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功率器件技术 SiC器件 ★ 5.0

基于物理信息自监督预训练的GNN在大规模电力系统分析中的泛化能力提升

GNNs' Generalization Improvement for Large-Scale Power System Analysis Based on Physics-Informed Self-Supervised Pre-Training

作者 Yuhong Zhu · Yongzhi Zhou · Wei Wei · Peng Li · Wenqi Huang
期刊 IEEE Transactions on Power Systems
出版日期 2025年2月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电力系统分析 图神经网络 自监督策略 预训练 性能提升
语言:

中文摘要

在人工智能驱动的电力系统分析(PSA)中,系统拓扑的高效且信息丰富的表示至关重要。尽管取得了重大突破,但近期采用图神经网络(GNNs)的方法在大规模电力系统分析中面临重大挑战,包括获取足够标注数据的高计算需求,以及对未见故障拓扑的泛化能力较差。为解决这些问题,我们提出了一种用于预训练图神经网络的自监督策略,该策略可在单个节点特征层面和整个图结构层面提升图神经网络的表达能力。通过集成物理信息技术,我们的策略使图神经网络能够内化适用于多个下游任务的基本原理。我们证明,我们的方法能够在无监督的情况下对大规模拓扑数据集上的图神经网络进行高效训练,有效解决了上述挑战。通过在 2000 万个未标注拓扑上对具有 1.45 亿个参数的图神经网络进行预训练,然后进行微调,我们发现在四项具有挑战性的任务中,与现有的最先进(SOTA)方法相比,性能平均提升了超过 13%。

English Abstract

Efficient and informative representation of system topologies is critical in AI-driven power system analysis (PSA). Despite a major breakthrough, recent approaches employing Graph Neural Networks (GNNs) face significant challenges in large-scale PSA, including high computational demands for sufficient labeled data and poor generalization to unseen disturbed topologies. To tackle these issues, we propose a self-supervised strategy for pre-training GNNs that enhances their expressiveness at both the individual node feature level and the whole graph structure. Integrating physics-informed techniques, our strategy allows GNNs to internalize fundamental principles applicable to multiple downstream tasks. We demonstrate that our method enables the efficient training of GNNs on extensive topology datasets without supervision, effectively addressing the noted challenges. By pre-training GNNs with 145 million parameters on 20 million unlabeled topologies and subsequently fine-tuning them, we observe a significant performance improvement, averaging over 13%, compared to existing state-of-the-art (SOTA) methods across four challenging tasks.
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SunView 深度解读

该研究提出的物理信息自监督GNN框架对阳光电源的智能化产品升级具有重要价值。首先可应用于ST系列储能系统和SG系列光伏逆变器的电网拓扑感知与控制优化,提升GFM/GFL控制的适应性;其次可集成到iSolarCloud平台,增强分布式电站群的智能调度与故障诊断能力。该方法通过物理规律预训练提升模型泛化性,有助于解决大规模新能源并网场景下的系统稳定性问题。建议在PowerTitan储能和1500V光伏系统中率先开展应用验证,以提升阳光电源产品在复杂电网环境下的智能化水平。