Partitioning Model and Qubit Expansion Method for Power Grid Blackout Based on Optical Quantum Computers

LIU Chengjun; LOU Qi; XU Yijun; GU Wei; WEN Kai; MA Yin

doi:10.7500/AEPS20241006002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Partitioning Model and Qubit Expansion Method for Power Grid Blackout Based on Optical Quantum Computers

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Partitioning Model and Qubit Expansion Method for Power Grid Blackout Based on Optical Quantum Computers
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 11, Pages: 80-90(2025)
- 作者机构：
  
  1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210018
  2.北京玻色量子科技有限公司，北京市 100020
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Jiangsu Provincial Natural Science Foundation of China(BK20230851);Chinese Society of Optimization, Overall Planning and Economic Mathematics-Qboson Fund
- DOI：10.7500/AEPS20241006002
  CLC：
- Received：06 October 2024，
  
  Revised：2025-02-10，
  
  Published Online：12 March 2025，
  
  Published：10 June 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
刘成骏,娄骐,徐一骏等.基于光量子计算机的电网停电后分区模型及量子比特扩容方法[J].电力系统自动化,2025,49(11):80-90.

LIU Chengjun,LOU Qi,XU Yijun,et al.Partitioning Model and Qubit Expansion Method for Power Grid Blackout Based on Optical Quantum Computers[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(11):80-90.
刘成骏,娄骐,徐一骏等.基于光量子计算机的电网停电后分区模型及量子比特扩容方法[J].电力系统自动化,2025,49(11):80-90. DOI： 10.7500/AEPS20241006002.

LIU Chengjun,LOU Qi,XU Yijun,et al.Partitioning Model and Qubit Expansion Method for Power Grid Blackout Based on Optical Quantum Computers[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(11):80-90. DOI： 10.7500/AEPS20241006002.

摘要

电网发生大停电事故后，采用分区并行恢复策略能够保证电网快速恢复正常运行，而精准、高效的分区方法则是恢复策略能够实施的重要前提之一。面对新型电力系统日益严格的时效性需求，现存方法无法直接求解模型且求解结果需要人工选择，并受到经典计算机算力限制。针对上述问题，文中利用近年来新兴的量子计算技术，提出了基于量子计算的电网停电后快速恢复分区方法。首先，以切除线路权重和最小为目标，考虑电网实际运行安全约束，构建了大停电后网络分区模型，并将其转化为光量子计算机能直接求解的二元二次无约束优化模型；然后，考虑实机量子比特数限制，初步探讨了基于子问题抽取的量子比特扩容方法在实际应用中的可能性；最后，依托专用量子计算机，采用两个不同规模的系统分别验证了所提分区模型和量子扩容方法的有效性。

Abstract

The implementation of a partitioning parallel restoration strategy after a power grid blackout can ensure the rapid restoration of normal power grid operation

while the accurate and efficient partitioning method is one of the important prerequisites for implementing recovery strategies. Faced with the increasingly strict time-sensitive requirements of the new power system

existing methods encounter three main limitations: inability to directly solve models

dependence on manual selection of solutions

and constraints imposed by classical computer processing capabilities. To address the above problems

this paper leverages emerging quantum computing technology and proposes a quantum computing based partitioning method for the rapid restoration of power grids after blackouts. First

the network partitioning model after a large-scale blackout is constructed considering the actual operation security constraints to minimize the sum of weights of the excised lines

which is transformed into a quadratic unconstrained binary optimization binary model that can be directly solved by the optical quantum computer. Secondly

the possibility of qubit expansion methods based on sub-problem extraction is preliminarily explored considering the real qubit limitation of the coherent Ising machine. Finally

relying on specialized quantum computers

the effectiveness of both the proposed partitioning model and quantum expansion method is validated through two power systems with different scales.

关键词

Keywords

references

胡博，谢开贵，邵常政，等 . 双碳目标下新型电力系统风险评述：特征、指标及评估方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1 - 15 .

HU Bo ， XIE Kaigui ， SHAO Changzheng ， et al . Commentary on risk of new power system under goals of carbon emission peak and carbon neutrality： characteristics， indices and assessment methods ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1 - 15 .

