基于CNN-GRU的配电网中压馈线合环电流预测研究
Research on Closed-Loop Current Prediction for Medium Voltage Feeder in Distribution Network Based on CNN-GRU
摘要: 为提高传统配电网中压馈线合环电流估算或预测准确性和适应性,本文提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)和门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)的配电网中压馈线合环电流预测方法。首先,利用数据采集与监视控制系统获取历史负荷数据、电网结构参数以及运行方式等数据并进行预处理。其次,将预处理后的海量数据按时间滑动窗口构造为连续的特征矩阵作为输入,最后,利用CNN-GRU混合模型建立输入特征与合环电流的映射关系,生成基于CNN-GRU的中压馈线合环电流预测模型,进而实现其回归预测。借助DIgSILENT/PowerFactory和MATLAB 2020a软件,案例分析在贵州某城市配电网中展开,预想场景仿真和3组6条馈线合环试验结果初步表明所提的基于CNN-GRU的数据驱动方法能提升合环电流估算或预测的准确性和适用性,与其他模型CNN、GRU相比R2值分别由79.91%,87.7%提高到99.68%,验证了所提的模型具有较高的准确性和可行性,相关结论与讨论对配电网智能化技术研发有一定参考价值。
Abstract: In order to improve the accuracy and adaptability of estimating or predicting the closed-loop cur-rent of MV feeders in traditional distribution networks, this paper proposes a method of predicting the closed-loop current of MV feeders in distribution networks based on Convolutional Neural Net-work (CNN) and Gated Recurrent Unit (GRU). Firstly, the data acquisition and monitoring control system is used to obtain and pre-process the historical load data, grid structure parameters and operation modes. Secondly, the pre-processed massive data are constructed as continuous feature matrices according to the time-sliding window as input. Finally, the CNN-GRU hybrid model is used to establish the mapping relationship between the input features and the loop current to generate the CNN-GRU-based medium voltage feeder loop current prediction model, and then realize its re-gression prediction. With the help of DIgSILENT/PowerFactory and MATLAB 2020a software, the case study is carried out in a city distribution network in Guizhou Province. The simulation of the envisioned scenario and the results of three sets of six feeder loop closing tests initially show the ef-fectiveness and adaptability of the proposed method, and the related conclusions and discussions are of reference value for the development of intelligent technologies for distribution networks.
文章引用:罗勇, 荣娜, 詹献文. 基于CNN-GRU的配电网中压馈线合环电流预测研究[J]. 应用数学进展, 2022, 11(7): 4870-4886. https://doi.org/10.12677/AAM.2022.117512

参考文献

[1] 黄滔滔, 荣娜. 基于DIgSILENT的光储联合系统作为地区电网黑启动电源可行性研究[J]. 电网与清洁能源, 2022, 38(2): 94-101.
[2] 宋伟, 韩学军, 刘同, 等. 配网合环干扰下的过电压计算模型设计与实现[J]. 电网与清洁能源, 2020, 36(8): 21-27.
[3] 王金芹, 贺柱, 张建华, 陈凯. 多配电网线路并发合环电压差计算方法研究[J]. 电网与清洁能源, 2020, 36(4):8-13.
[4] 罗玉飞, 黄滔滔. 基于DIgSILENT的中压配电网合环电流计算与仿真分析[J]. 电网与清洁能源, 2021, 37(6): 51-59.
[5] 刘健, 张志华, 张小庆. 配电网故障处理若干问题探讨[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(20): 1-6.
[6] 田春筝, 殷奕恒, 关朝杰, 等. 基于供电分区的中高压配电网综合评价策略[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(21): 152-159.
[7] 潘龙, 裴付中, 杨历伟, 等. 配电网合环信号相角差的评估方法研究与仿真[J]. 电网与清洁能源, 2018, 34(9): 14-18.
[8] 苗培青, 于耿曦, 纪双全, 等. 不同量测数据情形的配电网合环操作计算及应用[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(1): 137-144.
[9] 肖白, 赵龙安, 张宇, 等. 城市中压配电网合环操作分析与决策[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(16): 133-138.
