Using SHAP Values and Machine Learning to Understand Trends in the Transient Stability Limit

电力系统 可解释性 计算机科学 理论(学习稳定性) 瞬态(计算机编程) 变量(数学) 边界(拓扑) 机器学习 数学优化 功率(物理) 数学 数学分析 物理 量子力学 操作系统
作者
Robert I. Hamilton,Panagiotis N. Papadopoulos
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:39 (1): 1384-1397 被引量:191
标识
DOI:10.1109/tpwrs.2023.3248941
摘要

Machine learning (ML) for transient stability assessment has gained traction due to the significant increase in computational requirements as renewables connect to power systems. To achieve a high degree of accuracy; black-box ML models are often required – inhibiting interpretation of predictions and consequently reducing confidence in the use of such methods. This paper proposes the use of SHapley Additive exPlanations (SHAP) – a unifying interpretability framework based on Shapley values from cooperative game theory – to provide insights into ML models that are trained to predict critical clearing time (CCT). We use SHAP to obtain explanations of location-specific ML models trained to predict CCT at each busbar on the network. This can provide unique insights into power system variables influencing the entire stability boundary under increasing system complexity and uncertainty. Subsequently, the covariance between a variable of interest and the corresponding SHAP values from each location-specific ML model – can reveal how a change in that variable impacts the stability boundary throughout the network. Such insights can inform planning and/or operational decisions. The case study provided demonstrates the method using a highly accurate opaque ML algorithm in the IEEE 39-bus test network with Type IV wind generation.
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