README.md

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license: bsd-3-clause
task_categories:
- other
language:
- en
tags:
- mixed-integer-programming
- power-systems
- optimization
- unit-commitment
- mps
- benchmark
size_categories:
- 100<n<1K
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# 机组组合 MIP 基准数据集（UCTD）

本文档说明如何从零开始，使用本仓库提供的工具链，生成一份用于**混合整数规划（MIP）**研究的标准基准数据集。

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## 一、整体目录结构

本仓库（`UnitCommitment_Trajectory`）包含两个顶层子文件夹：

```
UnitCommitment_Trajectory/
├── UnitCommitment_Trajectory_Test/    ← 代码与算例（运行脚本的工作目录）
└── UnitCommitment_Trajectory_Dataset/ ← 数据集输出目录（脚本自动生成）
```

---

## 二、代码目录详细说明（`UnitCommitment_Trajectory_Test/`）

### 2.1 顶层文件

| 文件名 | 作用 |
| :--- | :--- |
| `generate_dataset.jl` | **核心脚本**。批量读取所有算例，构建 MIP 模型，导出 `.mps` 文件到数据集目录。 |
| `create_scuc_mps_files.jl` | 单算例调试脚本。用于手动测试单个算例的 MPS 生成流程，不用于批量生产。 |
| `test_main.jl` | 模型对比实验脚本。对比基础模型、v1（添加启停轨迹）和 v2（修改最小运行时间）三种配置的求解结果，生成 CSV 报表。 |
| `pmax-preprocessing.jl` | 预处理函数库。被 `test_main.jl` 调用，实现以下两步逻辑：①按容量（Pmax）筛选机组并写入启停曲线（Part 1）；②修改前 20% 大机组的最小运行时间（Part 2）。 |
| `Project.toml` | Julia 包管理配置文件。声明了本项目依赖的所有第三方包及版本约束（JuMP、HiGHS、CodecZlib 等）。 |
| `Manifest.toml` | Julia 依赖锁定文件。精确记录了每个依赖包的版本和哈希值，确保不同机器上的环境完全一致。**请勿手动修改此文件。** |

### 2.2 `src/` — UnitCommitment.jl 核心源代码

这是对原版 `UnitCommitment.jl` 进行定制修改后的源代码目录。

| 子目录 | 作用 |
| :--- | :--- |
| `src/instance/` | 数据读取模块。负责将 `.json.gz` 格式的算例文件解析为 Julia 内部的数据结构（`UnitCommitmentInstance`）。 |
| `src/model/` | 模型构建模块。`build.jl` 是入口，根据传入的 `Formulation` 参数调用各子模块，在内存中构建 JuMP 数学模型。 |
| `src/model/formulations/base/` | 基础公式化组件。包含线路约束（`line.jl`）、机组约束（`unit.jl`）等标准模块。 |
| `src/model/formulations/xxx2005/` | **本项目新增的核心模块**。实现了发电机启停功率轨迹（Power Trajectories）约束。该约束用曲线精确建模机组在启动和停机阶段逐时段的输出功率，是本数据集区别于普通 UC 数据集的关键特性。 |
| `src/transform/` | 数据变换模块。包含 `convert_to_subhourly` 函数，负责将 1 小时分辨率（24 时段）的算例转换为 15 分钟分辨率（96 时段）。 |

### 2.3 `instances/` — 原始输入算例

```
instances/
└── matpower/
    ├── case14/    ← IEEE 14 节点测试系统，含 67 个日期的算例文件
    └── case30/    ← IEEE 30 节点测试系统，含 45 个日期的算例文件
```

每个文件夹下存放以日期命名的 `.json.gz` 压缩文件（例如 `2017-01-01.json.gz`），每个文件描述了当日的负荷曲线、机组参数和电网拓扑。

### 2.4 `testdata/` — 大型算例

```
testdata/
└── case2383wp/    ← 波兰国家电网模型（2383 节点，323 台发电机），含 4 个日期的算例文件
```

该算例规模接近实际电网，生成的 MPS 文件体积较大（单文件可超过 50MB），用于测试 MIP 求解器的可扩展性。

### 2.5 `test/` — 实验输出目录

运行 `test_main.jl` 后生成，存放对比实验的中间 JSON 文件和最终的 CSV 报表。**与数据集生成无关。**

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## 三、数据集目录详细说明（`UnitCommitment_Trajectory_Dataset/`）

运行生成脚本后，该目录结构如下：

```
UnitCommitment_Trajectory_Dataset/
├── case14/
│   ├── hourly_noline/       ← case14 的 MPS 文件，1小时粒度，无网络约束
│   ├── hourly_withline/     ← case14 的 MPS 文件，1小时粒度，含 SCUC 网络约束
│   ├── subhourly_noline/    ← case14 的 MPS 文件，15分钟粒度，无网络约束
│   └── subhourly_withline/  ← case14 的 MPS 文件，15分钟粒度，含 SCUC 网络约束
├── case30/
│   └── ...（结构同上）
└── case2383wp/
    └── ...（结构同上）
```

