CN101976837A - 一种电力系统潮流无解调整方法 - Google Patents

一种电力系统潮流无解调整方法 Download PDF

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CN101976837A CN 201010508547 CN201010508547A CN101976837A CN 101976837 A CN101976837 A CN 101976837A CN 201010508547 CN201010508547 CN 201010508547 CN 201010508547 A CN201010508547 A CN 201010508547A CN 101976837 A CN101976837 A CN 101976837A
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陈金富
奚江惠
洪峰
李勇
郭崇军
姜曼
徐友平
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Huazhong University of Science and Technology
Central China Grid Co Ltd
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Huazhong University of Science and Technology
Central China Grid Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种电力系统潮流无解调整方法,涉及电力系统的运行与调度。该方法利用拉格朗日函数、牛顿法和对数障碍函数法,先将潮流无解问题转化为非线性规划问题,以当前状态为初始点,通过最优化理论确定迭代步长及最优搜索方向,再根据迭代步长和搜索方向,更新原对偶变量,确定下一次迭代的出发点,直到满足潮流收敛条件为止。本发明的优点是:所建立的非线性规划模型准确、灵活,目标函数可根据需要有多种选取方法,同时可以保证恢复后的潮流解的合理性;在迭代计算过程中不需要求解潮流方程式,也不依赖于潮流算法的收敛性。方程的迭代次数与系统规模关系不大,在大型电力系统中计算速度比现有手工方法有较大提高。

Description

一种电力系统潮流无解调整方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统潮流计算无解的调整方法。
背景技术
电力系统潮流计算是进行电力系统稳态运行分析的一项基本计算,它是研究和分析电力系统的基础。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中,需要利用潮流计算来定量地分析比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。电力系统潮流计算的本质是求解一组高维非线性方程组,经过多年的发展,潮流计算理论已经相当成熟。
现代电力系统的迅速发展给潮流计算技术带来了新的挑战:一方面,电网逐步朝着超高压、重负荷、远距离输电和区域间互联的方向发展;另一方面,电力系统竞争机制的逐步引入,使电网中发、输电设备使用的强度较之前更加接近其极限值。对这样大型的重负荷电力系统来说,潮流方程无解的情况逐渐增多。此时,系统规划和调度人员往往只能凭借经验对计算数据做出判断,反复调整规划或方式数据,从而得到潮流解。这种传统的人工依据经验的调整方法效率低下、工作强度大、效果也不明显,因此迫切需要解决潮流无解时的分析和调整问题。
潮流无解调整是指当潮流方程式不存在实数解时,通过调整发电机出力、变压器分接头甚至切除部分负荷等措施使潮流方程进入可行域,从而得到潮流解的过程,从数学角度看,就是通过调整非线性方程组的系数,使之有解。
随着现代电力系统的发展和电力市场改革的推进,潮流无解研究在实际应用中的地位日益凸显,越来越受到研究者的重视。但目前潮流无解问题的解决方法甚少,现有的非线性规划内点法,往往由于计算维数过多而难以在大型的电力系统中得到应用。
数学模型
人们采用在切除负荷时保持功率因数不变的前提下负荷的切除量最小的数学模型来解决潮流无解问题。
假设系统共有m+n+1个节点,其中PQ节点m个,PV节点为n个,平衡节点1个(何仰赞等,电力系统分析(下).武汉:华中科技大学出版社,2002年.pp.52-53),令第1个到第                                                
Figure 600537DEST_PATH_IMAGE001
个节点为可切除的负荷节点。则当潮流方程无解时,建立非线性规划方程式如下:
Figure 642311DEST_PATH_IMAGE002
                           (1)
上式中,
Figure 552541DEST_PATH_IMAGE003
表示对应母线功率注入的切除比例;
Figure 885433DEST_PATH_IMAGE004
为含参数
Figure 824439DEST_PATH_IMAGE005
的潮流方程,
Figure 771536DEST_PATH_IMAGE006
为系统状态变量,表示各个节点的电压幅值和相角,即,该表达式具体如下:
对于每个PQ及PV节点:
Figure 549054DEST_PATH_IMAGE008
对于每个PQ节点:
