蜂巢配電網(wǎng)的核心特征、關(guān)鍵問題與研究思路

祖國強，王蕾，肖峻，徐科，楊添剴，唐慶華

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津市 300384；2.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072；3.國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，天津市 300190；4.大連海事大學船舶電氣工程學院，遼寧省大連市 116026）

0 引言

隨著全球能源供應向清潔、低碳、電氣化轉(zhuǎn)型，未來配電網(wǎng)功能將更加多元化，責任也更加重大。不斷增長的分布式電源（distributed generator，DG）、儲能和電動汽車、海量用戶資源管理、兼容冷-熱-氣等多種能源以及與信息系統(tǒng)耦合等新需求，將使得配電網(wǎng)從單純的電力配送者轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N負荷、DG以及上級電網(wǎng)間的能量傳輸、分配、存儲與交易平臺。同時，潮流由單向變?yōu)殡p向、源-荷雙端的高度不確定性、電力電子化以及電能質(zhì)量等問題，給配電網(wǎng)的規(guī)劃運行帶來了巨大挑戰(zhàn)［1］。

目前，解決上述問題主要依靠新設備和新運行方法，包括增加儲能、電力電子設備、自動化裝置，采用微網(wǎng)、需求側(cè)管理等手段，而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方面的研究則相對較少。實際上，結(jié)構(gòu)是配電網(wǎng)的基礎(chǔ)元素，決定了設備、運行以及管理等技術(shù)對系統(tǒng)提升效果的上限［2］。例如，饋線自動化技術(shù)應用于單輻射線路只能快速隔離故障，而用于手拉手聯(lián)絡線路則可進一步提升其網(wǎng)絡潮流轉(zhuǎn)移能力。因此，合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是滿足未來配電網(wǎng)需求的關(guān)鍵因素，可以增強配電網(wǎng)高級形態(tài)下可調(diào)度資源在運行中的協(xié)同支撐能力，釋放新設備和新技術(shù)的潛能。

當前的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選擇注重可靠性，一般以雙環(huán)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)為目標網(wǎng)架，經(jīng)過實踐檢驗也確是適合城市配電網(wǎng)的高可靠網(wǎng)架。但是，對于未來高比例可再生能源配電系統(tǒng)，一旦儲能技術(shù)取得突破，臺區(qū)內(nèi)源-荷就有潛力實現(xiàn)能量的自平衡，中壓線路的負載率也將進一步降低，甚至只起到備用作用。目前，國內(nèi)一些光伏發(fā)展較快的地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)臺區(qū)功率長期倒送的情況，需要做好預案。

近年來，一些學者陸續(xù)提出不同的未來配電網(wǎng)的形態(tài)方案，包括低壓直流儲能微網(wǎng)［3］、能源局域網(wǎng)［4］、綜合配電網(wǎng)［2］、點對點（P2P）結(jié)構(gòu)［5］、單元控制區(qū)域（CELL）［6］、微網(wǎng)群［7］以及柔性配電網(wǎng)［8］等。其中，微網(wǎng)群和柔性配電網(wǎng)的融合可看做是蜂巢配電網(wǎng)（honeycomb distribution network，HDN）的雛形。

首先，為滿足更高比例DG 的消納需求，出現(xiàn)了多微網(wǎng)互聯(lián)形態(tài)，如歐盟ELECTRA 項目提出了“Web of Cell”的配電網(wǎng)分散管理體系［6］，但已有方案多采用傳統(tǒng)聯(lián)絡線對微網(wǎng)進行互聯(lián)，難以滿足微網(wǎng)并網(wǎng)/孤島切換的靈活性以及微網(wǎng)間功率實時交換的需求。其次，多狀態(tài)軟開關(guān)（soft open point，SOP）是一種替代傳統(tǒng)機械開關(guān)的電力電子裝置，具有靈活的潮流控制能力，可在系統(tǒng)故障時限制短路電流，以實現(xiàn)配電網(wǎng)閉環(huán)運行［9］。綜合微網(wǎng)群和柔性配電網(wǎng)，文獻［10］提出用柔性“HUB”替代傳統(tǒng)公共連接點（point of common coupling，PCC），多個微網(wǎng)通過HUB 進行功率交互。文獻［11］將微網(wǎng)設想為能源互聯(lián)網(wǎng)的細胞，不同細胞之間采用能量路由器互聯(lián)；文獻［12］表明了柔性互聯(lián)可以提升微網(wǎng)群的DG 消納能力；文獻［13］提出了基于柔性互聯(lián)的配電網(wǎng)負荷均衡方法。文獻［14］中提出，未來配電網(wǎng)可能具有蜂巢狀的結(jié)構(gòu):高壓、中壓、低壓配電網(wǎng)均以可控六邊形饋線網(wǎng)格構(gòu)成多環(huán)自相似結(jié)構(gòu)，基于SOP 對全系統(tǒng)進行精細點對點能量傳輸控制。但是，文獻［14］只給出了HDN 的宏觀形態(tài)，并未給出具體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。文獻［15］也指出了未來配電網(wǎng)可能向蜂窩狀交直流混合模式轉(zhuǎn)變。文獻［16］探討了蜂巢結(jié)構(gòu)應用于綜合能源系統(tǒng)的可能性。文獻［17］中提出一種HDN 組網(wǎng)方案:以智能功率交換基站為核心，將多個源-荷-儲規(guī)范配置的微網(wǎng)柔性互聯(lián)。每個微網(wǎng)供電范圍呈六邊形，與6 個基站互聯(lián)；基站可根據(jù)所互聯(lián)微網(wǎng)的需求進行能量調(diào)控，公共配電網(wǎng)再基于基站信息對配電網(wǎng)進行全局監(jiān)控；文獻［17］還對比分析了HDN 與其他配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。同時，仿真研究提出了HDN 的分布式優(yōu)化調(diào)度［18］和可靠性評估方法［19］，探索了山區(qū)HDN 的運行控制方式［20］，為HDN 的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

