2024年基于深度學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)建模、感知和調(diào)控-淺談計算數(shù)學(xué)的威力

TT基于深度學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)建模、感知和調(diào)控梅生偉清華大學(xué)電機系人青海大學(xué)能源電氣學(xué)院中國電機工程學(xué)會成立90周年曹2024年年會Digital&IntelligentTechnologiesEnablingHighQualityDevelopmentofNew-typePowerSystem基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建?；趯股删W(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度Digital&IntelligentTechnologies2021年3月15日，習(xí)近平主席主持召開中央財舉措成立90周年曹2024年年會Digital&IntelligentHighQualityDevelopmentofNew-ty數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展新型電力系統(tǒng)概念與特征十呼倫貝爾-x寧一古泉扎穩(wěn)特一青州上海查-山東高嶺置牌屏-5南溪左岸寶雞金官-枉中天生橋廣州35酒電站送電廣東廣西責(zé)州一廣東一日扎流一廣東成立90周年曹2024年年會新型電力系統(tǒng)概念與特征性顯著增強，帶來了量測感知、系統(tǒng)建風(fēng)光電廠出力波動性大，易造成電網(wǎng)頻率問題新能源通過變流器并網(wǎng)，零慣量/弱慣量，缺乏對電網(wǎng)主動支撐能力。成立90周年曹2024年年會數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展提高電力系統(tǒng)數(shù)字化水平，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。提高電力系統(tǒng)數(shù)字化水平，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。inrealtime,coveringitsstruct力途與內(nèi)力途與內(nèi)的1的1口影響電力系統(tǒng)安全的環(huán)境信息；出數(shù)字電力系統(tǒng)的概念。出數(shù)字電力系統(tǒng)的概念。中國電機工程學(xué)會Digital&IntelligentTechnologiesEnablingHighQualityDevelopmentofNew-tpowersystemsforrenewableenergygenerationforecasting,增強感知沙盤推演智能決策云計實物系統(tǒng)算析新型電力系統(tǒng)運行工況基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)超分辨率量測========================基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建模基于對抗生成網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中國電機工程學(xué)會成立90周年曹2024年年會HighQualityDevelopmentofNew-typePowerSystem基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建?；趯股删W(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度成立90周年曹2024年年會哭聲太大哭聲太大歷史數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練Training訓(xùn)練Training模型新的問題未知結(jié)果模型新的問題未知結(jié)果預(yù)測、未來因果關(guān)系 數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展深度學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)的本質(zhì)：利用數(shù)據(jù)逼近函數(shù)關(guān)系(因果關(guān)系)-魏爾斯特拉斯逼近定理：閉區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)可用多項式級數(shù)一致逼近。GermanP,(x)→f(x)P?(x)=a,x“+a_1x”1+an-2x-2+…+a?x+a?淺層學(xué)習(xí)(常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))深度學(xué)習(xí)(常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))海量數(shù)據(jù)算力提升容易，高維空間局部極小概率小缺點：局部極?。