Power system security boundary visualization using intelligent techniques

In the open access environment, one of the challenges for utilities is that typical operating conditions tend to be much closer to security boundaries. Consequently, security levels for the transmission network must be accurately assessed and easily identified on-line by system operators;Security assessment through boundary visualization provides the operator with knowledge of system security levels in terms of easily monitorable pre-contingency operating parameters. The traditional boundary visualization approach results in a two-dimensional graph called a nomogram. However, an intensive labor involvement, inaccurate boundary representation, and little flexibility in integrating with the energy management system greatly restrict use of nomograms under competitive utility environment. Motivated by the new operating environment and based on the traditional nomogram development procedure, an automatic security boundary visualization methodology has been developed using neural networks with feature selection. This methodology provides a new security assessment tool for power system operations;The main steps for this methodology include data generation, feature selection, neural network training, and boundary visualization. In data generation, a systematic approach to data generation has been developed to generate high quality data. Several data analysis techniques have been used to analyze the data before neural network training. In feature selection, genetic algorithm based methods have been used to select the most predicative precontingency operating parameters. Following neural network training, a confidence interval calculation method to measure the neural network output reliability has been derived. Sensitivity analysis of the neural network output with respect to input parameters has also been derived. In boundary visualization, a composite security boundary visualization algorithm has been proposed to present accurate boundaries in two dimensional diagrams to operators for any type of security problem;This methodology has been applied to thermal overload, voltage instability problems for a sample system

From Social Simulation to Integrative System Design

As the recent financial crisis showed, today there is a strong need to gain "ecological perspective" of all relevant interactions in socio-economic-techno-environmental systems. For this, we suggested to set-up a network of Centers for integrative systems design, which shall be able to run all potentially relevant scenarios, identify causality chains, explore feedback and cascading effects for a number of model variants, and determine the reliability of their implications (given the validity of the underlying models). They will be able to detect possible negative side effect of policy decisions, before they occur. The Centers belonging to this network of Integrative Systems Design Centers would be focused on a particular field, but they would be part of an attempt to eventually cover all relevant areas of society and economy and integrate them within a "Living Earth Simulator". The results of all research activities of such Centers would be turned into informative input for political Decision Arenas. For example, Crisis Observatories (for financial instabilities, shortages of resources, environmental change, conflict, spreading of diseases, etc.) would be connected with such Decision Arenas for the purpose of visualization, in order to make complex interdependencies understandable to scientists, decision-makers, and the general public.Comment: 34 pages, Visioneer White Paper, see http://www.visioneer.ethz.c

