EAST & HORN OF AFRICA POWER SYSTEM TRANSIENT STABILITY ASSEMENT  – BASED ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE

Posted: March 1, 2024 in Uncategorized
Tags: , , , ,

Modern power systems are experiencing fundamental changes that are driven by global warming policies, market  forces, and the advancement of technology.

They are, at the same time, facing multiple challenges on different fronts,more so in our continent. Assigned East and horn of africa,i embarked on a research journey to assess stability on our power systems across several countries in EA and HoA. somalia and Kenya were my field study grounds.

Challenges and Future Research Opportunities

The novel paradigm of employing machine and deep learning in power  system  TSA has proven popular among researchers and has shown great promise on benchmark test cases. However, building the next generation  of TSA tools, using data mining and artificial intelligence, is still a work in progress. Namely, stepping from  benchmarks into the real- world power systems is often plagued with difficulties emanating from system complexity and unforeseen  circumstances. Considering the importance of power  systems,  there is still ample need for research that corroborates the quality and robustness  of this data-driven AI approach  to solving the TSA problem. Hence, Appendix A provides another brief overview of selected research concerning different state-of-the-art AI approaches to power system TSA. This overview presents  a snapshot of the current  state of affairs, hints at open challenges, and at the same time, points toward  future research opportunities.

In the domain of dataset building,several challenges facing the research community are identified:  (1) open sourcing datasets from power system WAMS measurements,

(2) addressing potential security  concerns associated with WAMS data, 

(3) open sourc- ing existing benchmark test cases, 

(4) providing a unified and consistent set of benchmark test cases  featuring power systems of varying sizes  and  levels of RES  penetration,

 (5) providing benchmark test cases featuring hybrid AC/DC power  grids, 

(6) providing standardized simulated environments of power systems for the reinforcement learning.

These points  deal with  standardization of benchmark test cases and bringing them closer to the expected future levels of RES  penetration, as well as introducing the hybrid AC/DC power  grids. It also deals with  bringing standard simulated environments for RL (i.e., something  such as OpenAI Gym  (https://gym.openai.com, accessed on 18 November 2021) for power systems).  The hard work  of building some of these components  is already under way,  with the support of the LF Energy (https://www.lfenergy.org, accessed  on 18 November 2021) umbrella organization of open-source power system  projects.  In the domain  of data processing  pipelines, challenges include:  

(1) automatic data labeling,  

(2) cre- ative features engineering for real-time  performance, 

(3) dealing with  the class imbalance problem, 

(4) dealing with  missing data, 

(5) dealing with  data drift,

 (6) using embedding as a features space reduction, and (7) using autoencoders with  unsupervised learning for dimensionality reduction.

In  the domain of model  building, several issues  have  been  identified with  some of the DL-based image classifiers when  applied to the power system  TSA. In  addition, training of deep learning models,  in general, is associated  with  its own challenges: proper layer initialization, learning rate scheduling, convergence,  overfitting, vanishing gradients, forgetfulness, dead  neurons, long  training times,  and  others.

Reinforcement learning models, at the same time, are even far more difficult to train. Furthermore,  RL models tend to be “brittle” and may exhibit  unexpected behavior.

Tackling these different challenges,  at the same time, presents new research opportunities. In the domain  of synthetic data generation from benchmark test cases, future research may  address the following issues  for stress-testing the existing models: 

(1) introducing different types  of noise  and  measurement errors  into datasets,  

(2) introducing different level of class imbalances into datasets, 

(3) introducing different  levels  of RES penetration into the IEEE New England 39-bus  test case, 

(4) using deep learning for features  extrac- tion from time-domain signals, 

(5) artificial features engineering, 

(6) speeding up numerical simulations of benchmark test cases with  parallel processing or by other means, 

(7) introducing hybrid AC/DC power  grid  test cases for transient stability analysis.

In the domain of model  building, future  research opportunities arise from applying different deep learning models to the power system  TSA problem. Employing stacked autoencoders, transfer learning, attention mechanisms, graph  neural  networks, and other state-of-the-art deep learning  architectures is seen as a way forward.  Particularly important would be applications of deep learning architectures designed specifically for processing long time series data, image classification, and analyzing graph structures.  This  is generally seen as a major area of deep learning research,  where  any  novel  architecture in this area may be tested on the TSA problem as well.  It would also be interesting  to see if three-phase signals can  be exploited as RGB channels in  convolutional layers, with  cross-learning between channels/phases. There  are research opportunities in devising novel  and better ways  of converting multivariate TSA signals into images for use with very  advanced deep learning image  classifiers.

Another  major issue with deep learning  is a general lack of model interpretability, cou- pled with  the difficulty of understanding the model’s  decision-making process.  However, there is active  research in this area as well.  

All major  deep learning frameworks allow fast model  prototyping and training on powerful distributed hardware architectures in the cloud. This levels the playing field for researchers and  lowers the barrier for entry.  When  it comes  to model  maintenance, TSA is associated with  a data drift phenomenon emanating from steadily increasing RES penetration. Efficiently dealing with  data drift  is a point  of concern  for model  serving, along  with  issues  of model  latency  and  throughput. Namely, model  prediction serving performance (i.e., latency) needs  to be in real time  for maintaining transient stability of power  systems  following a disturbance. This  limits the computational time available for pipeline processing and may impose  certain constraints on its design.

5. Conclusions

The deep learning domain is, generally speaking, still  a very  active area of research, with  several promising  avenues: different RNN network architectures (with LSTM  or GRU layers), stacked  autoencoders, transformers, attention mechanism, transfer learning, and  GAN networks, to name  a few prominent ones.  Deep  learning models specifically designed to learn from  multivariate long  time series data are particularly interesting for applications to the power system TSA problem.  Exploiting the graph-like structure of the power systems with  the use of graph neural networks is  another  promising research  direction.  Furthermore, deep  learning models that use unlabeled data (such  as stacked autoencoders) are very  attractive, since data  labeling can  be time-consuming and  necessitates  applying humans with  domain expert knowledge.

Reinforcement learning, as a special  subset of deep learning, is yet another approach that shows early  promising signs. However, the training of deep reinforcement learning models  is notoriously difficult. The landscape  of reinforcement  learning is rapidly expand- ing,  which offers ample  research  opportunities for integrating it with  transient stability assessment, particularly in the area of power  system control following a disturbance. This is still a relatively nascent, but very  promising area of research.

The importance of the electrical power  system  to society  mandates that further  con- vincing results be provided in order to corroborate the stability and robustness  of all these various AI approaches. Furthermore, additional and extensive  models  stress-testing, with different  levels  of data corruption, is warranted. Potential  security issues  connected  with the wide dissemination of actual  WAMS/PMU data need to be addressed as well.  This creates space for new research outputs  that can fill this gap and increase the overall confi- dence of the entire community in this new technology,  for its safe future deployment across power  systems.

Author : Samwel Kariuki

Date: 29th Feb 2024

Leave a comment