惶荻认?ReLU函數(shù)替代sigmoid函數(shù)(ReLUfunctionreplacingthesigmoidfunc成立90周年曹2024年年食90ANNIVERSARY數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展增強感知增強感知對抗生成網(wǎng)絡(luò)強化學(xué)習(xí)預(yù)防控制增強認(rèn)知增強決策成立90周年曹2024年年會基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建?；趯股删W(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度accurate,real-time,synchr無線),提高電網(wǎng)狀態(tài)感知時空分辨率?Key無線),提高電網(wǎng)狀態(tài)感知時空分辨率?Key傳統(tǒng)方法新型電力系統(tǒng)更低碳更低碳解決思路：利用深度學(xué)習(xí)，從稀疏量測數(shù)據(jù)中插值補全缺失量測信息，實現(xiàn)同步、高分辨率數(shù)字化狀態(tài)感知人工智能AIfromsparsemeasurements,achievingsynchronized,high-resolutiondigital風(fēng)險少多卷積層framepatches對低分辨率LR圖像進行插值處理，增補像素，獲得高深度實際量測+SR生成=數(shù)字量測Actualmeasurements+SR-generatedmeasurements=Digitalmeasure空間量測配置不同Differentspatial量測采樣頻率不一致量測可信度不一致輸電網(wǎng)/配電網(wǎng)7拉普拉斯拉普拉斯法國France法國France拉普拉斯矩陣L=UAUT拉普拉斯矩陣L=UAUT神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)設(shè)計電力網(wǎng)絡(luò)圖特征電力網(wǎng)絡(luò)圖特征Prf-ac=g(vLse2-vLsRV;_srCosθ?j_sk)-b?jvLsRVj_s低分辨率lossef=(pi-sR-Piloss=lossmse+C*ofspectralgraphconvolutofspectralgraphconvolut90ANNIVERSARY量測嚴(yán)重缺失時超分辨率輸出稀疏抽樣量測嚴(yán)重缺失時超分辨率輸出稀疏抽樣深藍(lán)色區(qū)域表示量測數(shù)據(jù)缺失(只有2個節(jié)節(jié)點電壓MSE饋線功率MSE超分辨率線性插值樣條插值張量插值成立90周年曹2024年年會基于對抗生成網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究背景ResearchBackgroundrenewableenergy,DCtransmission,energystora工程實踐焦點問題：如何利用端口量測數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)設(shè)備(區(qū)域電網(wǎng))動力學(xué)模型，并準(zhǔn)確數(shù)值模擬?新型電力系統(tǒng)新型電力系統(tǒng)jY(,x,y,)=0,"()常規(guī)電力系統(tǒng)：有功/無功序分量工頻周期0.02秒新型電力系統(tǒng)：變流器電力電子變壓器微秒~毫秒過渡過程毫秒計ConventionalPowerSystems:成立90周年曹2024年年會基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建模歐拉Euler歐拉Euler歐拉法：用切線逐步逼近函數(shù)xn+1=x,+f(tn+K?=f(tn,xn)K?=f(tn,xn)xn+1=xn+(K?+4K?+K?)h/6K?=f(tn+1/2,x,+K?h/2)數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展x02.20x02.20pt0pt0神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和訓(xùn)練新型電力系統(tǒng)動態(tài)建模思路提供對于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動態(tài)和控制的新視成立90周年曹2024年年會從微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到微分代數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)From絡(luò)方程p0區(qū)原動機及0(r微分方程pa勵磁系統(tǒng)Up電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真示意圖絡(luò)方程p0區(qū)原動機及0(r微分方程pa勵磁系統(tǒng)Up電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真示意圖0prr發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程發(fā)電機dy-y電磁方程坐標(biāo)變換pn2成立90面年曾2024年年食90ANNIVERSARY共計6800次不同潮流和故障下的暫態(tài)仿真，從故障發(fā)生時刻開始共3秒的數(shù)據(jù)，每秒100次采樣。取80%為訓(xùn)練集，取20%為測試集，測試結(jié)果表明：所得模型仿真結(jié)果準(zhǔn)確，誤差在0.5%以內(nèi)BUS30-BUS39相對功角BUS30-BUS39相對功角[1]/index/,https://github成立90周年曹2024年年會數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建?