面向光伏高比例接入的配电网稳定分区方法：一项学术研究报告
一、 研究团队与发表情况 本研究的主要作者包括孙冉（国网河南省电力公司）、孙玉峰（东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室）、王建波（国网河南省电力公司）、程林（国家电网有限公司西北分部）、陈宁、巨雨薇、张红颖、贾一超（中国电力科学研究院有限公司可再生能源并网全国重点实验室）以及王健（东北电力大学，为通信作者）。该项研究成果以《光伏高比例接入配电网场景下的稳定分区方法》为题，发表于《电力自动化设备》（Electric Power Automation Equipment）期刊2026年3月出版的第46卷第3期。
二、 学术背景 本研究属于电力系统分析与控制领域，具体针对新能源并网环境下配电网（Distribution Network）的电压稳定与无功优化控制问题。随着以新能源为主体的新型电力系统建设推进，分布式光伏（Photovoltaic, PV）的高比例接入给配电网带来了显著挑战。一方面，光伏出力的随机性导致配电网潮流（Power Flow）分布复杂多变；另一方面，其接入使得网络拓扑更加复杂。这导致传统的集中式无功/电压控制难以满足调控的精确性与快速性要求。为解决此问题，业界普遍采用“无功就地平衡”原则，将大电网划分为多个相互解耦的独立区域（分区）进行二级电压控制。然而，现有主流的分区方法——特别是“无功潮流距离方法”——在光伏高比例接入场景下面临严峻挑战。由于光伏多采用恒功率因数控制，其无功出力随有功出力频繁且大幅度波动，导致基于线路实时无功潮流信息构建的电气距离不断变化，进而使分区结果随之频繁变动。这种不稳定性使得电压控制策略需要频繁调整，可能恶化控制效果，甚至威胁电压稳定。因此，本研究旨在提出一种稳定的分区方法，该方法不仅需要考虑电网的静态拓扑结构，还需有效计及光伏出力随机性带来的影响，从而在潮流频繁波动的场景下获得相对固定的分区结果，为后续稳定的电压控制奠定基础。
三、 详细研究流程与方法 本研究的工作流程环环相扣，主要包含以下几个核心步骤：
构建光伏出力波动下的节点电压数据集：此步骤旨在量化光伏随机性对电网节点电压的影响。首先，研究采用高斯混合模型（Gaussian Mixture Model, GMM）对光伏并网点的历史无功出力数据进行概率建模。GMM能够较好地刻画无功出力的多峰分布特征，从而得到表征其概率特性的“典型曲线”。接着，利用蒙特卡罗模拟（Monte Carlo Simulation, MCS）进行概率潮流计算。在每次抽样中，根据GMM生成光伏的无功出力样本，并依据恒功率因数控制下的强耦合关系（P = Q / tanφ）同步确定有功出力样本。将这些随机出力量作为输入，重复进行大量（本研究采用10,000次）确定性潮流计算，最终得到每个节点电压的幅值分布数据集。这一过程建立了“光伏随机出力”与“节点电压概率分布”之间的映射关系。
构建综合电气距离：这是本研究的创新核心，旨在定义一个兼顾稳定性与电气关联性的距离度量。该距离由两部分构成：
基于聚类算法的初步分区与动态调整：利用上一步得到的综合电气距离矩阵，研究采用亲和力传播聚类算法（Affinity Propagation, AP）进行自动分区。AP算法的优点在于无需预先指定聚类数目，通过数据点之间的消息传递自动识别聚类中心。以综合电气距离的负值作为相似度输入，AP算法输出初步的分区结果。随后，研究引入了一项重要的物理约束进行分区校验与调整：动态无功储备裕度。计算每个分区内所有光伏逆变器可提供的动态无功调节总量与分区内动态无功需求量的比值。若某分区的裕度为负或不满足要求，则将其与相邻的、裕度充足的分区进行合并。此迭代过程确保最终每个分区都具备足够的本地动态无功资源以应对电压波动，从而满足电压控制的可行性要求。
分区结果的有效性与质量评价：得到最终分区结果后，研究从两个层面进行评价。首先是有效性校验，包括四个硬性约束：分区内节点电气连通、分区数目合理、每个分区至少包含一个无功源（光伏）、每个分区动态无功裕度满足要求。任何分区结果必须全部满足这四点才被视为有效。其次是质量评价，采用两个指标：模块度（衡量分区内部耦合紧密、外部耦合松散的程度，理论最优区间为[0.3,0.7]）和分区变动率（衡量在多个不同运行时刻下，分区结果保持一致性的程度，变动率越低说明方法越稳定）。
