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JP7834580B2 - Optimization device, optimization method, and program - Google Patents
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JP7834580B2 - Optimization device, optimization method, and program - Google Patents

Optimization device, optimization method, and program

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Description

本発明の実施形態は、最適化装置、最適化方法、および、プログラムに関する。 Embodiments of the present invention relate to an optimization apparatus, an optimization method, and a program.

近年、電力系統(以下、単に「系統」ともいう。)には多数の太陽光発電機や風力発電機などの再生可能エネルギー発電機や蓄電池が導入されてきている。これらは分散電源と呼ばれ、効率的な運用が求められている。分散電源単体は、天候により発電能力が変化したり、充放電容量により運用に制約があったりするなど、既存の大型発電機(火力発電機等)に比べて制約が多い。そこで、これらの分散電源を単体で運用するのではなく、多数を取り纏めて運用する仮想発電所(VPP:Virtual Power Plant)という概念が存在する。 In recent years, numerous renewable energy generators such as solar and wind power plants, as well as battery storage systems, have been introduced into power grids (hereinafter simply referred to as "the grid"). These are called distributed power sources, and efficient operation is required. Individual distributed power sources have many limitations compared to existing large-scale generators (such as thermal power plants), such as fluctuations in power generation capacity due to weather conditions and operational constraints due to charging and discharging capacity. Therefore, instead of operating these distributed power sources individually, the concept of a virtual power plant (VPP) exists, which integrates and operates many of them together.

多数の分散電源を利用する仮想発電所に関して、電力系統の有効電力潮流や電圧等の制約条件を考慮して最適化計算を実行する場合には、最適潮流計算(OPF:Optimal Power Flow)を実行する必要がある。OPFはいわゆる非凸非線形計画問題であり、問題が大規模な場合には線形計画問題などの凸計画問題と比較して多くの計算時間を要することが知られている。さらに、発電機の起動停止状態や分散電源の使用有無などの離散変数を含む場合には組合せ最適化問題となり、分枝限定法などを用いて緩和問題を繰り返し解く必要があり、実用的な計算時間内で最適解が得られないことが懸念される。 When performing optimization calculations for a virtual power plant utilizing multiple distributed power sources, considering constraints such as the active power flow and voltage of the power grid, it is necessary to perform an Optimal Power Flow (OPF) calculation. OPF is a so-called nonconvex nonlinear programming problem, and it is known that, when the problem is large-scale, it requires significantly more computation time compared to convex programming problems such as linear programming problems. Furthermore, if discrete variables such as the start/stop status of generators and the use of distributed power sources are included, it becomes a combinatorial optimization problem, requiring the repeated solving of relaxation problems using methods such as the branch-and-bound method, raising concerns that an optimal solution may not be obtainable within a practical computation time.

近年、組合せ最適化問題を高速に解くことのできるイジングマシンと呼ばれる装置が開発されている。イジングマシンで問題を解くためには、最適化問題を、制約が無く、変数はすべて二値変数で、2次式以下の形式(QUBO:Quadratic Unconstrained Binary Optimization)に変形する必要がある。例えば、従来技術では、配電網における電力損失を最小化する系統構成を決定する問題を対象に、区分開閉器による接続状態を離散変数で表現してQUBOに変形する手法が提案されている。 In recent years, devices called Ising machines have been developed that can solve combinatorial optimization problems at high speed. To solve a problem with an Ising machine, it is necessary to transform the optimization problem into a form (Quadratic Unconstrained Binary Optimization: QUBO) where there are no constraints, all variables are binary, and the expression is quadratic or less. For example, in conventional techniques, a method has been proposed for determining the system configuration that minimizes power loss in a power distribution network, by representing the connection state using sectionalizing switches as discrete variables and transforming it into a QUBO.

特許第6736787号公報Patent No. 6736787

Alexander Fix, Aritanan Gruber, Endre Boros, Ramin Zabih, “A Hypergraph-Based Reduction for Higher-Order Binary Markov Random Fields”, IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence Vol.37 pp.1387-1395 (2015)Alexander Fix, Aritanan Gruber, Endre Boros, Ramin Zabih, “A Hypergraph-Based Reduction for Higher-Order Binary Markov Random Fields”, IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence Vol.37 pp.1387-1395 (2015) Carsten Rother, Vladimir Kolmogorov, Victor Lempitsky, Martin Szummer, “ Optimizing Binary MRFs via Extended Roof Duality”, Technical Report MSR-TR-2007-46 (2007)Carsten Rother, Vladimir Kolmogorov, Victor Lempitsky, Martin Szummer, “Optimizing Binary MRFs via Extended Roof Duality”, Technical Report MSR-TR-2007-46 (2007)

上述の従来技術によれば、配電網を対象とした最適化計算を実行可能であるが、配電系統よりも上位電圧の系統を含む電力系統全体を対象として最適潮流計算を実行することはできない。 While the conventional technology described above allows for optimization calculations targeting the distribution network, it cannot perform optimal power flow calculations for the entire power system, including systems with higher voltages than the distribution network.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、イジングマシンを用いて電力系統全体に関する数理最適化問題を解くことができる最適化装置、最適化方法、および、プログラムを提供することである。 Therefore, the problem that this invention aims to solve is to provide an optimization device, an optimization method, and a program that can solve mathematical optimization problems related to the entire power system using an Ising machine.

実施形態の最適化装置は、コスト情報に基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成部と、前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換部と、前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形部と、前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO形式の問題に変換する高次項変形部と、イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出部と、を備える。 The optimization apparatus of this embodiment comprises: a problem generation unit that generates a mathematical optimization problem related to cost based on cost information; a variable transformation unit that converts all variables of the mathematical optimization problem into binary variables; a problem transformation unit that transforms the mathematical optimization problem into an unconstrained binary optimization problem; a higher-order term transformation unit that repeatedly performs a process to transform the binary optimization problem into a QUBO-type problem by introducing a new variable into the sum of terms with positive coefficients and a common variable among terms of degree two or three or higher, thereby converting it into a polynomial including terms with negative coefficients, and then transforming it into a quadratic equation by introducing a new variable into terms with negative coefficients and degree three or higher; and an approximate solution calculation unit that solves the QUBO-type problem using an Ising machine.

図1は、第1の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。Figure 1 is a diagram showing the overall configuration of the optimization device 1 according to the first embodiment. 図2は、第1の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。Figure 2 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the first embodiment. 図3は、図2のS4の詳細なアルゴリズムを示す図である。Figure 3 shows a detailed algorithm for S4 in Figure 2. 図4は、追加変数の発生が抑制される効果を説明するための図である。Figure 4 illustrates the effect of suppressing the occurrence of additional variables. 図5は、第2の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。Figure 5 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the second embodiment. 図6は、第2の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。Figure 6 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the second embodiment. 図7は、第3の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。Figure 7 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the third embodiment. 図8は、第3の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。Figure 8 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the third embodiment. 図9は、第4の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。Figure 9 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the fourth embodiment. 図10は、第4の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。Figure 10 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the fourth embodiment. 図11は、第5の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。Figure 11 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the fifth embodiment. 図12は、第5の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。Figure 12 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the fifth embodiment. 図13は、第6の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。Figure 13 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the sixth embodiment. 図14は、第6の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。Figure 14 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the sixth embodiment.