；趶娀瘜W(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展加強風(fēng)險防控安全約束魯棒低碳運行g(shù)(xo,yo.n)=0h(x?.yo,u)≥0靜態(tài)安全約束工況多變無法在線應(yīng)用傳統(tǒng)方法難以滿足需求研究思路：基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)，從不安全工況映射生成安全運行域?qū)?yīng)的工況，支傳統(tǒng)方法難以滿足需求數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展Xx=G(z)2對抗博弈優(yōu)化問題基于對抗生成網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制Trainthegeneratoranddis預(yù)防控制方案求解邏輯預(yù)防控制方案求解邏輯空間映射不安全工況不安全工況不安全域安全域調(diào)控方案仿真引擎調(diào)控方案仿真引擎預(yù)防控制中國電機工程學(xué)會成立90周年曹2024年年會中國電機工程學(xué)會成立90周年曹2024年年會●在訓(xùn)練中引入調(diào)整成本損失項，可以控制預(yù)防控制模型在風(fēng)險偏好與成本偏好之間的平衡PgenPsp,Qsp—抽樣一z生成器Theconditionaldistributionofgeneratoract生成器x判別器判別器28/47y數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展預(yù)想事故為母線22和母線28上發(fā)生的三相短路接地故障控制有效率超過99%,決策速度快，控制代價低數(shù)據(jù)集調(diào)整前失穩(wěn)調(diào)整后失穩(wěn)UnstableBeforeAdjustmentUnstableAfterAdjustment調(diào)整有效率訓(xùn)練集測試集情景2:考慮兩個預(yù)想故障(22、28號母線)的預(yù)防控制結(jié)果數(shù)據(jù)集調(diào)整前失穩(wěn)UnstableBeforeAdjustment調(diào)整后失穩(wěn)UnstableAfterAdjustment調(diào)整有效率訓(xùn)練集0測試集0模型平均推斷時間Averageinferencetime預(yù)想控制場景(PreventiveControlScenario)平均每次推斷時間(AverageInferenceTime)/ms控制代價權(quán)重對控制有效率的影響回成立90周年曹2024年年會數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建?；趯股删W(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度AITrainingandAppli成立90周年曹2024年年會多目標(biāo)優(yōu)化難度大：運行方式變化多，不確定性水平高——調(diào)度人員知識和經(jīng)驗積累跟不上新型電力系統(tǒng)發(fā)展工程實踐關(guān)鍵問題：如何讓人工智能自主探索復(fù)雜運行場景，主動學(xué)習(xí)和掌握電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)控規(guī)律?傳統(tǒng)模式緊急控制安全性指標(biāo)電能質(zhì)量評估經(jīng)濟性指標(biāo)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)模式緊急控制安全性指標(biāo)電能質(zhì)量評估經(jīng)濟性指標(biāo)仿真人工皿新型電力系統(tǒng)新模式皿新型電力系統(tǒng)新模式調(diào)整調(diào)整智能分析引擎智能決策引擎合數(shù)字孿生平臺合數(shù)字孿生平臺數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度DispatchOptimization化學(xué)習(xí)框架(Deeplearningframework)模型復(fù)雜、非凸特性、不確定性約束模型復(fù)雜、非凸特性、不確定性約束訓(xùn)練深度強化學(xué)習(xí)智能體新能源、直流、儲能..出力波動、current,Energysfluctuations,Cascadingfaults...基于雙延遲深度確定性策略梯度學(xué)習(xí)框架的優(yōu)化調(diào)度決策強化學(xué)習(xí)Autonomouslyexplorethesolution雙延遲深度確定性策略梯度學(xué)習(xí)框架雙延遲深度確定性策略梯度學(xué)習(xí)框架Agentdofo三段式獎勵(Reward)機制，獎勵最大化問題-100×ZLv,P)引入預(yù)訓(xùn)練與并行采樣機制，增強算法收斂速度引入預(yù)訓(xùn)練與并行采樣機制，增強算法收斂速度enhancetheconvergencespeedofthea優(yōu)化目標(biāo)成立90周年曹2024年年會數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展隨機初始化50000個初始潮流，49092個潮流違反靜態(tài)安全約束，40610個潮流違反動態(tài)安全約束。