基于Transformer自注意机制的交直流混联电网紧急控制方法

申请号 CN202311521686.4 申请日 2023-11-13 公开(公告)号 CN117810957A 公开(公告)日 2024-04-02
申请人 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院; 南京东博智慧能源研究院有限公司; 发明人 文博; 杨增力; 史逸川; 张侃君; 田亦鎏; 黎恒烜; 陈永昕; 王玮伦; 滕捷; 陈堃;
摘要 一种基于Transformer自注意 力 机制的交直流混联 电网 紧急控制方法,包括以下步骤:采集历史电气数据,并对数据进行预处理;利用预处理后的数据对Transformer神经网络模型预训练;用预训练好的Transformer神经网络模型对实际电力系统中故障 切除 后数据进行 稳定性 预测,如果判断结果为不稳定,通过切机措施实现交直流电网紧急控制处理。本 发明 利用Transformer自注意力机制实现了高效的特征学习和模型解释,能够快速准确地找到失去同调性的机组,实现交直流混联电网的紧急控制。通过该方法,交直流混联电网能够在发生严重故障后实现快速、稳定的控制,提高了电网的可靠性和安全性。
权利要求

1.一种基于Transformer自注意机制的交直流混联电网紧急控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、数据采集及预处理
采集历史电气数据,并对数据进行预处理;
步骤二、利用预处理后的数据对Transformer神经网络模型预训练;
步骤三、用步骤二预训练好的Transformer神经网络模型对实际电力系统中故障切除后数据进行稳定性预测,如果判断结果为不稳定,通过切机措施实现交直流电网紧急控制处理。
2.如权利要求1所述的一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,其特征在于,步骤一中,采集历史电气数据,并对数据进行预处理具体包括以下步骤:
通过电力系统监测设备采集故障发生前一周波t0至故障切除后一周波tc的连续时间段内交直流混联电网每个发电机组的功电压、有功和无功数据,得到连续的时间序列数据;
对连续的时间序列数据预处理,从而进行模型训练任务。
3.如权利要求2所述的一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,其特征在于:对连续的时间序列数据预处理,从而进行模型训练任务,具体包括以下步骤:
A1、时间序列数据离散化:将连续的时间序列数据离散化成故障发生前一周波t0、故障发生时tf和故障清除后一周波tc的数据;
A2、稳定性判别:对离散后的数据进行稳定性判别,得到稳定与否状态标签,稳定标记为1,不稳定标记为0;
A3、数据标准化:对离散化后的数据进行均值归一化处理,以消除属性量纲的差异影响。
4.如权利要求3所述的一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,其特征在于:步骤A2中的稳定性判别依据为电力系统中任意发电机组的功角差是否大于360度,大于则判为失稳,否则判为稳定。
5.如权利要求1~4任意一项所述的一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,其特征在于,步骤二中,具体包括以下步骤:
B1、设定超参数
确定批次大小及隐藏层数,设置批次为400;确定隐藏层数为6层;确定头数为8,初始学习率为0.05;
B2、数据降维
采用1×1卷积将标准化后的功角、电压、有功、无功4通道数据降维为单通道数据Gi=[Vi,Pi,Qi,Ai],Gi表示ti时刻的发电机特征值,Vi,Pi,Qi,Ai分别表示ti时刻发电机的母线电压,有功、无功输出和功角大小;
B3、模型训练
T
将降维处理后的数据转化为输入序列Di=[ti,Gi,S]输入到Transformer神经网络模型Embedding层中,其中Di表示在ti时刻的输入序列,S表示ti时刻的系统稳定状态;
采用交叉熵损失函数作为损失函数,并对损失函数进行L2正则化以避免过拟合现象,Transformer分类层Softmax函数的输出值为 即为Transformer神经网络模型对输入序列的预测值,ys代表A2步骤中的稳定与否状态标签,通过不断降低整体的损失函数值来提高模型预测精度,并使用Adam优化器调节学习率来加速训练;
损失函数L:
式中:W表示网络中所有权重参数,α为L2正则化项的惩罚因子
完成训练后的模型能够根据输入序列输出一个预测值 该值即为模型对当前输入序列暂态稳定性的判断值。
6.如权利要求5所述的一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,其特征在于,步骤三具体如下:
C1:稳定状态预测
当电力系统发生新的故障时,将经过步骤一得到的数据输入到步骤二预训练好的Transformer神经网络模型中进行稳定性判断得到预测值 对步骤B3得到的预测值 当判断为不稳定,执行C2步骤,反之为稳定,不执行操作;
C2:紧急控制策略:
根据训练好的Transformer模型对C1的数据评估得到的注意力分布,找到注意力分布最集中的发电机组,即识别与其他发电机组失去同调性的机组,对该发电机组进行切机处理。

