两节点系统的节点电价求解过程

一个两节点系统，示意图如下：

三个发电机组\(G1,G2,G3\)在出清功率\(P_{G,1},P_{G,2}和P_{G,3}\)的下发电成本函数分别为

\[\begin{array}{l} c_1(P_{G,1})=1.05P_{G,1}+17\\ c_2(P_{G,2})=2.1P_{G,1}+25\\ c_3(P_{G,3})=1.55P_{G,3}+20 \end{array} \]

三个负载\(P1,P2,P3\)在负荷\(P_{D,1},P_{D,2}和P_{D,3}\)的用电效益函数分别为

\[\begin{array}{l} b_1(P_{D,1})=-0.4P_{D,1}+135\\ b_2(P_{D,2})=-0.8P_{D,1}+120\\ b_3(P_{D,3})=-0.5P_{D,3}+128 \end{array} \]

求解该两节点系统的出清和节点电价？
节点电价计算公式：

\[\lambda_{i}^{\mathrm{LMP}}=-\lambda-\sum_{l=1}^{m} F_{l i}\left(\mu_{1}^{+}+\mu_{1}^{-}\right) \]

式中\(F_{li}\)为节点 \(i\) 对线路 \(l\)的发电机输出功率转移分布因子,由于该系统只有两个节点，所以\(F_{li}=1\)

1. 对于节点1，建立以下优化模型：

\[\begin{aligned} \max_{PD,PG} &\sum_{i=1}^{3}b_iP_{D,i}-\sum_{i=1}^{3}c_iP_{G,i}\\ \text{s.t.}\quad &0\leq P_{G,i}\leq40\text{MW},i={1,2,3}\\ &0\leq P_{D,i}\leq50\text{MW},i={1,2,3}\\ &\sum_{i=1}^{3}P_{D,i}=\sum_{i=1}^{3}P_{G,i}\\ &-10\text{MW}\leq P_{G,1}+P_{G,2}-P_{D,1}\leq 10\text{MW}\\ \end{aligned} \]

拉格朗日函数：

\[\begin{aligned} L=&\sum_{i=1}^{3}b_iP_{D,i}-\sum_{i=1}^{3}c_iP_{G,i}+\lambda (\sum_{i=1}^{3}P_{D,i}-\sum_{i=1}^{3}P_{G,i})+\mu_1^+(P_{G,1}+P_{G,2}-P_{D,1}-10)+\mu_1^-(P_{D,1}-P_{G,1}-P_{G,2}-10)\\ &+\mu_3(P_{G,1}-40)+\mu_4(P_{G,2}-40)+\mu_5(P_{G,3}-40)+\mu_6(P_{D,1}-50)+\mu_7(P_{D,2}-50)+\mu_8(P_{D,3}-50)-\mu_9P_{G,1}\\ &-\mu_{10}P_{G,2}-\mu_{11}P_{G,3}-\mu_{12}P_{D,1}-\mu_{13}P_{D,2}-\mu_{14}P_{D,3} \end{aligned} \]

根据KKT条件可以解得\(\lambda=-102.41,\mu_1^+=4.26,\mu_1^-=0\)，据据节点电价计算公式得\(\lambda_1^{LMP}=98.15\)

2. 对于节点2，建立以下优化模型：

\[\begin{aligned} \max_{PD,PG} &\sum_{i=1}^{3}b_iP_{D,i}-\sum_{i=1}^{3}c_iP_{G,i}\\ \text{s.t.}\quad &0\leq P_{G,i}\leq40\text{MW},i={1,2,3}\\ &0\leq P_{D,i}\leq50\text{MW},i={1,2,3}\\ &\sum_{i=1}^{3}P_{D,i}=\sum_{i=1}^{3}P_{G,i}\\ &-10\text{MW}\leq f_{2\rightarrow1}\leq 10\text{MW}\\ \end{aligned} \]

拉格朗日函数：

\[\begin{aligned} L=&\sum_{i=1}^{3}b_iP_{D,i}-\sum_{i=1}^{3}c_iP_{G,i}+\lambda (\sum_{i=1}^{3}P_{D,i}-\sum_{i=1}^{3}P_{G,i})+\mu_1^+(P_{G,3}-P_{D,2}-P_{D,3}-10)+\mu_1^-(P_{D,2}+P_{D,3}-P_{G,3}-10)\\ &+\mu_3(P_{G,1}-40)+\mu_4(P_{G,2}-40)+\mu_5(P_{G,3}-40)+\mu_6(P_{D,1}-50)+\mu_7(P_{D,2}-50)+\mu_8(P_{D,3}-50)-\mu_9P_{G,1}\\ &-\mu_{10}P_{G,2}-\mu_{11}P_{G,3}-\mu_{12}P_{D,1}-\mu_{13}P_{D,2}-\mu_{14}P_{D,3} \end{aligned} \]

根据KKT条件可以解得\(\lambda=-98.15,\mu_1^+=0,\mu_1^-=4.26\)，据节点电价计算公式得\(\lambda_2^{LMP}=102.41\)

求得上述优化模型的解为：

出清功率\(PG\)	\(P_{G,1}=38.64\text{MW}\)	\(P_{G,2}=17.42\text{MW}\)	\(P_{G,3}=26.58\text{MW}\)
机组边际价格\(C\)	\(c_1=57.56\$/\text{MW}\) | \(c_2=61.58\$/\text{MW}\)	\(c_3=61.21\$/\text{MW}\)
机组收入	\(2224.9333\)	$1072.4667 $	\(1627.0638\)
负载\(PD\)	\(P_{D,1}=46.06\text{MW}\)	\(P_{D,2}=10.99\text{MW}\)	\(P_{D,3}=25.59\text{MW}\)
支付价格	\(b_1=116.58\$/\text{MW}\) | \(b_2=111.21\$/\text{MW}\)	\(b_1=115.21\$/\text{MW}\)
负载支出	\(5369.55\)	\(1222.5639\)	\(2948.1023\)
总社会福利	\(4615.8\$\)
节点\(1\)节点电价	\(98.15\$\) | 节点\(2\)节点电价 | \(102.41\$\)

求解代码（提取码：4f6qei）