蜂巢結(jié)構(gòu)為未來配電網(wǎng)的形態(tài)演變提供了方向，但當前研究總體還處于探索階段，HDN 的核心特征與關(guān)鍵問題尚不清晰。本文在已有HDN 研究的基礎(chǔ)上，進一步解決上述問題，為HDN 的系統(tǒng)研究和實際構(gòu)建提供了思路和方案。

1 蜂巢結(jié)構(gòu)在配電網(wǎng)中應用的優(yōu)勢

蜂巢結(jié)構(gòu)泛指以正六邊形（體）緊密排列構(gòu)成的幾何結(jié)構(gòu)，因類似蜜蜂巢穴而得名，不僅在自然界廣泛存在（如石墨烯、芳香烴、昆蟲復眼等），也在航天、建筑、通信等多個領(lǐng)域展示了良好性能。例如，蜂窩移動通信網(wǎng)絡所用小區(qū)（基站）數(shù)量最少［21］；蜂巢狀多孔材料強度高且重量輕［22］；蜂巢拓撲多處理器結(jié)構(gòu)成本低、容錯率高［23］。蜂巢系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應用表明，相比于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的樹狀層級結(jié)構(gòu)，蜂巢結(jié)構(gòu)具有典型的扁平化特征:更加靈活、支持互動、易于擴展，非常適合未來配電網(wǎng)的發(fā)展需求。具體包括如下4 個方面:

1）易于實現(xiàn)能量的點對點靈活轉(zhuǎn)移。未來配電網(wǎng)是城市能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設施，充分的電力市場條件下，不同節(jié)點之間需要實時的能量互動。傳統(tǒng)配電網(wǎng)樹狀結(jié)構(gòu)中，節(jié)點一般只有接收上級能量的單一渠道，能量互動存在困難。蜂巢網(wǎng)絡中，節(jié)點控制力更強、節(jié)點之間能量信息通路更多、平均傳遞路徑更短、節(jié)點間地位更加平等，易于實現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點間的點對點能量轉(zhuǎn)移。

2）滿足靈活性需求。靈活性是應對DG、電動汽車等新元素不確定性的重要資源，包括可控性和連通性兩個維度［24］。傳統(tǒng)配電網(wǎng)連通度較低，機械開關(guān)動作受限，靈活性不高。蜂巢結(jié)構(gòu)則具有很高的連通性和冗余度［23］:任一節(jié)點都通過3 條流量可控路徑與其他節(jié)點互聯(lián)，系統(tǒng)故障后不同節(jié)點容量互為備用，可實現(xiàn)多種連通模式的靈活切換，同時實現(xiàn)對潮流的靈活控制。

3）滿足局部能量自治需求。對于包含高比例分布式可再生能源的配電網(wǎng)，由于DG 規(guī)模巨大，集中式調(diào)度將出現(xiàn)平臺計算量以及通信壓力過大的問題，故調(diào)控權(quán)限將部分下沉到微網(wǎng)，而現(xiàn)有配電網(wǎng)“頭重腳輕”的樹狀結(jié)構(gòu)難以適應上述要求。蜂巢結(jié)構(gòu)可簡化上游變電站至末端用戶之間的層級劃分，其網(wǎng)格化特征與未來大規(guī)模微網(wǎng)組網(wǎng)的形態(tài)吻合，有利于通過微網(wǎng)實現(xiàn)局部能量控制。

