《Protection and Control of Modern Power Systems》：Network-partition-based source-load-collaboration voltage regulation with optimal communication routing in active distribution network
编辑推荐：
为解决主动配电网中大规模分布式能源与负荷协同调控带来的通信与控制挑战，本研究提出了一种基于网络分区的源荷协同电压调节方法。研究人员通过图卷积网络与长短期记忆模型评估节点调压能力，并划分了电压支撑区与联合支撑区，分别设计了分布式与集中式控制策略，并优化了通信路由。结果表明，所提方法能有效提升电压质量，为高比例新能源接入下的配电网安全运行提供了新思路。
随着风电、光伏等分布式能源（DERs）大规模接入电网，传统的电力系统正在经历深刻变革。这些清洁能源的“即发即用”特性，在为电网注入绿色电力的同时，也带来了新的挑战——电压波动与越限问题。想象一下，一个原本平静的社区电网，因为晴天时家家户户屋顶的光伏板都在满功率发电，可能会造成局部电压过高；而到了傍晚用电高峰，光伏出力骤降，又可能导致电压过低。这种“过山车”式的电压变化，不仅影响家用电器寿命，更威胁着整个电网的安全稳定运行。
传统上，电网公司通过调节变电站的变压器分接头或投切电容器来维持电压稳定，就像为整个社区统一调节水压。然而，面对数量庞大、分布广泛且出力随机的“产消者”（既发电又用电的用户），这种集中、粗放的控制方式显得力不从心。于是，研究人员开始探索利用这些分布式能源和可控负荷（如电动汽车、智能空调）自身的能力，进行快速、精细的局部电压调节，即“源荷协同电压控制”。这好比让每家每户都能根据自家水压情况，自动微调水龙头或水泵，共同维持社区水管压力稳定。
理想很丰满，现实却很骨感。要实现成千上万个“产消者”的协同控制，需要一个高效可靠的通信网络来传递指令和状态信息。然而，大规模部署专用通信线路成本高昂，而利用公共网络又面临延迟、丢包等不确定性。通信系统的瓶颈，成为了阻碍源荷协同技术落地应用的关键难题。为此，发表在《Protection and Control of Modern Power Systems》上的这项研究，提出了一种创新的解决方案：将复杂的配电网“化整为零”进行分区管理，并为关键控制指令规划最优通信路径，从而在保证控制效果的前提下，最大限度地降低对通信系统的依赖和需求。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，结合图卷积网络（GCN）与长短期记忆（LSTM）模型，构建了一个能够快速评估配电网中各节点电压调节能力（VRC）的智能评估模型。其次，基于评估结果，提出了一种网络分区算法，将整个配电网划分为独立的电压支撑区（VSRs）和需要协同的电压联合支撑区（VJSRs）。针对不同的区域，设计了差异化的控制策略：对于VSRs，采用仅需本地通信的两阶段分布式灵敏度下垂控制；对于VJSRs，则建立基于灵敏度的多VSR集中协调控制框架。最后，为集中控制部分设计了一种考虑信息物理耦合因素（如通信时延和拓扑不确定性）的优化通信路由算法。
研究结果主要从以下几个方面展开：
1. 电压调节能力评估与网络分区
通过所开发的GCN-LSTM模型，能够快速、准确地预测每个节点在面临电压扰动时，其所能提供的无功支撑或负荷调节潜力。基于这一量化指标，研究人员对测试网络进行了分区。结果显示，网络被成功划分为了多个能够实现内部电压自平衡的VSR，以及少数几个需要跨区域协作的VJSR。这验证了所提评估模型与分区方法的有效性，为后续实施分层分区的控制策略奠定了基础。
2. 分区电压控制策略
在划分出的VSR内部，研究采用了分布式控制。首先，通过分布式电压平均值估计算法，将节点划分为“高电压”和“低电压”两种调节状态。随后，实施两阶段控制：第一阶段，所有节点根据本地电压偏差进行灵敏度下垂控制，快速抑制电压偏差；第二阶段，状态相同的节点间通过稀疏的本地通信链路交换信息，进一步优化控制指令，消除误差。仿真表明，该策略仅依靠有限的本地通信，就能使VSR内的电压迅速恢复至正常范围。对于VJSR，研究采用了集中式协调控制。中心控制器收集各相关VSR的边界信息，计算全局最优的协调控制指令，并下发给各VSR的执行单元。通过这种方式，解决了跨区域的电压协同难题。
3. 通信路由优化
针对集中式协调控制所需的通信网络，研究特别设计了一个优化路由算法。该算法不仅考虑了通信路径的长度（时延），还综合了链路可靠性、数据流冲突等网络拓扑不确定性因素。通过求解该优化模型，可以为关键的协调控制信息流自动规划出最可靠、最及时的数据传输路径。仿真对比发现，采用优化路由后，控制指令的传输时延显著降低，且在部分通信链路中断的情况下，系统依然能通过备用路由保持控制功能的连续性，大大增强了控制系统的信息物理韧性。
本研究的主要结论与讨论指出，所提出的基于网络分区的源荷协同电压调控框架，成功地将复杂的全局控制问题分解为局部自治与跨区协调两个层面。通过智能评估与分区，大部分电压问题可以在VSR内部通过分布式方式快速解决，极大地降低了对中心控制器和广域通信的依赖。而对于必须集中处理的跨区耦合问题，则通过优化通信路由来保障关键控制信息的可靠传输。这种方法的核心优势在于，它根据控制任务的实际需求和对通信的依赖程度，差异化地配置了通信与控制资源，实现了“好钢用在刀刃上”。
该研究的具有重要意义。在理论层面，它深度融合了电力系统分析、分布式控制和信息通信技术，为信息物理融合系统（CPS）在配电网中的应用提供了具体范例。在实践层面，所提方法为应对高比例分布式能源接入下的配电网电压控制难题提供了一条经济、可行的技术路径。它启示我们，未来智能配电网的构建不必追求全域、全时的超高速通信，而是可以通过合理的网络架构设计和控制策略分工，在有限甚至不完美的通信条件下，依然实现安全、可靠、高效的运行。这无疑对于加速能源转型，建设新型电力系统具有重要的参考价值。