说明书全文

基于Transformer自注意机制的交直流混联电网紧急控制

方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统稳定控制技术领域,主要涉及了一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法。技术背景
[0002] 我国国土面积幅员辽阔,人口数量有大约14亿人,资源和负荷呈现明显的空间不平衡电、光伏等新能源资源主要在我国西北部,但是西北部地广人稀,无法足额消纳新能源发电;而负荷中心主要分布在我国华北、华东及华南等地区,这些地区又受限于资源短缺,电力需求大等问题。为了解决负荷中心用电短缺,增加新能源消纳,交直流混联电网已经成为我国输电的重要手段。
[0003] 然而,由于大规模的新能源发电经交直流混联电网输送,新能源的波动性、间歇性及交直流混联电网的故障都可能成为电力系统不稳定的因素,如果不采取紧急控制措施,电力系统可能会出现低频、低压崩溃的情况,严重可能会导致区域电力系统失稳等严重事故。与此同时,我国的电力负荷呈现逐年增加的趋势,东南沿海地区用电占主要部分,输电线路的故障会导致大规模停电,因此,电力系统稳定控制是很有必要的,当电力系统出现故障后,采用切机、切负荷等手段使电网脱离紧急状态。在这样的情况查下,如何设计一套稳定可靠的电力系统稳定控制系统变得十分迫切。

发明内容

[0005] 本发明正是针对现有技术中的问题,提供了一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,属于电力系统稳定控制技术领域,对于交直流混联电网发生严重故障后的稳定恢复有重要意义。本发明首先采集交直流混联电网中发电机的历史电气数据,同时对数据进行预处理,然后构建Transformer神经网络模型,将处理好的数据带入模型中进行训练,最后使用训练好的Transformer神经网络模型评估实际交直流混联电网中故障切出后样本系统的稳定性,若判定为不稳定,则通过切机措施恢复交直流混联电网的稳定。本发明利用Transformer自注意力机制实现了高效的特征学习和模型解释,能够快速准确地找到失去同调性的机组,实现交直流混联电网的紧急控制。通过该方法,交直流混联电网能够在发生严重故障后实现快速、稳定的控制,提高了电网的可靠性和安全性。
[0006] 为了实现上述目的,本发明公开了一种基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,包括以下步骤:
[0007] 步骤一、数据采集及预处理
[0008] 采集历史电气数据,并对数据进行预处理;
[0009] 步骤二、利用预处理后的数据对Transformer神经网络模型预训练;
[0010] 步骤三、用步骤二预训练好的Transformer神经网络模型对实际电力系统中故障切除后数据进行稳定性预测,如果判断结果为不稳定,通过切机措施实现交直流电网紧急控制处理。
[0011] 步骤一中,采集历史电气数据,并对数据进行预处理具体包括以下步骤:
[0012] 通过电力系统监测设备采集故障发生前一周波t0至故障切除后一周波tc的连续时间段内交直流混联电网每个发电机组的功电压、有功和无功数据,得到连续的时间序列数据;
[0013] 对连续的时间序列数据预处理,从而进行模型训练任务。
[0014] 对连续的时间序列数据预处理,从而进行模型训练任务,具体包括以下步骤:
