北极星智能电网在线讯:1月1日，国务院国资委新闻中心发布“2024年度央企十大国之重器”，南方电网公司“大瓦特·驭电”智能仿真大模型成功入选。
“大瓦特·驭电”智能仿真大模型（以下简称“大瓦特·驭电”）是全球首款电力系统智能仿真专业大模型，依托南网科研院承担的南方电网公司首个国家自然科学企业联合基金集成项目，于2024年4月研发成功。它利用基于物理约束神经网络的人工智能技术，能够依据新能源发电状况，快速精准分析电网安全边界，动态优化电网运行方式，有效解决新能源变化无常、难以计划带来的难题，最大限度提高新能源的利用率，为电力系统规划与运行方案制定提供了全新的工具。
拥抱人工智能浪潮，从0到1，“大瓦特·驭电”的研发故事，要从两年前开始说起……
组织者：回答时代命题
在“双碳”背景下，新能源发电正迅速成为我国能源结构转型的重要力量。近年来，我国风电、光伏等新能源保持高速发展趋势。新能源已经成为南方电网第一大电源，南方五省区新能源单日最大发电量屡创新高，日发电渗透率最高达31.12%，相当于当天每用4度电就有超过1度电来自新能源。
然而，风电、光伏等新能源具有“看天吃饭”的特性，不一定每时每刻都能足量供应。随着新能源大规模并网，电力系统规划和运行面临高度不确定性环境下海量调度单元的多目标、多约束的快速决策等重大技术挑战。
在这种情况下，既要保证电力系统安全，又要最大限度利用好新能源，对电力系统开展仿真分析就很关键。但高比例新能源造成电力系统中不确定因素太多，使得计算场景异常复杂，传统仿真工具能容纳的场景既少、计算速度又慢，难以满足需求。
“面对大规模新能源带来的维数灾难问题，传统基于机理模型的仿真工具在计算能力和效率上已出现瓶颈。”南网科研院董事长、党委书记郑外生介绍道。
能不能开发一款工具，让调度人员动动手指就瞬间模拟出千万级别的电网运行结果？
为此，南方电网公司瞄准国家重大战略需求，从“零”开始，统筹公司规划部、数字化部等部门，以及南网科研院、南网北京研究院、南网数字集团、南网能源院、云南电网公司、南网总调等单位，积极布局研发能够响应新型电力系统规划运行海量计算分析需求的计算工具。
“大瓦特·驭电”，就是南方电网给出的一份优异答卷。
“将模型命名为‘大瓦特·驭电’，代表了我们对于实现驾驭新型电力系统的期望。”郑外生说。
探索者：破解科学计算难题
当前，人工智能已成为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力和战略性技术。多项人工智能技术在各行各业大显身手，让人们不禁感叹：未来已来。
“我们的电网规模太大，尤其是新能源大规模并网后，计算量呈指数级地增长，对日常电力系统仿真分析造成了很大的困难。”南网科研院系统所所长、公司特级专业技术专家、研发团队成员周保荣说。
要彻底跳出这一困境，就必须突破现有仿真方法的逻辑体系。在一次团队研讨中，“AI+电力系统分析”的灵感突然迸发，就像一把关键的“钥匙”，打开了变革的大门。
“人工智能技术能够帮助我们在高维空间解析电网节点之间的关系，这样我们在实际应用的时候就只需要单独分析每个节点，分析难度降低了很多。”南网新型电力系统（北京）研究院高级技术专家、研发团队成员陈亦平博士说。
南方电网公司紧跟世界人工智能技术发展浪潮，推进新型电力系统智能科学计算（AI for Science）体系构建。作为电力行业大模型，“大瓦特·驭电”从基础模型开始就完全自主开发，没有采用类GPT通用大模型作为基础，全球首创神经网络求解高阶微分代数方程关键技术，突破了基座设计、组件研制、下游应用的关键技术链条，填补了国内外在电力系统科学计算大模型研究领域的空白。
在基座设计方面，研制以图神经网络和Transformer算子为核心的仿真分析大模型基座，实现电力系统变规模、变拓扑、多层次空间特征提取和节点拓扑关联解耦，适应大规模潮流方程的并行求解。在组件研制方面，提出前向计算过程的单节点多重掩码机制和反向传播过程的电力系统方程规律嵌入方法，适应不同方程求解模式，使得大模型从根本上满足仿真分析的精确性和可靠性要求。在下游应用方面，提出基于分块权重冻结机制的通用参数微调机制，支撑稳态潮流场景生成、静态安全分析、小干扰稳定分析等下游模型的高效构建，提高大模型应用于具体业务的部署效率。
