Resilience-oriented Security Rule Extraction and Optimal Operation for Urban Energy System

HUANG Wujing; SI Fangyuan; ZHANG Ning; DOU Zhenlan; KANG Chongqing

doi:10.7500/AEPS20221012003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Resilience-oriented Security Rule Extraction and Optimal Operation for Urban Energy System

Basic Research | 更新时间：2023-06-19

- Resilience-oriented Security Rule Extraction and Optimal Operation for Urban Energy System
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 12, Pages: 1-8(2023)
- 作者机构：
  
  1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学),北京市 100084
  2.国网上海市电力公司,上海市 200023
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State Grid Corporation of China(5100-202199519A-0-5-ZN)
- DOI：10.7500/AEPS20221012003
  CLC：
- Received：12 October 2022，
  
  Revised：2023-03-24，
  
  Published Online：04 May 2023，
  
  Published：25 June 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
黄武靖,司方远,张宁等.面向韧性的城市能源系统安全规则提取及优化运行[J].电力系统自动化,2023,47(12):1-8.

HUANG Wujing,SI Fangyuan,ZHANG Ning,et al.Resilience-oriented Security Rule Extraction and Optimal Operation for Urban Energy System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(12):1-8.
黄武靖,司方远,张宁等.面向韧性的城市能源系统安全规则提取及优化运行[J].电力系统自动化,2023,47(12):1-8. DOI： 10.7500/AEPS20221012003.

HUANG Wujing,SI Fangyuan,ZHANG Ning,et al.Resilience-oriented Security Rule Extraction and Optimal Operation for Urban Energy System[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(12):1-8. DOI： 10.7500/AEPS20221012003.

摘要

城市能源系统不仅需要具备高可靠性以应对小规模、大概率的日常故障事件，还需要具备高韧性以应对大规模、小概率的极端灾害事件。随着跨能源形式耦合以及电力电子化程度的不断提高，城市能源系统有望通过协调跨系统能量转移和海量电力电子设备快速调节提升系统韧性。首先，文中提出了极端灾害事件下城市能源系统两阶段韧性运行模型，综合考虑了电力电子设备快动态特性和多能源网络慢动态特性的建模与协调。其次，针对韧性模型存在多约束、求解复杂度高等问题，提出了基于稀疏权重斜决策树理论的数据驱动城市能源系统安全规则提取方法，将复杂的韧性模型转化为少量的混合整数线性约束，即安全规则，并内嵌至系统正常运行模型。最后，通过算例分析验证了所提方法的有效性及其相较于传统模型驱动方法在计算效率上的优势。

Abstract

Urban energy systems not only need to have high reliability for small-scale and large-probability daily failure events

but also need to have high resilience to cope with large-scale and small-probability extreme disaster events. With the increasing coupling of cross-energy forms and power electronization

the urban energy system is expected to improve system resilence through coordinated cross-system energy transfer and rapid regulation of massive power electronic devices. First

this paper proposes a two-stage resilience operation model for urban energy systems under extreme disaster events

which integrates the modeling and coordination of fast dynamic characteristics of power electronic devices and slow dynamic characteristics of multi-energy networks. Then

to address the problems of multiple constraints and high solution complexity of the resilience model

a data-driven urban energy system security rule extraction method based on space-weighted inclined decision tree theory is proposed. The method transforms the complex resilience model into a small number of mixed-integer linear constraints

namely security rules

and embeds them into the system normal operation model. Finally

the effectiveness of the proposed method and its advantages in computational efficiency over the traditional model-driven methods are verified by case analysis.

关键词

Keywords

references

PANTELI M ， TRAKAS D N ， MANCARELLA P ， et al . Power systems resilience assessment： hardening and smart operational enhancement strategies ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2017 ， 105 （ 7 ）： 1202 - 1213 .

MORENO R ， PANTELI M ， MANCARELLA P ， et al . From reliability to resilience： planning the grid against the extremes ［J］. IEEE Power and Energy Magazine ， 2020 ， 18 （ 4 ）： 41 - 53 .

严超，别朝红，王灿，等 . 面向新一代能源系统的风险评估研究现状及展望［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 1 ）： 12 - 22 .

YAN Chao ， BIE Zhaohong ， WANG Can ， et al . Risk assessment studies for new generation energy system ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 1 ）： 12 - 22 .

PANTELI M ， MANCARELLA P . The grid： stronger， bigger， smarter？： presenting a conceptual framework of power system resilience ［J］. IEEE Power and Energy Magazine ， 2015 ， 13 （ 3 ）： 58 - 66 .

MANCARELLA P . MES （multi-energy systems）： an overview of concepts and evaluation models ［J］. Energy ， 2014 ， 65 ： 1 - 17 .

