The dynamics of the power system are described by a system of differential-algebraic equations. Time-domain simulations are used to understand the evolution of the system dynamics. These simulations can be computationally expensive due to the stiffness of the system which requires the use of finely discretized time-steps. By increasing the allowable time-step size, we aim to accelerate such simulations. In this paper, we use the observation that even though the individual components are described using both algebraic and differential equations, their coupling only involves algebraic equations. Following this observation, we use Neural Networks (NNs) to approximate the components' state evolution, leading to fast, accurate, and numerically stable approximators, which enable larger time-steps. To account for effects of the network on the components and vice-versa, the NNs take the temporal evolution of the coupling algebraic variables as an input for their prediction. We initially estimate this temporal evolution and then update it in an iterative fashion using the Newton-Raphson algorithm. The involved Jacobian matrix is calculated with Automatic Differentiation and its size depends only on the network size but not on the component dynamics. We demonstrate this NN-based simulator on the IEEE 9-bus test case with 3 generators.


翻译:电力系统动力学的特性可以用微分代数方程组来描述。时域模拟在理解系统动力学的演变过程中起到关键作用。这些模拟由于系统的刚度而需要使用细粒度的时间步长,从而导致计算开销极大。本文旨在加快这样的模拟,增加可允许的时间步长。通过观察,我们注意到即使每个组件都使用代数和微分方程来描述,它们的耦合只涉及代数方程。基于这个观察结果,我们使用神经网络(NN)来逼近组件状态的演变,从而获得快速、准确、数值稳定的近似器,这使得我们能够实现更大的时间步长。为考虑网络对组件及其反作用,NN的输入由耦合代数变量的时间演化预测构成。我们开始估计这种时间演化,然后使用牛顿-拉夫逊算法进行迭代更新。涉及的雅可比矩阵由自动微分计算,其大小仅取决于网络大小而不取决于组件动力学。我们在IEEE 9阻塞测试用例中演示了这种基于NN的模拟器的实用性和有效性。

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