Figure 342566DEST_PATH_IMAGE009
引入松弛变量
Figure 460564DEST_PATH_IMAGE010
后,(1)式可以写为:
Figure 152576DEST_PATH_IMAGE011
                                                  (2)
上式中,
Figure 14222DEST_PATH_IMAGE012
。引入拉格朗日乘子和对数障碍参数
Figure 109663DEST_PATH_IMAGE014
,消除等式约束和不等式约束,形成增广拉格朗日函数如下:
Figure 538240DEST_PATH_IMAGE015
   (3)
其中,
Figure 519151DEST_PATH_IMAGE017
的拉格朗日乘子,
Figure 41268DEST_PATH_IMAGE018
Figure 707873DEST_PATH_IMAGE019
的拉格朗日乘子,松弛变量
Figure 911321DEST_PATH_IMAGE020
Figure 596249DEST_PATH_IMAGE021
为对数障碍参数,
Figure 305579DEST_PATH_IMAGE022
使用K-K-T(Karush-Kuhn-Tucker,甘应爱 丰田等,运筹学(第三版)清华大学出版社,pp.172-173)最优性一阶必要条件,得到:
Figure 443168DEST_PATH_IMAGE023
                           (4)
上式中,
Figure 263357DEST_PATH_IMAGE024
Figure 740474DEST_PATH_IMAGE025
Figure 875833DEST_PATH_IMAGE026
                                      (5)
Figure 251450DEST_PATH_IMAGE027
Figure 859018DEST_PATH_IMAGE028
。 
                                               (6)
         
Figure 507354DEST_PATH_IMAGE030
                                             (7)
         
Figure 619536DEST_PATH_IMAGE031
                                             (8)
         
Figure 781527DEST_PATH_IMAGE032
                                         (9)
         
Figure 29974DEST_PATH_IMAGE033
                                      (10)
   采用牛顿迭代法对方程式(4)~(10)进行计算,首先对这些方程式线性化得到:
Figure 252008DEST_PATH_IMAGE034
 (11)
Figure 789169DEST_PATH_IMAGE035
                      (12)
Figure 4118DEST_PATH_IMAGE036
                                             (13)
Figure 123384DEST_PATH_IMAGE037
                                           (14)
Figure 500008DEST_PATH_IMAGE038
                                     (15)
Figure 337514DEST_PATH_IMAGE039
                           (16)
Figure 84715DEST_PATH_IMAGE040
                      (17)
式(12)中,
Figure 511018DEST_PATH_IMAGE041
。综合式(11)~(17),可以得到下面的线性方程组:
Figure 809275DEST_PATH_IMAGE042
上式中,
Figure 383344DEST_PATH_IMAGE043
为原变量,
Figure 690829DEST_PATH_IMAGE044
为对偶变量,
Figure 768375DEST_PATH_IMAGE045
Figure 690064DEST_PATH_IMAGE046
。写成矩阵形式为:
Figure 236583DEST_PATH_IMAGE047
   (18)
求解该方程组可以得到原变量和对偶变量的迭加量。
发明内容
本发明的目的是:提供一种电力系统潮流无解调整方法。当电力系统潮流计算由于不收敛而得不到结果时,利用本发明通过计算机调整潮流运行参数,可以得到收敛结果,所得到的潮流结果可用于电力系统的规划、运行、调度使用。该方法利用拉格朗日函数、牛顿法和对数障碍函数法,先将潮流无解问题转化为非线性规划问题,再通过计算方程组求出迭代步长,更新原变量和对偶变量,经过迭代,直到满足潮流收敛条件。优点是:所建立的非线性规划模型准确,恢复后的潮流解合理;在迭代计算过程中无需解潮流方程,也不依赖潮流算法的收敛性,且在大型系统中比现有方法计算速度更快。
