Wind Power Forecasting Methods Based on Deep Learning: A Survey

Accurate wind power forecasting in wind farm can effectively reduce the enormous impact on grid operation safety when high permeability intermittent power supply is connected to the power grid. Aiming to provide reference strategies for relevant researchers as well as practical applications, this paper attempts to provide the literature investigation and methods analysis of deep learning, enforcement learning and transfer learning in wind speed and wind power forecasting modeling. Usually, wind speed and wind power forecasting around a wind farm requires the calculation of the next moment of the definite state, which is usually achieved based on the state of the atmosphere that encompasses nearby atmospheric pressure, temperature, roughness, and obstacles. As an effective method of high-dimensional feature extraction, deep neural network can theoretically deal with arbitrary nonlinear transformation through proper structural design, such as adding noise to outputs, evolutionary learning used to optimize hidden layer weights, optimize the objective function so as to save information that can improve the output accuracy while filter out the irrelevant or less affected information for forecasting. The establishment of high-precision wind speed and wind power forecasting models is always a challenge due to the randomness, instantaneity and seasonal characteristics

Towards intelligent operation of future power system: bayesian deep learning based uncertainty modelling technique

The increasing penetration level of renewable energy resources (RES) in the power system brings fundamental changes of the system operating paradigms. In the future, the intermittent nature of RES and the corresponding smart grid technologies will lead to a much more volatile power system with higher level uncertainties. At the same time, as a result of the larger scale installation of advanced sensor devices in power system, power system engineers for the first time have the opportunity to gain insights from the influx of massive data sets in order to improve the system performance in various aspects. To this end, it is imperative to explore big data methodologies with the aim of exploring the uncertainty space within such complex data sets and thus supporting real-time decision-making in future power system. In this thesis, Bayesian Deep learning is investigated with the aim of exploring data-driven methodologies to deal with uncertainties which is in the following three aspects. (1) The first part of this thesis proposes a novel probabilistic day-ahead net load forecasting method to capture both epistemic uncertainty and aleatoric uncertainty using Bayesian deep long short-term memory network. The proposed methodological framework employs clustering in sub-profiles and considers residential rooftop PV outputs as input features to enhance the performance of aggregated net load forecasting. Numerical experiments have been carried out based on fine-grained smart meter data from the Australian grid with separately recorded measurements of rooftop PV generation and loads. The results demonstrate the superior performance of the proposed scheme compared with a series of state-of-the-art methods and indicate the importance and effectiveness of sub-profile clustering and high PV visibility. (2) The second part of this thesis studies a novel Conditional Bayesian Deep Auto-Encoder (CBDAC) based security assessment framework to compute a confidence metric of the prediction. This informs not only the operator to judge whether the prediction can be trusted, but it also allows for judging whether the model needs updating. A case study based on IEEE 68-bus system demonstrates that CBDAC outperforms the state-of-the-art machine learning-based DSA methods and the models that need updating under different topologies can be effectively identified. Furthermore, the case study verifies that effective updating of the models is possible even with very limited data. (3) The last part of this thesis proposes a novel Bayesian Deep Reinforcement Learning-based resilient control approach for multi-energy micro-grid. In particular, the proposed approach replaces deterministic network in traditional Reinforcement Learning with Bayesian probabilistic network in order to obtain an approximation of the value function distribution, which effectively solves Q-value overestimation issue. The proposed model is able to provide both energy management during normal operating conditions and resilient control during extreme events in a multi-energy micro-grid system. Comparing with naive DDPG method and optimisation method, the effectiveness and importance of employing Bayesian Reinforcement Learning approach is investigated and illustrated across different operating scenarios. Case studies have shown that by using the Monte Carlo posterior mean of the Bayesian value function distribution instead of a deterministic estimation, the proposed BDDPG method achieves a near-optimum policy in a more stable process, which verifies the robustness and the practicability of the proposed approach.Open Acces

Attributes of Big Data Analytics for Data-Driven Decision Making in Cyber-Physical Power Systems

Big data analytics is a virtually new term in power system terminology. This concept delves into the way a massive volume of data is acquired, processed, analyzed to extract insight from available data. In particular, big data analytics alludes to applications of artificial intelligence, machine learning techniques, data mining techniques, time-series forecasting methods. Decision-makers in power systems have been long plagued by incapability and weakness of classical methods in dealing with large-scale real practical cases due to the existence of thousands or millions of variables, being time-consuming, the requirement of a high computation burden, divergence of results, unjustifiable errors, and poor accuracy of the model. Big data analytics is an ongoing topic, which pinpoints how to extract insights from these large data sets. The extant article has enumerated the applications of big data analytics in future power systems through several layers from grid-scale to local-scale. Big data analytics has many applications in the areas of smart grid implementation, electricity markets, execution of collaborative operation schemes, enhancement of microgrid operation autonomy, management of electric vehicle operations in smart grids, active distribution network control, district hub system management, multi-agent energy systems, electricity theft detection, stability and security assessment by PMUs, and better exploitation of renewable energy sources. The employment of big data analytics entails some prerequisites, such as the proliferation of IoT-enabled devices, easily-accessible cloud space, blockchain, etc. This paper has comprehensively conducted an extensive review of the applications of big data analytics along with the prevailing challenges and solutions

Artificial Intelligence and Machine Learning Approaches to Energy Demand-Side Response: A Systematic Review

Recent years have seen an increasing interest in Demand Response (DR) as a means to provide flexibility, and hence improve the reliability of energy systems in a cost-effective way. Yet, the high complexity of the tasks associated with DR, combined with their use of large-scale data and the frequent need for near real-time de-cisions, means that Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) — a branch of AI — have recently emerged as key technologies for enabling demand-side response. AI methods can be used to tackle various challenges, ranging from selecting the optimal set of consumers to respond, learning their attributes and pref-erences, dynamic pricing, scheduling and control of devices, learning how to incentivise participants in the DR schemes and how to reward them in a fair and economically efficient way. This work provides an overview of AI methods utilised for DR applications, based on a systematic review of over 160 papers, 40 companies and commercial initiatives, and 21 large-scale projects. The papers are classified with regards to both the AI/ML algorithm(s) used and the application area in energy DR. Next, commercial initiatives are presented (including both start-ups and established companies) and large-scale innovation projects, where AI methods have been used for energy DR. The paper concludes with a discussion of advantages and potential limitations of reviewed AI techniques for different DR tasks, and outlines directions for future research in this fast-growing area

A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version