CN114362151B - 一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法，采用级联图神经网络，通过该网络的数据拟合当前潮流数据与潮流收敛概率的非线性映射关系，同时利用该网络所得的潮流收敛概率作为深度强化学习的奖赏函数设计参照之一。强化学习可通过不断进行动作(潮流调整动作)与环境(当前潮流参数)的交互，通过环境的对于动作的奖赏学习到可调整的动作策略，并利用深度学习构建当前环境下不同动作与动作最终价值之间的非线性映射关系。本方法将前述级联图神经网络得到的潮流收敛概率作为奖赏函数的设计参考之一，最终得到潮流收敛性调整策略，对保障电力系统安全稳定运行有着重要意义。

Description

一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整 方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及电气工程中的不收敛潮流调整方法，尤其是一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法。
背景技术
电力系统关系国计民生，潮流计算的准确性是电力系统各个计算环节最重要、最基本的前提。随着并网的可再生能源比例的不断提高、电动汽车等新型负载的不断接入，我国电网的复杂程度和负荷水平也日益提高，潮流计算不收敛的问题时有发生。潮流不收敛的本质是潮流方程组无解或陷入病态解，人工调整潮流不收敛问题往往采用试凑等方法。随着电网复杂程度的不断提供，这种依赖于人工经验的方法存在效率低下、费时费力等缺陷。因此，实现不收敛潮流自动调整对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法。采用级联图神经网络，通过该网络的数据拟合当前潮流数据与潮流收敛概率的非线性映射关系，同时利用该网络所得的潮流收敛概率作为深度强化学习的奖赏函数设计参照之一。强化学习可通过不断进行动作(潮流调整动作)与环境(当前潮流参数)的交互，通过环境对于动作的奖赏学习到可调整的动作策略，并利用深度学习构建当前环境下不同动作与动作最终价值之间的非线性映射关系。但是，由于大电网具有复杂性，只依靠潮流是否收敛作为奖赏函数将使得奖赏函数过于稀疏。因此，本发明将前述级联图神经网络得到的潮流收敛概率作为奖赏函数的设计参考之一，最终得到潮流收敛性调整策略。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法，具体为：将不收敛的潮流样本输入至一训练好的Q神经网络，获得调整动作使潮流样本收敛。其中，所述Q神经网络训练时的奖赏函数包括通过一训练好的级联图神经网络获得的潮流收敛概率值。
进一步地，所述Q神经网络训练的步骤为：
步骤一，获取标记为收敛或不收敛的潮流样本组成训练集。
步骤二，设计一级联图神经网络，并以潮流样本数据为输入，潮流收敛概率值为输出在步骤一所得训练集上利用梯度下降法训练获得级联图神经网络；该网络可以拟合潮流数据与潮流收敛概率之间的非线性映射关系；
步骤三，设计用于潮流计算收敛的Q神经网络的环境、状态空间、动作空间和奖赏函数，根据所述状态空间、动作空间和奖赏函数利用步骤一所得训练集通过深度Q学习(deep Q-learning,DQN)训练用于潮流计算收敛的Q神经网络。其中，该网络可以拟合当前潮流参数下不同的动作值与最终的奖赏值之间的非线性映射关系。所述奖赏函数包含根据步骤二得到的级联图神经网络输出的每个样本的潮流收敛概率值。
进一步地，所述步骤一中，获取标记为收敛或不收敛的潮流样本组成训练集具体为：首先利用现有收敛的初始潮流样本数据，随机改变发电机与负荷的功率大小，得到大量的潮流样本，并利用潮流求解器得到潮流样本是否收敛的标签。
具体地：
通过蒙特卡洛法，基于初始潮流参数在0-k范围内随机调整系统中所有的发电机与负荷的功率大小，并利用潮流求解器得到改变后潮流参数下潮流计算结果是否收敛，并重复该动作M次以得到M个潮流样本数据。其中，随机调整发电机与负荷的功率大小的过程如下式所示：