为实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种电力系统潮流无解调整方法,该方法包含下列步骤:
a)在给定的有m+n+1个节点的电力系统中,PQ节点为m个,PV节点为n个,平衡节点1个,其中第1到第节点为可切除的负荷节点,引入方程组:
Figure 545390DEST_PATH_IMAGE047
      (*)
其中,
Figure 700297DEST_PATH_IMAGE003
表示第k个节点注入功率的切除比例,
Figure 734112DEST_PATH_IMAGE049
为含参数
Figure 570350DEST_PATH_IMAGE005
的潮流方程,
Figure 628348DEST_PATH_IMAGE006
为各个节点的电压幅值和相角,
Figure 704888DEST_PATH_IMAGE007
为系统状态变量,
Figure 475267DEST_PATH_IMAGE020
为松弛变量,
Figure 662666DEST_PATH_IMAGE016
Figure 834890DEST_PATH_IMAGE017
的拉格朗日乘子,
Figure 340007DEST_PATH_IMAGE019
的拉格朗日乘子,
Figure 331096DEST_PATH_IMAGE050
Figure 193245DEST_PATH_IMAGE053
为对数障碍参数,
Figure 174976DEST_PATH_IMAGE054
Figure 56214DEST_PATH_IMAGE055
是分别以
Figure 645458DEST_PATH_IMAGE056
Figure 895303DEST_PATH_IMAGE057
为元素的对角矩阵,
Figure 228195DEST_PATH_IMAGE058
Figure 901622DEST_PATH_IMAGE059
是分别以
Figure 176615DEST_PATH_IMAGE060
Figure 381331DEST_PATH_IMAGE061
为元素的对角矩阵;
b)将方程组(*)中的
Figure 767182DEST_PATH_IMAGE062
Figure 108164DEST_PATH_IMAGE063
进行赋值,
Figure 491741DEST_PATH_IMAGE064
I为单位矩阵),
Figure 433021DEST_PATH_IMAGE065
Figure 107716DEST_PATH_IMAGE066
,其中
Figure 818052DEST_PATH_IMAGE067
为原变量,
Figure 185580DEST_PATH_IMAGE068
为对偶变量;
c)根据电力系统的实际情况,确定各原变量和对偶变量的迭加量
Figure 286260DEST_PATH_IMAGE069
的最大值和最小值,以及对数障碍参数
Figure 19773DEST_PATH_IMAGE070
、有功功率差值
Figure 600927DEST_PATH_IMAGE071
和无功功率差值
Figure 123044DEST_PATH_IMAGE072
的最大最小值,即对
Figure 789648DEST_PATH_IMAGE073
Figure 993097DEST_PATH_IMAGE074
Figure 678025DEST_PATH_IMAGE075
Figure 121776DEST_PATH_IMAGE076
Figure 524944DEST_PATH_IMAGE077
Figure 345132DEST_PATH_IMAGE078
Figure 884567DEST_PATH_IMAGE079
Figure 389684DEST_PATH_IMAGE081
Figure 934934DEST_PATH_IMAGE082
Figure 345187DEST_PATH_IMAGE083
Figure 374149DEST_PATH_IMAGE084
Figure 237063DEST_PATH_IMAGE085
Figure 913080DEST_PATH_IMAGE087
Figure 384382DEST_PATH_IMAGE088
Figure 683962DEST_PATH_IMAGE090
,
Figure 803228DEST_PATH_IMAGE091
Figure 383114DEST_PATH_IMAGE092
Figure 469887DEST_PATH_IMAGE093
进行赋值;令M = 1;
d)计算方程组(*),求出各原变量和对偶变量的迭加量
Figure 973681DEST_PATH_IMAGE094
e)计算
Figure 196721DEST_PATH_IMAGE095
,
Figure 947508DEST_PATH_IMAGE071
,其中:
Figure 569342DEST_PATH_IMAGE096
Figure 663200DEST_PATH_IMAGE097
Figure 647206DEST_PATH_IMAGE098
f)当下列不等式全部满足时,执行步骤i),否则,执行步骤g);
Figure 193725DEST_PATH_IMAGE099
Figure 491851DEST_PATH_IMAGE100
Figure 689483DEST_PATH_IMAGE101
,