4）滿足可擴展性需求。未來，配電網(wǎng)規(guī)劃方案需要具有靈活調(diào)整的能力，以應對技術(shù)和政策層面的不可預見性。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃方案制定以及擴建周期相對較長，而蜂巢結(jié)構(gòu)具有模塊化的接線模式，其網(wǎng)架擴展可等效為基本單元的增加，降低配電網(wǎng)擴建難度。

2 HDN 的核心特征與構(gòu)建基礎(chǔ)

與多微網(wǎng)、柔性配電網(wǎng)等形態(tài)相比，HDN 既有區(qū)別也存在聯(lián)系，因此，有必要指出HDN 的核心特征，明確HDN 在結(jié)構(gòu)和運行等方面的獨特性。此外，未來配電網(wǎng)的遠景目標形態(tài)需要分階段演進實現(xiàn)，現(xiàn)有配電網(wǎng)的一些技術(shù)進展很好地滿足了HDN的核心特征，也為構(gòu)建HDN 提供了基礎(chǔ)。

圖1 給出了滿足核心特征的一種中低壓HDN典型結(jié)構(gòu)。柔性互聯(lián)設備（flexible interconnected device，F(xiàn)ID）是HDN 的頂點設備與能量分配樞紐，借鑒文獻［17］的智能功率交換基站概念，F(xiàn)ID 可以基于SOP、固態(tài)變壓器、儲能、通信模塊以及控制器構(gòu)建，同時具有多種形式能源接入的可擴展性?；ヂ?lián)低壓蜂巢單元的FID 記為FIDL，互聯(lián)中壓饋線的FID 記為FIDM，位置相近的FIDM和FIDL合并設計以節(jié)約空間。蜂巢單元是HDN 的基本單元，可根據(jù)負荷和DG 的類型選擇直流、交流或混合微網(wǎng)，每個蜂巢單元有1 個或多個PCC，通過多個FID 接口與其他蜂巢單元或上級電網(wǎng)連接/斷開，以聯(lián)網(wǎng)/孤島兩種模式運行。中壓網(wǎng)架可采用交流或直流，形成多環(huán)結(jié)構(gòu)的交直流混合配電網(wǎng)。

圖1 滿足核心特征的非對稱多電壓等級HDN 典型形態(tài)Fig.1 Typical morphology of asymmetrical multivoltage-level HDN with core features

本文指出HDN 核心特征包括以下3 點:1）區(qū)域能量自治與分層分群運行；2）多接口模塊化單元設計；3）節(jié)點和支路的廣義柔性。下文進行詳細介紹。

2.1 區(qū)域自治與分層分群運行

2.1.1 特征內(nèi)涵

為便于電能的統(tǒng)一調(diào)度和分配，同時有利于地區(qū)能源資源的合理開發(fā)，配電系統(tǒng)一直以來均采用集中發(fā)展的模式。然而，傳統(tǒng)的集中控制模式處理數(shù)百甚至數(shù)千個監(jiān)測點和控制點的信息尚可，但隨著大規(guī)模分布式資源的接入以及實時能量信息的互動需求，集中調(diào)控的運行管理方式暴露出了弊端［25］，而HDN 采用分層分群的運行方式解決了這一問題。

HDN 中，每個蜂巢單元都是單個可控的實體，必須具備自我管理能力，這首先體現(xiàn)在能量的自治能力上，包括一定比例的自發(fā)自用，以及基于儲能、需求響應的內(nèi)部功率平衡策略等。因此，HDN 的實現(xiàn)前提之一是高比例的DG 接入。已有研究提出了“雪花”配電網(wǎng)［26］、“芳香”配電網(wǎng)［27］等新結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)，這些網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有六邊形的特征，但不具備能量自平衡的特征，仍屬于傳統(tǒng)高可靠配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與新加坡的“梅花瓣”配電網(wǎng)、上海的“鉆石”配電網(wǎng)［28］等類似，不屬于HDN 研究范疇。

基于蜂巢單元的區(qū)域自治能力，HDN 采用分層分群運行的方式。首先，每個蜂巢單元有義務盡量維持與其他蜂巢單元、上級電網(wǎng)之間的計劃功率，同時其內(nèi)部分布式發(fā)電的調(diào)節(jié)需要隨時吸收自身負荷的變化，即使在有擾動的情況下，也需盡量達到此標準。為此，蜂巢單元需要根據(jù)自身實際特征制定一套規(guī)劃運行策略，部署能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）。其次，F(xiàn)ID 也需要具備信息監(jiān)控與處理功能，匯集所連接蜂巢單元的運行狀態(tài)信息，并對蜂巢單元進行就地控制。

需要指出，DG 通過微網(wǎng)并網(wǎng)可以更好地滿足HDN 的區(qū)域自治與分層分群運行特征，這也是HDN 設計的初衷。對于少量分散且距離負荷較遠的DG，仍可以采用直接并網(wǎng)等方式。