其中,分别表示随机调整后的发电机i的有功功率、无功功率、随机调整后的负荷j的有功功率、无功功率；/>分别表示随机调整前的发电机i的有功功率、无功功率、随机调整前的负荷j的有功功率、无功功率；分别表示第m个样本获取过程中根据蒙特卡洛法得到的在0-k范围内的随机数。
进一步地，强化学习在应用到电力系统潮流调整时，其模型主要由四部分组成：环境、状态空间、动作空间和奖赏函数。
对于n个包含发电机的节点的电力系统而言，其状态空间可以用维度为n×3的矩阵s表示：
其中，Pt i、Qt i、Tt i分别表示第t个时间步时包含发电机的节点i上发电机的有功功率、无功功率和节点类型。
类似的，其动作空间也可以用维度为n×3的矩阵a表示：
其中,ΔPt i、ΔQt i、ΔTt i分别表示第t个时间步时包含发电机的节点i上发电机的有功功率、无功功率和节点类型的改变值。ΔPt i与ΔQt i为连续值，ΔTt i为离散值。
然后，对ΔPt i与ΔQt i进行离散化，即在0-Pi max之间将动作空间分成K等分。
进一步地，奖赏函数的设计是决定算法能否收敛、算法性能表现好坏至关重要的因素。潮流调整的最终目的是使得不收敛潮流在调整后收敛，但仅仅以潮流能否收敛作为奖赏函数的设计参照将使得奖赏函数过于稀疏，增加算法收敛的难度，并增加算法收敛于局部最优值的风险。本发明采用的奖赏函数包括2部分：第一部分是基于潮流计算的收敛结果给出的奖赏；第二部分是基于步骤2中所提级联神经网络计算出的潮流收敛概率给出的奖赏。奖赏函数如下式所示：
式中，Ro(·)分别对应第o个部分的奖赏函数；wo表示第o部分奖赏的权重；r11、r12分别潮流计算收敛、不收敛时的奖赏值；pt和pt+1分别表示在时间步t时执行动作前后潮流收敛的概率，由步骤2中所述级联神经网络计算所得；fo表示第o部分奖赏计算式所用的激活函数。其中，r11、r12、wo均为预设值的超参数。
进一步地，所述级联图神经网络由两层GCN层、三层全连接层组成。
进一步地，所述GCN层的前向传递函数表示为：
其中，X和Y分别是GCN层的输入与输出；A是系统拓扑的邻接矩阵(adjacencymatrix,AM)；是系统拓扑的度矩阵(degree matrix,DM)；W是GCN层的可训练参数矩阵；I是单位矩阵；fσ(·)是激活函数。
进一步地，对于一个两层的GCN，其前向传递公式如下式所示：
其中，XGCN和YGCN分别是两层GCN的输入与输出；W1和W2分别是第一层和第二层GCN的可训练参数矩阵。
进一步地，级联图神经网络的输入是潮流样本数据组成的特征矩阵，其中的每一行代表了系统中相应节点的电气特征；电气特征包括每个节点对应的发电机、负荷的有功功率、无功功率，节点电压的幅值、相角以及节点类型，节点类型为平衡节点、PQ节点、PV节点。则X是一个维数为N×7的矩阵，N为系
统的节点数。A、I的均为维数为N×N的矩阵。
进一步地，GCN的输出输入至全连接层(fully connected,FC)，以得到最终的潮流收敛概率。所述全连接层的前向传递公式如下式所示：
其中，XFC (l)和YFC (l)分别为第l层全连接层层的输入输出；W(l) FC和b(l)分别为第l层FC层的权重矩阵和偏置矩阵，是可训练的参数。
与普通的神经网络分类器不同，本发明的级联图神经网络的输出并非是一个二进制的分类结果，而是输出当前电力系统状态(输入)下潮流收敛的概率。执行某一潮流调整动作后的潮流收敛概率变化将作为深度强化学习中奖赏函数的设计参考。
最终训练后得到的Q网络即为潮流调整方法的策略函数，它可以拟合当前潮流参数与执行不同动作后得到的最终奖赏预期的非线性映射关系，并通过贪婪算法选取最优的动作作为调整策略。
本发明的有益效果是：本发明将级联图神经网络得到的潮流收敛概率作为奖赏函数的设计参考之一，从而得到潮流收敛性调整策略，该方法相比于仅仅以潮流能否收敛作为奖赏函数的设计参照，丰富了奖赏函数，降低算法收敛的难度，并减小了算法收敛于局部最优值的风险。结果表明，本发明方法可以加快收敛的速度。
附图说明
图1为级联神经网络的结构图；
图2为DQN的实现流程图。
图3为训练级联图神经网络过程中准确率指标的变化关系图。
