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(yùn)行形態(tài)將發(fā)生深刻變化，基于經(jīng)驗(yàn)選擇的電力系統(tǒng)方式分析，越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行、規(guī)劃、保護(hù)和穩(wěn)定分析的要求。為此，該文基于電力系統(tǒng)時(shí)序運(yùn)行模擬數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式及其形態(tài)變化分析方法。該方法首先對(duì)高維運(yùn)行模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)聚類和緊密度指標(biāo)飽和點(diǎn)分別辨識(shí)典型運(yùn)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(yùn)行方式的時(shí)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(yùn)行方式分散性、季節(jié)一致性、時(shí)序多變性的評(píng)估指標(biāo)。最后，以甘肅電網(wǎng)實(shí)際算例系統(tǒng)分析了高比例可再生能源對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，驗(yàn)證了文中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的分散性及典型運(yùn)行方式的數(shù)量會(huì)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(yùn)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(dòng);高比例可再生能源;電力系統(tǒng)運(yùn)行方式;電力系統(tǒng)運(yùn)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(shì)[12]。但高比例可再生能源的強(qiáng)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(lái)了多重挑戰(zhàn)，例如運(yùn)行方式多樣化、電網(wǎng)潮流雙向化、穩(wěn)定機(jī)理復(fù)雜化等[34]。此外，可再生能源消納的壓力及日益增長(zhǎng)的調(diào)峰調(diào)頻需求使儲(chǔ)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(kāi)始主導(dǎo)電網(wǎng)的運(yùn)行方式，傳統(tǒng)基于模型和經(jīng)驗(yàn)的電力系統(tǒng)分析方法越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行、規(guī)劃、保護(hù)和穩(wěn)定分析中海量多變的運(yùn)行方式[89]。
電力系統(tǒng)論文范例： 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與自動(dòng)化裝置的可靠性分析
由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要受負(fù)荷或季節(jié)性水電出力的影響，具有相對(duì)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(yùn)行方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性和穩(wěn)定性評(píng)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(yùn)行場(chǎng)景難以還原真實(shí)的情況。
因此，如何在運(yùn)行和規(guī)劃中確定典型運(yùn)行方式及其數(shù)量如何在保護(hù)和穩(wěn)定分析中確定極端運(yùn)行方式均亟需研究未來(lái)高比例可再生能源等新因素接入下電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化機(jī)理。 學(xué)術(shù)界已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索[10]。這些研究主要集中在個(gè)方面：預(yù)測(cè)，模式識(shí)別和決策分析。
預(yù)測(cè)主要包括負(fù)荷預(yù)測(cè)[1112]和可再生能源預(yù)測(cè)[1315]，基本思路是通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法建立負(fù)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(jìn)行預(yù)測(cè)，為負(fù)荷預(yù)測(cè)提供了新的思路。文獻(xiàn)[12]先將負(fù)荷聚類分組，再通過(guò)集成學(xué)習(xí)的方法預(yù)測(cè)總負(fù)荷。文獻(xiàn)[11]則將LST模型應(yīng)用于個(gè)體概率性負(fù)荷預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[15]通過(guò)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(cè)精度。在模式識(shí)別方面，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法主要用于電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)[16]，拓?fù)渥R(shí)別[1718]，和事故辨識(shí)[1921]等。
文獻(xiàn)[16]通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)以改善智能電網(wǎng)在線狀態(tài)估計(jì)的效果。總的來(lái)說(shuō)，已經(jīng)有許多數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法應(yīng)用于運(yùn)行規(guī)劃過(guò)程中電力系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)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(yùn)行方式及其模式變化規(guī)律的研究。在實(shí)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(guò)經(jīng)驗(yàn)選取電力系統(tǒng)運(yùn)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(xì)化運(yùn)行模擬仿真數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式分析方法及框架;該方法首先對(duì)海量高維運(yùn)行模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以壓縮其中的冗余維度，提高后續(xù)算法的運(yùn)行效率;接著利用聚類算法和緊密度指標(biāo)飽和點(diǎn)分別在高維空間發(fā)現(xiàn)典型運(yùn)行模式及其數(shù)量;然后通過(guò)降維可視化算法提取運(yùn)行方式主要特征并在低維空間直觀展示運(yùn)行方式的高維空間分布及時(shí)序特點(diǎn);接著，從定量的角度，本文提出了描述電力系統(tǒng)運(yùn)行方式分散性、季節(jié)一致性、時(shí)序多變性等特點(diǎn)的數(shù)學(xué)指標(biāo)。最后，以甘肅電網(wǎng)實(shí)際算例實(shí)證分析了高比例可再生能源對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，驗(yàn)證了本文提出的框架和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的有效性。