以下、本発明の最適化装置、最適化方法、および、プログラムの実施形態(第1の実施形態~第6の実施形態)について、図面を参照して説明する。実施形態の概要は、以下の通りである。電力系統について、OPFは連続変数を含み、さらにこれを離散変数で表現して無制約問題に変形した場合には4次式となるため、これをQUBO型式に変形する。また、イジングマシンは扱える変数の数が有限であり、最適化問題の規模を低減するために変数を削減する。さらに、イジングマシンによる計算では実行可能解が得られることは保証されないため、イジングマシンで得られた解を補正する。以下、各実施形態について説明する。なお、第2の実施形態以降では、それまでの実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。 The following describes embodiments of the optimization apparatus, optimization method, and program of the present invention (Embodiments 1 to 6) with reference to the drawings. The outlines of the embodiments are as follows: For the power system, the OPF includes continuous variables, and when this is expressed using discrete variables and transformed into an unconstrained problem, it becomes a quartic equation; therefore, it is transformed into a QUBO type equation. Furthermore, since the number of variables that can be handled by the Ising machine is finite, the number of variables is reduced to decrease the scale of the optimization problem. Moreover, since there is no guarantee that a feasible solution will be obtained from calculations using the Ising machine, the solution obtained by the Ising machine is corrected. The following describes each embodiment. Note that in the second embodiment and subsequent embodiments, explanations of matters similar to those in the previous embodiments will be omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
(構成)
図1は、第1の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。なお、図1において、矢印は情報の主な流れを示すものであり、矢印がない部分を情報が流れる場合もある。
(First embodiment)
(composition)
Figure 1 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the first embodiment. In Figure 1, the arrows indicate the main flow of information, and information may also flow in areas without arrows.

最適化装置1は、イジングマシン11、処理部12、記憶部13、系統情報受信部14、入力部15、出力部16を有する。動作指示部2は、最適化装置1および電力系統3に接続される。 The optimization device 1 comprises an Ising machine 11, a processing unit 12, a storage unit 13, a system information receiving unit 14, an input unit 15, and an output unit 16. The operation instruction unit 2 is connected to the optimization device 1 and the power system 3.

イジングマシン11は、例えば、量子アニーリング装置やシミュレーティッドアニーリング装置によって実現される。しかし、イジングマシン11は、それらに限定されず、QUBO問題を解くためのほかの装置やアルゴリズムであってもよい。また、イジングマシン11は、処理部12とは別の装置として実装して処理部12に接続してもよいし、あるいは、処理部12と同一の装置として実装してもよい。 The Ising machine 11 can be implemented, for example, by a quantum annealing device or a simulated annealing device. However, the Ising machine 11 is not limited to these and may be other devices or algorithms for solving the QUBO problem. Furthermore, the Ising machine 11 may be implemented as a separate device from the processing unit 12 and connected to the processing unit 12, or it may be implemented as the same device as the processing unit 12.

処理部12は、例えば、一以上のプロセッサを含む計算機である。記憶部13は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ(SSD(Solid State Drive)など)、HDD(Hard Disk Drive)などである。記憶部13は、処理部12とは別の装置として実装し、処理部12に接続してもいいし、処理部12と同一の装置として例えば主記憶装置やキャッシュメモリとして実装してもよい。 The processing unit 12 is, for example, a computer including one or more processors. The storage unit 13 is, for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory (such as SSD (Solid State Drive)), HDD (Hard Disk Drive), etc. The storage unit 13 may be implemented as a separate device from the processing unit 12 and connected to it, or it may be implemented as the same device as the processing unit 12, for example, as main memory or cache memory.

系統情報受信部14は、処理部12および電力系統3に接続される。入力部15は、処理部12に接続され、例えば、各種キー、ボタン、ダイヤルスイッチ、マウス、タッチパネルなどのうち一部または全部を含む。また、入力部15は、外部装置と電気的に接続される接続部であってもよい。 The system information receiving unit 14 is connected to the processing unit 12 and the power system 3. The input unit 15 is connected to the processing unit 12 and includes some or all of the following: various keys, buttons, dial switches, a mouse, a touch panel, etc. The input unit 15 may also be a connection unit electrically connected to an external device.

出力部16は、処理部12に接続され、外部装置と電気的に接続される接続部であってもよいし、LCD(Liquid Crystal Display)や有機EL(Electro-luminescence)表示装置などであってもよい。 The output unit 16 is connected to the processing unit 12 and may be a connection unit that electrically connects to an external device, or it may be an LCD (Liquid Crystal Display) or an organic EL (Electro-luminescence) display device, etc.

処理部12は、問題生成部121と変数変換部122と問題変形部123と高次項変換部124と近似解算出部125と制御部126とデータ管理部127と、を有する。処理部12における各機能部は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサがプログラム(ソフトウェア)を実行することで実現される。また、これら各機能部のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)等のハードウェア(回路部;circuitryを含む。)によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。制御部126は、動作指示部2と接続される。 The processing unit 12 includes a problem generation unit 121, a variable transformation unit 122, a problem transformation unit 123, a higher-order term transformation unit 124, an approximate solution calculation unit 125, a control unit 126, and a data management unit 127. Each functional unit in the processing unit 12 is implemented, for example, by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program (software). Furthermore, some or all of these functional units may be implemented by hardware (including circuitry) such as LSI (Large Scale Integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programmable Gate Array), or GPU (Graphics Processing Unit), or by the cooperation of software and hardware. The control unit 126 is connected to the operation instruction unit 2.

記憶部13には、コスト情報131と系統情報132と数理最適化問題133と二値変数問題134と無制約二値変数問題135とQUBO問題136と近似解137とが保存される。 The memory unit 13 stores cost information 131, system information 132, mathematical optimization problem 133, binary variable problem 134, unconstrained binary variable problem 135, QUBO problem 136, and approximate solution 137.

コスト情報131は、電源の起動中に発生するコスト、電源の単位出力に対して生じるコストや、電力市場などへの電力売買金額といった最適化問題の目的関数を生成する際の定数値を保存する。ここで、電源とは、火力発電所、原子力発電所、水力発電所、地熱発電所、太陽光発電所、風力発電所、蓄電池などを表す。コスト情報131は、入力部15とデータ管理部127を介して入力され、問題生成部121において数理最適化問題133を作成する際に使用される。 Cost information 131 stores constant values used when generating the objective function of the optimization problem, such as the cost incurred during power supply startup, the cost per unit output of the power supply, and the amount of electricity bought and sold in the electricity market. Here, "power supply" refers to thermal power plants, nuclear power plants, hydroelectric power plants, geothermal power plants, solar power plants, wind power plants, and storage batteries. Cost information 131 is input via the input unit 15 and the data management unit 127 and used in the problem generation unit 121 when creating the mathematical optimization problem 133.