HDN 的分層分群運行架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 HDN 的分層分群運行架構(gòu)Fig.2 Hierarchical clustering operation framework of HDN

2.1.2 特征構(gòu)建基礎(chǔ)

1）區(qū)域能量自平衡

從空間尺度上，區(qū)域能量自平衡實現(xiàn)的難度一般隨著區(qū)域空間尺度的減小而增加。

在較小空間尺度的中低壓配電網(wǎng)層面，發(fā)展分布式光伏是實現(xiàn)能量自平衡的重要途徑。2021 年6月，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于報送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》［29］，多數(shù)省市用戶光伏并網(wǎng)允許接入變壓器容量的比例上限已放寬到80%，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)長時間的光伏功率從臺區(qū)倒送到10 kV 的場景；“光儲直柔”、建筑光伏一體化等技術(shù)的推廣催生了0.4 kV“Nano-grid”。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，至少對于廣大的縣域配電網(wǎng)，將具備在中壓饋線級、臺區(qū)級、用戶級等較小空間尺度內(nèi)的能量自平衡能力。從這一點考慮，HDN 應該率先在縣域配電網(wǎng)示范應用。

在較大空間尺度上，大電網(wǎng)一直以來都采用分層分群的調(diào)控方式。例如，北美電網(wǎng)中約有70 個平衡區(qū)，一個平衡區(qū)在地理區(qū)域上是唯一的運行實體，各平衡區(qū)的調(diào)度中心安裝有先進、成熟的監(jiān)控系統(tǒng)。本質(zhì)上，HDN 就是大電網(wǎng)分層分群概念在配電網(wǎng)的應用。對于大型城市配電網(wǎng)，由于土地空間資源有限、負荷密度高，短期內(nèi)實現(xiàn)能量自平衡的難度很大，代價也更高，而在更大空間尺度的高壓配電網(wǎng)層面實現(xiàn)能量自平衡更加現(xiàn)實。此時，分散的風力發(fā)電可以進一步補充清潔電量，如利用110 kV 高壓配電網(wǎng)將風電從大型城市的周邊郊縣輸送到城市中心，一般傳輸線路長度在50～100 km，相比于特/超高壓遠距離功率傳輸更容易保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在這種情形下，城市負荷中心區(qū)域和相鄰的郊縣區(qū)域也構(gòu)成了廣義上的蜂巢單元，構(gòu)成高電壓等級的HDN，此時，蜂巢單元內(nèi)部可以采用傳統(tǒng)的雙環(huán)網(wǎng)等高可靠性網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2）區(qū)域能量信息管理

區(qū)域自治的實現(xiàn)需要依賴區(qū)域EMS，如城市電網(wǎng)調(diào)度采用的EMS 和微網(wǎng)中的Micro-EMS 等。2019 年以來，國家電網(wǎng)有限公司大力推廣配電物聯(lián)網(wǎng)建設，重點工作就是部署臺區(qū)智能終端（transformer terminal unit，TTU），也稱智能融合終端，目前已在上海、北京、天津、蘇州等城市核心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大面積覆蓋。TTU 具備邊緣計算能力，可以就地處理部分信息并下達指令，分擔主站的信息處理壓力，與配電物聯(lián)網(wǎng)主站構(gòu)成了云-邊協(xié)同、分層分區(qū)的信息與控制架構(gòu)［30］?，F(xiàn)階段的TTU 主要承擔停電告警、低壓設備監(jiān)測、臺區(qū)拓撲識別等簡單功能。在未來臺區(qū)DG 大規(guī)模接入場景下，可以將TTU 升級為臺區(qū)的EMS，成為蜂巢單元的“大腦”，為臺區(qū)內(nèi)的光伏、電動汽車、熱泵等提供監(jiān)控和運行優(yōu)化服務，同時與相鄰臺區(qū)進行信息交互，進一步與FID 集成形成一二次融合智能設備。

2.2 多接口模塊化設計

2.2.1 模塊化特征內(nèi)涵

未來配電網(wǎng)的供需將呈現(xiàn)多元化、個性化、定制化的特征，由于多元負荷預測（尤其是短期預測）、預判技術(shù)發(fā)展趨勢和政策變化的固有局限性，僅依靠傳統(tǒng)規(guī)劃方法難以應對快速迭代的用戶需求。