钟海旺，张广伦，程通，等 . 美国得州2021年极寒天气停电事故分析及启示［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 6 ）： 1 - 9 .

ZHONG Haiwang ， ZHANG Guanglun ， CHENG Tong ， et al . Analysis and enlightenment of extremely cold weather power outage in Texas， U.S. in 2021 ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 1 - 9 .

薛峰，王昊昊，薛禹胜 . 面向恢复决策的新型电力系统恢复目标重要度统一评估［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 10 ）： 42 - 53 .

XUE Feng ， WANG Haohao ， XUE Yusheng . Unified evaluation on importance of new power system restoration targets for restoration decision ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 10 ）： 42 - 53 .

顾雪平，白岩松，李少岩，等 . 电力系统黑启动恢复问题的研究评述［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 13 ）： 3183 - 3200 .

GU Xueping ， BAI Yansong ， LI Shaoyan ， et al . Research review of power system black-start restoration ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 13 ）： 3183 - 3200 .

赵曰浩，李知艺，鞠平，等 . 低碳化转型下综合能源电力系统弹性：综述与展望［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 9 ）： 13 - 23 .

ZHAO Yuehao ， LI Zhiyi ， JU Ping ， et al . Resilience of power system with integrated energy in context of low-carbon energy transition： review and prospects ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 9 ）： 13 - 23 .

林振智，文福拴，周浩 . 基于复杂网络社团结构的恢复子系统划分算法［J］. 电力系统自动化， 2009 ， 33 （ 12 ）： 12 - 16 .

LIN Zhenzhi ， WEN Fushuan ， ZHOU Hao . A new algorithm for restoration subsystem division based on community structure of complex network theory ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2009 ， 33 （ 12 ）： 12 - 16 .

WANG C ， VITTAL V ， SUN K . OBDD-based sectionalizing strategies for parallel power system restoration ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2011 ， 26 （ 3 ）： 1426 - 1433 .

李力，傅子昊，孙磊，等 . 基于半监督谱聚类的黑启动分区策略［J］. 电力建设， 2017 ， 38 （ 4 ）： 9 - 17 .

LI Li ， FU Zihao ， SUN Lei ， et al . Black-start zoning strategy based semi-supervised spectral clustering algorithm ［J］. Electric Power Construction ， 2017 ， 38 （ 4 ）： 9 - 17 .

和敬涵，李长城，张沛，等 . 基于改进标签传播算法的电力系统并行恢复分区方法［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 6 ）： 1776 - 1782 .

HE Jinghan ， LI Changcheng ， ZHANG Pei ， et al . A partitioning method for power system parallel restoration based on modified label propagation algorithm ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 6 ）： 1776 - 1782 .

李婧斐，黎琦，罗萍萍，等 . 计及停电损失的电力系统黑启动分区策略［J］. 南方电网技术， 2022 ， 16 （ 3 ）： 58 - 66 .

LI Jingfei ， LI Qi ， LUO Pingping ， et al . Partition strategies of power system black-start considering outage loss ［J］. Southern Power System Technology ， 2022 ， 16 （ 3 ）： 58 - 66 .

张智刚，康重庆 . 碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2806 - 2819 .

ZHANG Zhigang ， KANG Chongqing . Challenges and prospects for constructing the new-type power system towards a carbon neutrality future ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2806 - 2819 .

李知艺，许悦，韩旭涛 . 量子计算技术在新型电力系统决策优化中的应用［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 6 ）： 62 - 73 .

LI Zhiyi ， XU Yue ， HAN Xutao . Application of quantum computing technology in decision-making optimization of new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 6 ）： 62 - 73 .

郭琦，卢远宏 . 新型电力系统的建模仿真关键技术及展望［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

GUO Qi ， LU Yuanhong . Key technologies and prospects of modeling and simulation of new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 18 - 32 .

ZHOU Y F ， TANG Z F ， NIKMEHR N ， et al . Quantum computing in power systems ［J］. iEnergy ， 2022 ， 1 （ 2 ）： 170 - 187 .

NIKMEHR N ， ZHANG P ， BRAGIN M A . Quantum distributed unit commitment： an application in microgrids ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 5 ）： 3592 - 3603 .

