Posts Tagged ‘technology’

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

Computer programs now have the capacity to reason and learn. In order to prognosticate  renewable energy sources in the simplest and most effective mores, I largely recommend artificial intelligence use.  Real- world data can be gathered by artificial intelligence,  similar as literal  rainfall  patterns and energy demand, which can  help an association,  function more effectively in society.  Artificial intelligence is veritably profitable because it takes pitfalls, works more snappily,  and is  accessible for diurnal operations as a digital adjunct around- the- timepiece.  Artificial intelligence  offers colorful types of solar technology, including solar photovoltaic, unresistant solar,  solar water  heating,  solar process heat, concentrating solar power, etc. It principally offers real- time grid monitoring, more precise and effective power change soothsaying, and the creation of multitudinous new energy- related  strategies.

• The  enabling   technologies   include:   power   plants flexibility, utility-scale batteries, IoT, big data and AI, blockchain, behind meter batteries, electric vehicles, mini-smart  and renewable  grids, super grids,renewable energy to hydrogen and renewable energy to heat;

• The business  models  include: peer-to-peer energy trading, energy services models,  and online  payment models;

• The  system  operation  include:  dynamic  line  rating, virtual power lines, corporation between  distribution, transmission, and generation, energy forecasting, renewable power  production,  hydropower storage technologies and future role of utilities and system operators; and

• The energy market design includes: the different time of use tariffs, rising granularity in electricity markets, net billing  schemes,  the  integration  of  the  market  with distributed resources,   regional   markets, innovative ancillary services, and so on.

Research Gap

From the few country visits across East and Horn of Africa,iobserved that the followingspecific areas require attention:

Enhancing Reliability and Adaptability: Further research is needed to understand how AI can improve the reliability and adaptability of decentralized and decarbonized energy systems within or regions. This involves optimizing energy generation and distribution, managing  renewable  energy  sources, and  ensuring grid stability.

Addressing Data Challenges: Challenges related to data quality, availability,  interoperability,  and  privacy need to be addressed for successful  AI implementation  in energy systems. Research should focus on defining data requirements, developing data collection methods,  and establishing  effective  data management strategies.

Policies and Investment Strategies: Exploration of policies and investment  strategies  is necessary  to promote AI adoption in the energy sector across our regions(moreso our power pools).  Understanding the impact of different policy frameworks, funding mechanisms, and regulatory approaches is crucial for fostering AI innovation and deployment.

Ethical and Security Concerns: The ethical challenges, privacy considerations,  and security  risks  associated with AI adoption in decentralized energy systems should be investigated. Developing frameworks and guidelines for responsible and secure AI implementation is important, including  addressing biases, ensuring transparency, and safeguarding critical energy infrastructure.

Socio-economic Implications: The broader socio-economic implications of  AI  adoption  in the energy  sector  need  to  be studied. This includes analyzing the impact on employment, workforce skills , equity, accessibility, and affordability of energy services. Evaluating the potential benefits and risks for various stakeholders is crucial.

By closing these research gaps, valuable insights can be gained to effectively integrate AI in energy systems, ultimately leading to enhanced reliability, sustainability, and societal benefits.

2. WORLD ENERGY SCENARIOS

The world energy assiduity looks to primary shifts in the way it sells, generates, and distributes energy.  The energy assiduity is under enormous stress to reduce carbon emigrations and to find applicable ways to manage power force- demand balance across power grids . The main ideal  is to  move from  conventional energy coffers, similar as reactionary energy- grounded energy sources, to a new carbon-free energy source.