图4为训练级联图神经网络过程中交叉熵指标的变化关系图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法，具体为：将不收敛的潮流样本输入至一训练好的Q神经网络，获得调整动作使潮流样本收敛。其中，训练的步骤为：
步骤一，获取标记为收敛或不收敛的潮流样本组成训练集；
优选地，具体通过如下方法获取：
通过蒙特卡洛法，基于初始潮流参数随机在0-k范围内随机调整系统中所有的发电机与负荷的功率大小，并利用潮流求解器得到改变后潮流参数下潮流计算结果是否收敛，并重复该动作M次以得到M个潮流样本数据。其中，随机调整发电机与负荷的功率大小的过程如下式所示：
其中,分别表示随机调整后的发电机i的有功功率、无功功率、随机调整后的负荷j的有功功率、无功功率；/>分别表示随机调整前的发电机i的有功功率、无功功率、随机调整前的负荷j的有功功率、无功功率；分别表示第m个样本获取过程中根据蒙特卡洛法得到的在0-k范围内的随机数。
步骤二，设计一级联的图神经网络，并以潮流样本数据为输入，潮流收敛概率值为输出在步骤一所得训练集上利用梯度下降法训练获得级联图神经网络；
步骤三，设计用于潮流计算收敛的Q神经网络的环境、状态空间、动作空间和奖赏函数，根据所述状态空间、动作空间和奖赏函数利用步骤一所得训练集训练用于潮流计算收敛的Q神经网络。其中，所述奖赏函数包含根据步骤二得到的级联图神经网络输出的每个样本的潮流收敛概率值。
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种基于深度强化学习和级联图神经网络的电力系统潮流收敛性调整方法。本实施例完成于一台配置为Inter Core i9-10885H CPU@2.40GHz、16.0GB内存和NVIDIA GTX 1080GPU的个人电脑中。程序使用Python 3.8.8编写，涉及深度学习部分使用框架为Tensorflow 2.6.0，涉及强化学习部分使用框架为Gym 0.20.0,涉及潮流计算部分使用基于Python的潮流计算模块Pypower 5.1.15。
本实施例选取IEEE 9节点系统作为研究对象。IEEE 9节点系统包含9个节点，其中三个节点包含发电机，三个节点包含负荷，三个节点既没有负荷也没有发电机。
首先，先训练Q神经网络：
根据步骤一所述内容，在0-4倍之间随机改变发电机与负荷的功率，并重复该过程100,000次。最终得到收敛的潮流数据38937组，不收敛数据61603组。
然后，根据步骤2，设计级联图神经网络，本实施例中的结构及参数如图2和表1所示，并在Tensorflow 2.6.0中构建该级联图神经网络，利用步骤一所得潮流数据训练该神经网络。训练过程中使用Adam优化器，学习率设为0.001，batch-size设为256，最大epoch数设为200。在训练过程中，样本进一步切分为训练样本、验证样本和测试样本，占比分别为70％、15％和15％。由于潮流样本数据中不存在明显的样本均衡性问题，本文采用在测试样本中的准确率(accuracy,ACC)和损失函数交叉熵(cross entropy,CE)作为评价指标，并结果如图3和图4所示。
表1级联神经网络的超参数表
再然后，根据步骤三设计环境、状态空间、动作空间和奖赏函数，如表2所示。
表2强化学习模型组成部分与潮流调整问题的对应关系
具体地，本实施例中状态空间可构建如下式所示：
其中，Pt i、Qt i、Tt i分别表示第t个时间步时包含发电机的节点i上发电机的有功功率、无功功率和节点类型。
类似的，其动作空间也可以用维度为3×3的矩阵a表示：
其中,ΔPt i、ΔQt i、ΔTt i分别表示第t个时间步时包含发电机的节点i上发电机的有功功率、无功功率和节点类型的改变值。ΔPt i与ΔQt i为连续值，ΔTt i为离散值。
将ΔPt i与ΔQt i离散化，离散间距为0.01。即每次动作可以在[0,0.01,0.02,0.03,…3.98,3.99,4.00]倍中调整发包含发电机的节点i上发电机的有功功率、无功功率。
奖赏函数如下式所示：
式中，Ri(·)分别对应四个部分的奖赏函数；pt和pt+1分别表示在时间步t时执行动作前后潮流收敛的概率，由步骤2中所述级联神经网络计算所得；在tensorflow中构建由三层全连接层级联构成的Q神经网络，并将其可训练参数随机初始初始化。
