[论文解读] The Creation and Validation of Load Time Series for Synthetic Electric Power Systems

Hanyue Li, Ju Hee Yeo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2019

Energy Load and Power Forecasting参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种方法，利用公开的负荷组成、地理位置和太阳能资源数据，生成合成电力系统中逼真的、高分辨率的母线级负荷时间序列。通过迭代聚合典型建筑级负荷曲线并对照真实系统数据进行验证，该方法生成的时间序列能够准确反映时间负荷模式，适用于大规模合成电网（如ACTIVSg10K）中的鸭形曲线情景分析。

ABSTRACT

Synthetic power systems that imitate functional and statistical characteristics of the actual grid have been developed to promote researchers' access to public system models. Developing time series to represent different operating conditions of these synthetic systems will expand the potential of synthetic power systems applications. This paper proposes a methodology to create synthetic time series of bus-level load using publicly available data. Comprehensive validation metrics are provided to assure that the quality of synthetic time series data is sufficiently realistic. This paper also includes an example application in which the methodology is used to construct load scenarios for a 10,000-bus synthetic case.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、公开可访问的方法，用于在合成电力系统中生成逼真的母线级负荷时间序列。
• 通过与真实世界系统级时间序列进行全面对比验证，确保合成负荷数据的逼真性和统计保真度。
• 通过为合成网络中各母线提供高分辨率（每小时、1年）的负荷曲线，支持高级电力系统研究。
• 通过在10,000母线合成电网中开展鸭形曲线情景的实际应用，展示该方法的实用性。

提出的方法

• 该方法基于各母线的地理位置和负荷类型构成，通过迭代自下而上的方式聚合典型负荷曲线（居民、商业、工业）。
• 母线级负荷大小由美国人口普查数据（人口和人均兆瓦消耗）确定，假设功率因数固定。
• 太阳能潜力作为归一化负荷大小与归一化太阳能资源（NREL数据）的加权和计算，使用公式（4）。
• 基于太阳能潜力和系统总容量（ACTIVSg10K中为30,000 MW），使用公式（5）按比例分配各母线的屋顶光伏容量。
• 通过从原始负荷时间序列中减去合成的屋顶光伏输出时间序列（在上午6–8点开始，中午1–3点达到峰值，晚上6–8点结束），生成24小时的鸭形曲线情景。
• 通过真实系统级负荷数据导出验证指标，以确保时间与空间特征的统计相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何仅使用公开可用数据，为大规模合成电力系统生成逼真且高分辨率的母线级负荷时间序列？
• RQ2 哪些验证指标最能确保合成负荷时间序列在统计和功能上的逼真性？
• RQ3 在高比例分布式光伏渗透的系统中，合成负荷时间序列在多大程度上能复现现实世界现象（如‘鸭形曲线’）？
• RQ4 如何将负荷数据与太阳能资源数据结合，以在地理和经济上合理的方式在母线间分配屋顶光伏容量？

主要发现

• 所提出的方法成功生成了10,000母线负荷时间序列，时间分辨率为每小时，覆盖完整一年，其统计特征和时间特性与真实系统高度一致。
• 验证框架证实，合成负荷时间序列在峰值数值、日负荷模式和季节性变化方面与真实系统数据极为相似。
• 在ACTIVSg10K合成系统中，通过整合屋顶光伏发电，成功构建了逼真的‘鸭形曲线’情景，光伏出力峰值出现在中午1–3点，且在上午6–8点前和晚上6–8点后输出为零。
• 各母线的屋顶光伏容量分布具有空间一致性，高负荷密度与高太阳辐射区域被分配更高的容量，这一结果通过等高线图得到验证。
• 该方法具有通用性，可应用于任何地理范围或系统规模的合成电力系统。
• 整个数据集可公开分发，无保密顾虑，适用于广泛基准测试与算法验证。