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數據優化的預想事故篩查:機器學習在電力系統安全中的應用

文章摘要

本文研究使用機器學習算法對電力系統中的預想事故進行安全分類,將其劃分為安全、中等或嚴重等級。作者採用牛頓-拉夫遜潮流法和總體性能指數(OPI)提取數據,並利用SMOTE和PCA分別處理類別不平衡和高維特徵。在IEEE-14和IEEE-30母線系統上,對K近鄰、隨機森林和支持向量機在N-k(k=1,2,3)場景下進行了評估,其中隨機森林表現最佳,F1分數分別為0.97(IEEE-30)和0.86(IEEE-14)。結果表明,PCA對模型性能的提升大於SMOTE,而SMOTE雖提高了召回率,但會引入誤報。研究認為機器學習可作為一種可擴展且高效的實時安全評估替代方案。

來源arXiv AI作者: Joshua Salako, Folajimi Osikomaiya, Olakorede Olamiju
數據優化的預想事故篩查:機器學習在電力系統安全中的應用
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本研究論文提出了一種基於機器學習的數據優化預想事故篩查框架,用以提升電力系統的安全評估效率。在現代電網面臨潛在大規模故障風險背景下,對預想事故的準確快速分類有助於運維人員提前決策,減少連鎖故障或大範圍停電的可能性。論文的目標是將電力系統擾動後的安全狀態劃分為安全、中等和嚴重三個等級。

在方法層面,作者利用牛頓-拉夫遜潮流法生成不同預想事故場景下的系統運行數據,並以總體性能指數(OPI)作為量化安全性的指標。為了提升模型訓練質量,數據預處理階段同時引入了合成少數類過採樣技術(SMOTE)和主成分分析(PCA),分別用於緩解類別不平衡問題以及降低特徵空間的維度。論文在IEEE-14和IEEE-30母線系統上,構建了N-k(k=1、2、3)預想事故場景數據集,並設計了四種混合預處理組合:歸一化、SMOTE平衡、PCA變換以及SMOTE+PCA聯合變換,在此之上訓練了K近鄰(KNN)、隨機森林(RF)和支持向量機(SVM)三種分類器。

實驗以精確率、召回率和F1分數作為評價指標,並特別關注嚴重事故類別的判別能力。結果顯示,隨機森林性能最佳,在IEEE-30上F1達到0.97,在IEEE-14上達到0.86;SVM在使用PCA後分類準確率大幅提升;KNN則較適合與SMOTE和PCA結合使用。總體而言,PCA對模型整體性能的貢獻大於SMOTE,而SMOTE可以提升少數類召回率,但同時也帶來了更多誤報,因此需要在準確度與完備性之間進行權衡。

該研究還指出,相比傳統的事故分析手段,機器學習方法具備更強的可擴展性,並且能支持近乎實時的安全等級評估,這對於未來電力系統的動態安全監控具有重要意義。論文已獲准在第三屆EIE International Conference on Computing, Networking, Robotics and Telecommunication (EIECon) 2025上進行展示,並將發表於IEEE Xplore。

展開要點與分析

文章情報

工程師進階

要點

  • 機器學習模型利用總體性能指數將電力系統預想事故分為安全、中等和嚴重三類。
  • 採用SMOTE和PCA分別處理數據不平衡與高維度問題。
  • 隨機森林在IEEE-30和IEEE-14上獲得最高F1分數0.97和0.86。
  • PCA對整體性能提升貢獻大於SMOTE,而SMOTE提升召回率但增加誤報。

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