系統情報132は、開閉器の開放・投入状態、負荷、送電線や変圧器のインピーダンス・対地静電容量・タップ比、系統上の母線の電圧上限値・下限値、各母線に存在する電源の情報、各電源の有効電力出力の上下限値、各母線の無効電力出力の出力上下限値、送電線や変圧器の有効電力潮流の上下限値などの情報を保存する。系統情報132は、入力部15とデータ管理部127を介して保存されてもよいし、系統情報受信部14を介して保存されてもよく、問題生成部121において数理最適化問題133を作成する際に使用される。 The system information 132 stores information such as the open/closed status of switches, load, impedance, capacitance to ground, and tap ratio of transmission lines and transformers, upper and lower voltage limits of busbars on the system, information on power sources present on each busbar, upper and lower limits of active power output for each power source, upper and lower limits of reactive power output for each busbar, and upper and lower limits of active power flow for transmission lines and transformers. The system information 132 may be stored via the input unit 15 and data management unit 127, or via the system information receiving unit 14, and is used in the problem generation unit 121 when creating the mathematical optimization problem 133.

二値変数問題134は、変数変換部122において作成され、保存される。無制約二値変数問題135は、問題変形部123において作成され、保存される。QUBO問題136は、高次項変換部124において作成され、保存される。近似解137は、近似解算出部125においてイジングマシン11を実行することで算出され、保存される。 The binary variable problem 134 is created and saved in the variable transformation unit 122. The unconstrained binary variable problem 135 is created and saved in the problem transformation unit 123. The QUBO problem 136 is created and saved in the higher-order term transformation unit 124. The approximate solution 137 is calculated and saved by running the Ising machine 11 in the approximate solution calculation unit 125.

(作用)
以上のような構成を有する最適化装置1の基本的な作用について説明する。図2は第1の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。S1では、問題生成部121において数理最適化問題133として最適潮流計算を定式化する。数理最適化問題133の一例を以下に示す。ここでは、各母線に運用コストの異なる複数の電源が接続されており、電源の起動停止およびその出力を決定するような最適潮流計算問題を一例として考える。
(effect)
The basic operation of the optimization device 1 having the above configuration will now be explained. Figure 2 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the first embodiment. In S1, the problem generation unit 121 formulates the optimal power flow calculation as a mathematical optimization problem 133. An example of the mathematical optimization problem 133 is shown below. Here, multiple power sources with different operating costs are connected to each busbar, and we consider an example of an optimal power flow calculation problem that determines the starting and stopping of power sources and their output.

式(1)は、電源の運用で生じるコストの最小化を目的関数とする例である。ここで、αm,nは母線mのn番目の電源の起動停止状態を表す二値変数(起動が「1」、停止が「0」)である。pG m,nは母線mのn番目の電源の出力を表す連続変数である。Cm,nは母線mのn番目の電源を起動中に必ず生じるコストを表す定数で、Dm,nは母線mのn番目の電源の単位出力に対して生じるコストを表す定数であり、コスト情報131から読み込む。m∈Gにおける「G」は電源が存在する母線の集合で、n∈Dmにおける「Dm」は母線mに存在する電源の集合であり、系統情報132から読み込む。
Equation (1) is an example where the objective function is to minimize the costs incurred in operating the power supply. Here, α m,n are binary variables representing the start/stop state of the nth power supply on bus m (start is "1", stop is "0"). p G m,n are continuous variables representing the output of the nth power supply on bus m. C m,n are constants representing the costs that are always incurred when the nth power supply on bus m is started, and D m,n are constants representing the costs incurred for the unit output of the nth power supply on bus m, which are read from cost information 131. "G" in m ∈ G is the set of buses where power supplies exist, and "D m " in n ∈ D m is the set of power supplies present on bus m, which are read from system information 132.

式(2)、(3)は、有効電力および無効電力の需給バランスに関する制約条件の一例である。PL mは母線mの有効電力負荷を表す定数で、QL mは母線mの無効電力負荷を表す定数であり、系統情報132から読み込む。vRe mは母線mの複素電圧(複素関数で表した電圧)の実部を表す連続変数で、vIm mは母線mの複素電圧の虚部を表す連続変数である。Gm,kはアドミタンス行列のコンダクタンス成分のmk要素を表す定数で、Bm,kはアドミタンス行列のサセプタンス成分のmk要素を表す定数であり、それぞれ系統情報132に保存されたインピーダンス・対地静電容量・タップ比から計算することができる。qG mは母線mの無効電力出力を表す連続変数である。なお、ここでは簡単のため無効電力出力については電源個別の変数を設けずに縮約しているが、各電源に対してそれぞれ変数を用意してもよい。
Equations (2) and (3) are examples of constraints on the supply and demand balance of active and reactive power. P L m is a constant representing the active power load of bus m, and Q L m is a constant representing the reactive power load of bus m, both read from system information 132. v Re m is a continuous variable representing the real part of the complex voltage (voltage expressed as a complex function) of bus m, and v Im m is a continuous variable representing the imaginary part of the complex voltage of bus m. G m,k are constants representing the mk elements of the conductance component of the admittance matrix, and B m,k are constants representing the mk elements of the susceptance component of the admittance matrix, both of which can be calculated from the impedance, capacitance to ground, and tap ratio stored in system information 132. q G m is a continuous variable representing the reactive power output of bus m. Note that, for simplicity, the reactive power output is abbreviated here without individual variables for each power source, but variables may be provided for each power source.

式(4)は、有効電力潮流に関する制約条件である。Pmin l、Pmax lはそれぞれブランチlの有効電力潮流の下限値、上限値であり、系統情報132から読み込む。Lはブランチの集合である。
Equation (4) is a constraint on the active power flow. P min l and P max l are the lower and upper limits of the active power flow for branch l, respectively, and are read from the system information 132. L is the set of branches.

式(5)は、電圧上下限に関する制約条件である。Vmin m、Vmax mはそれぞれ母線mにおける電圧の下限値、上限値であり、系統情報132から読み込む。
Equation (5) is a constraint condition regarding the upper and lower limits of the voltage. V min m and V max m are the lower and upper limits of the voltage at busbar m, respectively, and are read from system information 132.

式(6)は、電源の有効電力出力の上下限値に関する制約条件である。PGmin m,n、PGmax m,nはそれぞれ母線mのn番目の電源の有効電力出力の下限値、上限値であり、系統情報132から読み込む。
Equation (6) is a constraint condition regarding the upper and lower limits of the active power output of the power supply. P Gmin m,n and P Gmax m,n are the lower and upper limits of the active power output of the nth power supply on busbar m, respectively, and are read from system information 132.

