Highly-efficient Time-sequential Production Simulation Method for Power System Based on Benders Decomposition

ZHANG Jifan; SHI Xiaohan; ZHANG Hengxu

doi:10.7500/AEPS20250821006

English Version Journal Login

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Highly-efficient Time-sequential Production Simulation Method for Power System Based on Benders Decomposition

更新时间：2026-10-26

- Highly-efficient Time-sequential Production Simulation Method for Power System Based on Benders Decomposition
- Automation of Electric Power Systems Pages: 1-16(2026)
- 作者机构：
  
  山东大学电气工程学院，山东省济南市 250061
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Smart Grid Major Program (2030)(2024ZD0801100)
- DOI：10.7500/AEPS20250821006
  CLC：
- Received：21 August 2025，
  
  Revised：2026-03-26，
  
  Online First：16 July 2026，
- 稿件说明：
移动端阅览
张觊凡,施啸寒,张恒旭.基于Benders分解的电力系统高效时序生产模拟方法[J/OL].电力系统自动化, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250821006.

ZHANG Jifan,SHI Xiaohan,ZHANG Hengxu.Highly-efficient Time-sequential Production Simulation Method for Power System Based on Benders Decomposition[J/OL].Automation of Electric Power Systems, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250821006.
张觊凡,施啸寒,张恒旭.基于Benders分解的电力系统高效时序生产模拟方法[J/OL].电力系统自动化, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250821006. DOI：

ZHANG Jifan,SHI Xiaohan,ZHANG Hengxu.Highly-efficient Time-sequential Production Simulation Method for Power System Based on Benders Decomposition[J/OL].Automation of Electric Power Systems, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250821006. DOI：

摘要

针对高比例可再生能源并网背景下时序生产模拟的维度爆炸和求解效率瓶颈问题，提出一种基于改进Benders分解的求解框架，以实现高比例风光电源场景下新型电力系统的高效时序生产模拟。首先，构建源网荷储多元协同的时序生产模拟模型；然后，基于机组运行经济性，对离散决策变量进行初步压缩；进一步，构建双层嵌套Benders分解框架，外层解耦为网络越限校验与源荷储出力优化2个子问题，内层分解为机组启停决策和连续出力优化2个子问题，并结合线性松弛近似最优解实现寻优空间的二次压缩；最后，通过系统功率转移分布因子矩阵构造割平面，以保证迭代收敛。基于某省级电网90节点系统的算例分析表明，所提方法可在提升时序生产模拟速度的同时保证求解质量。

Abstract

To address the dimensional explosion and computational efficiency bottlenecks in time-sequential production simulation under the background of integrating high-proportion renewable energy into the grid

an efficient solution framework based on the improved Benders decomposition is proposed to achieve highly-efficient sequential production simulation for new power systems with high-proportion wind and solar power sources. Firstly

a time-sequential production simulation model considering the multi-resource coordination among source

grid

load

and energy storage is constructed. Then

a preliminary compression of discrete decision variables is performed based on the operation economy efficiency of generating units. Furthermore

a bi-level nested Benders decomposition framework is constructed

in which the outer level is decoupled into two sub-problems of transmission limit violation checking and source-load-storage output optimization

while the inner level is separated into two sub-problems of unit start-up and shut-down decisions and continuous output optimization. Meanwhile

a secondary compression of the optimal search space is realized by incorporating linear relaxation near-optimal solutions. Finally

cutting planes are constructed through the power transfer distribution factor matrix of system to ensure iterative convergence. A case study based on a specific 90-bus provincial power grid system demonstrates that the proposed method can increase sequential production simulation speed while maintaining solution quality.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . 新型电力系统发展蓝皮书［R/OL］.［ 2024-01-30 ］. http：//www.nea.gov.cn/download/xxdlxtfzlpsgk.pdf http://www.nea.gov.cn/download/xxdlxtfzlpsgk.pdf .

National Energy Administration . Blue book for the development of new power systems ［R/OL］. ［ 2024-01-30 ］. http：//www.nea.gov.cn/download/xxdlxtfzlpsgk.pdf http://www.nea.gov.cn/download/xxdlxtfzlpsgk.pdf .

康重庆，姚良忠 . 高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 9 ）： 1 - 11 .

Kang Chongqing ， Yao Liangzhong . Key scientific issues and theoretical research framework for power systems with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 9 ）： 1 - 11 .

杨钤，王建学，杨续松，等 . 电力电量平衡分析及其加速求解技术的发展、应用与展望［J］. 电网技术， 2024 ， 48 （ 2 ）： 760 - 777 .

Yang Qian ， Wang Jianxue ， Yang Xusong ， et al . Development， application and prospect of power and energy balance analysis and its speedup computation technologies ［J］. Power System Technology ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 760 - 777 .

王冲，王秀丽，鞠平，等 . 电力系统随机分析方法研究综述［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 3 ）： 184 - 199 .

