[论文解读] A Fast Solution Method for Large-scale Unit Commitment Based on Lagrangian Relaxation and Dynamic Programming

Jiangwei Hou, Qiaozhu Zhai+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2022

Electric Power System Optimization被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种快速、两阶段的大型机组组合（UC）方法，通过结合拉格朗日松弛（LR）进行初始解估计和动态规划（DP）进行约束优化。该方法有效处理了系统级和机组级约束，在IEEE 24节点、118节点以及实际的波兰（2383节点）和法国（6468节点）系统中均实现了高质量的可行解，并显著提升了计算速度。

ABSTRACT

The unit commitment problem (UC) is crucial for the operation and market mechanism of power systems. With the development of modern electricity, the scale of power systems is expanding, and solving the UC problem is also becoming more and more difficult. To this end, this paper proposes a new fast solution method based on Lagrangian relaxation and dynamic program-ming. Firstly, the UC solution is estimated to be an initial trial UC solution by a fast method based on Lagrangian relaxation. This initial trial UC solution fully considers the system-wide con-straints. Secondly, a dynamic programming module is introduced to adjust the trial UC solution to make it satisfy the unit-wise constraints. Thirdly, a method for constructing a feasible UC solution is proposed based on the adjusted trial UC solution. Specifically, a feasibility-testing model and an updating strategy for the trial UC solution are established in this part. Numerical tests are implemented on IEEE 24-bus, IEEE 118-bus, Polish 2383-bus, and French 6468-bus systems, which verify the effec-tiveness and efficiency of the proposed method.

研究动机与目标

• 为应对现代电力系统中求解大规模机组组合（UC）问题日益增长的计算挑战。
• 开发一种快速且可扩展的求解方法，在处理系统级和机组级约束的同时保持解的可行性。
• 通过引入动态规划进行优化，相较于传统基于LR的方法，提升解的质量和收敛速度。
• 在包括2383节点和6468节点的实际大规模电力系统测试案例上验证该方法。

提出的方法

• 利用一种快速的拉格朗日松弛（LR）方法生成初始试验性UC解，该方法整合了系统级约束。
• 应用动态规划（DP）模块对试验解进行调整，确保满足机组级约束，如最小启停时间。
• 引入一个可行性测试模型，用于评估调整后的解，并指导迭代优化。
• 设计了一种试验性UC解的更新策略，通过DP模块的反馈提升解的可行性和收敛性。
• 在顺序框架中集成LR与DP：LR提供快速、近似最优的初始解，DP则确保机组层面的可行性。
• 整体框架设计为计算高效且适用于大规模电力系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合拉格朗日松弛与动态规划的混合方法是否能显著提升大规模机组组合求解的速度与可行性？
• RQ2 动态规划在多大程度上能有效优化基于LR的初始解，以满足复杂的机组组合约束？
• RQ3 所提出方法在真实世界的大规模电力系统（如波兰2383节点和法国6468节点网络）中的表现如何？
• RQ4 与标准LR方法相比，该方法在显著降低计算时间的同时，其解的质量保持程度如何？

主要发现

• 所提方法成功为所有测试系统（包括大规模的法国6468节点系统）生成了可行的机组组合解。
• 数值结果表明，与传统仅使用LR的方法相比，该方法在显著降低计算时间的同时，实现了高质量的解。
• 动态规划的集成有效强制执行了机组级约束（如最小启停时间），显著提升了解的可行性。
• 该方法在不同规模的系统中均保持了良好的可扩展性与鲁棒性，涵盖从IEEE 24节点到真实世界6468节点系统。