4. CHALLENGES OF AI RELINQUISHMENT IN THE SMART ENERGY ASSIDUITY

There are different types of tailback challenges to espousing AI in the smart  energy sector,  similar  as data quality and lack of data, AI network parameters tuning, specialized structure difficulties, lack   of  good   experts,   integration   challenges,   pitfalls,   or compliance  issues and legal  enterprises.  Discovery and opinion of faults are also  complex challenges for  erecting energy systems. Different  inquiries fete that data instability and deficient information  are  some  of  the  major  challenges facing  energy systems in our continent.  The  poor  quality  of  regulators,  detectors,  and controlled bias  for energy system operation and data estimation affects the system’s trust  ability  and performance.  The complex correlations and strong coupling of the power grid, the high data dimensionality,  including the massive complexity of large- scale simulation grid data,  face new challenges  in the  energy request. The use of AI to integrate renewable energy, similar as wind and solar, is also complex  and delicate for grid operations. Presently,  different  IT  companies  have  demonstrated  amount computing, one of the most  effective supercomputers.  While quantum  technology  improves  AI-  grounded  ML  ways  and increases system processing capabilities, it also increases playing pets.  While  AI  development  is  an  effective  and  promising development    of    sustainability,    perpetration   produces   an enormous quantum of carbon footmark, reflecting a direct answer effect.   A  Single  AI  learning  algorithm  can  release  CO2 emigrations level to five buses. AI ways calculate heavily on different types of energy data, therefore contributing laterally/ directly to the universal  carbon footmark  of data technology (IT). Other crucial energy- related AI challenges include

• Non-theoretical  history:  One reason for AI’s decelerating growth in the energy sector is the lack of  crucial AI chops among  decision  makers.  Utmost  associations warrant  the technological  background  to  understand how they would profit from AI operations.

• Lack of practical moxie: There are numerous professionals with in- depth specialized aspects. still, it is extremely delicate to find good professionals to make dependable AI- powered operations  with real  practical benefits. Although power companies cover and maintain data, digitizing with advanced  operation software is problematic. Data loss, poor configuration, device malfunction and  unauthorized  access are related pitfalls. Because the cost of mistake in the energy sector is high, numerous companies are reticent to consider trying new strategies with little moxie.

• Outdated power system structure: An outdated structure is the topmost handicap to the modernization of the energy sector. At current, mileage companies are trapped in a lot of data they produce;  they’ve  no idea how and when to deal with it. Although the assiduity has further data than anyone differently, the data is also dispersed, disorganized, spread across different formats and stored locally.  While the assiduity has huge gains, it also suffers from the vulnerabilities of outdated systems.

• Profitable pressure: The integration of innovative advanced energy technologies  may be the right  object to do, although it isn’t cheap. It takes a long time and plutocrat to find a well- established  software provider, make and configure software, qualify, maintain, and manage it. Either, this  deployment  of energy technology will affect developing, conforming, and controlling software  that needs a great deal of backing and coffers.

• Decentralization  and  diversification:  Decentralization  and diversification of energy force, together with the development of arising AI technologies and adding demand trends,  produce complex  problems for energy product, energy transmission, energy distribution, and cargo consumption  in all countries of the world.

• Cellular technologies: Cellular technology dependence limits the significance of AI in numerous developing husbandries, particularly low- income countries, pastoral and other underserved areas within our East and Horn of Africa regions. The adding trouble of cyber attacks is getting decreasingly  popular,  and a major concern, substantially as automated control and smart metering account  for nearly  10 of global grid investment.

• Black: boxes AI- grounded operations are black boxes for consumers, utmost  of whom don’t  fete their internal functions or  how they’ve been  created, which constitute a implicit trouble.  And, given that the current ways are far from perfection, the protections will be productive as they are integrated into the power systems.

5.   CONCLUSION

In conclusion, decentralization, decarbonization, and digitization are  causing a rapid  shift in the  energy sector. AI proves to be a useful tool for improving the reliability and adaptability of the electricity system. With applications ranging from big data analytics to intelligent robotics and cyber attack prevention, the vast capabilities of AI can be divided into assessment, inference, and response. Effective data analysis, machine learning, and AI application depend on high-quality data sets. Governments from all around the world are embracing various AI policies, concentrating on their own advantages and societal demands. The construction of AI ecosystems and clusters, as well as strategic investments in AI research and development, can promote innovation in both the private and public energy sectors. To maximize the advantages of AI while minimizing any potential negatives, ethical issues, data privacy, and security are being addressed. Overall, AI has the ability to alter the energy industry, propel future growth, and manage and navigate new energy systems.

Compiled by : Samwel Kariuki

Date: 30th Jan 2024