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储能系统技术 储能系统 SiC器件 ★ 5.0

物理增强辅助学习在电力系统暂态稳定评估中的应用

Physics-Augmented Auxiliary Learning for Power System Transient Stability Assessment

作者 Chao Shen · Ke Zuo · Mingyang Sun
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年6月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 暂态稳定评估 物理增强辅助学习框架 稳定性裕度预测 物理一致性 评估准确性
语言:

中文摘要

数据驱动的暂态稳定评估(TSA)方法已被证明在应对可再生能源快速融入电力系统所带来的安全挑战方面是有效的。然而,这些方法通常面临训练成本高、物理一致性不足以及泛化能力有限的问题。为解决这些局限性,本文提出了一种用于暂态稳定评估的物理增强辅助学习(PA - AL)框架,该框架在多门控专家混合模型中实现,并采用物理信息范式进行端到端的稳定裕度预测。与传统的基于物理信息神经网络的方法不同,后者依赖于易产生累积误差的转子角度轨迹预测,而PA - AL通过整合辅助电气速度预测来嵌入物理定律。所提出的PA - AL框架采用了两阶段物理引导训练方案:第一阶段是动态引导的状态表示学习,通过最小化一个包含辅助经验项和源自离散摇摆方程的物理正则化项的损失函数来捕捉系统状态;第二阶段是机制引导的裕度估计校准,通过一个利用裕度与速度偏差之间关系的机制增强正则化项来优化稳定裕度预测。在WSCC 9节点、新英格兰39节点、IEEE 68节点和冰岛189节点系统上进行的大量案例研究表明,所提出的方法在提高稳定评估准确性和保持物理一致性方面是有效的。

English Abstract

Data-driven transient stability assessment (TSA) methods have proven effectiveness in addressing the security challenges posed by the rapid integration of renewable energy into power systems. However, these methods often face high training costs, physical inconsistency, and limited generalization. To address these limitations, this article proposes a physics-augmented auxiliary learning (PA-AL) framework for TSA, implemented in a multigate mixture of expert model and a physics-informed paradigm for end-to-end stability margin prediction. Unlike conventional physics-informed neural network-based approaches, which rely on rotor angle trajectory predictions prone to cumulative errors, PA-AL embedding physics law by integrating auxiliary electrical velocity predictions. The proposed PA-AL framework employs a dual-phase physics-guided training scheme: first, dynamic-guided state representation learning, which captures system states by minimizing a loss function with auxiliary empirical terms and physics regularization derived from discrete swing equations, and second, mechanism-guided margin estimation calibration, which refines stability margin predictions through a mechanism-enhanced regularization term leveraging the relationship between margin and velocity deviation. Extensive case studies on the WSCC 9-bus, New England 39-bus, IEEE 68-bus, and Iceland 189-bus systems demonstrate the effectiveness of the proposed approach in improving stability assessment accuracy and maintaining physics consistency.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于物理增强辅助学习的暂态稳定评估技术具有重要的战略价值。随着公司光伏逆变器和储能系统大规模接入电网,新能源高渗透率带来的电力系统稳定性挑战日益突出,该技术为解决这一核心问题提供了创新路径。

该研究的核心价值在于将物理机理与数据驱动方法深度融合,通过嵌入摆动方程等物理约束,克服了传统神经网络方法物理一致性差、泛化能力弱的缺陷。对于阳光电源而言,这意味着可以在储能系统的能量管理系统(EMS)和光伏电站的有功无功控制中,实现更精准的实时稳定性预判。特别是双阶段物理引导训练机制——动态引导的状态表征学习和机理引导的稳定裕度估计——能够显著降低模型训练成本,这对于需要适配不同电网环境的分布式新能源项目具有实际意义。

从技术成熟度看,该方法已在多个标准测试系统上验证,但距离工程化应用仍需跨越数据接口标准化、实时计算性能优化等障碍。对阳光电源的机遇在于:可将此技术集成到智慧能源管理平台,增强系统级解决方案的竞争力;在电网侧储能项目中提供差异化的稳定性支撑服务;并为参与电力辅助服务市场奠定技术基础。

挑战方面,需要关注算法在极端扰动场景下的鲁棒性,以及与现有SCADA/EMS系统的兼容性。建议公司可考虑与研究机构合作,在实际新能源场站开展试点验证,逐步构建适用于高比例新能源场景的智能稳定性评估工具链。