式(7)は、各母線の無効電力出力の出力上下限に関する制約条件である。QGmin m、QGmax mはそれぞれ母線mの無効電力出力の下限値、上限値であり、系統情報132から読み込む。
Equation (7) is a constraint condition regarding the upper and lower limits of the reactive power output of each busbar. Q Gmin m and Q Gmax m are the lower and upper limits of the reactive power output of busbar m, respectively, and are read from system information 132.

以上の定式化は一例であり、例えば、発電機の起動や停止にかかるコストを目的関数に加算してもよい。あるいは送電損失を最小化するような目的関数でもよい。また、複数時刻にまたがる最適化問題として定義し、連続運転時間等の制約条件を考慮してもよい。以上の定式化の情報を記憶部13に数理最適化問題133として保存する。 The above formulation is just one example; for instance, the costs associated with starting and stopping the generator could be added to the objective function. Alternatively, the objective function could be one that minimizes transmission losses. Furthermore, the problem could be defined as an optimization problem spanning multiple time points, taking into account constraints such as continuous operating time. The information from this formulation is stored in the memory unit 13 as a mathematical optimization problem 133.

S2では、変数変換部122において最適潮流計算の変数をすべて二値変数に変換する。イジングマシン11は一般に連続変数を扱えないため、例えば連続変数pG m,nはJpg m,n個のバイナリ変数xpg m,n,jと重みwpg m,n,jの線形結合で式(8)のように表現する。式(8)の形式の表現を疑似ブール関数と呼ぶ。重みは、例えば2進数により表現する。その他の連続変数についても同様に二値変数に変換する。Jpg m,nは変数の上下限値から必要な数を計算する。変換後の最適化問題を記憶部13に二値変数問題134として保存する。
In S2, the variable transformation unit 122 converts all variables of the optimal power flow calculation into binary variables. Since the Ising machine 11 generally cannot handle continuous variables, for example, the continuous variable p G m,n is expressed as equation (8) as a linear combination of J pg m,n binary variables x pg m,n,j and weights w pg m,n,j . The expression in the form of equation (8) is called a pseudo-Boolean function. The weights are expressed, for example, in binary. Other continuous variables are similarly converted into binary variables. The required number of J pg m,n is calculated from the upper and lower limits of the variables. The converted optimization problem is stored in the memory unit 13 as a binary variable problem 134.

S3では、問題変形部123において制約なしの二値最適化問題に変形する。式(2)、(3)については左辺を2乗して、所定の重みを乗じて目的関数に加算する。式(4)、式(5)についてはスラック変数と呼ばれる新たな変数を導入することで等式制約に変形してから同様の処理を行う。例えば有効電力潮流に関する上限制約はスラック変数sを導入して以下のように変形できる。
In S3, the problem is transformed into an unconstrained binary optimization problem in the problem transformation section 123. For equations (2) and (3), the left-hand side is squared, multiplied by a predetermined weight, and added to the objective function. For equations (4) and (5), a new variable called a slack variable is introduced to transform them into an equality constraint, and then the same process is performed. For example, the upper limit constraint on active power flow can be transformed as follows by introducing a slack variable s.

式(6)、式(7)については擬似ブール関数の重みを算出する際に上下限値を満たすようにすれば自動的に考慮されたことになる。上記のように変形した結果を記憶部13に無制約二値変数問題135として保存する。 Equations (6) and (7) are automatically considered when calculating the weights of the pseudo-Boolean function, provided that the upper and lower bounds are satisfied. The result of the above transformation is saved in the memory unit 13 as the unconstrained binary variable problem 135.

S4では、高次項変換部124において3次以上の項を2次に変形する。S4では共通の変数を持つ項に対して新たな変数を導入して次数を低減する非特許文献1の方法を用いる。図3は、図2のS4の詳細なアルゴリズムを示す図である。∀xi∈{x1,x2,…}に対してS41を繰り返す。xiは最適化問題の各変数を表す。S41では変数xiを含み係数が正(>0)の3次以上の項に対して式(10)による式変形を行う。ここでH∈Hにおける右側の「H」はxiを含み係数が正(>0)の3次以上の項の集合、αHは項Hの係数、yは新たに導入する二値変数(0、1)である。式(10)の右辺の2項目のように、係数が正(>0)の項の次数が減少する。ただし、右辺の3項目のように係数が負(<0)で同じ次数の項が出現する。
In S4, the higher-order term transformation unit 124 transforms terms of degree 3 or higher into terms of degree 2. S4 uses the method described in Non-Patent Literature 1, which reduces the degree by introducing a new variable to terms that have a common variable. Figure 3 shows a detailed algorithm of S4 in Figure 2. S41 is repeated for all x i ∈ {x 1 , x 2 , ...}. x i represents each variable of the optimization problem. In S41, terms of degree 3 or higher that include the variable x i and have a positive coefficient (>0) are transformed by equation (10). Here, "H" on the right side of H ∈ H is the set of terms of degree 3 or higher that include x i and have a positive coefficient (>0), α H is the coefficient of term H, and y is a newly introduced binary variable (0, 1). As shown in the second term on the right side of equation (10), the degree of terms with a positive coefficient (>0) is reduced. However, as shown in the third term on the right side, terms with a negative coefficient (<0) and the same degree appear.

S42では、係数が負(<0)の3次以上の項について次式のように変形する。つまり、係数が負(<0)の3次以上の項の数だけ追加変数yを導入することになる。
In S42, terms of degree 3 or higher with negative coefficients (<0) are transformed as follows. In other words, an additional variable y is introduced for each term of degree 3 or higher with negative coefficients (<0).

S4の処理の結果、解くべき最適化問題はQUBO問題136となり、これを記憶部13に保存する。 As a result of processing in S4, the optimization problem to be solved becomes QUBO problem 136, which is then stored in the memory unit 13.

S5では、近似解算出部125において記憶部13のQUBO問題136をイジングマシン11に送信する。近似解算出部125はイジングマシン11による計算結果を受信し、記憶部13の近似解137に保存する。 In S5, the approximate solution calculation unit 125 transmits the QUBO problem 136 from the storage unit 13 to the Ising machine 11. The approximate solution calculation unit 125 receives the calculation result from the Ising machine 11 and stores it in the approximate solution 137 in the storage unit 13.

S6では、制御部126において記憶部13の近似解137を読み込み、電源の起動停止およびその出力等に関する制御信号を動作指示部2に伝送し、動作指示部2は電力系統3の操作を行う。 In S6, the control unit 126 reads the approximate solution 137 from the storage unit 13, transmits control signals related to power supply startup/shutdown and output to the operation instruction unit 2, and the operation instruction unit 2 operates the power system 3.

