The transition toward low-inertia power systems demands modeling frameworks that provide not only accurate state predictions but also physically consistent sensitivities for control. While scientific machine learning offers powerful nonlinear modeling tools, the control-oriented implications of different differentiable paradigms remain insufficiently understood. This paper presents a comparative study of Physics-Informed Neural Networks (PINNs), Neural Ordinary Differential Equations (NODEs), and Differentiable Programming (DP) for modeling, identification, and control of power system dynamics. Using the Single Machine Infinite Bus (SMIB) system as a benchmark, we evaluate their performance in trajectory extrapolation, parameter estimation, and Linear Quadratic Regulator (LQR) synthesis. Our results highlight a fundamental trade-off between data-driven flexibility and physical structure. NODE exhibits superior extrapolation by capturing the underlying vector field, whereas PINN shows limited generalization due to its reliance on a time-dependent solution map. In the inverse problem of parameter identification, while both DP and PINN successfully recover the unknown parameters, DP achieves significantly faster convergence by enforcing governing equations as hard constraints. Most importantly, for control synthesis, the DP framework yields closed-loop stability comparable to the theoretical optimum. Furthermore, we demonstrate that NODE serves as a viable data-driven surrogate when governing equations are unavailable.


翻译:向低惯量电力系统的转型要求建模框架不仅能提供准确的状态预测,还需具备物理一致的灵敏度以用于控制。尽管科学机器学习提供了强大的非线性建模工具,但不同可微分范式对于控制导向的意义仍未得到充分理解。本文对物理信息神经网络、神经常微分方程以及可微分编程在电力系统动态的建模、辨识与控制方面进行了比较研究。以单机无穷大母线系统为基准,我们评估了它们在轨迹外推、参数估计以及线性二次调节器综合中的性能。我们的结果揭示了数据驱动灵活性与物理结构之间的根本权衡。NODE通过捕捉底层向量场展现出优异的外推能力,而PINN由于依赖时间相关的解映射,其泛化能力有限。在参数辨识的反问题中,尽管DP和PINN均能成功恢复未知参数,但DP通过将控制方程作为硬约束实现了显著更快的收敛速度。最重要的是,对于控制综合,DP框架产生的闭环稳定性可与理论最优值相媲美。此外,我们证明了当控制方程不可用时,NODE可作为一个可行的数据驱动替代模型。

0
下载
关闭预览

相关内容

AI大模型技术在电力系统中的应用及发展趋势
专知会员服务
18+阅读 · 2025年6月23日
电网运行态势知识图谱智能构建技术
专知会员服务
38+阅读 · 2024年6月10日
深度学习在电力系统预测中的应用
专知会员服务
44+阅读 · 2023年1月31日
《智能电网组件:功能和效益》白皮书
专知会员服务
28+阅读 · 2022年4月13日
专知会员服务
67+阅读 · 2021年1月28日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
基于关系网络的视觉建模:有望替代卷积神经网络
微软研究院AI头条
10+阅读 · 2019年7月12日
你的算法可靠吗? 神经网络不确定性度量
专知
40+阅读 · 2019年4月27日
SFFAI报告 | 常建龙 :深度卷积网络中的卷积算子研究进展
人工智能前沿讲习班
11+阅读 · 2018年10月22日
【工业智能】电网故障诊断的智能技术
产业智能官
34+阅读 · 2018年5月28日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | SARDI:扩散语言模型的自增强检索
专知会员服务
4+阅读 · 6月6日
《国防领域安全采用大语言模型的战略蓝图》
专知会员服务
7+阅读 · 6月6日
ICML 2026 | 演化选择的因果建模
专知会员服务
7+阅读 · 6月5日
综述|学习式3D表征最新进展与趋势
专知会员服务
7+阅读 · 6月5日
人工智能重塑威慑:算法优势的兴起
专知会员服务
8+阅读 · 6月5日
AgentOps综述:智能体系统运维框架
专知会员服务
17+阅读 · 6月4日
《美陆军最新条令:兵力防护》
专知会员服务
14+阅读 · 6月4日
相关资讯
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
基于关系网络的视觉建模:有望替代卷积神经网络
微软研究院AI头条
10+阅读 · 2019年7月12日
你的算法可靠吗? 神经网络不确定性度量
专知
40+阅读 · 2019年4月27日
SFFAI报告 | 常建龙 :深度卷积网络中的卷积算子研究进展
人工智能前沿讲习班
11+阅读 · 2018年10月22日
【工业智能】电网故障诊断的智能技术
产业智能官
34+阅读 · 2018年5月28日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员