摸出優化方法來！”彭超逸帶著團隊，一邊，讓“天權”原型進行大量案例計算，再細致地對整個計算過程進行拆解分析，針對“哪里慢”“為什么慢”逐行代碼找原因、“摳”答案，一點一點拼“碎片”；另一邊，團隊每個人將積累的調度運行經驗和特定領域知識“注入”至求解器算法中，讓底層代碼得到深度優化。

無數次的案例模擬，直到又一次模擬結束后，大家驚奇地發現，針對同一案例，“天權”的計算速度竟然比進口求解器還快14%！“天權”團隊憑著一股韌性，一步一挪追效率，終于讓“天權”的計算速度實現重大突破，系統基本成型。

勇擔“主力”

對于通用求解器而言，其應用的領域或多或少都允許一定的容錯空間。但電力市場不一樣，南方總調技術專家梁彥杰深知，“天權”的可靠性直接關系著電網安全，事關大量執行單位、用電單位，容錯空間幾乎為零。

為了確保準確，“天權”開啟了漫長的“晉級”過程。團隊從南方電網各級網絡，調度大量電廠、變電站真實數據形成案例，用于“天權”實習期測試，每一個案例中都包含數十萬個出清變量。

通過實習考察后，“天權”走上一線“陪練”。那時，它的作用僅是處理實時數據，通過實戰不斷優化各項參數設置，其計算結果還未被使用。隨著時間的推移，“天權”的處理效率與進口求解器不相上下，處理結果也持續優化。

2022年，“天權”憑借優異成績單，開始與進口求解器雙軌部署。但令彭超逸沒想到的是，不同部門反饋的各類問題接踵而至：“這個運算結果和原來求解的結果不一樣，為什么？”“抽調這些機組供電確定合理嗎？”……

五花八門的問題沒有難住團隊。“‘天權’的每步算法都有依據，我們能給執行單位講清楚每個運算過程。”彭超逸解釋，進口求解器是“黑盒”，沒有過程，只有執行結果，“而我們自己研發的求解器，可以針對每個問題展示底層邏輯。”

電力市場從不打烊，彭超逸和同事們也跟著不眠不休，隨時準備回應每個質疑，并根據市場實戰情況，不斷給“天權”優化升級。終于，“天權”的計算結果得到兄弟部門的一致認可。

與進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，支撐交易時間由2天擴大到整月，品種由“日前”擴展為“日前+實時”，類型由傳統能源擴充至新能源……在長達35個月的籌備和12輪內部測試后，“天權”最終獨立支撐起南方區域電力市場實現連續結算。

上海交通大學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出清優化的技術挑戰，達到國際領先水平。

“習近平總書記強調，能源的飯碗必須端在自己手里。‘天權’的自主研發和落地應用，正是科研工作者用智慧為能源安全貢獻的‘硬核’技術力量。”南方總調總經理黃河說。未來，南方總調不僅要為全國統一電力市場提供硬核支撐，還將為油氣、航空、制造等重點行業提供求解器解決方案。