Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement

YANG Wenxian; SHI Fang; SONG Xuemeng; TIAN Shuoshuo; NIE Liqiang; CHENG Dingyi

doi:10.7500/AEPS20240813001

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Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement

Application Research | 更新时间：2025-09-25

- Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 18, Pages: 170-181(2025)
- 作者机构：
  
  1.电动汽车电网接入技术国家地方联合工程实验室（山东大学），山东省济南市 250061
  2.山东大学计算机科学与技术学院，山东省青岛市 266000
  3.山东大学电气工程学院，山东省济南市 250061
  4.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东省济南市 250001
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2021YFB2400800)
- DOI：10.7500/AEPS20240813001
  CLC：
- Received：13 August 2024，
  
  Revised：2025-05-21，
  
  Published Online：27 June 2025，
  
  Published：25 September 2025
- 稿件说明：
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杨文娴,石访,宋雪萌等.基于独立时空特征提取与分组增强的暂态频率安全评估[J].电力系统自动化,2025,49(18):170-181.

YANG Wenxian,SHI Fang,SONG Xuemeng,et al.Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(18):170-181.
杨文娴,石访,宋雪萌等.基于独立时空特征提取与分组增强的暂态频率安全评估[J].电力系统自动化,2025,49(18):170-181. DOI： 10.7500/AEPS20240813001.

YANG Wenxian,SHI Fang,SONG Xuemeng,et al.Transient Frequency Safety Assessment Based on Independent Spatial-temporal Feature Extraction and Grouped Enhancement[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(18):170-181. DOI： 10.7500/AEPS20240813001.

摘要

大规模新能源接入使电力系统的频率动态特性更加复杂，数据驱动的暂态频率安全评估广受关注，但仍存在特征挖掘不足、先验知识未能充分利用等局限性。为此，文中提出了基于独立时空特征提取与分组增强的暂态频率安全评估方法。首先，引入自适应时空特征提取模块，通过独立的全连接邻接矩阵，表征发电机间的关联关系，提升特征提取能力；其次，设计了基于物理先验知识的分组特征增强模块，依据系统惯性中心频率指导特征融合，促进初始输入特征的交互、增强表征能力；最后，应用多尺度卷积模块融合所有特征获取最终的系统表征，通过模型训练和参数优化实现频率安全评估。标准算例仿真结果表明，文中模型的精度和鲁棒性均优于现有数据驱动模型。

Abstract

The large-scale integration of renewable energy has made the frequency dynamic characteristics of power systems more complex. The data-driven transient frequency safety assessment has attracted widespread attention

but there are still limitations such as insufficient feature mining and underutilization of prior knowledge. To this end

a method for transient frequency safety assessment based on independent spatial-temporal feature extraction and grouped enhancement is proposed. First

an adaptive spatial-temporal feature extraction module is introduced to characterize the correlations among generators through independent fully-connected adjacency matrices

thereby enhancing the capability of feature extraction. Then

a grouped feature enhancement module based on physical prior knowledge is designed

which guides the feature fusion by the frequency of system inertia center

promotes interactions of initial input features

and enhances representation capabilities. Finally

the multi-scale convolutional module is used to fuse all features to obtain the final system representation

and the frequency safety assessment is achieved through model training and parameter optimization. Simulation results of the standard case demonstrate that the accuracy and robustness of the proposed model in this paper are superior to those of existing data-driven models.

关键词

Keywords

references

林超凡，别朝红 . 新型电力系统不确定性静态建模及量化分析方法评述［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 19 ）： 14 - 27 .

LIN Chaofan ， BIE Zhaohong . Review of static modeling and quantitative analysis methods for uncertainties of new power systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 19 ）： 14 - 27 .

颜湘武，王德胜，杨琳琳，等 . 直驱风机惯量支撑与一次调频协调控制策略［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3282 - 3292 .

YAN Xiangwu ， WANG Desheng ， YANG Linlin ， et al . Coordinated control strategy of inertia support and primary frequency regulation of PMSG ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3282 - 3292 .

张兴，战祥对，吴孟泽，等 . 高渗透率新能源发电并网变流器跟网/构网混合模式控制综述［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 1 - 15 .

ZHANG Xing ， ZHAN Xiangdui ， WU Mengze ， et al . Review on grid-following/grid-forming hybrid mode control for grid-connected converter in high penetration rate of renewable energy generation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 1 - 15 .

王宝财，孙华东，李文锋，等 . 考虑动态频率约束的电力系统最小惯量评估［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 1 ）： 114 - 127 .