Figure 595122DEST_PATH_IMAGE102
g) 对
Figure 878205DEST_PATH_IMAGE103
重新进行赋值:
Figure 843121DEST_PATH_IMAGE106
h)令M= M+1,当M<
Figure 364233DEST_PATH_IMAGE093
时,返回步骤d),当M≥
Figure 800899DEST_PATH_IMAGE093
时,执行步骤j);
i)计算结束,输出原变量
Figure 723856DEST_PATH_IMAGE107
和对偶变量的合理值,这些参数可以用于电网的运行调度;
j)结束计算,用本方法无法得到原变量和对偶变量
Figure 424591DEST_PATH_IMAGE110
的合理值。
本发明的优点是:
1、所建立的非线性规划模型准确、灵活,函数不等式约束的采用可以保证参数调整后潮流解的合理性;
2、在迭代计算过程中无需求解潮流方程,该方法不依赖潮流算法的收敛性;
3、非线性规划方程的迭代次数与系统规模关系不大,在大型系统中计算速度较现有方法有较大提高。
附图说明
图1为6机22节点系统。
图2为节点注入功率的切除比例随迭代次数的变化曲线。
图3为对数障碍参数随迭代次数的变化曲线。
具体实施方式:
下面结合附图,对本发明作进一步的说明。
实施例一
一种电力系统潮流无解调整方法,该方法包含下列步骤:
a)在给定的有m+n+1个节点的电力系统中,PQ节点为m个,PV节点为n个,平衡节点1个,其中第1到第
Figure 451322DEST_PATH_IMAGE048
节点为可切除的负荷节点;为了在负荷切除量
Figure 869665DEST_PATH_IMAGE111
最小的情况下的得到潮流解,需求出原变量
Figure 349056DEST_PATH_IMAGE043
和对偶变量的合理值,因而引入方程组:
Figure 25074DEST_PATH_IMAGE047
     (*)
其中,表示第k个节点注入功率的切除比例,
Figure 784269DEST_PATH_IMAGE049
为含参数
Figure 366429DEST_PATH_IMAGE005
的潮流方程,
Figure 852905DEST_PATH_IMAGE006
为各个节点的电压幅值和相角,
Figure 127897DEST_PATH_IMAGE007
为系统状态变量,为松弛变量,
Figure 458745DEST_PATH_IMAGE016
Figure 65306DEST_PATH_IMAGE017
的拉格朗日乘子,
Figure 511200DEST_PATH_IMAGE018
Figure 937633DEST_PATH_IMAGE019
的拉格朗日乘子,为对数障碍参数,
Figure 846421DEST_PATH_IMAGE054
Figure 161996DEST_PATH_IMAGE055
是分别以
Figure 949692DEST_PATH_IMAGE056
Figure 350718DEST_PATH_IMAGE057
为元素的对角矩阵,
Figure 882062DEST_PATH_IMAGE058
是分别以
Figure 10741DEST_PATH_IMAGE060
Figure 164642DEST_PATH_IMAGE061
为元素的对角矩阵;
b)将方程组(*)中的
Figure 518406DEST_PATH_IMAGE108
进行赋值,
Figure 382325DEST_PATH_IMAGE064
I为单位矩阵),
Figure 757943DEST_PATH_IMAGE114
Figure 631090DEST_PATH_IMAGE115
,其中
Figure 775763DEST_PATH_IMAGE107
为原变量,
Figure 76164DEST_PATH_IMAGE108
为对偶变量;
c)根据电力系统的实际情况,确定各原变量和对偶变量的迭加量
Figure 939077DEST_PATH_IMAGE069
的最大值和最小值,以及对数障碍参数
Figure 350336DEST_PATH_IMAGE070
、有功功率差值
Figure 615095DEST_PATH_IMAGE071
和无功功率差值
Figure 86397DEST_PATH_IMAGE072
的最大最小值,即对
Figure 385977DEST_PATH_IMAGE074
Figure 505243DEST_PATH_IMAGE075
Figure 147446DEST_PATH_IMAGE076
Figure 743872DEST_PATH_IMAGE078
Figure 717644DEST_PATH_IMAGE079
Figure 530748DEST_PATH_IMAGE080
Figure 589971DEST_PATH_IMAGE081
Figure 146724DEST_PATH_IMAGE082
Figure 240581DEST_PATH_IMAGE083
Figure 224587DEST_PATH_IMAGE084
Figure 771106DEST_PATH_IMAGE085
Figure 865970DEST_PATH_IMAGE087
Figure 814334DEST_PATH_IMAGE088
Figure 3056DEST_PATH_IMAGE090
,
Figure 901611DEST_PATH_IMAGE091
