造就超大規(guī)模電力系統(tǒng)“超級(jí)大腦”——“天權(quán)”求解器研發(fā)紀(jì)實(shí)

【創(chuàng)新故事】

◎本報(bào)記者 張佳星

今夏，我國月度用電量首次突破萬億千瓦時(shí)。作為全球集中統(tǒng)一出清規(guī)模最大的電力市場(chǎng)，中國南方區(qū)域電力市場(chǎng)剛剛打贏這場(chǎng)迎峰度夏攻堅(jiān)戰(zhàn)，在電力負(fù)荷陡增時(shí)，以最優(yōu)調(diào)度確保電力“滿格”供應(yīng)。

這背后，離不開我國自主研發(fā)的“智慧大腦”——“天權(quán)”求解器（以下簡稱“天權(quán)”）。自南方區(qū)域電力市場(chǎng)啟動(dòng)連續(xù)結(jié)算以來，“天權(quán)”支撐了該市場(chǎng)超7000個(gè)模型節(jié)點(diǎn)、超200萬項(xiàng)出清變量的高效計(jì)算。

“求解器被稱為‘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(yùn)行方案，就需要用到它。”技術(shù)負(fù)責(zé)人、中國南方電力調(diào)度控制中心（以下簡稱“南方總調(diào)”）自動(dòng)化處主管彭超逸告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“天權(quán)”問世，不但獨(dú)立支撐了南方區(qū)域電力市場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行，而且實(shí)現(xiàn)了計(jì)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(quán)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(xiàn)市場(chǎng)化的改革“發(fā)令槍”響起，南方區(qū)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(diào)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(shù)十倍。求解同一問題，國產(chǎn)求解器要多花三四十倍時(shí)間，根本無法滿足工業(yè)界實(shí)時(shí)、復(fù)雜的需求。

改革在即，似乎只剩“買進(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(xiǎn)：“國外求解器是很成熟，但用什么公式、代碼怎么運(yùn)作、模型如何求解，外國公司都不會(huì)提供。不掌握這些運(yùn)行規(guī)則，就是極大的安全隱患。”

電力保障容不得半分差錯(cuò)，只能組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，自己干！“我們?cè)谡{(diào)研中發(fā)現(xiàn)，很多國產(chǎn)求解器用的都是沒有優(yōu)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(yōu)的底層代碼，團(tuán)隊(duì)先后與數(shù)十家來自數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電力領(lǐng)域的相關(guān)單位專家開展座談，集納海量經(jīng)驗(yàn)，再將這些調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和物理規(guī)律抽象成數(shù)學(xué)模型，用求解器能聽得懂的語言描述出來。

“有些經(jīng)驗(yàn)是調(diào)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(fù)雜。”在彭超逸看來，甄選平衡點(diǎn)、提升“同聲傳譯”精準(zhǔn)度是最難的環(huán)節(jié)。

在“啃透”經(jīng)驗(yàn)、反復(fù)溝通打磨的基礎(chǔ)上，“天權(quán)”首次實(shí)現(xiàn)將電力系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)融入求解計(jì)算過程中。胡玉峰回憶，盡管那時(shí)的“天權(quán)”只是初具雛形，能不能追上進(jìn)口求解器還是未知數(shù)，但團(tuán)隊(duì)對(duì)他們?yōu)椤疤鞕?quán)”奠定的代碼底座充滿信心。后來的事實(shí)也證明，底層代碼正是讓“天權(quán)”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。“天權(quán)”要想在電力市場(chǎng)中大顯身手，還需要盡早進(jìn)入“試煉場(chǎng)”。而第一次“試煉”過程，直接給研發(fā)團(tuán)隊(duì)潑了一盆冷水。

“我們第一次用‘天權(quán)’運(yùn)算一個(gè)案例就花了2萬多秒，用時(shí)是進(jìn)口求解器的11倍。”這個(gè)結(jié)果讓南方總調(diào)自動(dòng)化處高級(jí)經(jīng)理周華鋒倍感壓力。

面對(duì)如此巨大的差距，團(tuán)隊(duì)開始嘗試打開進(jìn)口求解器的“黑盒”，期望由此找到提高運(yùn)算效率的辦法。但“天權(quán)”聯(lián)合研發(fā)方、杉數(shù)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(yùn)行過程，團(tuán)隊(duì)根本無從入手。

為了讓“天權(quán)”長成，南方電網(wǎng)啟動(dòng)專項(xiàng)研究并創(chuàng)新項(xiàng)目組織模式將其作為首個(gè)“揭榜掛帥”項(xiàng)目。