S1~S5の処理は、例えば5秒周期で繰り返し実行する。なお、上記の処理は必ずしも同じ周期で都度実行する必要はなく、例えばS1~S4を5秒よりも長い周期で実行してQUBO問題136を作成しておき、S5、S6のみ5秒周期で実行するような作用でもよい。その際に、コスト情報131に変化があった際にはS5においてQUBO問題136の該当部分を書き換える処理を行う。 The processes S1 to S5 are executed repeatedly, for example, at 5-second intervals. Note that the above processes do not necessarily need to be executed at the same interval each time; for example, S1 to S4 could be executed at intervals longer than 5 seconds to create the QUBO problem 136, and only S5 and S6 could be executed at 5-second intervals. In this case, if there is a change in the cost information 131, the corresponding part of the QUBO problem 136 is rewritten in S5.

(効果)
このように、第1の実施形態によれば、イジングマシン11を用いて電力系統全体に関する数理最適化問題を解くことができる。つまり、2次式で表現される制約式を含む問題をイジングマシン11で解くことができる。例えば、S4における処理では、変形過程で同じ高次項が多数出現して項数が削減され、追加変数の発生が抑制される効果がある。
(effect)
Thus, according to the first embodiment, mathematical optimization problems concerning the entire power system can be solved using the Ising machine 11. In other words, problems including constraints expressed as quadratic equations can be solved with the Ising machine 11. For example, in the process in S4, the same higher-order terms appear many times during the transformation process, reducing the number of terms and suppressing the generation of additional variables.

ここで、図4は、追加変数の発生が抑制される効果を説明するための図である。需給バランスに関する制約条件、有効電力潮流に関する制約条件に対応するペナルティ項は電圧の2次項同士の積が頻出する。なお、ペナルティ項は、例えば、式(9)のような等式制約の左辺を二乗して重みを乗算してからそれらを加算したものとして表現できる。 Here, Figure 4 illustrates the effect of suppressing the generation of additional variables. The penalty terms corresponding to the constraints on supply and demand balance and the constraints on active power flow frequently consist of the product of quadratic voltage terms. Note that the penalty terms can be expressed, for example, by squaring the left-hand side of an equality constraint like in equation (9), multiplying it by a weight, and then adding them together.

また、電圧は連続変数であるので、図4では、擬似ブール関数による表現をしている。ここで簡単のため各変数が2つのバイナリ変数(0、1)で表現されるとすれば、図4のように式展開できる。ここでバイナリ変数の二乗項は一乗項に変形できる(12=1、02=0のため)ことも用いる。例えば、S41においてvRe 11について処理する状況を考える。vRe 11vRe 12vRe 21vIm 21の四次項は係数が正の3次項の+vRe 12vRe 21vIm 21と、係数が負の四次項-yvRe 12vRe 21vIm 21(yは新たな変数)に分解される。-yvRe 12vRe 21vIm 21についてはS42でさらに新たな変数を導入して2次に変形することになる。ここで、正の3次項の+vRe 12vRe 21vIm 21については図中に枠で示したように別の項と同じ形となり、まとめることで、正の高次項の項数が減少する。これにより、次の変数に対する処理に際して負の高次項の生成が削減されるので追加の変数の数が削減される。OPFにおいては上記のような正の高次項の削減が多くの部分で発生するような定式化となっているため変数の大きな削減効果が見込める。 Furthermore, since voltage is a continuous variable, it is represented using a pseudo-Boolean function in Figure 4. If we assume that each variable is represented by two binary variables (0, 1) for simplicity, the equation can be expanded as shown in Figure 4. Here, we also use the fact that the squared term of a binary variable can be transformed into a first-power term (because 1/2 = 1 and 0/2 = 0). For example, consider the situation when processing v Re 11 in S41. The quartic term v Re 11 v Re 12 v Re 21 v Im 21 is decomposed into a cubic term with a positive coefficient, +v Re 12 v Re 21 v Im 21 , and a quartic term with a negative coefficient, -yv Re 12 v Re 21 v Im 21 (where y is a new variable). For -yv Re 12 v Re 21 v Im 21 , we will introduce another new variable in S42 and transform it into a quadratic term. Here, the positive cubic term +v Re 12 v Re 21 v Im 21 has the same form as another term, as shown by the box in the figure, and by combining them, the number of positive higher-order terms decreases. This reduces the generation of negative higher-order terms when processing the next variable, thus reducing the number of additional variables. In OPF, the formulation is such that the above reduction of positive higher-order terms occurs in many parts, so a large reduction in the number of variables can be expected.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described.

(構成)
図5は、第2の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。第2の実施形態は、第1の実施形態(図1)の処理部12に問題規模削減部128が追加されるとともに、記憶部13に削減問題138が追加されていることが特徴である。
(composition)
Figure 5 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the second embodiment. The second embodiment is characterized in that a problem size reduction unit 128 is added to the processing unit 12 of the first embodiment (Figure 1), and a reduction problem 138 is added to the storage unit 13.

(作用)
図6は、第2の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。第1の実施形態(図2)におけるS5の前段にS7が追加されている。S7では、前処理としてグラフ理論に基づいて問題規模を削減する。具体的には、例えば、2次の擬似ブール関数表現にグラフ理論を適用してネットワークフローモデルに変換し、最大フロー問題を解くことで大域的最適解を部分的に得るQuadratic pseudo-Boolean Optimization(QPBO)を用いる。つまり、QPBOでは、複数の変数のうち、いくつかの解を得ることができる。さらに具体的には、この処理は非特許文献2のアルゴリズムを実装することで実現できる。
(effect)
Figure 6 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the second embodiment. S7 is added before S5 in the first embodiment (Figure 2). In S7, the problem size is reduced based on graph theory as a preprocessing step. Specifically, for example, Quadratic pseudo-Boolean Optimization (QPBO) is used, which applies graph theory to a quadratic pseudo-Boolean function representation to convert it into a network flow model and partially obtains the global optimal solution by solving the maximum flow problem. In other words, QPBO can obtain solutions for some of the multiple variables. More specifically, this process can be realized by implementing the algorithm in Non-Patent Document 2.