“作为电力系统分析与控制的‘超强大脑’，‘大瓦特·驭电’可以精细化到按小时分析制定全年至少8760个电网调度运行方式。”南网能源院研究员、研发团队成员黄济宇博士说。
相比传统仿真软件，“大瓦特·驭电”的分析速度提升了1000倍，误差小于1.5%，可广泛用于电网规划、运行控制和市场出清等重要领域，在确保电网安全的前提下最大限度利用新能源，助力新型电力系统和新型能源体系建设。
2024年7月，“大瓦特·驭电”在世界人工智能大会上获得了被誉为人工智能领域“奥斯卡奖”的SAIL奖（卓越人工智能引领者奖），彰显了南方电网为世界人工智能领域做出的重要贡献。
带动者：引领电力科技前沿
当巨浪来袭时，如果一味躲避，终将会被裹挟淹没。只有用勇气去拥抱它，才能屹立在浪潮之巅。
近日，“大瓦特·驭电”基于云南电网3500个节点数据完成人工智能技术训练，成功实现未来海量电网运行方式的智能生成，并正在实际电网运行中推广试用。
就像是在电力行业开辟了一个波澜壮阔的时代，新事物的出现总会带来巨大的冲击。
传统的仿真软件基本上都是根据既定的公式逐步推导出运行方式，而“大瓦特·驭电”则通过大数据分析直接从起点到了终点，颠覆了传统的认知逻辑。因此，“不理解”“不信任”时有发生。
“我们团队原本就是研发传统仿真软件的，所以当‘大瓦特·驭电’刚刚出现的时候，我们会本能地感到畏惧和不信任。但很快我们就明白，做科研攻关总得要有第一个吃螃蟹的人，我们需要做的是学习、拥抱、融合、升级，只有这样才不会被时代淘汰。”南网科研院系统所一级项目经理、二级领军专业技术专家、研发团队成员赵利刚说。
“为了确保这个新事物真的能够适应生产，我们坚持与一线人员保持密切的沟通联系，详细了解一线分析人员所采用的基础数据、分析方法及计算维度，以生产所需的精细化需求，创建了符合实际的数千万个案例，以此作为训练及分析的样本，力图实现各种分析场景的全覆盖。”南网科研院二级拔尖专业技术专家、研发团队成员周挺辉说。
目前，推广应用工作正在稳步推进。
“预计‘大瓦特·驭电’将能支撑云南新能源电力渗透率从2024年的62%提升至70%以上水平，有效提升新型电力系统供电可靠性水平，让人民群众用上绿色电、环保电、安全电。”郑外生说。
不仅如此，“大瓦特·驭电”具有良好的可拓展性，其功能正逐步从超大规模微分代数方程组求解扩展到AI支撑的广域空间源荷预测、考虑新能源随机性的运筹优化等领域。相比于通用大模型，“大瓦特·驭电”没有引用任何通用大模型开源代码，开创了电力行业智能科学计算体系，能在确保电网安全前提下最大限度利用新能源，解决我国新型电力系统建设最大的痛点问题。未来将进一步激发新型电力系统建设原始创新，引领下一代AI浪潮，有力推动战略性新兴产业升级和新质生产力的培育。
（金南汐）
专访
目前，新能源已经成为南方电网第一大电源，高比例新能源并网是电力行业的发展趋势，也是重大挑战。本报专访“大瓦特·驭电”研发团队，解密“大瓦特·驭电”大模型如何最大限度支撑新能源开发利用。
问：“大瓦特·驭电”如何提高新能源利用率？
答：简单归纳，靠“两化”，就是“精准化”和“精细化”。
“精准化”就是精准刻画电力系统的安全边界。因为新能源普遍缺乏有功无功主动支撑能力，对传统电力系统的频率、电压、功角稳定带来深刻的不利影响，包括振荡问题。“大瓦特·驭电”大模型是一个强大的智能仿真工具，针对新能源不同的出力方式，动态分析电力系统安全稳定边界，确保大电网安全。
“精细化”就是精细安排各类电源的发电计划。以前的常规发电厂都是可计划的，提前编好发电计划，按计划发电就行。现在大规模发展新能源，它的特点是数量众多、变化无常、难以计划，还得尽量让它优先发电。所以只能根据短时天气预测，动态调整其他发电厂的出力，它多发别的就少发，且不能突破电力系统的安全边界。有了高效的智能仿真工具，就可以精细化到按小时制定运行方式，最大限度发挥新能源发电能力，提高其利用率。