HDN 的模塊化設計是指在不同發(fā)展階段、不同類型用戶需求和資源稟賦分析的基礎(chǔ)上，提前設計出一系列標準的蜂巢單元存儲在規(guī)劃方案庫，通過不同蜂巢單元的選擇和組合可以快速構(gòu)建區(qū)域配電網(wǎng)。蜂巢單元的元素包括DG 布置、儲能配置、內(nèi)部網(wǎng)架架構(gòu)、與外部電網(wǎng)接口的個數(shù)（互聯(lián)FID 的數(shù)量）和容量、電能質(zhì)量治理配套設施等。例如，對于風光資源相對充足的鄉(xiāng)村低密度負荷地區(qū)，可以配置較高容量的分布式光伏和儲能，單元內(nèi)以直流網(wǎng)架為主，預留較小容量的上級電網(wǎng)/相鄰蜂巢單元交互接口，構(gòu)建較小空間尺度的蜂巢單元；對于風光資源相對不足但可靠性標準較高的城市高密度負荷地區(qū)，可以配置較少的光伏與儲能，蜂巢單元內(nèi)沿用雙環(huán)網(wǎng)等成熟的高可靠交流網(wǎng)架，同時在高壓變電站內(nèi)布置FID 裝置與上級電網(wǎng)/相鄰蜂巢單元形成交互。

模塊化設計使得HDN 可以在規(guī)劃中以少變應對多變:蜂巢單元具有標準的物理連接接口，從而平衡了用戶多元化、定制化和配電網(wǎng)整體規(guī)劃之間的矛盾。從復雜網(wǎng)絡的視角，蜂巢單元因其具有自平衡、自洽能力以及對外功率交易能力，可作為一個類似細胞的“生命體”［11］，只要服務對象（用戶、電源、儲能、電網(wǎng)）有發(fā)展需求，那么這個生命體就會像細胞一樣增殖生長，從而演進成為HDN。

為了保證相鄰蜂巢單元具有充分的能量交互通道，每個蜂巢單元一定是多個接口的。對于六邊形供電區(qū)域蜂巢單元，接口數(shù)量是6 個，然而實際中需要滿足具體地理條件約束，數(shù)量一般為3～6 個。相比于多個微網(wǎng)共用一個HUB 的拓撲［10］，這種分布式的互聯(lián)更加符合能源互聯(lián)網(wǎng)的理念:一方面，每個FID 連接的蜂巢單元并不多（3、4 個），故不存在典型的重要節(jié)點，減少了蓄意攻擊核心節(jié)點造成大面積停電的可能性；另一方面，蜂巢單元的備用電源點也更多，運行方式更加靈活，可靠性也更高［18-19］。

需要指出，蜂巢形拓撲是對稱的，理論上蜂巢單元的供電區(qū)域為正六邊形，蜂巢單元接口數(shù)量恒定為6 個，每個FID 互聯(lián)蜂巢單元為3 個，但由于受到地理因素和負荷分布的影響很難實現(xiàn)，因此不作為HDN 的核心特征。文獻［17］也指出，蜂巢單元可以是四邊形、三角形的形狀。

2.2.2 模塊化特征構(gòu)建基礎(chǔ)

2.2.2.1 模塊化設計

模塊化一直是配電網(wǎng)規(guī)劃設計人員秉持的理念，基于這一理念的“網(wǎng)格化”規(guī)劃已成為當前配電網(wǎng)規(guī)劃設計導則的內(nèi)容。在網(wǎng)格化規(guī)劃中，配電網(wǎng)分為供電區(qū)域、供電網(wǎng)格、供電單元三級。例如，以變電站供電范圍為供電區(qū)域，由聯(lián)絡開關(guān)或開環(huán)點分開的各個相對獨立的10 kV 配電區(qū)域構(gòu)成供電網(wǎng)格，將各網(wǎng)格內(nèi)的臺區(qū)以及10 kV 用戶定義為供電單元［31］。網(wǎng)格化為構(gòu)建不同空間尺度的蜂巢單元提供了方法基礎(chǔ)。此外，DG-儲能-負荷形成的微網(wǎng)規(guī)劃設計方法也可以作為蜂巢單元模塊化設計的重要參考。

需要指出，配電網(wǎng)規(guī)劃與城市規(guī)劃密不可分，模塊化的城市規(guī)劃布局也有利于HDN 的構(gòu)建。例如，西班牙的巴塞羅那市（Barcelona）以棋盤式的路網(wǎng)對大約9 km2用地進行了均分，劃分出500 多個面積約113 m2的街坊，形成了小街坊、密路網(wǎng)的格局［32］，而每個小街坊的供電網(wǎng)易于升級為蜂巢單元。