如流程图2所示，通过深度Q学习方法训练Q神经网络，最终得到潮流调整策略。
通过以下过程说明根据该潮流收敛性调整策略的调整过程。待调整的不收敛潮流数据如表3所示，基于所提方法的调整过程如表4所示。
表3待调整不收敛潮流数据
表4基于本方法的不收敛潮流数据调整过程
根据表4调整后，潮流最终收敛。
进一步地，为比较所提基于级联图神经的奖赏函数对算法训练速度的影响，其结果如表5所示。图中，算法A即本发明方法，算法B为不使用所提基于级联图神经的奖赏函数，其余设置与算法A相同。由比较结果可知，本发明基于级联图神经的奖赏函数可以加速算法的训练。
表5算法A与算法B训练速度对比
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于深度强化学习和级联图神经网络的潮流收敛性调整方法，其特征在于，具体为：将不收敛的潮流样本输入至一训练好的Q神经网络，获得调整动作使潮流样本收敛；其中，所述Q神经网络训练时的奖赏函数包括通过一训练好的级联图神经网络获得的潮流收敛概率值；
所述Q神经网络训练的步骤为：
步骤一，获取标记为收敛或不收敛的潮流样本组成训练集；
步骤二，设计一级联的图神经网络，并以潮流样本数据为输入，潮流收敛概率值为输出，在步骤一所得训练集上利用梯度下降法训练获得级联图神经网络；
步骤三，设计用于潮流计算收敛的Q神经网络的环境、状态空间、动作空间和奖赏函数，根据所述状态空间、动作空间和奖赏函数利用步骤一所得训练集训练用于潮流计算收敛的Q神经网络；其中，所述奖赏函数包含根据步骤二得到的级联图神经网络输出的每个样本的潮流收敛概率值；
奖赏函数具体为：
式中，Ro(·)分别对应o个部分的奖赏函数；wo表示第o部分奖赏的权重；r11、r12分别为潮流计算收敛、不收敛时的奖赏值；pt和pt+1分别表示在时间步t时执行动作前后潮流收敛的概率，由步骤2中所述级联神经网络计算所得；fo表示第o部分奖赏计算式所用的激活函数，st为在时间步t时的状态空间，at为在时间步t时的动作空间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，获取标记为收敛或不收敛的潮流样本组成训练集具体为：首先利用现有收敛的初始潮流，随机改变发电机与负荷的功率大小，得到大量的潮流样本，并利用潮流求解器得到潮流样本是否收敛的标签。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态空间为由电力系统中每个包含发电机的节点中发电机的有功功率、无功功率和节点类型组成的矩阵；所述动作空间为电力系统每个包含发电机的节点中发电机的有功功率、无功功率和节点类型的改变值组成的矩阵。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述级联图神经网络由两层GCN层、三层全连接层组成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述GCN层的前向传递函数表示为：
其中，X和Y分别是GCN层的输入与输出；A是系统拓扑的邻接矩阵；是系统拓扑的度矩阵；W是GCN层的可训练参数矩阵；I是单位矩阵；fσ(·)是激活函数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述级联的图神经网络是潮流样本数据组成的特征矩阵，其中的每一行代表了系统中相应节点的电气特征；电气特征包括对应的节点的发电机、负载的有功功率、无功功率，节点电压的幅值、相角以及节点类型，节点类型为平衡节点、PQ节点、PV节点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述全连接层的前向传递公式如下式所示：
其中，XFC (l)和YFC (l)分别为第l层全连接层层的输入输出；W(l) FC和b(l)分别为第l层FC层的权重矩阵和偏置矩阵，是可训练的参数。
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