WANG D W ， ZHENG K D ， TENG F ， et al . Quantum annealing with integer slack variables for grid partitioning ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1747 - 1750 .

MORSTYN T . Annealing-based quantum computing for combinatorial optimal power flow ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 2 ）： 1093 - 1102 .

SILVA F F C ， CARVALHO P M S ， FERREIRA L A F M ， et al . A QUBO formulation for minimum loss network reconfiguration ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 4559 - 4571 .

郭梦婕，王晗，严正，等 . 基于光量子计算机的虚拟电厂分布式资源解聚合优化方法［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2024-08-07 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.232192 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.232192 .

GUO Mengjie ， WANG Han ， YAN Zheng ， et al . De-aggregation optimization of distributed resources in virtual power plants based on optical quantum computer ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2024-08-07 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.232192 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.232192 .

徐胜蓝，司曹明哲，万灿，等 . 考虑双尺度相似性的负荷曲线集成谱聚类算法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 22 ）： 152 - 160 .

XU Shenglan ， SI Caomingzhe ， WAN Can ， et al . Ensemble spectral clustering algorithm for load profiles considering dual-scale similarities ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 22 ）： 152 - 160 .

BRUSH S G . History of the Lenz-Ising model ［J］. Reviews of Modern Physics ， 1967 ， 39 （ 4 ）： 883 - 893 .

WANG Z ， MARANDI A ， WEN K ， et al . Coherent Ising machine based on degenerate optical parametric oscillators ［J］. Physical Review A ， 2013 ， 88 （ 6 ）： 063853 .

李琳 . 相干伊辛机基态收敛增强的机理与方法研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2021 .

LI Lin . Mechanisms and methods on enhancing convergence to ground state of coherent Ising machine ［D］. Beijing ： University of Chinese Academy of Sciences ， 2021 .

LUCAS A . Ising formulations of many NP problems ［J］. Frontiers in Physics ， 2014 ， 2 ： 5 .

ATOBE Y ， TAWADA M ， TOGAWA N . Hybrid annealing method based on subQUBO model extraction with multiple solution instances ［J］. IEEE Transactions on Computers ， 2022 ， 71 （ 10 ）： 2606 - 2619 .

COLUCCI G ， VAN DER LINDE S ， PHILLIPSON F . Power network optimization： a quantum approach ［J］. IEEE Access ， 2023 ， 11 ： 2169 - 3536 .

网络参数设置［EB/OL］.［ 2024-08-30 ］. https：//github.com/MrEightL/-.git https://github.com/MrEightL/-.git .

Network parameter settings ［EB/OL］. ［ 2024-08-30 ］. https：//github.com/MrEightL/-.git https://github.com/MrEightL/-.git .

北京玻色量子科技有限公司 . 开物 SDK ［EB/OL］.［ 2024-08-30 ］. https：//developer.qboson.com/sdkDownload https://developer.qboson.com/sdkDownload .

Beijing QBoson Quantum Technology Co.， Ltd . Kaiwu SDK ［EB/OL］. ［ 2024-08-30 ］. https：//developer.qboson.com/sdkDownload https://developer.qboson.com/sdkDownload .

蒋玮，撒鹏程，贾俊，等 . 基于潮流追踪模块度的虚拟微电网分区规划［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 24 ）： 132 - 142 .

JIANG Wei ， SA Pengcheng ， JIA Jun ， et al . Virtual microgrid partitioning planning based on modularity of power flow tracking ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 24 ）： 132 - 142 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Application of Quantum Computing Technology in Decision-making Optimization of New Power System

Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement

Marginal Carbon Emission Factors in Multiple Time Periods and Analysis of Their Uncertainties

Related Author

LI Zhiyi

XU Yue

HAN Xutao

WANG Delin

TIAN Hongxun

LUO Zhiqiang

ZOU Peng

WAN Jun

Related Institution

College of Electrical Engineering, Zhejiang University

State Grid Corporation of China

State Grid Shanxi Electric Power Company

Research Institute for New Power System Markets of Shanxi

State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology (Chongqing University)

⁰