Figure 970061DEST_PATH_IMAGE092
进行赋值;令M = 1;
d)计算方程组(*),求出各原变量和对偶变量的迭加量
Figure 551401DEST_PATH_IMAGE094
e)计算
Figure 271224DEST_PATH_IMAGE014
,
Figure 194181DEST_PATH_IMAGE071
Figure 690890DEST_PATH_IMAGE072
,其中:
Figure 433719DEST_PATH_IMAGE116
Figure 611759DEST_PATH_IMAGE097
Figure 638490DEST_PATH_IMAGE098
f)当下列不等式全部满足时,执行步骤i),否则,执行步骤g);
Figure 56833DEST_PATH_IMAGE117
Figure 801804DEST_PATH_IMAGE118
,
Figure 477822DEST_PATH_IMAGE120
g) 对
Figure 33754DEST_PATH_IMAGE122
重新进行赋值:
Figure 366646DEST_PATH_IMAGE123
Figure 367969DEST_PATH_IMAGE124
h)令M= M+1,当M<
Figure 128115DEST_PATH_IMAGE093
时,返回步骤d),当M≥
Figure 587958DEST_PATH_IMAGE093
时,执行步骤j);
i)计算结束,输出原变量
Figure 724541DEST_PATH_IMAGE121
和对偶变量
Figure 580371DEST_PATH_IMAGE125
的合理值,这些参数可以用于电网的运行调度;
j)结束计算,用本方法无法得到原变量
Figure 511418DEST_PATH_IMAGE062
和对偶变量的合理值。
实施例二
由图1可知,6机22节点系统是将中国电力科学院6机22节点系统(汪旎,考虑暂态稳定约束的可用传输能力计算,广西大学,PP.35-36)的节点21和19上的负荷分别增大到219.99MW+j120.00MVar和736.40 MW+j516.20MVar,节点6上的发电机有功出力增加到800MW后的系统。其中PQ节点为m=15个,PV节点为n=6个,平衡节点1个,其中第1到第=7节点为可切除的负荷节点;该系统的网络接线图如图1,其结构参数同中国电力科学院6机22节点系统,状态参数如表1、表2所示:
表1   22节点发电机出力大小
所接母线 类型 所发有功 最大有功
1 平衡机 —— 15.000
2 PV 6.000 6.000
3 PV 1.500 2.090
4 PV 1.600 1.600
5 PV 4.300 4.300
6 PV 4.000 10.000
表2   22节点负荷大小
所接母线 有功功率 无功功率
8 2.869 1.440
9 3.759 2.210
22 0.000 0.000
20 0.720 0.474
21 0.699 0.500
19 0.864 0.662
16 5.000 1.000
18 4.300 2.598
采用实施例一的方法,经过M=10次迭代后,得到原变量
Figure 40991DEST_PATH_IMAGE043
和对偶变量
Figure 205256DEST_PATH_IMAGE126
的合理值,其负荷切除结果如表3:
表3 负荷切除结果(所有负荷均为可切除负荷)
所在母线 初始有功 初始无功 切除比 切除后有功 切除后无功
8 2.87 1.44 0.000 2.87 1.44
9 3.76 2.21 0.000 3.76 2.21
20 0.72 0.47 0.000 0.72 0.47
21 2.20 1.20 0.426 1.26 0.69
19 7.36 5.16 0.017 7.24 5.07
16 5.00 1.00 0.000 5.00 1.00
18 4.30 2.60 0.000 4.30 2.60
由表3可见,节点21和节点19上的负荷分别被切除了42.6%和1.7%,而其余五个负荷均未被切除(误差<0.1%)。所有节点上负荷的初始切除比
Figure 571515DEST_PATH_IMAGE127
均为0.2,在10次迭代中,节点注入功率的切除比例随迭代次数的变化曲线如图2。由图2可见,在第一次迭代中出现了振荡现象,而在五次迭代之后,振荡基本消除。
对数障碍函数初始值为5.0,在后续10次迭代中不断的减小,具体对数障碍参数随迭代次数的变化曲线见图3。
本实施例即为将一个潮流无解的电力系统,通过本发明方法调整后,得到合理的原变量和对偶变量
Figure 614743DEST_PATH_IMAGE068
的值,即求解出一个收敛的潮流解。

Claims (1)

1.一种电力系统潮流无解调整方法,其特征在于,该方法包含下列步骤:
a)在给定的有m+n+1个节点的电力系统中,PQ节点为m个,PV节点为n个,平衡节点1个,其中第1到第                                                
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE001
节点为可切除的负荷节点,引入方程组:
Figure 367247DEST_PATH_IMAGE002
  (*)
其中,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE003