2.2.2.2 多接口設計

多接口設計是當前配電網(wǎng)與HDN 差距較大的一個特征。在供電區(qū)域?qū)用?，相鄰的不?10 kV 變電站之間可以通過10 kV 饋線建立多個聯(lián)絡；在10 kV 中壓饋線層面，每條饋線通常與2～4 條其他饋線建立聯(lián)絡，這些聯(lián)絡開關(guān)可以看做是接口的雛形。但0.4 kV 臺區(qū)以下線路則為純輻射狀接線，并不具備多接口的基礎(chǔ)。即使是多微網(wǎng)/微網(wǎng)群示范工程，每個微網(wǎng)一般也只通過一個PCC 與上級電網(wǎng)或者其他微網(wǎng)互聯(lián)，不具備多接口的特征。

2021 年初，國家電網(wǎng)有限公司啟動低壓柔性直流臺區(qū)推廣工作，為臺區(qū)的多接口設計提供了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。臺區(qū)集中式柔性互聯(lián)的典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示，臺區(qū)經(jīng)由低壓側(cè)一路交流電纜引出，通過AC/DC 轉(zhuǎn)換器連接至公共直流母線，并在直流側(cè)預留各種新能源、儲能或是負載的接口。每個臺區(qū)可以看做是一個蜂巢單元，如果臺區(qū)可以通過其他線路接入更多的低壓FID，與其他臺區(qū)進一步互聯(lián)，則將具備蜂巢單元的多接口特征。

圖3 集中式低壓臺區(qū)柔性直流互聯(lián)Fig.3 Centralized flexible DC interconnection of lowvoltage service transformers

2.3 節(jié)點和支路的廣義柔性

2.3.1 柔性特征內(nèi)涵

為了滿足能量的靈活流動需求，HDN 必須具備高度可控性，成為廣泛柔性的配電網(wǎng)，這與傳統(tǒng)配電網(wǎng)電力瞬時平衡、潮流按線路參數(shù)分布的“剛性”特征相悖。

柔性的概念在過程系統(tǒng)中被首次提出，是指系統(tǒng)應對各種不確定因素的響應能力，體現(xiàn)了系統(tǒng)自身對于內(nèi)部或外部變量變化的應變能力。HDN 的柔性體現(xiàn)在節(jié)點和支路兩個方面，本文統(tǒng)一稱其為廣義柔性。節(jié)點柔性將用以改變功率只能瞬時平衡的剛性電網(wǎng)特征，主要通過部署儲能、參與需求響應的負荷以及電網(wǎng)-電動汽車互動等手段實現(xiàn)，節(jié)點不僅包括一般的用戶節(jié)點，還包括FID 連接的負荷或儲能節(jié)點。支路柔性則彌補了節(jié)點靈活性在空間上分布的不均衡性，主要利用FID 實現(xiàn)潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，不同電壓等級互聯(lián)節(jié)點還可以利用固態(tài)變壓器等裝置實現(xiàn)柔性互聯(lián)。

2.3.2 柔性特征構(gòu)建基礎(chǔ)

配電網(wǎng)的柔性化是近年來學術(shù)研究和工程示范的焦點之一。在節(jié)點柔性方面，分布式儲能發(fā)展較為迅速，但目前仍然存在能量密度較低、運維工作量大、價格高昂以及安全性低等問題。因此，大力發(fā)展需求響應技術(shù)是提供節(jié)點柔性的另一個有效途徑，包括負荷精準調(diào)控、虛擬電廠、虛擬儲能技術(shù)等。值得注意的是電動汽車的快速發(fā)展:一方面，充分的市場競爭促使電化學儲能技術(shù)不斷更新迭代；另一方面，電動汽車也是靈活的可調(diào)控負荷，大規(guī)模有序充電甚至車網(wǎng)互動（vehicle to grid，V2G）行為可以為配電網(wǎng)提供柔性資源。2021 年，國家電網(wǎng)有限公司在天津、江蘇、上海等多個省市開展了規(guī)模化多場景的車網(wǎng)互動試點應用。

在支路柔性方面，配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)已有10 余年的理論研究基礎(chǔ)，目前的示范工程建設主要針對高壓和中壓配電網(wǎng)，如英國的Network Equilibrium 項目和中國北京懷柔的三端柔性環(huán)網(wǎng)示范工程等。相比而言，低壓柔性互聯(lián)針對臺區(qū)級的局部配電網(wǎng)優(yōu)化問題，因其成本相對較低、應用場景多樣、直接面向直流電源和負荷，更有潛力實現(xiàn)率先推廣。英國FUN-LV 工程對比示范了24 套低壓FID［33］，中國寧波北侖開展了國內(nèi)最早的柔性臺區(qū)示范工程。隨著分布式光伏滲透率的不斷提高以及用戶側(cè)多能互補技術(shù)的發(fā)展，臺區(qū)的能量自平衡能力將進一步提升，從而弱化了臺區(qū)與中壓網(wǎng)的能量耦合程度，此時的網(wǎng)絡也將具備分層分群運行的基礎(chǔ)條件，向著真正的HDN 演進。中國山西芮城縣的窯洞光伏+直流配電項目，便是一個接近HDN的樣例［34］。

