摘要：隨著電網(wǎng)中高比例可再生能源及電力電子設(shè)備滲透率的提高，電力系統(tǒng)的運行形態(tài)將發(fā)生深刻變化，基于經(jīng)驗選擇的電力系統(tǒng)方式分析，越來越難以應(yīng)對電力系統(tǒng)運行、規(guī)劃、保護和穩(wěn)定分析的要求。為此，該文基于電力系統(tǒng)時序運行模擬數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力系統(tǒng)運行方式及其形態(tài)變化分析方法。該方法首先對高維運行模擬數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，通過聚類和緊密度指標飽和點分別辨識典型運行模式及其數(shù)量，利用SNE降維算法提取主要特征并可視化運行方式的時空變化規(guī)律;接著，從定量的角度，提出了描述電力系統(tǒng)運行方式分散性、季節(jié)一致性、時序多變性的評估指標。最后，以甘肅電網(wǎng)實際算例系統(tǒng)分析了高比例可再生能源對電力系統(tǒng)運行方式的影響，驗證了文中數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的有效性。實驗結(jié)果表明，電力系統(tǒng)運行方式的分散性及典型運行方式的數(shù)量會隨著可再生能源滲透率的上升而迅速增加。此外，電力系統(tǒng)運行方式與季節(jié)的耦合性逐漸減弱。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)驅(qū)動;高比例可再生能源;電力系統(tǒng)運行方式;電力系統(tǒng)運行模擬;降維;聚類
0引言
大力發(fā)展可再生能源成為構(gòu)建新一代低碳化、清潔化電力系統(tǒng)重要趨勢[12]。但高比例可再生能源的強不確定性及電力電子設(shè)備的大量接入給電力系統(tǒng)帶來了多重挑戰(zhàn)，例如運行方式多樣化、電網(wǎng)潮流雙向化、穩(wěn)定機理復(fù)雜化等[34]。此外，可再生能源消納的壓力及日益增長的調(diào)峰調(diào)頻需求使儲能等靈活性資源在電力系統(tǒng)中的作用逐漸凸顯[57]。這些新的因素開始主導(dǎo)電網(wǎng)的運行方式，傳統(tǒng)基于模型和經(jīng)驗的電力系統(tǒng)分析方法越來越難以應(yīng)對電力系統(tǒng)運行、規(guī)劃、保護和穩(wěn)定分析中海量多變的運行方式[89]。
電力系統(tǒng)論文范例： 電力系統(tǒng)繼電保護與自動化裝置的可靠性分析
由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行方式主要受負荷或季節(jié)性水電出力的影響，具有相對固定的模式，在電力系統(tǒng)規(guī)劃中往往利用“冬大冬小，夏大夏小，豐水枯水”選取典型運行方式進行經(jīng)濟性、安全性和穩(wěn)定性評估。但在高比例可再生能源和電力電子設(shè)備接入下，按傳統(tǒng)方式選取的電力系統(tǒng)典型運行場景難以還原真實的情況。
因此，如何在運行和規(guī)劃中確定典型運行方式及其數(shù)量如何在保護和穩(wěn)定分析中確定極端運行方式均亟需研究未來高比例可再生能源等新因素接入下電力系統(tǒng)運行方式的變化機理。 學(xué)術(shù)界已經(jīng)對數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了初步探索[10]。這些研究主要集中在個方面：預(yù)測，模式識別和決策分析。
預(yù)測主要包括負荷預(yù)測[1112]和可再生能源預(yù)測[1315]，基本思路是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法建立負荷或可再生能源出力與影響因素之間的相關(guān)模型而非因果模型進行預(yù)測，為負荷預(yù)測提供了新的思路。文獻[12]先將負荷聚類分組，再通過集成學(xué)習(xí)的方法預(yù)測總負荷。文獻[11]則將LST模型應(yīng)用于個體概率性負荷預(yù)測。文獻[15]通過深度學(xué)習(xí)的方法選取主要特征以提高風(fēng)電短期出力預(yù)測精度。在模式識別方面，數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法主要用于電力系統(tǒng)狀態(tài)估計[16]，拓撲識別[1718]，和事故辨識[1921]等。