[10] 张开宇, 冯煜尧, 余颖辉, 等. 中压配电网合环电流计算方法研究[J]. 电力系统保护与控制, 2020, 48(1):142-149.
[11] 李文云, 曹敏, 李坤, 等. 考虑合环调电约束的配电网快速重构方法[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(16): 159-165.
[12] 任嘉鑫. 基于在线自组织同步MAS的主动配电网合环控制方法[D]: [硕士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2019.
[13] 朱雨晨, 赵冬梅, 刘世良, 等. 基于机电暂态-电磁暂态混合仿真的电网合环分析计算系统[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(23): 73-79.
[14] Hu, Y., Shao, X., Xie, C., et al. (2019) The Feasibility Research on Distribution Network Loop Closing Operation Based on Hybrid Grounding Model of Arc Suppression Coil and Low Resistance. 2019 IEEE 3rd International Electrical and Energy Conference (CIEEC), Beijing, 7-9 September 2019, 1440-1443. [Google Scholar] [CrossRef
[15] Chen, T.H., Huang, W.T., Gu, J.C., et al. (2004) Feasibility Study of Upgrading Primary Feeders from Radial and Open-Loop to Normally Closed-Loop Arrangement. IEEE Transactions on Power Systems, 19, 1308-1316. [Google Scholar] [CrossRef
[16] 韩学军, 赵少峰, 赵慧磊, 刘同和, 王晓华. 冗余电压数据干扰下的配网合环潮流计算方法改进研究[J]. 电网与清洁能源, 2018, 34(7): 1-6.
[17] 周自强, 张焰, 郭强, 等. 基于概率潮流的10 kV配电网合环操作安全性评估[J]. 电网技术, 2019, 43(4): 1421-1429.
[18] 胡晓松, 张殷, 谢光彬, 等. 含PV节点的配电网合环潮流算法[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(24): 8-13.
[19] 陈庆超, 韩松, 毛钧毅. 采用多层次特征融合SPP-net的暂态稳定多任务预测[J]. 控制与决策, 2022, 37(5): 1279-1288.
[20] Zhan, X.W., Han, S., Rong, N., et al. (2022) A Two-Stage Transient Sta-bility Prediction Method Using Convolutional Residual Memory Network and Gated Recurrent Unit. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 138, Article ID: 107973. [Google Scholar] [CrossRef
[21] 杨杰, 郭逸豪, 郭创新, 等. 考虑模型与数据双重驱动的电力信息物理系统动态安全防护研究综述[J]. 电力系统保护与控制, 2022, 50(7): 176-187.
[22] 徐鑫裕, 边晓燕, 张骞, 等. 基于数据驱动的双馈风电场经VSC-HVDC并网次同步振荡影响因素分析[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(21): 80-87.
[23] 刘健, 孙泉, 张小庆, 等. 配电网合环分析与合环条件判断[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(11): 130-135.
[24] 赵凌云, 刘友波, 沈晓东, 等. 基于CEEMDAN和改进时间卷积网络的短期风电功率预测模型[J]. 电力系统保护与控制, 2022, 50(1): 42-50.
[25] 杨威, 蒲彩霞, 杨坤, 等. 基于CNN-GRU组合神经网络的变压器短期故障预测方法[J]. 电力系统保护与控制, 2022, 50(6): 107-116.
[26] 张立峰, 刘旭. 基于CNN-GRU神经网络的短期负荷预测[J]. 电力科学与工程, 2020, 36(11): 53-57.
[27] 姚程文, 杨苹, 刘泽健. 基于CNN-GRU混合神经网络的负荷预测方法[J]. 电网技术, 2020, 44(9): 3416-3424.
[28] 苏向敬, 山衍浩, 周汶鑫, 等. 基于GRU和注意力机制的海上风机齿轮箱状态监测[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(24): 141-149.
[29] 侯慧, 王晴, 赵波, 等. 关键信息缺失下基于相空间重构及机器学习的电力负荷预测[J]. 电力系统保护与控制, 2022, 50(4): 75-82.
[30] 王乃进, 韩松, 罗远国. 利用日最小负荷置信区间的光伏发电准入容量确定[J]. 电力系统及其自动化学报, 2020, 32(2): 54-60.