仿真验证：为验证所提方法的有效性与优越性，研究在MATLAB/Simulink平台上搭建了IEEE 33节点测试系统，并设置了两种对比场景。通过仿真，获取了GMM拟合结果、MCS概率潮流下的节点电压分布、不同时刻下的综合电气距离与对比方法（传统无功潮流距离方法）的距离、以及最终的分区结果拓扑图。关键对比集中于：在不同光伏渗透率情况下，比较本文方法与传统方法在平均模块度和分区变动率两个指标上的表现。
四、 主要研究结果 研究的每一步都产生了支撑最终结论的关键结果：
GMM与MCS结果：对三组光伏无功出力数据成功拟合出由4个高斯分量构成的GMM，证实了光伏无功出力的多模态特性。MCS收敛性分析表明，当模拟次数达到10,000次时，统计距离结果已趋于稳定（与20,000次基准的差异率小于0.05%），验证了所选计算量的充分性。概率潮流结果显示，相邻节点的电压变化趋势具有高度一致性，这为后续基于电压分布相似性进行分区提供了数据基础。
电气距离特性结果：这是证明方法稳定性的关键。计算显示，在三个不同的典型时刻，基于灵敏度定义的电气距离和基于EMD的统计距离均保持不变。因此，由它们构成的综合电气距离也保持不变。相比之下，作为对照的、仅基于实时无功潮流定义的“无功潮流距离”在三个时刻的值各不相同。这直观地表明，本文方法构建的距离指标不受短期无功潮流波动的影响，而传统方法则对波动非常敏感。
分区结果与校验：在两种测试场景下，应用本文方法均得到了有效的分区结果（满足四项有效性约束）。特别是在一种需要动态调整的场景中，初始分区有一个分区动态无功裕度为负（α4 = -0.0351 < 0），通过合并相邻分区，最终得到了所有分区裕度均为正的结果，证明了动态调整机制的必要性和有效性。
方法对比结果：这是凸显本文方法优越性的核心证据。仿真对比表明：在两种场景下，本文方法的平均模块度（分别为0.6691和0.6599）均高于传统无功潮流距离方法（0.6572和0.6361），且均处于较优的[0.3, 0.7]区间，说明本文方法能得到内部耦合更紧密、分区更合理的结构。更重要的是，在分区变动率指标上，本文方法在场景1下为0%（完全不变），在场景2下为12.50%；而传统方法在两个场景下的变动率分别高达54.17%和83.33%。这强有力地证明，在光伏出力导致无功潮流频繁波动的场景下，本文所提方法得到的分区结果具有极高的稳定性，而传统方法的分区结果则频繁变化。
五、 研究结论与价值 本研究提出并验证了一种适用于光伏高比例接入配电网场景的稳定分区方法。主要结论如下： 1. 通过结合高斯混合模型、蒙特卡罗概率潮流和推土机距离，成功构建了一种能够表征光伏随机性影响、且不随短期潮流波动而变化的综合电气距离。 2. 基于该综合电气距离，结合亲和力传播聚类算法与动态无功裕度约束调整，能够自动生成既满足电气耦合特性、又具备足够无功调节能力的稳定配电网分区。 3. 与现有的无功潮流距离方法相比，本方法在保证分区质量（模块度更优）的同时，显著降低了分区结果对无功潮流波动的敏感性，分区变动率大幅下降，从而为后续二级电压控制提供了稳定、可靠的分区基础。
该研究的科学价值在于为动态不确定环境下的电网结构分析提供了新思路，将概率统计思想与经典电气距离相结合，创新性地解决了分区结果随随机波动频繁变化这一难题。其应用价值显著，所提方法能够直接应用于高比例光伏接入的配电网规划与运行中，为设计稳定、可靠的无功电压分层分区控制系统提供关键技术支持，有助于提升新型电力系统下配电网的电压稳定性与运行安全性。
六、 研究亮点 1. 问题导向的创新：精准抓住了现有“无功潮流距离方法”在光伏恒功率因数控制场景下的根本缺陷——分区结果随无功潮流频繁变化，并提出了针对性的解决方案。 2. 方法融合新颖：创造性地将概率统计领域的工具（GMM、EMD）与电力系统分析方法（灵敏度分析、聚类算法）深度融合，用“统计距离”量化不确定性下的节点关联，是跨学科方法的成功应用。 3. 稳定性突出：所提方法的核心输出——综合电气距离及最终分区结果——被证明在光伏出力波动下具有高度的稳定性，这是相较于传统方法的决定性优势。 4. 工程实用性：不仅考虑了数学上的聚类最优，还通过引入“动态无功裕度”约束和调整机制，确保了分区结果在物理上的可实施性，使理论研究紧密贴合工程实际需求。
七、 其他有价值内容 研究附录中提供了推土机距离和节点电压灵敏度距离的具体计算公式、完整的方法流程图、详细的仿真参数设置、高斯混合模型的拟合效果图、蒙特卡罗概率潮流的收敛性分析曲线、不同权重系数对分区结果的影响分析表以及详细的电气距离计算结果对比表。这些内容为读者复现研究、深入理解方法细节提供了完备的支撑材料。特别是电气距离对比表，清晰展示了本文方法距离的“不变性”与传统方法距离的“时变性”，是支撑核心论点的关键数据。