Wang Chong ， Wang Xiuli ， Ju Ping ， et al . Review of research on power system stochastic analysis methods ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 3 ）： 184 - 199 .

徐新智，杜尔顺，高艺，等 . 电力系统运行模拟与容量规划工具研究与应用综述［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 2 ）： 188 - 199 .

Xu Xinzhi ， Du Ershun ， Gao Yi ， et al . Overview on research and application of power system operation simulation and capacity planning tools ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 2 ）： 188 - 199 .

Chen X Y ， Liu Y X ， Wang Q ， et al . Pathway toward carbon-neutral electrical systems in China by mid-century with negative CO 2 abatement costs informed by high-resolution modeling ［J］. Joule ， 2021 ， 5 （ 10 ）： 2715 - 2741 .

金昱烨，方家琨，艾小猛，等 . 含季节性氢储能的电力系统跨尺度全年时序生产模拟方法［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 14 ）： 120 - 129 .

Jin Yuye ， Fang Jiakun ， Ai Xiaomeng ， et al . Cross-time-scale annual chronological production simulation method for power system with seasonal hydrogen energy storage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 14 ）： 120 - 129 .

Li X ， Zhai Q Z ， Zhou J X ， et al . A variable reduction method for large-scale unit commitment ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 261 - 272 .

魏利屾，艾小猛，方家琨，等 . 面向新型电力系统的时序生产模拟应用与求解技术综述［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 6 ）： 170 - 184 .

Wei Lishen ， Ai Xiaomeng ， Fang Jiakun ， et al . Review on applications and solving techniques of time-series production simulation for new power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 6 ）： 170 - 184 .

Qu M ， Ding T ， Mu C G ， et al . Linearization method for large-scale hydro-thermal security-constrained unit commitment ［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering ， 2024 ， 21 （ 2 ）： 1754 - 1766 .

Van Ackooij W ， Danti Lopez I ， Frangioni A ， et al . Large-scale unit commitment under uncertainty： an updated literature survey ［J］. Annals of Operations Research ， 2018 ， 271 （ 1 ）： 11 - 85 .

Teichgraeber H ， Brandt A R . Clustering methods to find representative periods for the optimization of energy systems： an initial framework and comparison ［J］. Applied Energy ， 2019 ， 239 ： 1283 - 1293 .

Teichgraeber H ， Brandt A R . Time-series aggregation for the optimization of energy systems： goals， challenges， approaches， and opportunities ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2022 ， 157 ： 111984 .

Zhang N ， Jiang H Y ， Du E S ， et al . An efficient power system planning model considering year-round hourly operation simulation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 6 ）： 4925 - 4935 .

PavičEvić M ， Kavvadias K ， PukšEc T ， et al . Comparison of different model formulations for modelling future power systems with high shares of renewables： the Dispa-SET Balkans model ［J］. Applied Energy ， 2019 ， 252 ： 113425 .

Morales-EspañA G ， Tejada-Arango D A . Modeling the hidden flexibility of clustered unit commitment ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3294 - 3296 .

Sheng K L ， Wang X J ， Si F Y ， et al . Rational capacity investment for renewable hydrogen-based steelmaking systems： a multi-stage expansion planning strategy ［J］. Applied Energy ， 2024 ， 372 ： 123746 .

Liao S W ， Yao W ， Han X N ， et al . Chronological operation simulation framework for regional power system under high penetration of renewable energy using meteorological data ［J］. Applied Energy ， 2017 ， 203 ： 816 - 828 .

朱建全，朱文凯，刘海欣，等 . 近似动态规划在电力系统优化运行中的应用综述［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 22 ）： 1 - 21 .

Zhu Jianquan ， Zhu Wenkai ， Liu Haixin ， et al . Overview on application of approximate dynamic programming in optimal operation of power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 22 ）： 1 - 21 .

张玉敏，亓云瑞，薛熙臻，等 . 基于分布式近似动态规划的电动汽车实时充电调度策略［J/OL］. 中国电机工程学报， 2025 . https：//link.cnki.net/urlid/11.2107.tm.202508 21.1131.006 https://link.cnki.net/urlid/11.2107.tm.20250821.1131.006 .

Zhang Yumin ， Qi Yunrui ， Xue Xizhen ， et al . Real-time charging scheduling strategy for electric vehicles based on distributed approximate dynamic programming ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ， 2025 . https：//link.cnki.net/urlid/11.2107.tm.20250821.1131.006 https://link.cnki.net/urlid/11.2107.tm.20250821.1131.006 .

陈鸿鑫，惠恒宇，包铭磊，等 . 考虑动态分区可靠性约束的新能源电力系统备用优化模型［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 23 ）： 65 - 75 .

Chen Hongxin ， Hui Hengyu ， Bao Minglei ， et al . Optimization model for reserve of power system with renewable energy considering reliability constraints of dynamic partitioning ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 23 ）： 65 - 75 .