[0015] A1、时间序列数据离散化:将连续的时间序列数据离散化成故障发生前一周波t0、故障发生时tf和故障清除后一周波tc的数据;
[0016] A2、稳定性判别:对离散后的数据进行稳定性判别,得到稳定与否状态标签,稳定标记为1,不稳定标记为0;
[0017] A3、数据标准化:对离散化后的数据进行均值归一化处理,以消除属性量纲的差异影响。
[0018] 步骤A2中的稳定性判别依据为电力系统中任意发电机组的功角差是否大于360度,大于则判为失稳,否则判为稳定。
[0019] 步骤二中,具体包括以下步骤:
[0020] B1、设定超参数
[0021] 确定批次大小及隐藏层数,设置批次为400;确定隐藏层数为6层;确定头数为8,初始学习率为0.05;
[0022] B2、数据降维
[0023] 采用1×1卷积将标准化后的功角、电压、有功、无功4通道数据降维为单通道数据Gi=[Vi,Pi,Qi,Ai],Gi表示ti时刻的发电机特征值,Vi,Pi,Qi,Ai分别表示ti时刻发电机的母线电压,有功、无功输出和功角大小;
[0024] B3、模型训练
[0025] 将降维处理后的数据转化为输入序列Di=[ti,Gi,S]T输入到Transformer神经网络模型Embedding层中,其中Di表示在ti时刻的输入序列,S表示ti时刻的系统稳定状态;
[0026] 采用交叉熵损失函数作为损失函数,并对损失函数进行L2正则化以避免过拟合现象,Transformer分类层Softmax函数的输出值为 即为Transformer神经网络模型对输入序列的预测值,ys代表A2步骤中的稳定与否状态标签,通过不断降低整体的损失函数值来提高模型预测精度,并使用Adam优化器调节学习率来加速训练;
[0027] 损失函数L:
[0028]
[0029] 式中:W表示网络中所有权重参数,α为L2正则化项的惩罚因子
[0030] 完成训练后的模型能够根据输入序列输出一个预测值 该值即为模型对当前输入序列暂态稳定性的判断值。
[0031] 步骤三具体如下:
[0032] C1:稳定状态预测
[0033] 当电力系统发生新的故障时,将经过步骤一得到的数据输入到步骤二预训练好的Transformer神经网络模型中进行稳定性判断得到预测值 对步骤B3得到的预测值 当判断为不稳定,执行C2步骤,反之为稳定,不执行操作;
[0034] C2:紧急控制策略:
[0035] 根据训练好的Transformer模型对C1的数据评估得到的注意力分布,找到注意力分布最集中的发电机组,即识别与其他发电机组失去同调性的机组,对该发电机组进行切机处理。
[0036] 传统的稳定控制生成方法需要对发电机组进行遍历尝试以找到有效的可切除发电机组。而本发明的控制策略能够通过深度学习算法,通过对故障场景下电气数据的学习,能够对有效可切除发电机组进行预测,大大减少了策略生成的时间,并且策略的有效性也保持在一个较高的平,可见本发明控制策略的优越性。附图说明
[0037] 图1为基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法流程示意图;
[0038] 图2为WEPRI‑36节点系统架构图;
[0039] 图3为transformer注意力机制分布热力图;
[0040] 图4策略前发电机功角曲线;
[0041] 图5策略前系统仿真图;
[0042] 图6策略后发电机功角曲线;
[0043] 图7策略后系统仿真图。