表示第k个节点注入功率的切除比例,
Figure 776231DEST_PATH_IMAGE004
为含参数的潮流方程,
Figure 113059DEST_PATH_IMAGE006
为各个节点的电压幅值和相角,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE007
为系统状态变量,
Figure 265692DEST_PATH_IMAGE008
为松弛变量,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE009
Figure 571908DEST_PATH_IMAGE010
的拉格朗日乘子,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE011
Figure 964844DEST_PATH_IMAGE012
的拉格朗日乘子,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE013
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE015
Figure 677115DEST_PATH_IMAGE016
为对数障碍参数,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE017
Figure 837838DEST_PATH_IMAGE018
是分别以
Figure 588625DEST_PATH_IMAGE020
为元素的对角矩阵,是分别以
Figure 394480DEST_PATH_IMAGE024
为元素的对角矩阵;
b)将方程组(*)中的
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 675289DEST_PATH_IMAGE026
进行赋值,
Figure 410027DEST_PATH_IMAGE028
,其中为原变量,
Figure 143497DEST_PATH_IMAGE030
为对偶变量;
c)对
Figure 394183DEST_PATH_IMAGE034
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE035
Figure 299822DEST_PATH_IMAGE036
Figure 520588DEST_PATH_IMAGE038
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE039
Figure 419143DEST_PATH_IMAGE040
Figure DEST_PATH_IMAGE041
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE043
Figure 751084DEST_PATH_IMAGE044
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE047
Figure 836425DEST_PATH_IMAGE048
,
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE049
Figure 2010105085474100001DEST_PATH_IMAGE051
进行赋值;令M = 1;
d)计算方程组(*),求出各原变量和对偶变量的迭加量
Figure 443042DEST_PATH_IMAGE052
e)计算
Figure DEST_PATH_IMAGE053
,
Figure 185870DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE055
,其中:
Figure 360981DEST_PATH_IMAGE056
Figure DEST_PATH_IMAGE057
Figure 325395DEST_PATH_IMAGE058
f)当下列不等式全部满足时,执行步骤i),否则,执行步骤g);
Figure DEST_PATH_IMAGE059
Figure 930688DEST_PATH_IMAGE060
Figure DEST_PATH_IMAGE061
,
Figure 613342DEST_PATH_IMAGE062
g)对
Figure DEST_PATH_IMAGE063
Figure 332424DEST_PATH_IMAGE064
重新进行赋值:
Figure 416924DEST_PATH_IMAGE066
h)令M= M+1,当M<
Figure 255436DEST_PATH_IMAGE051
时,返回步骤d),当M≥时,执行步骤j);
i)计算结束,输出
Figure 368065DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE067
的值,这些参数可以用于电网的运行调度;
j)结束计算,用本方法无法得到原变量
Figure 307071DEST_PATH_IMAGE029
和对偶变量
Figure 313555DEST_PATH_IMAGE068
的合理值。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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