Real-time state estimation and forecasting is critical for efficient operation of power grids. In this paper, a physics-informed Gaussian process regression (PhI-GPR) method is presented and used for probabilistic forecasting and estimating the phase angle, angular speed, and wind mechanical power of a three-generator power grid system using sparse measurements. In standard data-driven Gaussian process regression (GPR), parameterized models for the prior statistics are fit by maximizing the marginal likelihood of observed data, whereas in PhI-GPR, we compute the prior statistics by solving stochastic equations governing power grid dynamics. The short-term forecast of a power grid system dominated by wind generation is complicated by the stochastic nature of the wind and the resulting uncertain mechanical wind power. Here, we assume that the power-grid dynamic is governed by the swing equations, and we treat the unknown terms in the swing equations (specifically, the mechanical wind power) as random processes, which turns these equations into stochastic differential equations. We solve these equations for the mean and variance of the power grid system using the Monte Carlo simulations method. We demonstrate that the proposed PhI-GPR method can accurately forecast and estimate both observed and unobserved states, including the mean behavior and associated uncertainty. For observed states, we show that PhI-GPR provides a forecast comparable to the standard data-driven GPR, with both forecasts being significantly more accurate than the autoregressive integrated moving average (ARIMA) forecast. We also show that the ARIMA forecast is much more sensitive to observation frequency and measurement errors than the PhI-GPR forecast.


翻译:实时状态估测和预测对于电网的高效运行至关重要。 在本文中,提出并使用物理知情的高斯进程回归(PhI-GPR)方法来预测和估计三个生成器电网系统的相向角、角速和风力机能,使用稀有测量数据。在标准数据驱动的高斯进程回归(GPR)中,先前统计数据的参数化模型适合通过最大限度地增加观测到的数据的边际可能性,而在PhI-GPR中,我们通过解决电网动态的随机方程式来计算先前的统计数据。 由风力生成主导的电网系统的短期预测由于风速性质和由此产生的机械风力的不确定性而变得复杂。 我们假设电网动力动力动力动力的动态受滚动方程式(具体而言,机械风力)的参数是随机方程式中的未知术语,将这些方程式转化为电网动态变异方程式。 我们用这些以平均和平均方程式为主的预测值的短期方程式, 并且我们用所观测到的电网状系统显示的不甚精确的预测方法,我们提供了所观测到的预测数据。

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