WANG Baocai ， SUN Huadong ， LI Wenfeng ， et al . Minimum inertia estimation of power system considering dynamic frequency constraints ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 1 ）： 114 - 127 .

WANG Q ， LI F ， TANG Y ， et al . Integrating model-driven and data-driven methods for power system frequency stability assessment and control ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 4557 - 4568 .

SOBAJIC D J ， PAO Y H . Artificial neural-net based dynamic security assessment for electric power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1989 ， 4 （ 1 ）： 220 - 228 .

陆旭，张理寅，李更丰，等 . 基于内嵌物理知识卷积神经网络的电力系统暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 9 ）： 107 - 119 .

LU Xu ， ZHANG Liyin ， LI Gengfeng ， et al . Transient stability assessment of power system based on physics informed convolution neural network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 9 ）： 107 - 119 .

王琦，李峰，汤奕，等 . 基于物理-数据融合模型的电网暂态频率特征在线预测方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 19 ）： 1 - 9 .

WANG Qi ， LI Feng ， TANG Yi ， et al . On-line prediction method of transient frequency characteristics for power grid based on physical-statistical model ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 19 ）： 1 - 9 .

姜涛，王长江，陈厚合，等 . 基于正则化投影孪生支持向量机的电力系统暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 1 ）： 141 - 148 .

JIANG Tao ， WANG Changjiang ， CHEN Houhe ， et al . Transient stability assessment of power system based on projection twin support vector machine with regularization ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 1 ）： 141 - 148 .

薄其滨，王晓茹，刘克天 . 基于v-SVR的电力系统扰动后最低频率预测［J］. 电力自动化设备， 2015 ， 35 （ 7 ）： 83 - 88 .

BO Qibin ， WANG Xiaoru ， LIU Ketian . Minimum frequency prediction based on v-SVR for post-disturbance power system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2015 ， 35 （ 7 ）： 83 - 88 .

李冠争，李斌，王帅，等 . 基于特征选择和随机森林的电力系统受扰后动态频率预测［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 7 ）： 2492 - 2502 .

LI Guanzheng ， LI Bin ， WANG Shuai ， et al . Dynamic frequency prediction of power system post-disturbance based on feature selection and random forest ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 7 ）： 2492 - 2502 .

LINARO D ， BIZZARRI F ， DEL GIUDICE D ， et al . Continuous estimation of power system inertia using convolutional neural networks ［J］. Nature Communications ， 2023 ， 14 （ 1 ）： 4440 .

张涵，王程，毕天姝 . 融合物理与数据知识的电力系统扰动后频率在线快速计算方法［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 11 ）： 4325 - 4335 .

ZHANG Han ， WANG Cheng ， BI Tianshu . On-line fast frequency calculation after power system disturbance based on fusion of physics and data knowledge ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 4325 - 4335 .

张亮，安军，周毅博 . 基于时间卷积和图注意力网络的电力系统暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 7 ）： 114 - 122 .

ZHANG Liang ， AN Jun ， ZHOU Yibo . Transient stability assessment of power system based on temporal convolution and graph attention network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 7 ）： 114 - 122 .

庄颖睿，肖谭南，程林，等 . 基于时空图卷积网络的电力系统暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 11 ）： 11 - 18 .

ZHUANG Yingrui ， XIAO Tannan ， CHENG Lin ， et al . Transient stability assessment of power system based on spatio-temporal graph convolutional network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 11 - 18 .

钱倍奇，陈谦，张政伟，等 . 基于异构数据特征级融合的多任务暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 9 ）： 118 - 128 .

QIAN Beiqi ， CHEN Qian ， ZHANG Zhengwei ， et al . Multi-task transient stability assessment based on feature-level fusion of heterogeneous data ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 118 - 128 .

黄济宇，管霖，郭梦轩，等 . 图深度学习技术在智能暂态稳定评估中的应用及展望［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 4 ）： 1500 - 1511 .

HUANG Jiyu ， GUAN Lin ， GUO Mengxuan ， et al . Application and prospect of graph deep learning technique in intelligent transient stability assessment ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 4 ）： 1500 - 1511 .

卢锦玲，郭鲁豫 . 基于改进深度残差收缩网络的电力系统暂态稳定评估［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 11 ）： 2233 - 2244 .

LU Jinling ， GUO Luyu . Power system transient stability assessment based on improved deep residual shrinkage network ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 11 ）： 2233 - 2244 .