QPBOで大域的最適解の一部とされた変数を定数として固定することで変数を削減した問題を削減問題138として記憶部13に保存する。S5では削減問題138をイジングマシン11に送信する。なお、S7で用いる手法はQPBOに限定されない。また、S7とS5を繰り返し実行して解を算出する作用としてもよい。ここで、S4の詳細なアルゴリズムは図3と同様であるが、S41では変数x_iを含み係数が正(>0)の2次以上の項に対して式(10)による式変形を行う。非特許文献1によれば係数が正(>0)で2次以上の項は非劣モジュラ項と呼ばれ、非劣モジュラ項が少ないほどQPBOで大域的最適解の一部として固定できる変数が増加する。例えば、共通の変数を持つ5つの係数が正(>0)の2次項に対して式(10)を適用すれば、係数が正(>0)の2次項は1つ(右辺1項目)に減少する。なお、第1の実施形態においても同様に係数が正(>0)の2次以上の項に対して式(10)による式変形を行う作用としてもよい。 The problem obtained by fixing the variables that were considered part of the global optimal solution in QPBO as constants is saved in the storage unit 13 as a reduced problem 138. In S5, the reduced problem 138 is transmitted to the Ising machine 11. Note that the method used in S7 is not limited to QPBO. Alternatively, S7 and S5 may be executed repeatedly to calculate the solution. Here, the detailed algorithm of S4 is the same as in Figure 3, but in S41, the equation (10) is used to transform the equation for terms of order 2 or higher that include the variable x_i and have a positive coefficient (>0). According to Non-Patent Literature 1, terms of order 2 or higher with a positive coefficient (>0) are called non-inferior modular terms, and the fewer non-inferior modular terms there are, the more variables can be fixed as part of the global optimal solution in QPBO. For example, if equation (10) is applied to five quadratic terms with a common variable and a positive coefficient (>0), the number of quadratic terms with a positive coefficient (>0) is reduced to one (the first term on the right side). In addition, in the first embodiment as well, the operation may be to perform the equation transformation by equation (10) on terms of degree two or higher with positive coefficients (>0).

(効果)
第1の実施形態の効果に加えて、イジングマシン11で扱える変数には限りがあるという制約の中で、S7で最適化問題の規模を削減することで、より大きい規模の問題をイジングマシン11で実行できるようになる。
(effect)
In addition to the effects of the first embodiment, while there is a limit to the number of variables that can be handled by the Ising machine 11, reducing the scale of the optimization problem in S7 makes it possible to run larger-scale problems on the Ising machine 11.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described.

(構成)
図7は、第3の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。第3の実施形態は、第1の実施形態の構成(図1)に最適化ソルバ17が追加されていることが特徴である。最適化ソルバ17は、数理最適化問題133を解くことが可能な装置、またはソフトウェアである。最適化ソルバ17は、処理部12と同一の装置に実装してもよいし、あるいは、処理部12とは異なるコンピュータとして実装してもよい。また、最適化ソルバ17は、例えば主双対内点法やニュートン法を実装したソフトウェアとして実現できる。また、第1の実施形態(図1)の処理部12に解補正部129が追加されるとともに、記憶部13に補正解139が追加されていることが特徴である。
(composition)
Figure 7 shows the overall configuration of the optimization device 1 of the third embodiment. The third embodiment is characterized by the addition of an optimization solver 17 to the configuration of the first embodiment (Figure 1). The optimization solver 17 is a device or software capable of solving mathematical optimization problems 133. The optimization solver 17 may be implemented in the same device as the processing unit 12, or it may be implemented as a separate computer from the processing unit 12. Furthermore, the optimization solver 17 can be realized as software that implements, for example, the prim-dual interior-point method or Newton's method. In addition, the solution correction unit 129 is added to the processing unit 12 of the first embodiment (Figure 1), and the corrected solution 139 is added to the storage unit 13.

(作用)
図8は、第3の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。第1の実施形態(図2)におけるS6の前段にS8が追加されている。イジングマシン11は、その原理上、通常、実行可能解が得られることが保証されないため、解補正部129によって、実行可能解となるように解を補正する。具体的には、電源の起動停止などの二値変数をS5の解で固定して、連続変数のみのOPFを実行する。
(effect)
Figure 8 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the third embodiment. S8 is added before S6 in the first embodiment (Figure 2). Due to its principle of operation, the Ising machine 11 is not guaranteed to obtain a feasible solution, so the solution correction unit 129 corrects the solution to make it a feasible solution. Specifically, binary variables such as power supply startup and shutdown are fixed in the solution of S5, and an OPF is performed on only the continuous variables.

S8で解く対象の系統の各母線には、有効電力出力の下限値が-∞、上限値が+∞であり、0以外の出力値となった場合にコストが他の電源と比較して非常に大きくなる調整発電機を設置し、調整発電機の有効電力出力を連続変数に加える。S5の解で実行不可能な場合には調整発電機の出力が変化するようにすることで実行可能解を得る。調整発電機の出力変化分については同一ノードの他の電源に割り振る。具体的には調整発電機の出力が正値の場合には、調整発電機の出力分だけコストが安い順に他の電源の出力を上げ、必要に応じて停止となっている電源を起動とする。調整発電機の出力が負値の場合には、調整発電機の出力分だけコストが高い順に他の電源の出力を下げ、必要に応じて起動となっている電源を停止とする。補正後の解を記憶部13に補正解139として保存する。S6では記憶部13の補正解139を読み込み、電源の起動停止およびその出力等に関する制御信号を動作指示部2に伝送し、動作指示部2は電力系統3の操作を行う。 In S8, each busbar of the system to be solved is equipped with a regulating generator whose active power output has a lower limit of -∞ and an upper limit of +∞, and whose cost becomes significantly higher than other power sources when the output value is anything other than zero. The active power output of the regulating generator is added to the continuous variable. If the solution in S5 is not feasible, a feasible solution is obtained by changing the output of the regulating generator. The change in the output of the regulating generator is allocated to other power sources in the same node. Specifically, if the output of the regulating generator is positive, the output of other power sources is increased in order of decreasing cost by the amount of the regulating generator's output, and power sources that are stopped are started as needed. If the output of the regulating generator is negative, the output of other power sources is decreased in order of increasing cost by the amount of the regulating generator's output, and power sources that are started are stopped as needed. The corrected solution is stored in the storage unit 13 as the corrected solution 139. In S6, the corrected solution 139 is read from the storage unit 13, and control signals regarding the starting/stopping of power sources and their outputs are transmitted to the operation instruction unit 2, which then operates the power system 3.

(効果)
第1の実施形態の効果に加えて、イジングマシン11は通常、実行可能解が得られることが保証されないが、S8で実行可能となるように解を補正することができる。
(effect)
In addition to the effects of the first embodiment, the Ising machine 11 is not normally guaranteed to obtain a feasible solution, but in S8 the solution can be corrected to make it feasible.

(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described.

(構成)
図9は、第4の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。第4の実施形態は、第3の実施形態(図7)の処理部12に反復解法実行部130が追加されるとともに、記憶部13に反復解140が追加されていることが特徴である。
(composition)
Figure 9 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the fourth embodiment. The fourth embodiment is characterized in that an iterative solution execution unit 130 is added to the processing unit 12 of the third embodiment (Figure 7), and an iterative solution 140 is added to the storage unit 13.