司方远，张宁，韩英华，等 . 面向多元灵活资源聚合的区域综合能源系统主动调节能力评估与优化：关键问题与研究架构［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-03-24 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.222894 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.222894 .

SI Fangyuang ， ZHANG Ning ， HAN Yinghua ， et al . Key problems and research framework for assessment and optimization of the functional regulation capacity of the regional integrated energy system under the aggregation of diversified and flexible resources ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-03-24 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.222894 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.222894 .

SHARIATKHAH M H ， HAGHIFAM M R ， PARSA-MOGHADDAM M ， et al . Modeling the reliability of multi-carrier energy systems considering dynamic behavior of thermal loads ［J］. Energy and Buildings ， 2015 ， 103 ： 375 - 383 .

司方远，韩英华，袁怀通，等 . 计及混合潮流约束的热-电互联综合能源系统多目标优化调度［J］. 控制与决策， 2022 ， 37 （ 1 ）： 97 - 107 .

SI Fangyuan ， HAN Yinghua ， YUAN Huaitong ， et al . Multi-objective optimization scheduling for integrated electricity and heating system including hybrid power flow constraints ［J］. Control and Decision ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 97 - 107 .

TRAKAS D N ， HATZIARGYRIOU N D . Resilience constrained day-ahead unit commitment under extreme weather events ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 1242 - 1253 .

GAO H X ， CHEN Y ， MEI S W ， et al . Resilience-oriented pre-hurricane resource allocation in distribution systems considering electric buses ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2017 ， 105 （ 7 ）： 1214 - 1233 .

HUANG G ， WANG J H ， CHEN C ， et al . Integration of preventive and emergency responses for power grid resilience enhancement ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 4451 - 4463 .

WANG C ， HOU Y H ， QIU F ， et al . Resilience enhancement with sequentially proactive operation strategies ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 2847 - 2857 .

YAN M Y ， AI X M ， SHAHIDEHPOUR M ， et al . Enhancing the transmission grid resilience in ice storms by optimal coordination of power system schedule with pre-positioning and routing of mobile DC de-icing devices ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 2663 - 2674 .

SONG Y T ， WANG B S . Survey on reliability of power electronic systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 1 ）： 591 - 604 .

JIANG J H ， PEYGHAMI S ， COATES C ， et al . A decentralized reliability-enhanced power sharing strategy for PV-based microgrids ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 7281 - 7293 .

PEYGHAMI S ， PALENSKY P ， FOTUHI-FIRUZABAD M ， et al . System-level design for reliability and maintenance scheduling in modern power electronic-based power systems ［J］. IEEE Open Access Journal of Power and Energy ， 2020 ， 7 ： 414 - 429 .

王丹，李思源，贾宏杰，等 . 含可再生能源的区域综合能源系统区间化安全域研究（一）：概念、建模与降维观测［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 9 ）： 3188 - 3204 .

WANG Dan ， LI Siyuan ， JIA Hongjie ， et al . Research on interval security region of regional integrated energy system integrated with renewable energy sources（1）： concepts， modeling and dimension reduction observation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 9 ）： 3188 - 3204 .

李雪，孙霆锴，侯恺，等 . 地震灾害下海岛综合能源系统韧性评估方法研究［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 17 ）： 5476 - 5493 .

LI Xue ， SUN Tingkai ， HOU Kai ， et al . Evaluating resilience of island integrated energy systems with earthquake ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 17 ）： 5476 - 5493 .

陈丽娟，刘丽，周昶，等 . 计及运行风险与韧性的综合能源系统薄弱环节辨识［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 6 ）： 48 - 57 .

CHEN Lijuan ， LIU Li ， ZHOU Chang ， et al . Weakness identification of integrated energy systems considering operation risk and resilience ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 48 - 57 .

陈健，林咨良，赵浩然，等 . 考虑信息耦合的电-气综合能源系统韧性优化方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 21 ）： 6854 - 6864 .

CHEN Jian ， LIN Ziliang ， ZHAO Haoran ， et al . Optimization method for resilience of integrated electric-gas system with consideration of cyber coupling ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 21 ）： 6854 - 6864 .

SI F Y ， WANG J K ， HAN Y H ， et al . Risk-averse multiobjective optimization for integrated electricity and heating system： an augment epsilon-constraint approach ［J］. IEEE Systems Journal ， 2022 ， 16 （ 4 ）： 5142 - 5153 .

SI F Y ， HAN Y H ， ZHAO Q ， et al . Cost-effective operation of the urban energy system with variable supply and demand via coordination of multi-energy flows ［J］. Energy ， 2020 ， 203 ： 117827 .

AMIRIOUN M H ， AMINIFAR F ， SHAHIDEHPOUR M . Resilience-promoting proactive scheduling against hurricanes in multiple energy carrier microgrids ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 2160 - 2168 .