### 3.1 四种变体的 MIP 特性对比

| 变体文件夹 | 时段数 | 网络约束 | MIP 变量规模 | 典型用途 |
| :--- | :---: | :---: | :--- | :--- |
| `hourly_noline` | 24 | ✗ | 最小。仅含机组开关（二进制）和出力（连续）变量。 | 入门级 MIP 测试，算法原型验证。 |
| `hourly_withline` | 24 | ✓ | 中等。在 `noline` 基础上增加大量潮流不等式约束（DCOPF）。 | 标准 SCUC 基准，适合测试割平面效果。 |
| `subhourly_noline` | 96 | ✗ | 较大。变量数量是 hourly 版本的 4 倍。 | 测试求解器处理高维 MIP 的收敛性能。 |
| `subhourly_withline` | 96 | ✓ | 最大。同时具备高维变量和密集约束矩阵。 | 最接近现实调度的高难度 MIP 命题。 |

### 3.2 文件命名规则

每个 `.mps` 文件的命名格式为：

```
{算例名}_{日期}_{粒度}_{变体}.mps
```

示例解析：

```
case30_2017-01-01_s_withline.mps
│      │           │ └── withline：包含网络约束 / noline：无网络约束
│      │           └── s：subhourly（15分钟）/ h：hourly（1小时）
│      └── 该条 MPS 对应的负荷场景日期
└── 电网算例名称
```

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## 四、从零复现数据集的完整步骤

### 步骤 1：安装 Julia

从 [https://julialang.org/downloads/](https://julialang.org/downloads/) 下载并安装 Julia，建议版本 **v1.10 或更高**。

安装完成后，在命令行执行 `julia --version`，确认输出版本号即表示安装成功。

### 步骤 2：克隆或下载本仓库

确保本地磁盘上存在以下两个文件夹（目录结构必须与此一致）：

```
E:\Project\UnitCommitment_Trajectory\
├── UnitCommitment_Trajectory_Test\     ← 包含 generate_dataset.jl 和 src/ 等
└── UnitCommitment_Trajectory_Dataset\  ← 可以是空文件夹，脚本会自动创建子目录
```

> **注意**：`UnitCommitment_Trajectory_Dataset` 文件夹必须与 `UnitCommitment_Trajectory_Test` 处于**同一层级**，否则脚本中的相对路径 `../UnitCommitment_Trajectory_Dataset` 将无法找到输出目录。

### 步骤 3：初始化 Julia 环境（仅需执行一次）

打开 PowerShell，进入代码目录，执行以下命令自动安装所有依赖：

```powershell
cd E:\Project\UnitCommitment_Trajectory\UnitCommitment_Trajectory_Test

julia --project=. -e "using Pkg; Pkg.instantiate()"
```

该命令会读取 `Project.toml` 和 `Manifest.toml`，自动下载并安装所有指定版本的依赖包（JuMP、HiGHS、CodecZlib 等）。

> **常见问题**：若网络较慢或出现 SSL 错误，可尝试设置国内镜像后再执行：
> ```powershell
> $env:JULIA_PKG_SERVER = "https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/julia"
> julia --project=. -e "using Pkg; Pkg.instantiate()"
> ```

### 步骤 4：运行数据集生成脚本

在同一目录下执行：

```powershell
julia --project=. generate_dataset.jl
```

脚本将依次处理 `case14`（67 个文件）、`case30`（45 个文件）和 `case2383wp`（4 个文件），每个算例生成 4 种变体共 **464 个 `.mps` 文件**。

终端输出示例：
```
🚀 开始全量数据集生成任务 (包含大型算例)...

>>> 正在准备算例: case14
    [case14] 处理进度: 1/67 (2017-01-01)
    [case14] 处理进度: 2/67 (2017-01-02)
    ...
✅ 所有算例生成完毕！
```

> **预计耗时**：普通电脑约 10–20 分钟（case2383wp 的大型算例每个文件需较长时间）。
>
> **内存要求**：建议至少 8GB 可用内存，生成 case2383wp 的 Subhourly 版本时内存占用峰值约为 4GB。

### 步骤 5：验证生成结果

生成完成后，检查 `UnitCommitment_Trajectory_Dataset/` 下是否存在如下结构，且每个变体文件夹内包含对应数量的 `.mps` 文件：

| 文件夹路径 | 预期文件数 |
| :--- | :---: |
| `case14/hourly_noline/` | 67 |
| `case14/hourly_withline/` | 67 |
| `case14/subhourly_noline/` | 67 |
| `case14/subhourly_withline/` | 67 |
| `case30/hourly_noline/` | 45 |
| `case30/hourly_withline/` | 45 |
| `case30/subhourly_noline/` | 45 |
| `case30/subhourly_withline/` | 45 |
| `case2383wp/hourly_noline/` | 4 |
| `case2383wp/hourly_withline/` | 4 |
| `case2383wp/subhourly_noline/` | 4 |
| `case2383wp/subhourly_withline/` | 4 |
| **合计** | **464** |

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## 五、数据集技术规格

- **格式**：标准 MPS（Mathematical Programming System），兼容 Gurobi、CPLEX、HiGHS、SCIP 等所有主流求解器。
- **变量命名**：已启用 `variable_names=true`，MPS 文件中的变量使用语义化名称（如 `is_on[generator_name, t]`、`prod_above[s1, generator_name, t]`），而非 `x1, x2` 等匿名编号。
- **启停轨迹**：所有模型均包含本项目定制的发电机启停功率轨迹约束（`xxx2005` 模块），相比标准 UC 公式，MIP 的可行域更精确，对求解器分支策略的要求更高。

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## 六、引用

本数据集基于以下项目生成，如在研究中使用，请引用原始论文：

- **UnitCommitment.jl** — Alinson S. Xavier et al., Argonne National Laboratory  
  DOI: [10.5281/zenodo.4269874](https://doi.org/10.5281/zenodo.4269874)