مهندسی سیستم و بهره‌وری

مهندسی سیستم و بهره‌وری

توسعه‌ی مدل پیش‌بینی قطعی برق مبتنی بر یادگیری عمیق برای بهبود تاب‌آوری در سیستم‌های قدرت

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه علوم داده، دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
2 نویسنده مسئول: استادیار، گروه مهندسی کامپیوتر، مرکز آموزش عالی شهرضا، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
قطعی‌های ناگهانی برق، نه‌تنها پایداری شبکه را تحت تأثیر قرار می‌دهند، بلکه موجب افزایش چشمگیر هزینه‌های عملیاتی نیز می‌شوند؛ مسئله‌ای که چالشی اساسی برای بهره‌وری سیستم‌های برقی به شمار می‌رود. در این پژوهش، مدلی کارآمد مبتنی بر یادگیری عمیق برای پیش‌بینی قطعی برق ارائه می‌شود که تلفیقی از یک ویژگی‌یاب مبتنی بر خودرمزگذار و یک طبقه‌بند چندلایه با ساختار باقی‌مانده است. آنچه این مدل را از روش‌های مرسوم متمایز می‌سازد، توانایی آن در حفظ دقت بالای پیش‌بینی بدون اتکا به ویژگی‌های مکانی نظیر عرض و طول جغرافیایی است، عواملی که اغلب در مدل‌های سنتی نقش کلیدی داشتند. در مرحله نخست روش پیشنهادی، یک خودرمزگذار بر روی مجموعه داده‌ای غنی، فاقد برچسب، شامل اطلاعات آب‌وهوایی و تقاضای انرژی در بازه زمانی بیست‌وچهارساله (2000 تا 2024) از ایالت مریلند ایالات‌متحده آموزش داده می‌شود. نمایش‌های نهفته به‌دست‌آمده از این مدل، به‌عنوان ویژگی‌های استخراج‌شده، به مدل طبقه‌بندی آموزش‌دیده بر داده‌های برچسب‌دار قطعی‌های برق افزوده می‌شوند. مدل نهایی، حتی بدون استفاده از داده‌های مکانی، موفق به کسب امتیاز F1 معادل ۸۱% شده است؛ درحالی‌که عملکرد آن با بهره‌گیری از تمامی ویژگی‌ها (شامل مختصات جغرافیایی) به ۹۰% می‌رسد. این سطح از قابلیت تعمیم‌پذیری، امکان استقرار مدل در مناطق فاقد داده‌های مکانی را فراهم کرده و درنهایت، به ارتقاء انعطاف‌پذیری، قابلیت اطمینان و بهره‌وری سیستم قدرت منجر می‌شود.

تازه های تحقیق

  • رویکرد یادگیری انتقالی برای پیش‌بینی قطعی برق در سیستم‌های قدرت پیشنهاد شد که ترکیبی از یک استخراج‌کننده ویژگی مبتنی بر خودرمزگذار و یک طبقه‌بند MLP با ساختار باقی‌مانده است.
  • وابستگی به ویژگی‌های جغرافیایی مانند عرض و طول جغرافیایی برای افزایش قابلیت تعمیم مدل حذف گردید.
  • مدل پیشنهادی دقت و عملکرد کلی بالاتری نسبت به روش‌های مرسوم از خود نشان داده است.

کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Developing a Deep Learning-based Power Outage Predictive Model to Improve Resilience of Power Systems

نویسندگان English

Reihane Montazeri Najafabadi 1
Mohammadreza Shams 2
1 M.Sc. Student, Department of Data Science, Faculty of Computer Engineering, University of Isfahan, Isfahan, Iran
2 Corresponding author: Assistant Professor, Department of Computer Engineering, Faculty of Shahreza Campus, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده English

Unplanned power outages disrupt grid stability and increase operational costs, posing a major threat to power system efficiency. In this paper, we propose a robust outage prediction model that combines an Autoencoder-based feature extractor with a residual multi-layer perceptron (MLP) classifier. The novelty of our approach lies in its ability to maintain high predictive performance while eliminating reliance on geographic features such as latitude and longitude—commonly required by traditional models. We first train the Autoencoder on a rich, unlabeled dataset of weather and energy demand data collected over two decades (2000–2024) across Maryland, USA. The learned latent representations are then used to augment a supervised classification model trained on labeled outage data. Our final model achieves an F1-score of 81% even without location-based features, compared to 90% when using all features. This generalizability enables the deployment of predictive tools in previously unseen regions, directly enhancing grid flexibility, reliability, and system efficiency.

کلیدواژه‌ها English

Power Outage
Resilience of Power Systems
Deep Learning
Transfer Learning
Autoencoder

Copyright © Reihane Montazeri Najafabadi, Mohammadreza Shams

 

License

This article is released under the Creative Commons Attribution (CC BY 4.0) license. Anyone is free to copy, share, translate, and adapt this article for any purpose, whether commercial or non-commercial, as long as proper citation is given to the authors and original publication.