文獻[16]通過數(shù)據(jù)驅(qū)動方法對歷史數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)以改善智能電網(wǎng)在線狀態(tài)估計的效果。總的來說，已經(jīng)有許多數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法應(yīng)用于運行規(guī)劃過程中電力系統(tǒng)典型運行場景選取，但是缺少高比例可再生能源等新因素接入下電力系統(tǒng)運行方式及其模式變化規(guī)律的研究。在實際電力系統(tǒng)規(guī)劃中，仍然沿用“冬大冬小，夏大夏小，豐水枯水”等通過經(jīng)驗選取電力系統(tǒng)運行方式數(shù)量及模式的方法。
為此，本文基于電力系統(tǒng)精細化運行模擬仿真數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力系統(tǒng)運行方式分析方法及框架;該方法首先對海量高維運行模擬數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以壓縮其中的冗余維度，提高后續(xù)算法的運行效率;接著利用聚類算法和緊密度指標飽和點分別在高維空間發(fā)現(xiàn)典型運行模式及其數(shù)量;然后通過降維可視化算法提取運行方式主要特征并在低維空間直觀展示運行方式的高維空間分布及時序特點;接著，從定量的角度，本文提出了描述電力系統(tǒng)運行方式分散性、季節(jié)一致性、時序多變性等特點的數(shù)學(xué)指標。最后，以甘肅電網(wǎng)實際算例實證分析了高比例可再生能源對電力系統(tǒng)運行方式影響，驗證了本文提出的框架和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的有效性。
本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1)精細化運行模擬生成海量運行方式數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法需要足夠的數(shù)據(jù)支撐，但是電力系統(tǒng)實驗成本高昂且部分研究場景在當(dāng)前實際系統(tǒng)中并不存在，例如超高比例可再生能源電力系統(tǒng)，本文的方法基于精細化運行模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生海量運行方式數(shù)據(jù)，以解決實際電力系統(tǒng)中歷史運行方式數(shù)據(jù)不足的問題;
2)數(shù)據(jù)驅(qū)動的新視角：通過緊密度指標飽和點和聚類等數(shù)據(jù)驅(qū)動算法分析電力系統(tǒng)運行方式數(shù)據(jù)，從而辨識高比例可再生能源、儲能等新因素接入下電力系統(tǒng)典型運行方式及其數(shù)目，避免了基于經(jīng)驗選取典型運行方式的方法在篩選海量運行場景方面的不足;
3)從定性和定量兩個方面展示電力系統(tǒng)運行方式的特點：通過高維聚類和降維可視化，在低維展示了電力系統(tǒng)運行方式的高維空間分布及時序變化，能夠幫助我們直觀分析和理解新因素對電力系統(tǒng)運行方式的影響，同時通過對運行方式直觀特點的定量描述，提出了運行方式分散性、季節(jié)一致性、時序多變性等嚴格指標，有助于我們將所得結(jié)論應(yīng)用于電力系統(tǒng)運行規(guī)劃;
4)適用于實際電力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有高維復(fù)雜非線性相關(guān)的特點，特別是對于大型實際電力系統(tǒng)，本文通過甘肅省實際算例驗證了所提方法的有效性并對比分析了不同可再生能源接入下甘肅電網(wǎng)運行方式的特點。實驗結(jié)果表明電力系統(tǒng)運行方式的分散性及典型運行方式的數(shù)量會隨著可再生能源滲透率的上升而迅速增加。此外，電力系統(tǒng)運行方式與季節(jié)的耦合性逐漸減弱。
1數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力系統(tǒng)運行方式分析框架
電力系統(tǒng)運行方式數(shù)據(jù)具有高維且非線性相關(guān)的特點，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法分析電力系統(tǒng)的運行方式，需要解決以下個問題：