张玉敏，张旋，吉兴全，等 . 计及电-气-热IES动态特性的输配协同机组组合［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 23 ）： 8576 - 8591 .

Zhang Yumin ， Zhang Xuan ， Ji Xingquan ， et al . Synergetic unit commitment of transmission and distribution network considering dynamic characteristics of electricity-gas-heat integrated energy system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 23 ）： 8576 - 8591 .

张强，赵晋泉，戴则梅，等 . 基于目标级联分析的输配电网黑启动分布式协同优化方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 3 ）： 111 - 120 .

Zhang Qiang ， Zhao Jinquan ， Dai Zemei ， et al . Distributed coordinated optimization method for black-start of transmission and distribution networks based on analytical target cascading ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 3 ）： 111 - 120 .

林雨洁，熊厚博，林雨眠，等 . 计及两级碳排放权交易市场影响的电-碳分散协同优化调度［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 12 ）： 31 - 44 .

Lin Yujie ， Xiong Houbo ， Lin Yumian ， et al . Optimal decentralized coordinated dispatch of electricity-carbon considering impacts of bi-level carbon emission trading market ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 12 ）： 31 - 44 .

李虹，韩雨萌 . 计及新能源不确定性的配电网-多微电网协同优化调度［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 17 ）： 5571 - 5588 .

Li Hong ， Han Yumeng . Coordinated optimization scheduling of distribution networks and multiple microgrids considering the uncertainty of new energy ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 17 ）： 5571 - 5588 .

Kim K ， Botterud A ， Qiu F . Temporal decomposition for improved unit commitment in power system production cost modeling ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 5 ）： 5276 - 5287 .

Hou J W ， Zhai Q Z ， Zhou Y Z ， et al . A fast solution method for large-scale unit commitment based on Lagrangian relaxation and dynamic programming ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 2 ）： 3130 - 3140 .

Bragin M A ， Dvorkin Y . TSO-DSO operational planning coordination through “ l 1 -proximal” surrogate Lagrangian relaxation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 1274 - 1285 .

Constante-Flores G E ， Conejo A J ， Qiu Feng . AC network-constrained unit commitment via relaxation and decomposition ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 2187 - 2196 .

Zhao T Y ， Zhang H J ， Liu X C ， et al . Resilient unit commitment for day-ahead market considering probabilistic impacts of hurricanes ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1082 - 1094 .

Lin Y H ， Wang B ， Guo Q L ， et al . Short-circuit ratio and short-term voltage security constrained unit commitment in high wind power-penetrated power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 4 ）： 5631 - 5644 .

Du Y ， Xue Y X ， Shahidehpour M ， Et al . Globally optimal distributed operation of integrated electric and heating systems ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2025 ， 16 （ 1 ）： 336 - 349 .

Li X ， Zhao Y W ， Feng Z Y . Customized bus service design with holding control and heterogeneous fleet： a column-generation-based decomposition algorithm ［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems ， 2024 ， 25 （ 11 ）： 18472 - 18486 .

Hu L ， Yang Y ， Tang Z H ， et al . FCAN-MOPSO： an improved fuzzy-based graph clustering algorithm for complex networks with multiobjective particle swarm optimization ［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems ， 2023 ， 31 （ 10 ）： 3470 - 3484 .

Zhou Y Z ， Zhai Q Z ， Wu L ， et al . A data-driven variable reduction approach for transmission-constrained unit commitment of large-scale systems ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2023 ， 11 （ 1 ）： 254 - 266 .

Wu J H ， Luh P B ， Chen Y H ， et al . Synergistic integration of machine learning and mathematical optimization for unit commitment ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 1 ）： 391 - 401 .

王斌，夏叶，夏清，等 . 考虑风电接入的交直流互联电网动态最优潮流［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 24 ）： 34 - 41 .

Wang Bin ， Xia Ye ， Xia Qing ， et al . Wind power integrated dynamic optimal power flow for AC/DC interconnected system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 24 ）： 34 - 41 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Modeling Method for Feasible Region of Industrial Production Processes Based on Optimal Adjustable Load Model

Emergency Frequency Control Strategy of Microgrid Clusters for Extreme Survival of Critical Urban Loads

Short-term Optimal Dispatch Model for Maximizing Expectation of Accommodation Power of Cascade Hydro-Photovoltaic Complementary System

Adaptive Control Strategy for Grid-following Converter Considering DC Synchronization Characteristics in Weak Grid

Coordinated Supervision Mechanism for Electric Energy Market and Reserve Market to Support Emergency Supply Guarantee Requirements

Related Author

SU Xiangbo

LYU Ruike

BAI Yunlong

WANG Xiaoming

ZHAO Wenguang

GUO Hongye

WANG Ziyuan

XU Yin

Related Institution

Electric Power Research Institute of State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd.

State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd.

Department of Electrical Engineering, Tsinghua University

School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University

Economic Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Company

AI问答

⁰