赵荣臻，文云峰，叶希，等 . 基于改进堆栈降噪自动编码器的预想事故频率指标评估方法研究［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 14 ）： 4081 - 4093 .

ZHAO Rongzhen ， WEN Yunfeng ， YE Xi ， et al . Research on frequency indicators evaluation of disturbance events based on improved stacked denoising autoencoders ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 14 ）： 4081 - 4093 .

曹永吉，张恒旭，李常刚 . 计及扰动不确定性的储能系统容量鲁棒优化配置［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 19 ）： 139 - 147 .

CAO Yongji ， ZHANG Hengxu ， LI Changgang . Robust optimization configuration for energy storage system capacity considering uncertainty of disturbance ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 19 ）： 139 - 147 .

KUNDUR P . Power system stability and control ［M］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2001 .

候智圆 . 电力系统频率动态行为特征分析［D］. 济南：山东大学， 2012 .

HOU Zhiyuan . Analysis of frequency dynamic behavior characteristics of power system ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2012 .

马睿聪，刘福锁，曹永吉，等 . 电力系统频率动态与功角振荡的耦合特性分析［J］. 电力工程技术， 2023 ， 42 （ 4 ）： 102 - 112 .

MA Ruicong ， LIU Fusuo ， CAO Yongji ， et al . Coupling characteristic analysis of power system frequency dynamic and power angle oscillation ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2023 ， 42 （ 4 ）： 102 - 112 .

ZHAN J ， WANG S Q ， MA X D ， et al . STGAT-MAD： spatial-temporal graph attention network for multivariate time series anomaly detection ［C］// 2022 IEEE International Conference on Acoustics， Speech and Signal Processing （ICASSP）， May 23-27 ， 2022 ， Singapore ： 3568 - 3572 .

ZHANG Q L ， YANG Y B . SA-net： shuffle attention for deep convolutional neural networks ［C］// 2021 IEEE International Conference on Acoustics， Speech and Signal Processing （ICASSP）， June 6-11 ， 2021 ， Toronto， Canada ： 2235 - 2239 .

ISMAIL FAWAZ H ， LUCAS B ， FORESTIER G ， et al . InceptionTime： finding AlexNet for time series classification ［J］. Data Mining and Knowledge Discovery ， 2020 ， 34 （ 6 ）： 1936 - 1962 .

吴萍，赵兵，程奕，等 . 新型电力系统标准算例（2）：频率稳定CSEE-FS ［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 19 ）： 7531 - 7542 .

WU Ping ， ZHAO Bing ， CHENG Yi ， et al . Benchmark for AC-DC hybrid system with high penetration of renewables （2）： frequency stability CSEE-FS ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 19 ）： 7531 - 7542 .

索之闻，李晖，于钊，等 . 高压直流输电系统功率速升特性分析与提升能力计算方法研究［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 12 ）： 3833 - 3841 .

SUO Zhiwen ， LI Hui ， YU Zhao ， et al . Research on characteristics and calculation method of HVDC transmission after DC power fast ramp ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 12 ）： 3833 - 3841 .

MOHAMED E A ， MAGDY G ， SHABIB G ， et al . Digital coordination strategy of protection and frequency stability for an islanded microgrid ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2018 ， 12 （ 15 ）： 3637 - 3646 .

AALAM M K ， SHUBHANGA K N . Power system event detection and localization—a new approach ［J］. Electric Power Systems Research ， 2023 ， 223 ： 109553 .

傅太国屹，杜友田，吕昊，等 . 基于多尺度图注意力网络的电力系统暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 3 ）： 60 - 70 .

FU Taiguoyi ， DU Youtian ， LYU Hao ， et al . Transient stability assessment of power systems based on multi-scale graph attention network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 3 ）： 60 - 70 .

魏玖明，李兆伟，李碧君，等 . 提升新能源短时性功率冲击下暂态频率安全的储能紧急控制策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 8 ）： 152 - 161 .

WEI Jiuming ， LI Zhaowei ， LI Bijun ， et al . Emergency control strategies using energy storage to enhance transient frequency safety under short-time power impact of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 8 ）： 152 - 161 .

李雨婷，刘俊，刘嘉诚，等 . 基于去噪扩散概率模型不平衡样本增强的暂态稳定评估［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 148 - 157 .

LI Yuting ， LIU Jun ， LIU Jiacheng ， et al . Transient stability assessment based on imbalanced sample enhancement of denoising diffusion probabilistic model ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 148 - 157 .

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