決策后，49602個潮流控制有效，398個潮流控制無效，控制有效率99.204%,運行方式調(diào)整后100%動態(tài)安全隨機初始化50000個初始潮流，49092個潮流違反靜態(tài)安全約束，40610個潮流違反動態(tài)安全約束。決策后，49602個潮流控制有效，398個潮流控制無效，控制有效率99.204%,運行方式調(diào)整后100%動態(tài)安全25002500智能體訓(xùn)練過程AIAgent///控制效果對比ControlEffectComparison成立90周年曹2024年年會數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展新型電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)超分辨率量測基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)動態(tài)建?；趯股删W(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)在線預(yù)防控制基于強化學(xué)習(xí)的新型電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度適用于新型電力系統(tǒng)的人工智能訓(xùn)練和應(yīng)用平臺AITrainingandApplication成立90周年曹2024年年會開發(fā)背景DevelopmentBackground電網(wǎng)仿真過于耗時：實際大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行依賴數(shù)值仿真，耗時極大，仿真代價(碳消耗)極高開發(fā)環(huán)境：中國電科院超算仿真平臺，共計24000CPU核開發(fā)環(huán)境：中國電科院超算仿真平臺，共計24000CPU核預(yù)想故障集模塊2:關(guān)鍵斷面識別模塊1:基于時間序列相關(guān)性模塊1:基于時間序列相關(guān)性高N模塊3:基于時間序列相關(guān)高N模塊3:基于時間序列相關(guān)Y低90ANNIVERSARY數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展應(yīng)用1:電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估測電網(wǎng)穩(wěn)定性系統(tǒng)故障后的短期受擾軌跡暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)時序特征提取TimeSeriesFeatureExtractionforPowerSystems系統(tǒng)綜合分析軌跡成立90周年曹2024年年會又快又準(zhǔn)!又快又準(zhǔn)!應(yīng)用1:電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估2021年上半年國家電網(wǎng)算例，共有28種典型潮流運行方式，包含約(不同運行方式數(shù)量不同)55000節(jié)點，30000交流線，20000變壓器，5400發(fā)電機，9500負(fù)荷，21條直流線路；模塊集成后，預(yù)想故障掃描共計11412個仿真作業(yè)進行快速掃描，耗時1105秒左右，其中短時仿真(集群)占用399s,穩(wěn)定性預(yù)測(單機28核心)用時706s,準(zhǔn)確率99.20%;對比完整仿真(集群240000核)則需要的時間1863s。002020年上+科公8011電o%)N1_頂022.*20.220,三81,電o%)滿423001.200死200備，備百分比百分比差數(shù)日障率分析用時0)成立90周年曹2024年年會應(yīng)用2:電力系統(tǒng)運行方式關(guān)鍵特征提取基于深度學(xué)習(xí)的暫態(tài)穩(wěn)定評估器建立了系統(tǒng)特征到系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的映射在此基礎(chǔ)上，針對預(yù)測失穩(wěn)的輸入x,分析模型F(x)給出當(dāng)前判別的原因，從而分析當(dāng)前輸入x中的關(guān)鍵特征樸素梯度OF/0x易受梯度飽和的影響，無法作為輸入特征重要性的良好度量穩(wěn)定-失穩(wěn)預(yù)測值分界面x%X穩(wěn)定-失穩(wěn)預(yù)測值分界面x%X受擾軌跡#N關(guān)鍵受擾軌跡識別KeyDisturbanceTrajectoryldentification受擾軌跡#1受擾軌跡#2采用積分梯度方法，比較預(yù)測結(jié)果不同的兩個相似輸入狀態(tài)，計算受擾軌跡中對模型預(yù)測穩(wěn)定性影響最大的軌跡應(yīng)用2:電力系統(tǒng)運行方式關(guān)鍵特征提取斷面排序序號斷面斷面名稱斷面靈敏度排序序號斷面名稱斷面靈敏度1吉送遼8宜昌直流(鄂北受)2赤峰外送3蒙西送出4黑龍江東部外送5呼包40067呼豐201943鄂送贛7呼豐60000呼豐新60065蘇州南部9山西500kV送出1吉送遼8宜昌直流(鄂北受)成立90周年曹2024年年會數(shù)智技術(shù)促進新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展從超算到云計算：新型電力系統(tǒng)高