Arifeen, M., Petrovski, A., Hasan, M. J., Noman, K., Navid, W. U., & Haruna, A. (2024). Graph-Variational Convolutional Autoencoder-Based Fault Detection and Diagnosis for Photovoltaic Arrays. Machines12(12), 894. https://doi.org/10.3390/machines12120894
Atrigna, M., Buonanno, A., Carli, R., Cavone, G., Scarabaggio, P., Valenti, M., ... & Dotoli, M. (2023). A machine learning approach to fault prediction of power distribution grids under heatwaves. IEEE Transactions on Industry Applications59(4), 4835-4845. https://doi.org/10.1109/TIA.2023.3262230
Avazpour, M., Zarei, J., & Alinajad, E. (2025). Evaluation and prioritization of electricity generation technologies in Iran using a multi-criteria decision-making approach. Systems Engineering and Productivity, 5(3), 179–198 (In Persian). https://doi.org/10.22034/sep.2025.2063697.1333
Azzalini, D., Flammini, B., Emanuele, C. A., Guadagno, A., Ragaini, E., & Amigoni, F. (2025). An empirical evaluation of deep autoencoders for anomaly detection in the electricity consumption of buildings. Energy and Buildings327, 115069. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.115069
Campbell, R. J., & Lowry, S. (2012). Weather-related power outages and electric system resiliency. Washington, DC: Congressional Research Service, Library of Congress.
Coleman, J. (2022). Climate change made South Asian heatwave 30 times more likely. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-022-01444-1
Falabretti, D., Schiavo, L. L., Liotta, S., & Palazzoli, A. (2020). A novel method for evaluating the resilience of distribution networks during heat waves. International Journal of Electrical and Electronic Engineering & Telecommunications, 9(2), 73–79. https://doi.org/10.18178/ijeetc.9.2.73-79
Ghasemkhani, B., Kut, R. A., Yilmaz, R., Birant, D., Arıkök, Y. A., Güzelyol, T. E., & Kut, T. (2024). Machine learning model development to predict power outage duration (POD): A case study for electric utilities. Sensors, 24(13), 4313. https://doi.org/10.3390/s24134313
Ghosh, H. (2025). Autoencoders and transfer learning. Medium.
Huang, W., Zhang, W., Chen, Q., Feng, B., & Li, X. (2024). Prediction algorithm for power outage areas of affected customers based on CNN-LSTM. IEEE Access, 12, 15007–15015. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3355484
Namdarzadegan, M., & Bozorgi Amiri, A. (2025). Developing a hybrid sustainability–resilience model for implementing appropriate smart technologies in small and medium-sized enterprises under crisis conditions. Systems Engineering and Productivity (In Persian). https://doi.org/10.22034/sep.2025.2064025.1337
Nyame, S., Taylor, W. O., Hughes, W., Hong, M., Koukoula, M., Yang, F., ... & Cerrai, D. (2024). Transmission Failure Prediction Using AI and Structural Modeling Informed by Distribution Outages. IEEE Access, 13, 42-55. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3523415
Rahbaripour, K., Pakdelfard, M., Satarisarbanqoli, H., & Valizadeh, N. (2025). Analysis of barriers to achieving the Fourth Manufacturing Industry using the Interpretive Structural Modeling approach. Systems Engineering and Productivity (In Persian). https://doi.org/10.22034/sep.2025.2068090.1374
Razzaghy, S., Ahmadvand, A., Samadi Foroushani, M., (2024). Presenting a Dynamic Model of Iran's Electrical Energy Supply System Based on the Water-Food-Energy-Climate Change Nexus. Systems Engineering and Productivity, 3(4), 36-80. https://doi.org/10.22034/msb.2024.2022934.1183
Romitti, Y., & Sue Wing, I. (2022). Heterogeneous climate change impacts on electricity demand in world cities circa mid-century. Scientific reports12(1), 4280. https://doi.org/10.1038/s41598-022-07922-w
Satterlee, K. (2024). Combining big data and machine learning to predict power outages and help consumers prepare. Texas A&M University News.
Sharma, V., Hong, T., Cecchi, V., Hofmann, A., & Lee, J. Y. (2023). Forecasting weatherrelated power outages using weighted logistic regression. IET Smart Grid6(5), 470-479. https://doi.org/10.1049/stg2.12109
Stone, B., Jr., Gronlund, C. J., Mallen, E., Hondula, D., O’Neill, M. S., Rajput, M., Grijalva, S., Lanza, K., Harlan, S., Larsen, L., et al. (2023). How blackouts during heat waves amplify mortality and morbidity risk. Environmental Science & Technology, 57(11), 8245–8255. https://doi.org/10.1021/acs.est.2c09588
Stone, B., Mallen, E., Rajput, M., Broadbent, A., Krayenhoff, E. S., Augenbroe, G., & Georgescu, M. (2021). Climate change and infrastructure risk: Indoor heat exposure during a concurrent heat wave and blackout event in Phoenix, Arizona. Urban Climate, 36, 100787. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2021.100787
Tabassum, T., Toker, O., & Khalghani, M. R. (2024). Cyber–physical anomaly detection for inverter-based microgrid using autoencoder neural network. Applied Energy355, 122283. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.122283
Wang, X., Fatehi, N., Wang, C., & Nazari, M. H. (2024). Deep learning-based weather-related power outage prediction with socio-economic and power infrastructure data. IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM) (pp. 1-5). IEEE. https://doi.org/10.1109/PESGM51994.2024.10688596
Zhu, S., Yao, R., Xie, Y., Qiu, F., Qiu, Y., & Wu, X. (2025). Quantifying grid resilience against extreme weather using large-scale customer power outage data. INFORMS Journal on Data Science. https://doi.org/10.1287/ijds.2023.0017
Zideh, M. J., & Solanki, S. K. (2024). Multivariate Physics-Informed Convolutional Autoencoder for Anomaly Detection in Power Distribution Systems with High Penetration of DERs. arXiv preprint arXiv:2406.02927. https://arxiv.org/abs/2406.02927

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 11 دی 1404

  • تاریخ دریافت 10 آبان 1404
  • تاریخ بازنگری 01 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 11 دی 1404
  • تاریخ اولین انتشار 11 دی 1404
  • تاریخ انتشار 11 دی 1404