基于MATLAB与GAMS接口的电力系统优化调度系统

资 源 简 介

本项目旨在建立一个高效、自动化的MATLAB与GAMS双向数据交互接口，专门用于解决电力系统中的大规模复杂建模与优化问题。该项目利用GDXMRW（GDX-MATLAB Read/Write）工具箱作为核心，将MATLAB强大的数据处理、矩阵运算及可视化能力与GAMS在处理大规模线性网络、非线性约束及混合整数规划方面的卓越求解能力相结合。在电力系统应用场景中，MATLAB负责管理复杂的电网拓扑结构、处理海量的历史负荷数据及气象预测信息，并将其转化为GAMS可识别的参数和集合；通过编写自动化的GMS脚本生成器

详 情 说 明

基于MATLAB与GAMS接口的电力系统优化调度系统

项目介绍

本项目实现了一个高度自动化的电力系统经济调度与机组组合优化平台。通过集成MATLAB强大的数据处理能力与GAMS（General Algebraic Modeling System）卓越的数学建模及非线性求解能力，系统能够解决复杂的电力系统多时段优化问题。核心机制利用GDXMRW（GDX-MATLAB Read/Write）工具箱实现双向数据流转，不仅实现了从参数配置、模型构建到自动化求解的闭环操作，还提供了深度的数据可视化分析，为电力系统的经济运行决策提供技术支持。

功能特性

• 双向数据交互：采用GDX文件作为中间媒介，实现MATLAB矩阵数据与GAMS映射集合、参数的高速转换。
• 动态模型构建：系统能够根据预设的电网参数和负荷需求，自动生成符合GAMS语法的数学建模脚本，提高建模灵活性。
• 复杂约束处理：模型完整考虑了电力平衡约束、机组出力物理上下限约束以及机组爬坡速率约束。
• 多目标求解能力：利用非线性规划（NLP）求解器，能够处理包含二次项的火电机组运行成本函数。
• 深度结果挖掘：不仅提取决策变量（机组出力），还能获取对偶变量（节点边际电价 LMP），进行电力市场经济性分析。
• 可视化报表：自动生成功率平衡堆叠图、机组贡献对比图、电价演化趋势图及全时段运行经济评价。

系统要求

• MATLAB：2016b 或更高版本。
• GAMS：已安装并配置好环境变量，建议 30.1 及以上版本。
• GDXMRW 工具箱：必须正确安装在 MATLAB 路径中，以便调用 wgdx 和 rgdx 函数。
• 求解器：系统中默认调用求解非线性规划的内置求解器（如 IPOPT 或 CONOPT）。

实现逻辑分析

1. 系统初始化与预测参数配置

系统首先定义仿真维度，设置为24小时连续调度周期。配置包含5台火电机组的物理特性参数。负荷需求与风电出力均采用典型日预测曲线，通过数组形式存储，作为后续优化的基础边界条件。

2. 机组参数模型化

机组特性数据被整理为结构化的参数矩阵，包括：

• 最小/最大出力限制：保证机组在安全运行范围内。
• 成本系数：定义二次成本函数（a、b、c系数），真实模拟火电机组能效。
• 爬坡速率约束：考虑机组在相邻时段间出力调节的物理速度限制。

3. 基于GDX的数据封装

利用集合（Sets）和参数（Parameters）的定义，将 MATLAB 环境下的数组转换为 GAMS 能够识别的 UEL（Unique Element Listing）格式。通过底层的写入函数，将所有调度指令所需的数据打包存储。

4. 自动化脚本生成与模型定义

系统动态生成求解脚本。模型核心定义如下：

• 决策变量：各机组在各时段的发电出力 $p(g,t)$（正变量）及系统总成本。
• 目标函数：最小化全时段火电机组二次项运行成本之和。
• 等式约束：功率平衡方程，要求机组总出力加上风电出力严格等于总需求负荷。
• 不等式约束：包含上下限约束与相邻时段爬坡限制。

5. 外部求解引擎调用

系统通过执行外部命令行指令，静默启动 GAMS 后端引擎。求解过程中，所有数学推导与数值计算均在专门的优化算法中完成，确保了处理大规模线性或非线性约束的高效性。

6. 结果回传与后处理分析

求解完成后，系统读取输出的数据交换文件：

• 解耦决策数据：将一维的 GAMS 结果向量重排为机组-时间的二维矩阵。
• 提取指标：通过读取约束方程的边际值（Marginal value）获取节点边际电价（LMP）。
• 经济性评价：重新计算每个时段的运行成本分布。

7. 可视化报告生成

• 能量平衡图：利用面积堆叠图展示风电与各机组如何共同满足负荷曲线。
• 贡献分布图：通过柱状图对比不同机组在整个调度周期内的发电总量。
• 价格趋势图：展现由于负荷波动和机组约束导致的系统用电价变化。
• 数据导出：将所有优化后的调度计划和关键指标自动导出至本地 MAT 文件中，以便后续分析。

使用方法

1. 确保 GAMS 路径已正确添加到 MATLAB 的搜索路径中（通常使用 addpath 指令指向 GAMS 安装目录）。
2. 将相关运行文件放置在同一目录下。
3. 在 MATLAB 命令行窗口运行主程序入口函数。
4. 程序将自动触发 GAMS 求解过程，并在完成后弹出多维度的可视化分析窗口。
5. 最后的调度摘要结果将打印在命令行，并生成本地数据副本。