(作用)
図10は、第4の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。第3の実施形態(図8)におけるS6の前段にS9が追加されている。S6で得られた解は実行可能であるものの、厳密な最適解であることは保証されない。S9では、S6の解を暫定解として分枝限定法などの反復解法を実行することで、コスト(運用コスト)の小さい解を探索する。
(effect)
Figure 10 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the fourth embodiment. S9 is added before S6 in the third embodiment (Figure 8). Although the solution obtained in S6 is feasible, it is not guaranteed to be the exact optimal solution. In S9, the solution from S6 is used as a provisional solution, and an iterative solution method such as the branch and bound method is executed to search for a solution with low cost (operational cost).

(効果)
第3の実施形態よりもコストの小さい解を得ることができる可能性がある。また、従来の反復解法よりも大域的最適解に近い暫定解から反復計算を実行できる場合には、従来よりも反復解法が早く収束することが期待できる。
(effect)
This approach may yield a less costly solution than the third embodiment. Furthermore, if it is possible to perform iterative calculations from a provisional solution that is closer to the global optimal solution than conventional iterative methods, the iterative method can be expected to converge faster than before.

なお、図10において、S5の後、S8を行わずにS9を行うようにしてもよい。 Note that in Figure 10, after S5, S9 may be performed without performing S8.

(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。
(Fifth Embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described.

(構成)
図11は、第5の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。第5の実施形態は、第2の実施形態(図5)の処理部12に解補正部129が追加されるとともに、記憶部13に補正解139が追加されていることが特徴である。
(composition)
Figure 11 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the fifth embodiment. The fifth embodiment is characterized in that a solution correction unit 129 is added to the processing unit 12 of the second embodiment (Figure 5), and a corrected solution 139 is added to the storage unit 13.

(作用)
図12は、第5の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。第2の実施形態(図6)におけるS6の前段にS8が追加されている。S8の作用は第3の実施形態(図8)と同じである。
(effect)
Figure 12 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the fifth embodiment. S8 is added before S6 in the second embodiment (Figure 6). The operation of S8 is the same as in the third embodiment (Figure 8).

(効果)
第2の実施形態の効果に加えて、実行可能となるように解を補正する効果がある。
(effect)
In addition to the effects of the second embodiment, it also has the effect of correcting the solution to make it feasible.

(第6の実施形態)
次に、第6の実施形態について説明する。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described.

(構成)
図13は、第6の実施形態の最適化装置1の全体構成等を示す図である。第6の実施形態は、第5の実施形態(図11)の処理部12に反復解法実行部130が追加されるとともに、記憶部13に反復解140が追加されていることが特徴である。
(composition)
Figure 13 shows the overall configuration of the optimization device 1 according to the sixth embodiment. The sixth embodiment is characterized in that an iterative solution execution unit 130 is added to the processing unit 12 of the fifth embodiment (Figure 11), and an iterative solution 140 is added to the storage unit 13.

(作用)
図14は、第6の実施形態における最適化装置1の作用を示すフローチャートである。第5の実施形態(図12)におけるS6の前段にS9が追加されている。S9の作用は第4の実施形態(図10)と同じである。
(effect)
Figure 14 is a flowchart showing the operation of the optimization device 1 in the sixth embodiment. S9 is added before S6 in the fifth embodiment (Figure 12). The operation of S9 is the same as in the fourth embodiment (Figure 10).

(効果)
第5の実施形態の効果に加えて、第5の実施形態よりもコスト(運用コスト)の小さい解を得ることができる。
(effect)
In addition to the effects of the fifth embodiment, a solution with lower costs (operating costs) than the fifth embodiment can be obtained.

本実施形態の最適化装置1で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD(Compact Disc)-ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD-R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。 The program executed by the optimization device 1 of this embodiment is provided as an installable or executable file recorded on a computer-readable recording medium such as a CD (Compact Disc)-ROM, flexible disk (FD), CD-R, or DVD (Digital Versatile Disk).

また、当該プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、当該プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。また、当該プログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。 Furthermore, the program may be configured to be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by downloading it via the network. Alternatively, the program may be provided or distributed via a network such as the Internet. Furthermore, the program may be pre-installed and provided in ROM or similar media.

当該プログラムは、上述した各機能構成を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはCPUが上記記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより各機能構成が主記憶装置上にロードされ、主記憶装置上に生成される。 The program in question is structured as a module containing the functional configurations described above. In actual hardware, the CPU reads the program from the storage medium and executes it, loading each functional configuration into main memory and generating it there.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples only and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications are possible without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are included within the scope and spirit of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as described in the claims.

例えば、上述の複数の実施形態を組み合わせて実施してもよい。 For example, the above-described embodiments may be implemented in combination.

また、数理最適化問題を生成する際に、気象データなどの別のデータをさらに用いてもよい。 Furthermore, when generating mathematical optimization problems, additional data such as weather data may be used.

1…最適化装置、2…動作指示部、3…電力系統、11…イジングマシン、12…処理部、13…記憶部、14…系統情報受信部、15…入力部、16…出力部、17…最適化ソルバ、121…問題生成部、122…変数変換部、123…問題変形部、124…高次項変換部、125…近似解算出部、126…制御部、127…データ管理部、128…問題規模削減部、129…解補正部、130…反復解、140法実行部、131…コスト情報、132…系統情報、133…数理最適化問題、134…二値変数問題、135…無制約二値変数問題、136…QUBO問題、137…近似解、138…削減問題、139…補正解、140…反復解 1…Optimization device, 2…Operation instruction unit, 3…Power system, 11…Ising machine, 12…Processing unit, 13…Storage unit, 14…System information receiving unit, 15…Input unit, 16…Output unit, 17…Optimization solver, 121…Problem generation unit, 122…Variable transformation unit, 123…Problem transformation unit, 124…Higher-order term transformation unit, 125…Approximate solution calculation unit, 126…Control unit, 127…Data management unit, 128…Problem size reduction unit, 129…Solution correction unit, 130…Iterative solution, 140 method execution unit, 131…Cost information, 132…System information, 133…Mathematical optimization problem, 134…Binary variable problem, 135…Unconstrained binary variable problem, 136…QUBO problem, 137…Approximate solution, 138…Reduction problem, 139…Corrected solution, 140…Iterative solution

Claims (8)