未來，中壓+低壓嵌套式的多電壓等級柔性互聯(lián)可能使得配電網(wǎng)的柔性程度達到非常高的水平，但不同電壓等級之間的FID 協(xié)調(diào)運行控制策略、故障特征機理將更為復雜，需要進一步研究。以某工業(yè)園區(qū)4 端口中壓多狀態(tài)開關(guān)示范工程為例，考慮臺區(qū)負載均衡以及光伏的靈活消納，可構(gòu)建兩個低壓柔性互聯(lián)試點，以進一步提升網(wǎng)絡的柔性化程度，如圖4 所示。

圖4 中-低壓嵌套的柔性配電網(wǎng)Fig.4 Medium-and low-voltage nested flexible distribution network

3 HDN 規(guī)劃運行的關(guān)鍵問題

問題1:HDN 設計中的柔性-隨機性平衡以及分階段演變問題。

現(xiàn)有研究給出了對稱的HDN 結(jié)構(gòu)設想，但實際配電網(wǎng)設計中的網(wǎng)架、負荷分布并不規(guī)則，因此，必須提出考慮實際條件約束的HDN 規(guī)劃方法。如前所述，HDN 具有模塊化的特征，故其規(guī)劃的核心是蜂巢單元中核心設備的選址定容問題，其本質(zhì)是通過規(guī)劃設計以HDN 的可控性平衡大規(guī)模DG、電動汽車接入的潮流隨機性，這對傳統(tǒng)基于容載比的源-荷平衡思路提出了挑戰(zhàn)。此外，HDN 的實際構(gòu)建涉及存量配電網(wǎng)利用、儲能、電力電子材料發(fā)展趨勢、碳排放約束、市場機制等諸多方面的影響，需要研究面向未來新形態(tài)配電網(wǎng)的綜合評估方法，以充分論證技術(shù)經(jīng)濟上的可行性，設計HDN 的分階段演變路徑以及典型過渡形態(tài)。

問題2:分層分群架構(gòu)下的HDN 優(yōu)化運行高維模型求解問題。

現(xiàn)有配電網(wǎng)可控元件較少、優(yōu)化空間較小，且由于管理相對粗放，主要關(guān)心故障問題，優(yōu)化運行的迫切程度不高。HDN 的運行面向未來配電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的需求，充分利用DG、儲能、可調(diào)控負荷、FID等可控元件以及通信條件，優(yōu)化網(wǎng)絡運行方式。然而，由于涉及的元件種類多、規(guī)模大，優(yōu)化模型維度很高，傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以兼顧算法速度和效率的平衡問題。此外，隨著電力市場的發(fā)展，還需要解決HDN 多層次、多集群之間的潮流優(yōu)化協(xié)調(diào)問題，如多個相鄰蜂巢單元的剩余光伏出力共享策略等。類似問題在主網(wǎng)層面研究較多，但配電網(wǎng)節(jié)點規(guī)模更大，傳感器、通信設施的可靠性受到外部環(huán)境影響失效的可能性更高，考慮這些要素的多層次、多集群潮流優(yōu)化問題仍是一個難點。

問題3:不同系統(tǒng)中蜂巢結(jié)構(gòu)作用機理的共性分析問題。

同一拓撲結(jié)構(gòu)在不同系統(tǒng)中往往發(fā)揮著相似的作用，這是數(shù)學本質(zhì)的物理現(xiàn)象體現(xiàn)。眾多蜂巢結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都具有靈活、可靠、高效等性能，雖然物理特征存在差異，但在數(shù)學上很可能存在相似的原理，若能揭示這一原理，則可以將HDN 的研究結(jié)果推廣至其他學科領(lǐng)域，具有更廣泛的意義。基于圖論或復雜網(wǎng)絡的配電網(wǎng)拓撲特征分析已有部分研究，但尚沒有針對柔性配電網(wǎng)、微網(wǎng)群以及HDN 的研究，其中柔性節(jié)點和柔性支路在點-邊圖論模型中如何處理是一個難點。此外，在不同物理系統(tǒng)中，蜂巢結(jié)構(gòu)對于系統(tǒng)可靠性均有重要影響，已有研究分析了低壓HDN 的可靠性，還需要基于抗毀性等指標，將HDN 與通信網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡等進行深入對比，揭示數(shù)學上更一般的規(guī)律。