1)如何獲取新因素作用下的海量運行方式數(shù)據(jù)，如何高效地對高維非線性相關(guān)的運行方式數(shù)據(jù)進行分析;2)如何定量地對電力系統(tǒng)運行方式的特性進行描述為此，圖給出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力系統(tǒng)運行方式分析框架：3)確定邊界條件：根據(jù)研究因素可再生能源、儲能等確定電力系統(tǒng)的邊界條件，例如，研究高比例可再生能源時需要確定可再生能源機組容量、出力概率分布、時空相關(guān)性、季日特性、線路和負荷參數(shù)等;4)電力系統(tǒng)精細化運行模擬：數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法需要足夠的數(shù)據(jù)支撐，但是電力系統(tǒng)實驗成本高昂且部分研究場景在當(dāng)前實際系統(tǒng)中并不存在，例如超高比例可再生能源電力系統(tǒng)，因此，本框架基于電力系統(tǒng)精細化運行模擬產(chǎn)生海量運行方式數(shù)據(jù)，以解決實際電力系統(tǒng)中歷史運行方式數(shù)據(jù)不足的問題。
首先通過隨機微分方程重構(gòu)考慮時空相關(guān)性、季日特性的可再生能源時序出力，同時進行水電中長期運行模擬和火電全年檢修模擬;通過可再生能源、水電、檢修模擬得到的日邊界條件，以最小化運行成本為目標，逐日模擬考慮多種電源類型和網(wǎng)絡(luò)約束的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，得到電力系統(tǒng)機組出力，線路潮流、負荷等運行方式數(shù)據(jù)。電力系統(tǒng)運行模擬方法較為成熟，目前已有一些商業(yè)軟件，因此具體方法不再贅述[3。
2數(shù)據(jù)驅(qū)動方法
2.1電力系統(tǒng)運行方式數(shù)據(jù)的特點及數(shù)據(jù)驅(qū)動算法選取原則
電力系統(tǒng)運行方式數(shù)據(jù)具有以下特點：
1)數(shù)據(jù)規(guī)模大，維度高：電力系統(tǒng)運行方式的變化具體表現(xiàn)為線路潮流、機組出力、節(jié)點電壓相角等相關(guān)電氣量運行規(guī)律的變化。實際電力系統(tǒng)中包含大量的元件，多樣的電氣量，不同的時間尺度和時間粒度。因此其數(shù)據(jù)維度高，數(shù)據(jù)規(guī)模大。例如江蘇省220kV以上線路超過2500條，如果僅考慮小時級時間粒度，則全年存在365個60000維日潮流向量。此外，隨著高比例可再生能源、儲能等新因素的接入下，電力系統(tǒng)運行方式呈現(xiàn)進一步多樣化的趨勢，因此，需要仿真更多的運行方式樣本分析其規(guī)律，這種新的特點進一步增大了所需電力系統(tǒng)運行方式數(shù)據(jù)的規(guī)模。
如果使用電力系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，則由于實際電力系統(tǒng)中廣泛存在的量測設(shè)備，仍然面臨數(shù)據(jù)規(guī)模大、維度高的問題。因此，一方面有必要對運行方式數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以提高后續(xù)算法的效率，另一方面高維度運行方式數(shù)據(jù)難以直觀理解，有必要通過聚類算法確定其在高維空間的聚類結(jié)構(gòu)，并通過降維可視化的方法在低維空間直觀展示其高維空間分布及時序特點，從而加深我們在新因素接入下對電力系統(tǒng)運行方式特點的理解。
2)不同維度之間非線性相關(guān)：電力系統(tǒng)運行方式數(shù)據(jù)的不同維度之間存在物理規(guī)律的時空耦合，例如基爾霍夫電流定律、電壓定律、潮流方程的耦合等，因此不同維度之間存在時間和空間的復(fù)雜非線性相關(guān)性，同時存在一定的冗余性，例如機組出力、負荷及線路潮流數(shù)據(jù)只要知道前兩者就可以通過潮流方程計算出線路潮流。因此我們有必要通過預(yù)處理算法對冗余維度進行壓縮。同時需要降維可視化算法解耦其在高維空間的相關(guān)性并投影到二維平面進行直觀展示。如綜上所示，本文采用了預(yù)處理、聚類、降維可視化的思路對海量運行方式數(shù)據(jù)進行分析。