SI F Y ， ZHANG N ， WANG Y ， et al . Distributed optimization for integrated energy systems with secure multi-party computation ［J/OL］. IEEE Internet of Things Journal ［ 2023-03-24 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/9900425 https://ieeexplore.ieee.org/document/9900425 .

LIANG Z M ， ALSAFASFEH Q ， SU W C . Proactive resilient scheduling for networked microgrids with extreme events ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 112639 - 112652 .

YAN M Y ， HE Y B ， SHAHIDEHPOUR M ， et al . Coordinated regional-district operation of integrated energy systems for resilience enhancement in natural disasters ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 5 ）： 4881 - 4892 .

BIE Z H ， LIN Y L ， LI G F ， et al . Battling the extreme： a study on the power system resilience ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2017 ， 105 （ 7 ）： 1253 - 1266 .

PANTELI M ， MANCARELLA P ， TRAKAS D N ， et al . Metrics and quantification of operational and infrastructure resilience in power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 4732 - 4742 .

GEIDL M ， KOEPPEL G ， FAVRE-PERROD P ， et al . Energy hubs for the future ［J］. IEEE Power and Energy Magazine ， 2007 ， 5 （ 1 ）： 24 - 30 .

HUANG W J ， ZHANG N ， YANG J W ， et al . Optimal configuration planning of multi-energy systems considering distributed renewable energy ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 2 ）： 1452 - 1464 .

SI F Y ， WANG J K ， HAN Y H ， et al . Cost-efficient multi-energy management with flexible complementarity strategy for energy Internet ［J］. Applied Energy ， 2018 ， 231 ： 803 - 815 .

XIA T ， HUANG W J ， LU X ， et al . Planning district multiple energy systems considering year-round operation ［J］. Energy ， 2020 ， 213 ： 118829 .

ZHOU L M ， YI W L ， HE Z X ， et al . High overload power supply system and its energy synchronization control method for short-term high-energy pulse load ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 849 - 860 .

YANG J W ， ZHANG N ， BOTTERUD A ， et al . On an equivalent representation of the dynamics in district heating networks for combined electricity-heat operation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 560 - 570 .

LOH W Y . Classification and regression trees ［J］. Wiley Interdisciplinary Reviews： Data Mining And Knowledge Discovery ， 2011 ， 1 （ 1 ）： 14 - 23 .

MURTHY S K ， KASIF S ， SALZBERG S . A system for induction of oblique decision trees ［J］. Journal of Artificial Intelligence Research ， 1994 ， 2 ： 1 - 32 .

KATUWAL R ， SUGANTHAN P ， ZHANG L . Heterogeneous oblique random forest ［J］. Pattern Recognition ， 2020 ， 99 ： 107078 .

YANG B B ， SHEN S Q ， GAO W . Weighted oblique decision trees ［C］// Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence ， January 27-February 1 ， 2019 ， Honolulu， USA ： 5621 - 5627 .

IRSOY O ， YILDIZ O T ， ALPAYDIN E . Soft decision trees ［C］// Proceedings of the 21st International Conference on Pattern Recognition （ICPR2012 ）， November 11-15 ， 2012 ， Tsukuba， Japan ： 1819 - 1822 .

HOU Q C ， ZHANG N ， KIRSCHEN D S ， et al . Sparse oblique decision tree for power system security rules extraction and embedding ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1605 - 1615 .

ZOU H ， HASTIE T . Addendum： regularization and variable selection via the elastic net ［J］. Journal of the Royal Statistical Society： Series B （Statistical Methodology）， 2005 ， 67 （ 5 ）： 768 .

ANDREW G ， GAO J F . Scalable training of L 1 -regularized log-linear models ［C］// Proceedings of the 24th International Conference on Machine Learning ， June 20-24 ， 2007 ， Corvalis， USA ： 33 - 40 .

HUANG W J ， ZHANG N ， KANG C Q ， et al . Beijing subsidiary administrative center multi-energy systems： an optimal configuration planning ［J］. Electric Power Systems Research ， 2020 ， 179 ： 106082 .

ZHANG X ， DONG Z H ， HUANG W J ， et al . A novel preheating coordination approach in electrified heat systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 3092 - 3103 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Review on Demonstration Application of Urban Energy Internet: Present Situation, Experience and Prospect

Morphological Structure and Development Path of Urban Energy System for Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality

Review on Carbon Neutrality Development of Urban Energy System in Germany: Present Situation, Challenges and Innovation

Related Author

Yuping ZHENG

Jun WANG

Zhihong YANG

Xianliang TENG

Wei DU

Dan WANG

Zhaohong BIE

Yanzhe REN

Related Institution

NARI Technology Co., Ltd.

NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute)

State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control

Key Laboratory of the Ministry of Education on Smart Power Grids(Tianjin University)

School of Electrical and Engineering, Xi’an Jiaotong University

⁰