问：“大瓦特·驭电”将会用在哪些领域？
答：除了支撑电网规划，南方电网公司还将探索“大瓦特·驭电”在调度、电力现货市场中的深度应用。目前该模型已基于云南电网3500个节点数据完成训练，成功实现未来海量电网运行方式的智能生成，并正在实际电网运行中推广试用，标志着全球首款电力系统智能仿真专业大模型具备投用条件。未来将具备静态安全分析、振荡模式分析和短路电流计算等一系列下游任务功能，稳步推进成果在大理、珠海、海南等地的示范应用。
问：“大瓦特·驭电”专用大模型和通用大模型有什么区别？
答：研究对象上，通用大模型的最小单元之间的关系往往由统计概率约束，例如一句话里面一个词可能与所有的词都有一定联系，具体联系的强弱取决于人类的语言习惯。而专用大模型的最小单元由确定的物理方程约束，例如一个电网里，每个节点与其他节点的连接强弱由确定的电阻、电抗等来描述。
建模特点上，通用大模型为纯数据驱动，完全通过海量数据来挖掘最小单元之间的关联关系。而专用大模型在模型训练过程中嵌入基尔霍夫定律、潮流方程这些物理方程，通过物理规律的先验来引导模型的参数更新，计算结果的可靠性更高。
应用要求上，通用大模型的标准答案不确定，例如同一个词可以由它的同义词来替代，虽然能满足使用要求，但出错率相对较高。专用大模型的标准答案是确定的，例如给定潮流初始值之后，潮流方程的解是确定的。
问：“大瓦特·驭电”在不同电网的泛化能力如何？可以作为其他行业解决其类似问题的参考吗？
答：目前“大瓦特·驭电”可以在同一个电网中针对训练时从未见过的拓扑连接关系有效实现潮流计算。由于训练过程中物理约束的引导使得大模型学到了潮流的分布规律，所以在不同的电网上可以通过微调“大瓦特·驭电”大模型实现泛化应用。
“大瓦特·驭电”的本质是求解高维非线性代数方程组，当方程结构相似时，大模型可以实现类似问题的求解。此外，“大瓦特·驭电”大模型对电网物理规律和电力系统数学模型的有效使用和成功经验，可以作为其他行业解决其类似问题的参考。
问：“大瓦特·驭电”使用的数据类型、特点和规模？
答：“大瓦特·驭电”使用的数据包括海量历史运行的真实数据和未来规划的模拟数据，涵盖全年8760小时的电气量（有功、无功、电压幅值、电压相角）历史样本和预测样本。
数据样本的核心特点是其满足基尔霍夫定律，并且处在特定安全范围：每个节点的流入、流出功率相等，每组回路的电流之和为零；根据安全运行导则和设备额定参数，每个节点、每条线路的电气量有明确的安全运行范围。
“大瓦特·驭电”已在3500个节点系统完成了训练和验证，构建的数据集规模超过16亿，喂给大模型的训练样本量超过100T。
科研者说
● 产学研协同攻关
解决迫切问题还是满足远景需求，我们在研发过程中曾面临过不少这样的抉择，技术路线也不断地修正。但得益于与华南理工大学、武汉大学和华为公司的产学研联合攻关，团队成员总是能从不同的视角提出专业意见，大家的想法在一起碰撞，因此我们每次都能做出比较合理的决定。
——南网新型电力系统（北京）研究院 陈亦平
● 创造千万个案例
人工智能的发展离不开大量的数据输入与算法优化，就像一个小孩子，通过不断地学习海量差异化的案例，‘智商’才会越来越高。然而，每年电网运行的真实案例数量和差异性都有限，所以我们通过调整负荷水平、西电东送功率、新能源渗透率等参数，创造出了上千万个合理的典型运行场景。为此我们还专门研发了两套新的软件工具来支撑这项工作。
——南网科研院 周挺辉
● 学科交叉打开科研思路
研发团队与华为AI算力平台先遣队和华为2012实验室的技术专家开展过一次技术交流，大家分享了对电力系统分析和AI底层数学逻辑的认识，我们在探讨中发现，电力系统分析和AI技术在某些方面是相通的，打开了全新的科研思路。
——南网总调 颜融
● 柳暗花明又一村
在攻关的过程中，我们曾经历过一次较大的波折，我们用了错误的评估方法，导致对某个技术路线的误判。但也正因为如此，激发了我新的灵感，在重新计算后成功验证了新技术路线的正确性，可谓是柳暗花明又一村，感觉非常不可思议。
——南网能源院 黄济宇