預(yù)處理、聚類、可視化降維等數(shù)據(jù)驅(qū)動方法應(yīng)當(dāng)通過以下原則選?。侯A(yù)處理算法應(yīng)當(dāng)能快速處理大規(guī)模高維運行方式數(shù)據(jù)，能對運行方式的冗余維度進行壓縮并表示其壓縮程度，對于實際數(shù)據(jù)需要能辨識異常運行方式，以提升后續(xù)算法的運行效率;聚類算法應(yīng)當(dāng)能快速處理大規(guī)模樣本，魯棒性高，同時應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)?shù)闹笜撕侠泶_定電力系統(tǒng)運行方式數(shù)量;降維可視化算法應(yīng)當(dāng)能夠解耦高維非線性相關(guān)運行方式數(shù)據(jù)，同時能在低維平面反映數(shù)據(jù)在高維空間的分布，例如在高維空間聚在一類的運行方式在低維空間應(yīng)當(dāng)相互鄰近。下面將具體介紹各環(huán)節(jié)的典型算法。
2.2預(yù)處理
由于電力系統(tǒng)實際和仿真數(shù)據(jù)往往存在壞數(shù)據(jù)或維度冗余的問題，通常需要對實際和仿真數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。對于仿真數(shù)據(jù)，常用的預(yù)處理方法是降維壓縮。降維壓縮可以過濾掉電力系統(tǒng)實際和仿真數(shù)據(jù)中冗余的維度，提高后續(xù)聚類及可視化算法的效率，從而將數(shù)據(jù)驅(qū)動方法拓展到實際大型電力系統(tǒng)。常用的降維預(yù)處理算法有主成分分析(PCA)，多維變量縮放等[3。本文使用效率較高且易于控制壓縮程度的PCA算法對高維運行方式數(shù)據(jù)進行降維預(yù)處理。
3電力系統(tǒng)運行方式特征指標
通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對電力系統(tǒng)運行方式進行聚類、降維、可視化分析可以得到對電力系統(tǒng)運行方式空間分布的直觀理解。為了定量描述電力系統(tǒng)的運行方式的特征以進一步將指導(dǎo)電力系統(tǒng)運行規(guī)劃，本文提出個指標分別描述電力系統(tǒng)運行方式的分散性、季節(jié)的一致性以及時序多變性。
4算例分析
4.1甘肅電網(wǎng)算例數(shù)據(jù)
為研究高比例可再生能源滲透率對電力系統(tǒng)運行方式的影響，本文以甘肅省電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)進行實證分析。截止020年上半年，甘肅省可再生能源最大出力超過1000MW，占甘肅電網(wǎng)用電負荷7.3，占當(dāng)時總發(fā)電出力的7.240。隨著可再生能源滲透率的提高，甘肅電網(wǎng)運行方式面臨巨大挑戰(zhàn)。本文以甘肅電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基準，設(shè)計了低比例(0%)，中比例20%)，高比例(3%)等種可再生能源滲透率情景，分別代表過去、當(dāng)前、及未來電網(wǎng)的形態(tài)。
5結(jié)論
高比例可再生能源等新因素接入使得電力系統(tǒng)運行方式呈現(xiàn)多樣化的趨勢。本文基于電力系統(tǒng)精細化運行模擬仿真數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力系統(tǒng)運行方式分析方法。該方法利用預(yù)處理、聚類、降維可視化算法直觀分析和定性理解電力系統(tǒng)運行方式及其變化規(guī)律，接著設(shè)計定量指標描述電力系運行方式及其變化的特點，以指導(dǎo)實際電力系統(tǒng)運行規(guī)劃。
6展望
本文重點對高比例可再生能源接入下電力系統(tǒng)運行方式及其變化規(guī)律進行了定性和定量的分析。但電網(wǎng)中各類新的要素不斷增加，例如大量儲能以及電動汽車逐漸接入電網(wǎng)。電熱氣等多種能源系統(tǒng)的耦合增加，電力系統(tǒng)的運行方式和形態(tài)可能發(fā)生新的變化。
因此，未來的研究可以從以下兩個方面展開：1)利用本文提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法分析高比例集中式或分散式儲能的接入電網(wǎng)以及多能源系統(tǒng)耦合等因素對電力系統(tǒng)運行方式的影響。2)將本文的結(jié)論應(yīng)用于實際電力系統(tǒng)運行規(guī)劃中選取典型和極端運行方式。
參考文獻
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作者：侯慶春，杜爾順1*，田旭，劉飛，張寧，康重慶
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