電源の運用で生じるコストに関するコスト情報に基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成部と、
前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換部と、
前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形部と、
前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO(Quadratic Unconstrained Binary Optimization)形式の問題に変換する高次項変形部と、
イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出部と、を備える最適化装置。
A problem generation unit that generates a mathematical optimization problem related to costs based on cost information regarding the costs incurred in power supply operation ,
A variable transformation unit that transforms all variables in the aforementioned mathematical optimization problem into binary variables,
A problem transformation unit that transforms the aforementioned mathematical optimization problem into an unconstrained binary optimization problem,
Regarding the aforementioned binary optimization problem, the process involves repeatedly introducing a new variable into the sum of terms with positive coefficients that are quadratic or quadratic or higher in order of degree 2 or higher and share a common variable, thereby transforming them into a polynomial that includes terms with negative coefficients. Then, the process involves introducing a new variable into terms with negative coefficients that are quadratic or higher in order of degree 3 or higher, thereby transforming them into quadratic expressions. This process converts the problem into a QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) format problem.
An optimization apparatus comprising: an approximate solution calculation unit that solves the QUBO format problem using an Ising machine; and
電力系統の情報である系統情報を収集する系統情報受信部と、
前記系統情報と前記電力系統に関するコスト情報とに基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成部と、
前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換部と、
前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形部と、
前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO形式の問題に変換する高次項変形部と、
イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出部と、を備える最適化装置。
A system information receiving unit that collects system information, which is information about the power system,
A problem generation unit that generates a mathematical optimization problem relating to costs based on the aforementioned system information and cost information relating to the power system,
A variable transformation unit that transforms all variables in the aforementioned mathematical optimization problem into binary variables,
A problem transformation unit that transforms the aforementioned mathematical optimization problem into an unconstrained binary optimization problem,
Regarding the aforementioned binary optimization problem, the process involves repeatedly introducing a new variable into the sum of terms with positive coefficients and a common variable among terms of degree 2 or 3 or higher, thereby transforming them into a polynomial containing terms with negative coefficients. Then, the process involves introducing a new variable into terms with negative coefficients and a degree 3 or higher, thereby transforming them into quadratic expressions and converting them into a QUBO-type problem.
An optimization apparatus comprising: an approximate solution calculation unit that solves the QUBO format problem using an Ising machine; and
前記近似解算出部によって算出された近似解に関して、二値変数をイジングマシンで解いた解で固定し、連続変数について最適潮流計算(OPF:Optimal Power Flow)を実行する処理を行う解補正部を、さらに備える請求項1または請求項2に記載の最適化装置。 The optimization apparatus according to claim 1 or claim 2, further comprising a solution correction unit that performs a process of fixing the binary variables with the solutions obtained by an Ising machine and performing an optimal power flow calculation (OPF) for the continuous variables with respect to the approximate solution calculated by the approximate solution calculation unit. 前記解補正部によって算出された解を暫定解として反復解法を実行する反復解法実行部を、さらに備える請求項に記載の最適化装置。 The optimization apparatus according to claim 3 , further comprising an iterative solution execution unit that executes an iterative solution method using the solution calculated by the solution correction unit as a provisional solution. コンピュータが実行する最適化方法であって、
電源の運用で生じるコストに関するコスト情報に基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成ステップと、
前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換ステップと、
前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形ステップと、
前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO形式の問題に変換する高次項変形ステップと、
イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出ステップと、を含む最適化方法。
An optimization method performed by a computer,
A problem generation step that generates a mathematical optimization problem related to costs based on cost information regarding the costs incurred in power supply operation ,
A variable transformation step in which all variables of the aforementioned mathematical optimization problem are transformed into binary variables,
A problem transformation step that transforms the aforementioned mathematical optimization problem into an unconstrained binary optimization problem,
Regarding the aforementioned binary optimization problem, the process involves repeatedly introducing a new variable into the sum of terms with positive coefficients and a common variable among terms of degree 2 or 3 or higher, thereby transforming them into a polynomial containing terms with negative coefficients. Then, the process involves introducing a new variable into terms with negative coefficients and a degree 3 or higher, thereby transforming them into quadratic expressions and converting them into a QUBO-type problem.
An optimization method comprising: a step of calculating an approximate solution to the QUBO-format problem using an Ising machine.
コンピュータを、
電源の運用で生じるコストに関するコスト情報に基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成部と、
前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換部と、
前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形部と、
前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO(Quadratic Unconstrained Binary Optimization)形式の問題に変換する高次項変形部と、
イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出部と、して機能させるためのプログラム。
Computers,
A problem generation unit that generates a mathematical optimization problem related to costs based on cost information regarding the costs incurred in power supply operation ,
A variable transformation unit that transforms all variables in the aforementioned mathematical optimization problem into binary variables,
A problem transformation unit that transforms the aforementioned mathematical optimization problem into an unconstrained binary optimization problem,
Regarding the aforementioned binary optimization problem, the process involves repeatedly introducing a new variable into the sum of terms with positive coefficients that are quadratic or quadratic or higher in order of degree 2 or higher and share a common variable, thereby transforming them into a polynomial that includes terms with negative coefficients. Then, the process involves introducing a new variable into terms with negative coefficients that are quadratic or higher in order of degree 3 or higher, thereby transforming them into quadratic expressions. This process converts the problem into a QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) format problem.
An approximate solution calculation unit that uses an Ising machine to solve the aforementioned QUBO format problem, and a program for causing it to function as such.
コンピュータが実行する最適化方法であって、
電力系統の情報である系統情報を収集する系統情報受信ステップと、
前記系統情報と前記電力系統に関するコスト情報とに基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成ステップと、
前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換ステップと、
前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形ステップと、
前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO形式の問題に変換する高次項変形ステップと、
イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出ステップと、を含む最適化方法。
An optimization method performed by a computer,
A system information receiving step that collects system information, which is information about the power system,
A problem generation step of generating a mathematical optimization problem relating to costs based on the aforementioned system information and cost information relating to the power system,
A variable transformation step in which all variables of the aforementioned mathematical optimization problem are transformed into binary variables,
A problem transformation step that transforms the aforementioned mathematical optimization problem into an unconstrained binary optimization problem,
Regarding the aforementioned binary optimization problem, the process involves repeatedly introducing a new variable into the sum of terms with positive coefficients and a common variable among terms of degree 2 or 3 or higher, thereby transforming them into a polynomial containing terms with negative coefficients. Then, the process involves introducing a new variable into terms with negative coefficients and a degree 3 or higher, thereby transforming them into quadratic expressions and converting them into a QUBO-type problem.
An optimization method comprising: a step of calculating an approximate solution to the QUBO-format problem using an Ising machine.
コンピュータを、
電力系統の情報である系統情報を収集する系統情報受信部と、
前記系統情報と前記電力系統に関するコスト情報とに基づいてコストに関する数理最適化問題を生成する問題生成部と、
前記数理最適化問題の変数をすべて二値変数に変換する変数変換部と、
前記数理最適化問題を制約なしの二値最適化問題に変形する問題変形部と、
前記二値最適化問題について、係数が正で2次または3次以上の項のうち共通の変数を持つ項の和に対して新たな変数を1つ導入して係数が負の項を含む多項式に変換する処理を繰り返し実行した後に、係数が負で3次以上の項に対して新たな変数を導入することで2次式に変形する処理を実行してQUBO形式の問題に変換する高次項変形部と、
イジングマシンを用いて前記QUBO形式の問題を解く近似解算出部と、して機能させるためのプログラム。
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