《Energies》：An Improved Voltage Control Method for Distribution Networks Incorporating Adaptive Partitioning and Two-Layer Coordinated Control
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波动性可再生能源的广泛接入加剧了配电网中的电压调节挑战。传统的集中式控制方法固有地受到响应时间慢、严重依赖通信以及协调性差的限制。为了解决这一问题，研究人员提出了一种融合自适应分区与分层协调的电压优化方法。首先，基于电压-无功功率灵敏度矩阵分析提取节点电气耦合
波动性可再生能源的广泛接入加剧了配电网中的电压调节挑战。传统的集中式控制方法固有地受到响应时间慢、严重依赖通信以及协调性差的限制。为了解决这一问题，研究人员提出了一种融合自适应分区与分层协调的电压优化方法。首先，基于电压-无功功率灵敏度矩阵分析提取节点电气耦合特性。联合应用肘部法和K-means聚类实现网络分区，其中最优分区数被自动确定。在此基础上，建立分层协调控制架构。上层采用基于场景的最恶劣场景调度，以最小化综合运行成本和电压偏差，为每个分区中的分布式发电机生成无功功率调节参考值。下层使用基于电压平方关系的改进下垂控制，使分布式发电机能够根据局部电压偏差实时调整无功功率，从而实现全局优化与局部响应之间的协调。最后，在改进的IEEE 33节点系统上的仿真结果证明了所提出方法在消除电压越限方面的有效性，尤其是在重载条件下。
在碳达峰与碳中和目标的推进下，以可再生能源为主体的新型电力系统建设正在加速。作为清洁能源的重要形式，分布式发电（DG）在配电网中的渗透率不断提高。然而，高比例DG的接入也带来了功率反送和电压越限等挑战。DG输出的波动性与不确定性使得配电网的电压调节变得极其复杂。传统的集中式优化方法在节点数量多且通信要求高的场景下面临计算效率低和适应性差的问题，难以满足实时调节的需求。在此背景下，通过分层与分区控制实现协调调节是提升配电网运行灵活性与电压稳定性的有效途径。现有关于配电网分区方法的研究主要存在两大局限性：一是评估分区质量的权重设置往往依赖经验，缺乏客观依据；二是分区数量的确定仍依赖经验性试错或人工干预，缺乏客观性且可能无法反映系统实际的电气耦合状态。此外，现有结合集中优化与局部反馈的两层控制方案中，上层调度与下层局部控制往往仅是松耦合，调度计划未明确考虑后续局部动作，可能导致全局优化与局部响应之间产生冲突。为了克服上述局限性，研究人员开展了一项关于配电网电压优化的研究，提出了一种融合自适应分区与分层协调的电压优化方法，有效消除了电压越限并提升了系统响应速度。该论文发表在《Energies》期刊上，对于应对高比例可再生能源接入带来的电压波动加剧和运行不确定性增加问题具有重要的工程实践意义与理论价值。
在关键技术方法方面，研究人员首先基于电压-无功功率灵敏度矩阵提取节点电气耦合特性，并将其作为特征向量。随后联合应用肘部法与K-means聚类算法对网络进行自适应分区，通过Kneedle算法自动识别误差平方和（SSE）曲线的拐点，从而无人工干预地确定最优分区数。在控制架构上，上层采用自适应粒子群优化（APSO）算法求解基于场景的最恶劣场景调度模型，样本队列来源于改进的IEEE 33节点系统和一个源于实际区域配电网的51节点双电压等级系统。下层则采用基于电压平方关系的改进下垂控制策略，实现依赖本地电压测量的实时 autonomous 调节。
在自适应分区策略及其协调机制研究结果方面，研究人员基于灵敏度矩阵构建了节点电气耦合特征向量，并通过肘部法自适应确定最优分区数为4。通过在IEEE 33节点系统和51节点系统上进行对比测试，得出结论：引入分区协调机制的方案在各项指标上均优于非分区基准方案。在51节点低压网络中，由于线路阻抗较高，分区协调使得最大电压偏差显著降低了22.4%，总网损节省了8.3%，低压节点越限小时数下降了88.9%。这证明了在电压调节更具挑战性且区域协调需求更强的低压网络场景中，分区协调机制尤为有效。
在分层控制效果研究结果方面，基于自适应分区结构，各分区内的DG以上层优化下发的指令为基准，结合改进下垂控制进行协调调节。研究表明，引入下垂控制后，若系统负荷或光伏输出发生轻微波动，DG能利用下垂特性快速响应，无需等待上层优化算法的重新计算。相比未引入下垂控制，系统的总网损降低了7.09%。在1.4倍基负荷的重载场景下，基于电压平方关系的改进下垂控制与传统线性下垂控制相比，电压标准差降低了11.31%，显著提升了电压稳定性与分配均衡性，且下层能够在毫秒级实现对电压偏差的即时响应。
在不同R/X比配电网的控制性能研究结果方面，对于R/X比约为1.5的原始网络，由于Q-V耦合占据主导，仅调节无功功率Q即可获得满意的电压调节效果。而对于将所有支路电阻乘以5以模拟高电阻条件（R/X比约为7.5）的网络，由于有功功率P和无功功率Q在电压调节作用上发生耦合，仅优化Q会导致电压最大偏差达到0.0928 p.u.，严重越限。当研究人员将控制框架扩展为P和Q共同优化时，电压偏差被抑制回0.0396 p.u.的可接受范围内，且网损大幅降低了68.8%。这证明了该框架在应对不同配电网结构时的灵活性。
在综合优化效果研究结果方面，在IEEE 33节点系统中，优化前系统部分节点电压在低负荷时跌落至0.95 p.u.以下；采用所提策略优化后，所有节点电压被严格控制在[0.96, 1.01] p.u.的安全范围内，关键薄弱节点18的电压在全天保持在合格水平。在51节点双电压等级系统中，未优化前400V低压侧的电压离散性大，最低降至0.896 p.u.，最高达1.147 p.u.；应用优化策略后，该侧所有节点电压被严格控制在[0.95, 1.05] p.u.安全范围内，节点45与节点50的欠电压与过电压风险被有效消除，验证了该方法在多电压等级配电网中的可扩展性与有效性。
最后，在研究结论部分，研究人员总结指出，针对高比例DG接入导致的配电网电压波动加剧与运行不确定性增加问题，本文提出了融合自适应分区与分层协调的电压优化方法。主要贡献包括：一是提出基于灵敏度的聚类分区方法，能够在无人工干预的条件下自动确定最优分区数；二是建立了结合上层基于场景的最恶劣场景调度与下层基于电压平方关系的改进下垂控制的双层协调调节架构。此外，该电压控制框架能够平滑扩展至结合有功/无功功率协调控制的模式，以适应高R/X比的配电网运行场景。在改进的IEEE 33节点与区域51节点系统上的仿真结果证明了所提方法的有效性。