Digital system of quarry management as a SAAS solution: mineral deposit module

Purpose. Improving the efficiency of functioning the mining enterprises and aggregation of earlier obtained results into a unified digital system of designing and operative management by quarry operation. Methods. Both the traditional (analysis of scientific and patent literature, analytical methods of deposit parameters research, analysis of experience and exploitation of quarries, conducting the passive experiment and processing the statistical data) and new forms of scientific research - deposit modeling on the basis of classical and neural network methods of approximation – are used in the work. For the purpose of the software product realization on the basis of cloud technologies, there were used: for back-end implementation – server-based scripting language php; for the front-end – multi-paradigm programming language javascript, javascript framework jQuery and asynchronous data exchange technology Ajax. Findings. The target audience of the system has been identified, SWOT-analysis has been carried out, conceptual directions of 3D-quarry system development have been defined. The strategies of development and promotion of the software product, as well as the strategies of safety and reliability of the application both for the client and the owner of the system have been formulated. The modular structure of the application has been developed, and the system functions have been divided to implement both back-end and front-end applications. The Mineral Deposit Module has been developed: the geological structure of the deposit has been simulated and its block model has been constructed. It has been proved that the use of neural network algorithms does not give an essential increase in the accuracy of the block model for the deposits of 1 and 2 groups in terms of the geological structure complexity. The possibility and prospects of constructing the systems for subsoil users on the basis of cloud technologies and the concept of SaaS have been substantiated. Originality. For the first time, the modern software products for solving the problems of designing and operational management of mining operations have been successfully developed on the basis of the SaaS concept. Practical implications. The results are applicable for enterprises-subsoil users, working with deposits of 1 and 2 groups in terms of the geological structure complexity: design organizations, as well as mining and processing plants.Мета. Підвищення ефективності функціонування гірничорудних підприємств та агрегація раніше отриманих результатів в єдину цифрову систему проектування і оперативного управління роботою кар’єрів. Методика. У роботі використані як традиційні (аналіз науково-патентної літератури, аналітичні методи дослідження параметрів родовища, аналіз досвіду й експлуатації кар’єрів, проведення пасивного експерименту та статистичної обробки даних), так і нові форми наукового дослідження – моделювання родовища на основі класичних і нейромережевих методів апроксимації. Для реалізації програмного продукту на основі хмарних технологій використані: для реалізації back-end – серверна скриптова мова програмування php; для front-end – мультипарадігменна мова програмування javascript, javascript framework jQuery і технологія асинхронного обміну даними Ajax. Результати. Виявлено цільову аудиторію системи, проведено SWOT-аналіз, визначено концептуальні напрями розвитку системи 3D-кар’єр, розроблені стратегії розвитку та просування програмного продукту, розроблені стратегії безпеки й надійності додатки як для клієнта, так і власника системи. Розроблено модульну структуру програми, вироблено розподіл функцій системи для реалізації як back-end і front-end додатки. Розроблено модуль “Родовище”: проведено моделювання геологічної структури родовища та побудована його блокова модель. Доведено, що використання нейромережевих алгоритмів не дає принципового підвищення точності блокової моделі для родовищ 1 і 2 груп за складністю геологічної будови. Виявлено недоліки нейромережевих алгоритмів, такі як високі витрати обчислювальних ресурсів сервера і проблеми візуалізації великих масивів геоданих при використанні web-рішень, знайдені шляхи їх вирішення. Доведено можливість і перспективність побудови систем для надрокористувачів на основі хмарних технологій і концепції SaaS. Наукова новизна. Вперше на основі концепції ASP успішно побудовані сучасні програмні продукти для вирішення завдань проектування та оперативного керування гірничими роботами. Практична значимість. Результати корисні для підприємств-надрокористувачів, які працюють з родовищами 1 і 2 груп за складністю геологічної будови – проектних організацій і ГЗК.Цель. Повышение эффективности функционирования горнорудных предприятий и агрегация ранее полученных результатов в единую цифровую систему проектирования и оперативного управления работой карьеров. Методика. В работе использованы как традиционные (анализ научно-патентной литературы, аналитические методы исследования параметров месторождения, анализ опыта и эксплуатации карьеров, проведение пассивного эксперимента и статистической обработкой данных), так и новые формы научного исследования – моделирование месторождения на основе классических и нейросетевых методов аппроксимации. Для реализации программного продукта на основе облачных технологий использованы: для реализации back-end – серверный скриптовый язык программирования php; для front-end – мультипарадигменный язык программирования javascript, javascript framework jQuery и технология асинхронного обмена данными Ajax. Результаты. Выявлена целевая аудитория системы, проведен SWOT-анализ, определены концептуальные направления развития системы 3D-карьер, разработаны стратегии развития и продвижения программного продукта, разработаны стратегии безопасности и надежности приложения как для клиента, так и владельца системы. Разработана модульная структура приложения, произведено деление функций системы для реализации как back-end и front-end приложения. Разработан модуль “Месторождение”: проведено моделирование геологической структуры месторождения и построена его блочная модель. Доказано, что использование нейросетевых алгоритмов не дает принципиального повышения точности блочной модели для месторождений 1 и 2 групп по сложности геологического строения. Выявлены недостатки нейросетевых алгоритмов, такие как высокие затраты вычислительных ресурсов сервера и проблемы визуализации больших массивов геоданных при использовании web-решений, найдены пути их решения. Доказана возможность и перспективность построения систем для недропользователей на основе облачных технологий и концепции SaaS. Научная новизна. Впервые на основе концепции ASP успешно построены современные программные продукты для решения задач проектирования и оперативного управления горными работами. Практическая значимость. Результаты применимы для предприятий-недропользователей, работающих с месторождениями 1 и 2 групп по сложности геологического строения – проектных организаций и ГОКов.We express our profound gratitude to A.B. Naizabekov for his assistance in scientific research, to A.F. Tsekhovoy, P.A. Tsekhovoy, D.Sh. Akhmedov, V. V. Yankovenko and D.V. Nikitas for scientific advice in implementation of the program code. The research was carried out within the framework of the initiative research theme “Improving the Efficiency of Mining Enterprises” on the basis of the RSE at the Rudny Industrial Institute of the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan

Verification of Neural Network Behaviour: Formal Guarantees for Power System Applications

This paper presents for the first time, to our knowledge, a framework for verifying neural network behavior in power system applications. Up to this moment, neural networks have been applied in power systems as a black-box; this has presented a major barrier for their adoption in practice. Developing a rigorous framework based on mixed integer linear programming, our methods can determine the range of inputs that neural networks classify as safe or unsafe, and are able to systematically identify adversarial examples. Such methods have the potential to build the missing trust of power system operators on neural networks, and unlock a series of new applications in power systems. This paper presents the framework, methods to assess and improve neural network robustness in power systems, and addresses concerns related to scalability and accuracy. We demonstrate our methods on the IEEE 9-bus, 14-bus, and 162-bus systems, treating both N-1 security and small-signal stability.Comment: published in IEEE Transactions on Smart Grid (https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9141308