具体实施方式

[0044] 图1中,本申请基于Transformer自注意力机制的交直流混联电网紧急控制方法,包括以下步骤:
[0045] 步骤一、数据采集及预处理
[0046] 采集历史电气数据,并对数据进行预处理;
[0047] 采集历史电气数据,并对数据进行预处理具体为:通过电力系统监测设备采集故障发生前一周波t0至故障切除后一周波tc的连续时间段内交直流混联电网每个发电机组的功角、电压、有功和无功数据,得到连续的时间序列数据;
[0048] 对连续的时间序列数据预处理,从而进行模型训练任务;
[0049] 对连续的时间序列数据预处理,从而进行模型训练任务具体为:
[0050] A1、时间序列数据离散化:将连续的时间序列数据离散化成故障发生前一周波t0、故障发生时tf和故障清除后一周波tc的数据;
[0051] A2、稳定性判别:对离散后的数据进行稳定性判别,得到稳定与否状态标签,稳定标记为1,不稳定标记为0;稳定性判别依据为电力系统中任意发电机组的功角差是否大于360度,大于则判为失稳,否则判为稳定;
[0052] A3、数据标准化:对离散化后的数据进行均值归一化处理,以消除属性量纲的差异影响;
[0053] 步骤二、利用预处理后的数据对Transformer神经网络模型预训练;
[0054] 具体为:B1、设定超参数
[0055] 确定批次大小及隐藏层数,设置批次为400;确定隐藏层数为6层;确定头数为8,初始学习率为0.05;
[0056] B2、数据降维
[0057] 采用1×1卷积将标准化后的功角、电压、有功、无功4通道数据降维为单通道数据Gi=[Vi,Pi,Qi,Ai],Gi表示ti时刻的发电机特征值,Vi,Pi,Qi,Ai分别表示ti时刻发电机的母线电压,有功、无功输出和功角大小;
[0058] B3、模型训练
[0059] 将降维处理后的数据转化为输入序列Di=[ti,Gi,S]T输入到Transformer神经网络模型Embedding层中,其中Di表示在ti时刻的输入序列,S表示ti时刻的系统稳定状态;
[0060] 采用交叉熵损失函数作为损失函数,并对损失函数进行L2正则化以避免过拟合现象,Transformer分类层Softmax函数的输出值为 即为Transformer神经网络模型对输入序列的预测值,ys代表A2步骤中的稳定与否状态标签,通过不断降低整体的损失函数值来提高模型预测精度,并使用Adam优化器调节学习率来加速训练;
[0061] 损失函数L:
[0062]
[0063] 式中:W表示网络中所有权重参数,α为L2正则化项的惩罚因子
[0064] 完成训练后的模型能够根据输入序列输出一个预测值 该值即为模型对当前输入序列暂态稳定性的判断值;
[0065] 步骤三、用步骤二预训练好的Transformer神经网络模型对实际电力系统中故障切除后数据进行稳定性预测,如果判断结果为不稳定,通过切机措施实现交直流电网紧急控制处理;
[0066] 具体为:C1:稳定状态预测
[0067] 当电力系统发生新的故障时,将经过步骤一得到的数据输入到步骤二预训练好的Transformer神经网络模型中进行稳定性判断得到预测值 对步骤B3得到的预测值 当判断为不稳定,执行C2步骤,反之为稳定,不执行操作;
[0068] C2:紧急控制策略:
[0069] 根据训练好的Transformer模型对C1的数据评估得到的注意力分布,找到注意力分布最集中的发电机组,即识别与其他发电机组失去同调性的机组,对该发电机组进行切机处理。
[0070] 实施例
[0071] 本发明适用于电力系统稳定控制技术领域,用于恢复交直流混联电网在发生严重故障后的稳定性,针对以上问题,本实施例采用基频为50Hz的WEPRI‑36节点电力系统,用于说明紧急控制方法效果,该系统含有8个发电机组,系统架构如图2所示。在80%~120%的负载水平上生成随机负载样本,并相应地调整发电机输出以平衡系统功率。在输电线路的2%、50%和98%处发生故障,故障类型为三相短路故障,假设在清除故障后网络拓扑保持不变,故障发生在0.02秒,故障持续时间为0.1秒,仿真持续时间设定为20秒。仿真软件为PSASP 7.41,共生成了12728个样本,其中稳定样本与不稳定样本的比例约为3.67,根据
0.8:0.2的比例随机划分训练集和测试集。
[0072] 本实施例采用暂态稳定指数(Transient Stability Index,TSI)作为稳定判据:
[0073]
[0074] 式中Δδmax为仿真时长内任意两台发电机相对功角差的最大值。当TSI>0时,系统状态为稳定,反之,判定为失稳状态。
[0075] 本实施例的transformer模型超参数batchsize为400,深层模型采用epoch最大200,初始学习率0.005,L2的惩罚因子0.01,dropout为0.6,h为2,子模数为2,采用网格搜寻最优超参数。
[0076] 由图3可以看出,当不同负荷场景下,当故障发生于输电线4‑19时,模型的注意力分布显著集中于7号发电机组G7,这表明G7在暂态稳定和失稳的不同场景下,其运行状态会有区别于其他机组。在PSASP 7.41中进行故障仿真,故障位置为线路4‑19于0.02s发生三相短路故障,持续时间0.20s。发现G7功角曲线发生了偏离,说明与其他机组失去同调性,如图4所示,同时系统仿真曲线出现严重震荡现象,在仿真第3秒时最大功角差已经超过360度基准值,说明系统已经处于失稳状态,如图5所示,为了解决失稳情况,在故障切除后的下一周波立刻对G7进行切机处理,切机系数K为1,系统发电机功角曲线恢复同调性,并且也无功角震荡现象产生,如图6所示,同时系统任意时刻最大功角差均小于360度基准值,如图7所示,说明系统恢复了稳定状态。通过该控制方法,不仅可以有效判断系统遭遇故障后的稳定状况,还能够通过注意力机制对造成故障的发电机组进行有效识别,可见该紧急控制方法的优越性。
[0077] 最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
QQ群二维码
意见反馈