立項(xiàng)成為團(tuán)隊(duì)探索、試錯(cuò)的堅(jiān)強(qiáng)后盾。最初，團(tuán)隊(duì)把希望寄托于相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。周華鋒告訴記者，為了尋找優(yōu)化方案，團(tuán)隊(duì)翻閱了數(shù)萬頁論文、資料，但能找到的方法往往只能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模優(yōu)化，對(duì)于工業(yè)級(jí)應(yīng)用，效果微乎其微。

大家還試過從進(jìn)口求解器的計(jì)算日志上探尋線索。然而，南方區(qū)域電力市場(chǎng)是目前世界上集中統(tǒng)一出清規(guī)模最大的高階先進(jìn)電力市場(chǎng)形態(tài)，求解器運(yùn)行的求解過程異常復(fù)雜，可選方案數(shù)的位數(shù)超21萬位，相當(dāng)于在2的78萬次方里挑“1”，計(jì)算規(guī)模動(dòng)輒萬億步。

與此相對(duì)的是，“露出”的計(jì)算日志少得可憐。“可能‘黑盒’里已經(jīng)跑了幾千幾萬步了，日志才‘露出’一小行，參考價(jià)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(yōu)化方法來！”彭超逸帶著團(tuán)隊(duì)，一邊，讓“天權(quán)”原型進(jìn)行大量案例計(jì)算，再細(xì)致地對(duì)整個(gè)計(jì)算過程進(jìn)行拆解分析，針對(duì)“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(tuán)隊(duì)每個(gè)人將積累的調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和特定領(lǐng)域知識(shí)“注入”至求解器算法中，讓底層代碼得到深度優(yōu)化。

無數(shù)次的案例模擬，直到又一次模擬結(jié)束后，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)，針對(duì)同一案例，“天權(quán)”的計(jì)算速度竟然比進(jìn)口求解器還快14%！“天權(quán)”團(tuán)隊(duì)?wèi){著一股韌性，一步一挪追效率，終于讓“天權(quán)”的計(jì)算速度實(shí)現(xiàn)重大突破，系統(tǒng)基本成型。

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

為了確保準(zhǔn)確，“天權(quán)”開啟了漫長的“晉級(jí)”過程。團(tuán)隊(duì)從南方電網(wǎng)各級(jí)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度大量電廠、變電站真實(shí)數(shù)據(jù)形成案例，用于“天權(quán)”實(shí)習(xí)期測(cè)試，每一個(gè)案例中都包含數(shù)十萬個(gè)出清變量。

通過實(shí)習(xí)考察后，“天權(quán)”走上一線“陪練”。那時(shí)，它的作用僅是處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過實(shí)戰(zhàn)不斷優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，其計(jì)算結(jié)果還未被使用。隨著時(shí)間的推移，“天權(quán)”的處理效率與進(jìn)口求解器不相上下，處理結(jié)果也持續(xù)優(yōu)化。

2022年，“天權(quán)”憑借優(yōu)異成績單，開始與進(jìn)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(gè)運(yùn)算結(jié)果和原來求解的結(jié)果不一樣，為什么？”“抽調(diào)這些機(jī)組供電確定合理嗎？”……

五花八門的問題沒有難住團(tuán)隊(duì)。“‘天權(quán)’的每步算法都有依據(jù)，我們能給執(zhí)行單位講清楚每個(gè)運(yùn)算過程。”彭超逸解釋，進(jìn)口求解器是“黑盒”，沒有過程，只有執(zhí)行結(jié)果，“而我們自己研發(fā)的求解器，可以針對(duì)每個(gè)問題展示底層邏輯。”

電力市場(chǎng)從不打烊，彭超逸和同事們也跟著不眠不休，隨時(shí)準(zhǔn)備回應(yīng)每個(gè)質(zhì)疑，并根據(jù)市場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)情況，不斷給“天權(quán)”優(yōu)化升級(jí)。終于，“天權(quán)”的計(jì)算結(jié)果得到兄弟部門的一致認(rèn)可。

與進(jìn)口求解器雙軌運(yùn)行近兩年后，“天權(quán)”正式轉(zhuǎn)為主用求解器獨(dú)立運(yùn)行，支撐交易時(shí)間由2天擴(kuò)大到整月，品種由“日前”擴(kuò)展為“日前+實(shí)時(shí)”，類型由傳統(tǒng)能源擴(kuò)充至新能源……在長達(dá)35個(gè)月的籌備和12輪內(nèi)部測(cè)試后，“天權(quán)”最終獨(dú)立支撐起南方區(qū)域電力市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)結(jié)算。

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

“習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，能源的飯碗必須端在自己手里。‘天權(quán)’的自主研發(fā)和落地應(yīng)用，正是科研工作者用智慧為能源安全貢獻(xiàn)的‘硬核’技術(shù)力量。”南方總調(diào)總經(jīng)理黃河說。未來，南方總調(diào)不僅要為全國統(tǒng)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。