本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1)精細(xì)化運(yùn)行模擬生成海量運(yùn)行方式數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法需要足夠的數(shù)據(jù)支撐，但是電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成本高昂且部分研究場(chǎng)景在當(dāng)前實(shí)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(xì)化運(yùn)行模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生海量運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，以解決實(shí)際電力系統(tǒng)中歷史運(yùn)行方式數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題;
2)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新視角：通過(guò)緊密度指標(biāo)飽和點(diǎn)和聚類等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法分析電力系統(tǒng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，從而辨識(shí)高比例可再生能源、儲(chǔ)能等新因素接入下電力系統(tǒng)典型運(yùn)行方式及其數(shù)目，避免了基于經(jīng)驗(yàn)選取典型運(yùn)行方式的方法在篩選海量運(yùn)行場(chǎng)景方面的不足;
3)從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面展示電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的特點(diǎn)：通過(guò)高維聚類和降維可視化，在低維展示了電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的高維空間分布及時(shí)序變化，能夠幫助我們直觀分析和理解新因素對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，同時(shí)通過(guò)對(duì)運(yùn)行方式直觀特點(diǎn)的定量描述，提出了運(yùn)行方式分散性、季節(jié)一致性、時(shí)序多變性等嚴(yán)格指標(biāo)，有助于我們將所得結(jié)論應(yīng)用于電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃;
4)適用于實(shí)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(diǎn)，特別是對(duì)于大型實(shí)際電力系統(tǒng)，本文通過(guò)甘肅省實(shí)際算例驗(yàn)證了所提方法的有效性并對(duì)比分析了不同可再生能源接入下甘肅電網(wǎng)運(yùn)行方式的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的分散性及典型運(yùn)行方式的數(shù)量會(huì)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(yùn)行方式與季節(jié)的耦合性逐漸減弱。
1數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式分析框架
電力系統(tǒng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)具有高維且非線性相關(guān)的特點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，需要解決以下個(gè)問(wèn)題：
1)如何獲取新因素作用下的海量運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，如何高效地對(duì)高維非線性相關(guān)的運(yùn)行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;2)如何定量地對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的特性進(jìn)行描述為此，圖給出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)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(shí)需要確定可再生能源機(jī)組容量、出力概率分布、時(shí)空相關(guān)性、季日特性、線路和負(fù)荷參數(shù)等;4)電力系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行模擬：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法需要足夠的數(shù)據(jù)支撐，但是電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成本高昂且部分研究場(chǎng)景在當(dāng)前實(shí)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(xì)化運(yùn)行模擬產(chǎn)生海量運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，以解決實(shí)際電力系統(tǒng)中歷史運(yùn)行方式數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題。
首先通過(guò)隨機(jī)微分方程重構(gòu)考慮時(shí)空相關(guān)性、季日特性的可再生能源時(shí)序出力，同時(shí)進(jìn)行水電中長(zhǎng)期運(yùn)行模擬和火電全年檢修模擬;通過(guò)可再生能源、水電、檢修模擬得到的日邊界條件，以最小化運(yùn)行成本為目標(biāo)，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(jī)組出力，線路潮流、負(fù)荷等運(yùn)行方式數(shù)據(jù)。電力系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)方法
2.1電力系統(tǒng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法選取原則
電力系統(tǒng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：
