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低惯量可再生能源的发展及大电网复杂互联导致现代电力系统呈现新特征和新形态,具有典型的强时变性、强非线性、随机不确定性等特征,电力系统分析方法面临更大挑战。在电力系统频率运行与控制中,需要对频率安全稳定状态、频率动态行为特征、各测量点扰动响应信息综合分析,提取系统安全稳定程度、故障类型/位置等信息,为频率运行调度提供辅助。深度学习独有的网络训练方法使其非常适合处理非线性信号,拟合出数据之间错综复杂的关系。随着算法性能和硬件算力的大幅提高,深度学习等智能方法应用于求解电力系统高维复杂的非线性问题,展现出更加不可替代的优势。

论文所解决的问题及意义

本文从电力系统频率问题的新特点出发,系统阐述深度学习的基本原理和适用问题的特点,总结深度学习的典型结构、训练方法,构建深度学习基于人工智能的整体框架;分析并总结其在频率动态趋势感知、频率安全与稳定评估及频率控制与调节领域的应用进展。从问题特点、应用需求变化、应用必要性、应用适应性等方面对现有研究进行综述。基于当前人工智能的发展,对深度学习的发展趋势、应用融合以及在电力系统中的应用前景进行了展望,为推动深度学习在电力系统分析和控制领域中的深度应用提供了支撑。

深度学习基本原理

机器学习可分为浅层学习和深层学习,深度学习的“深”是相较于传统机器学习的“浅”而提出的(一般含有3个以上隐层的网络就可称之为深度学习)。目前,国内外研究的多种深度学习模型中大部分是以基础的几种核心模型为基元所组成或派生,五种常见典型模型包括:卷积神经网络CNN、深度信念网络DBN、循环神经网络RNN、生成对抗网络GAN和堆栈式自动编码器SAE,如表1所示。

表1 典型深度学习模型对比

电力系统运行方式、扰动信息和频率响应模式之间的数学关系是频率分析问题的根本,此物理关系在数学上难以直接描述,建模难度大,而深度学习可以脱离复杂的物理机理,挖掘潜在相关因素,从数据角度揭示频率问题的物理特性。

深度学习在电力系统频率分析与控制中已具备良好的可行性和应用价值。一方面,深度学习相较于传统方法具有良好的非线性函数逼近能力,可同时满足系统频率分析的精度和速度的要求。另一方面,广域测量技术、通信技术和大数据技术近年来发展迅速,能够为深度学习提供高精度、高密度的电力系统状态量测数据支持。

目前,深度学习在频率动态趋势感知、频率安全稳定评估、频率控制与调节等方面已存在一定程度的探索与应用,各类应用现状如表2所示。深度学习在频率问题中的应用框架如图1所示。

表2 深度学习在频率分析与控制中的应用

图1 深度学习在频率问题中的应用框架

应用中亟待解决的问题

1) 应用算法层面

① 完备的频率响应样本库生成。

目前深度学习大数据为基础条件进行自主学习和智能决策,在小样本数据下参数变化有限,需要进一步脱离海量数据的束缚,解决在小样本数据学习技术上的问题。

② 合适的频率分析模型构建。

当前深度学习运算过程尚未摆脱黑盒形式,可解释性和可追溯性仍亟需提升。需充分融合物理–数据模型进行频率问题分析,提高深度学习计算方法的物理可解释性。

③ 灵活的智能算法有效结合。

针对含可再生能源的电力系统以及频率稳定与安全评估、态势感知、响应模式扰动辨识等不同问题的场景特点,需结合强化学习、迁移学习等多种智能技术,形成高级混合智能算法。

2)研究方向层面

频率动态行为分析。

需深入研究采用深度学习量化描述频率调节相关参数与频率动态特性之间的关系,探究不同调节手段对频率行为影响的机理。针对高比例电力电子化电网,需要依靠深度学习等智能方法,实现动态更新系统运行状态,研究多能系统频率特性在线评估方法。

② 频率稳定量化评估。

目前研究缺少考虑可再生能源和系统拓扑变化的相关影响因素,对频率稳定的评估也较为粗糙。需研究如何综合利用深度学习、大数据等技术,采用更精准的模型和更快速的方法对频率稳定进行量化评估。

③ 扰动事件快速辨识。

解决此类问题需要考虑运行方式的不确定性和系统拓扑结构,扰动位置和扰动类型的多样性且难以描述等因素,如何构建适用于时空分布特性的深层模型也是重点研究方向。

本文剖析了深度学习的内涵及特点,总结了五类典型深度学习方法基本原理,分析探讨了当前电力系统频率动态分析与控制的挑战及其针对深度学习的适用性,对深度学习应用于频率稳定分析与控制领域的国内外研究现状进行了全面的综述,总结了未来亟待探索的关键理论和技术问题。

山东大学张恒旭教授团队长期从事电力系统稳定分析与控制、电力系统监测等方面研究工作。近五年来主持国家重点研发计划课题、国家自然基金重大科研仪器专项课题共计重点项目2项,国家自然科学基金面向项目1项,横向项目十余项,发表二区及以上期刊发表SCI论文26篇,EI论文40余篇;获国家科技进步一等奖1项、中国电工技术学会科学技术一等奖1项,获国家发明专利19项。

张恒旭,男,教授,博士生导师,现任山东大学电气工程学院常务副院长、电网智能化调度与控制教育部重点实验室主任、电动汽车电网接入技术国家工程实验室主任、教育部电气类教学指导委员会委员,主要研究方向为电力系统稳定分析与控制、电力系统监测、电力系统数值仿真。

张怡,女,博士研究生,主要研究方向为电力系统分析与控制。

李常刚,男,博士,教授,主要研究方向为交直流混联大电网频率安全稳定控制,人工智能在电力系统中的应用。

蒲天骄,男,博士,教授级高级工程师,主要研究方向为电力系统自动控制、电力大数据与人工智能、智能电网仿真。

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