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基于深度学习初始化与同伦延拓的牛顿-拉夫逊交流潮流收敛
Newton-Raphson AC Power Flow Convergence Based on Deep Learning Initialization and Homotopy Continuation
| 作者 | Samuel N. Okhuegbe · Adedasola A. Ademola · Yilu Liu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | 深度学习 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 交流潮流计算 牛顿 - 拉夫逊法 深度学习 两阶段方法 收敛率 |
语言:
中文摘要
潮流计算是许多电力系统研究的基础。随着可再生能源渗透率的提高,电网规划者倾向于在各种运行条件下进行多次潮流模拟,而不仅仅是在高峰或轻载条件下选取特定时刻进行模拟。对于电网规划者而言,尤其是在大型电网中,使交流潮流(ACPF)计算收敛仍是一项重大挑战。本文提出了一种两阶段方法来提高牛顿 - 拉夫逊交流潮流计算的收敛性,并将其应用于拥有6102个母线的得克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)系统。第一阶段采用基于深度学习的初始化方法并进行数据再训练。在此阶段,开发了一个深度神经网络(DNN)初始化器,以提供更好的初始电压幅值和相角猜测值,辅助潮流计算收敛。这是因为牛顿 - 拉夫逊交流潮流计算对初始条件非常敏感,不良的初始化可能导致计算发散。DNN初始化器包含一个数据再训练框架,当训练数据有限时,该框架可提高初始化器的性能。DNN初始化器成功解决了3899个不收敛调度案例中的3285个,其性能优于随机森林和直流潮流初始化方法。第一阶段未解决的交流潮流案例随后通过基于同伦延拓并带有开关并联电容器控制的热启动算法进行处理。热启动算法成功使剩余614个不收敛交流潮流调度案例中的416个收敛。两阶段方法相结合,在最初的3899个未解决案例中总共使3701个案例收敛,成功率达到94.9%。
English Abstract
Power flow forms the basis of many power system studies. With the increased penetration of renewable energy, grid planners tend to perform multiple power flow simulations under various operating conditions and not just selected snapshots at peak or light load conditions. Getting a converged AC power flow (ACPF) case remains a significant challenge for grid planners especially in large power grid networks. This paper proposes a two-stage approach to improve Newton-Raphson ACPF convergence and was applied to a 6102 bus Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) system. The first stage utilizes a deep learning-based initializer with data re-training. Here a deep neural network (DNN) initializer is developed to provide better initial voltage magnitude and angle guesses to aid in power flow convergence. This is because Newton-Raphson ACPF is quite sensitive to the initial conditions and bad initialization could lead to divergence. The DNN initializer includes a data re-training framework that improves the initializer's performance when faced with limited training data. The DNN initializer successfully solved 3,285 cases out of 3,899 non-converging dispatch and performed better than random forest and DC power flow initialization methods. ACPF cases not solved in this first stage are then passed through a hot-starting algorithm based on homotopy continuation with switched shunt control. The hot-starting algorithm successfully converged 416 cases out of the remaining 614 non-converging ACPF dispatch. The combined two-stage approach achieved a 94.9% success rate, by converging a total of 3,701 cases out of the initial 3,899 unsolved cases.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于深度学习和同伦延拓法改进牛顿-拉夫逊潮流计算收敛性的研究具有重要的战略价值。随着公司光伏逆变器和储能系统在全球电网中的渗透率持续提升,电网规划面临的潮流计算挑战日益严峻,这项技术为解决大规模新能源并网场景下的电网仿真难题提供了创新思路。
该研究在6102节点的ERCOT系统上实现94.9%的收敛成功率,证明了两阶段方法在处理复杂电网潮流计算中的有效性。对于阳光电源而言,这项技术可直接应用于三个关键业务场景:首先,在大型光伏电站和储能电站的并网方案设计中,能够快速评估多种运行工况下的电网稳定性;其次,在公司智慧能源管理系统中集成该算法,可提升实时调度决策的准确性和可靠性;第三,为客户提供更精准的电网适应性评估服务,增强系统解决方案的竞争力。
从技术成熟度评估,深度神经网络初始化方法已在近4000个不收敛案例中验证,且包含数据再训练框架以应对训练数据不足问题,显示出较好的工程实用性。然而,技术挑战在于:DNN模型的泛化能力需要在不同电网拓扑结构下进一步验证;模型训练需要大量历史运行数据,这对数据积累提出要求;计算资源消耗与实时性之间需要权衡。
建议阳光电源关注该技术方向,可考虑与研究团队合作,将其集成到公司的电网仿真平台和能量管理系统中,特别是在处理高比例新能源接入的复杂场景时,这将成为提升系统集成能力的重要技术储备。