1)數(shù)據(jù)規(guī)模大，維度高：電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化具體表現(xiàn)為線路潮流、機(jī)組出力、節(jié)點(diǎn)電壓相角等相關(guān)電氣量運(yùn)行規(guī)律的變化。實(shí)際電力系統(tǒng)中包含大量的元件，多樣的電氣量，不同的時(shí)間尺度和時(shí)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(guò)2500條，如果僅考慮小時(shí)級(jí)時(shí)間粒度，則全年存在365個(gè)60000維日潮流向量。此外，隨著高比例可再生能源、儲(chǔ)能等新因素的接入下，電力系統(tǒng)運(yùn)行方式呈現(xiàn)進(jìn)一步多樣化的趨勢(shì)，因此，需要仿真更多的運(yùn)行方式樣本分析其規(guī)律，這種新的特點(diǎn)進(jìn)一步增大了所需電力系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際電力系統(tǒng)中廣泛存在的量測(cè)設(shè)備，仍然面臨數(shù)據(jù)規(guī)模大、維度高的問(wèn)題。因此，一方面有必要對(duì)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以提高后續(xù)算法的效率，另一方面高維度運(yùn)行方式數(shù)據(jù)難以直觀理解，有必要通過(guò)聚類算法確定其在高維空間的聚類結(jié)構(gòu)，并通過(guò)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(shí)序特點(diǎn)，從而加深我們?cè)谛乱蛩亟尤胂聦?duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式特點(diǎn)的理解。
2)不同維度之間非線性相關(guān)：電力系統(tǒng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù)的不同維度之間存在物理規(guī)律的時(shí)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(shí)間和空間的復(fù)雜非線性相關(guān)性，同時(shí)存在一定的冗余性，例如機(jī)組出力、負(fù)荷及線路潮流數(shù)據(jù)只要知道前兩者就可以通過(guò)潮流方程計(jì)算出線路潮流。因此我們有必要通過(guò)預(yù)處理算法對(duì)冗余維度進(jìn)行壓縮。同時(shí)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(jìn)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(duì)海量運(yùn)行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
預(yù)處理、聚類、可視化降維等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法應(yīng)當(dāng)通過(guò)以下原則選取：預(yù)處理算法應(yīng)當(dāng)能快速處理大規(guī)模高維運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，能對(duì)運(yùn)行方式的冗余維度進(jìn)行壓縮并表示其壓縮程度，對(duì)于實(shí)際數(shù)據(jù)需要能辨識(shí)異常運(yùn)行方式，以提升后續(xù)算法的運(yùn)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(shí)應(yīng)當(dāng)通過(guò)適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)合理確定電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行方式數(shù)據(jù)，同時(shí)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(yùn)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(shí)際和仿真數(shù)據(jù)往往存在壞數(shù)據(jù)或維度冗余的問(wèn)題，通常需要對(duì)實(shí)際和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)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(guò)濾掉電力系統(tǒng)實(shí)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(dòng)方法拓展到實(shí)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(duì)高維運(yùn)行方式數(shù)據(jù)進(jìn)行降維預(yù)處理。
3電力系統(tǒng)運(yùn)行方式特征指標(biāo)
通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行聚類、降維、可視化分析可以得到對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行方式的特征以進(jìn)一步將指導(dǎo)電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃，本文提出個(gè)指標(biāo)分別描述電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的分散性、季節(jié)的一致性以及時(shí)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(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，本文以甘肅省電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)證分析。截止020年上半年，甘肅省可再生能源最大出力超過(guò)1000MW，占甘肅電網(wǎng)用電負(fù)荷7.3，占當(dāng)時(shí)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(yùn)行方式面臨巨大挑戰(zhàn)。本文以甘肅電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(guò)去、當(dāng)前、及未來(lái)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(yùn)行方式呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)。本文基于電力系統(tǒng)精細(xì)化運(yùn)行模擬仿真數(shù)據(jù)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行方式及其變化規(guī)律，接著設(shè)計(jì)定量指標(biāo)描述電力系運(yùn)行方式及其變化的特點(diǎn)，以指導(dǎo)實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃。
6展望
本文重點(diǎn)對(duì)高比例可再生能源接入下電力系統(tǒng)運(yùn)行方式及其變化規(guī)律進(jìn)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?jī)?chǔ)能以及電動(dòng)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(yùn)行方式和形態(tài)可能發(fā)生新的變化。
因此，未來(lái)的研究可以從以下兩個(gè)方面展開(kāi)：1)利用本文提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法分析高比例集中式或分散式儲(chǔ)能的接入電網(wǎng)以及多能源系統(tǒng)耦合等因素對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。2)將本文的結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃中選取典型和極端運(yùn)行方式。
參考文獻(xiàn)
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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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