基于分类的全局优化新方法用于可持续有源配电网

高效保持照明供电

随着家庭、企业和电动汽车接入越来越多可再生能源的电网，把电力从发电厂高效地输送到墙上的插座成为一项关键挑战。传统的社区配电线路并非为屋顶太阳能板或城市中分散的小型发电机设计。本研究探讨了一种升级这些本地电力网络的新途径，使其能更可靠地处理清洁能源、将热损耗降到更低，并更好地支持全球气候与可持续发展目标。

本地配电线路为何造成能量损失

大多数为街区和社区供电的配电网络呈简单的树状：电力从主变电站沿分支向外流向众多用户。这种称为径向的布局建造成本低，但容错性差。随着电力沿长电缆传输，会产生一定能量损失且电压下降，尤以网络远端或负荷突然上升时更为明显。随着空调、电子设备以及电动车充电器的增多，这些弱点愈加突出，导致更高的损耗、更低的效率以及更大的电能质量风险。

将被动电网变为有源电网

现代“有源”配电网试图通过增加小型发电机（如屋顶光伏和其他分布式资源）以及用于微调电压的电容器组来解决这些问题。合理布置这些设备可以让电力在更靠近用电处产生，减轻长电缆的负担并提升电压稳定性。到目前为止，工程师常依赖受自然或社会行为启发的试错式搜索方法来决定设备的放置位置。虽然此类元启发式算法能找到良好解，但它们像黑箱一样运行：高度依赖众多参数的调节，可能陷入次优解，并且在网络规模扩大时变得缓慢且不可预测。

更智能地选择关键位置

本文提出了一条不同路径——基于分类的全局优化。该方法不是盲目在整个电网中搜索，而是先针对每个母线（网络中的连接点）进行分析并分类，依据其电压敏感性、功率消耗量以及在网络结构中的位置。对损耗和电压影响最大的母线成为高优先级候选点。在经过这种基于工程的排序后，方法才进行一个全局优化步骤，平衡两项目标：将电压保持接近理想值以及减少有功和无功功率损耗。通过将搜索空间缩小到最有前景的位置并使用明确的电气规则，该方法相比传统黑箱算法在透明性、速度和可靠性上都有所提升。

在逼真的网络上测试该想法

为评估该方法在实际中的效果，作者在两个国际通用的基准系统上进行了测试：一个包含33个母线，另一个包含69个母线。每种情况下他们考察了三种情景：仅安装电容器组、仅安装分布式发电机（以逆变器为基础的光伏单元建模）以及两者同时安装。对每种情景，他们跟踪了功率损耗、网络中最低的电压值以及反映系统接近不安全运行状态的简单电压稳定性指标。他们还将结果与大量已发表的优化技术进行了比较，从萤火虫启发式搜索到郊狼与群体智能方法，以评估性能与计算代价。

大幅减少损耗并构建更强、更清洁的电网

基于分类的方法带来了显著提升。在33母线系统中，仅增加电容器组将有功损耗减少约三分之一，而单独增加光伏发电机将损耗降低约三分之二。两类设备结合几乎消除了损耗，实现约95%的减少，并将电压稳定性指标提升至接近理想值。在更大、更具挑战性的69母线系统中，趋势相似且更为显著：仅电容器减少损耗约36%，仅发电机约69%，而组合方案使损耗减少超过98%。在两个网络中，最低母线电压都从令人担忧的水平提升到非常接近标称值，尽管问题复杂，仿真时间仍保持在几十秒量级。

对普通电力用户意味着什么

对非专业读者而言，结论很明确：采用更有信息量的基于分类策略，公用事业公司可以更好地决定在哪里放置本地光伏和辅助设备，使现有配电线路更高效、更可靠地输送电能。这带来更少的损耗、更稳定的家庭或商业电压，并为大量可再生能源的接入铺平道路。因为该方法更快、易于解释且能良好扩展到更大网络，它为希望支持清洁能源目标并建立更可持续、弹性电力系统的电力公司提供了实用工具，从而以更聪明的方式让照明稳定运行。

引用: Elazab, R., Salem, A. New classification-based global optimization approach for sustainable active power distribution networks. Sci Rep 16, 13648 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48973-7

关键词: 有源配电网, 分布式发电, 损耗降低, 电压稳定性, 可再生能源接入