4 HDN 關(guān)鍵問題的研究思路

本章將針對3 個關(guān)鍵問題的部分內(nèi)容提出研究思路與具體解決方案。

4.1 基于柔性度-隨機度配比的蜂巢單元核心設備定容

蜂巢單元設計時需要對具體的設備容量進行選擇，典型變量應為電源內(nèi)部DG、儲能的位置容量、與相鄰單元交換功率的FID 端口容量，以及與上級電網(wǎng)交換功率的端口容量。已知邊界條件為負荷大小、負荷類型、光照、風力、燃氣等自然條件預測信息，以及可靠性需求、電能質(zhì)量需求、碳排放約束等。

電力電量平衡是傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的核心，容載比是其經(jīng)典指標。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的負荷具有隨機性、電源具有可控性，但在HDN 中，源、荷同時具有隨機性和可控性，經(jīng)典的容載比指標不足以表達系統(tǒng)的平衡關(guān)系，需要在隨機性與可控性層面進行二次平衡。

考慮HDN 具有廣義柔性的特征，本文提出一種基于柔性度-隨機度配比的蜂巢單元設計思路，如圖5 所示。

圖5 基于柔性度-隨機度配比的蜂巢單元規(guī)劃思路Fig.5 Planning idea of honeycomb unit based on coordination of flexibility degree and randomness degree

1）設計節(jié)點和支路的柔性度、節(jié)點注入功率隨機性的量化指標與計算方法，建立儲能、需求響應、FID 容量與柔性度的函數(shù)關(guān)系，建立DG、電動汽車等與隨機度的函數(shù)關(guān)系；2）根據(jù)光伏、負荷等數(shù)據(jù)，計算節(jié)點的柔性度和隨機度的差值；3）以不同節(jié)點的凈隨機度與相關(guān)支路的柔性度平衡為目標，考慮蜂巢單元孤島運行時間等約束，得到儲能、FID 的容量；4）以設備容量結(jié)果為邊界條件，考慮地理約束，以蜂巢單元運行經(jīng)濟性為目標（不唯一），建立蜂巢單元網(wǎng)架規(guī)劃模型。由于蜂巢單元規(guī)模較小，易于得到優(yōu)化的網(wǎng)架布局方案。

4.2 基于供電消納能力的HDN 綜合評價

相比于新增設備或新運行方法，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的影響范圍更廣、影響時間更長、綜合成本更高，因此，必須對HDN 設計方案進行充分評估，綜合安全、效率、成本、環(huán)境效益等指標，通過與其他未來配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案進行對比，量化分析HDN 在各個發(fā)展階段的優(yōu)勢與不足。

將評價指標分為核心指標和輔助指標:核心指標采用配電網(wǎng)供電消納能力，涵蓋了配電網(wǎng)最關(guān)心的安全和效率（最大設備利用率）問題；將可靠性、電能質(zhì)量、運行效率、改造成本、環(huán)境效益列為輔助指標。采用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）進行綜合評估，對不同HDN 以及對比方案的分數(shù)進行排序。以不同指標的權(quán)重為變量，模擬可靠性需求差異、碳排放限制差異、經(jīng)濟性-安全性平衡差異等不同的未來場景邊界條件，綜合確定HDN的可用性水平。

負荷最大供電能力（total supply capability，TSC）和DG最大消納能力（total accommodation capability，TAC）是對偶指標。首先，以HDN 的運行約束為邊界構(gòu)成可行域，若以負荷為決策變量，則約束邊界上優(yōu)化變量之和的最大值為TSC；若以DG 為決策變量，則約束邊界上優(yōu)化變量之和的最大值為TAC?？尚杏蚩梢赃M行線性化處理，再轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃模型求解。文獻［35］還類比發(fā)電機輸出曲線，在TSC/TAC 指標基礎(chǔ)上提出了TSC/TAC曲線，定義為所有嚴格安全邊界點負荷按從小到大排列構(gòu)成的曲線，可以更加完整地描述HDN 的性能。研究表明，在TSC/TAC 數(shù)值相同的情況下，TSC/TAC 曲線可以更直觀地對比出兩個不同配電網(wǎng)的區(qū)別。

4.3 自治-協(xié)調(diào)模式下的HDN 集群優(yōu)化運行

現(xiàn)有配電網(wǎng)的優(yōu)化運行方法思路通常為:調(diào)度人員采用時間驅(qū)動機制（每一時間間隔評估一次系統(tǒng)最大調(diào)節(jié)能力）或者事件驅(qū)動機制（如系統(tǒng)面臨運行約束問題或安全裕度不滿足需求等狀況），借助基于安全約束的最優(yōu)潮流模型，求解得到最優(yōu)方案。在HDN 中，市場環(huán)境下各個蜂巢單元有可能屬于不同利益主體，需要考慮主體間的隱私需求。因此，在建立單元內(nèi)模型時，單元間交流的信息要盡可能少，這可以通過增加等效節(jié)點注入和等效決策變量（如邊界節(jié)點電壓）對整個HDN（集群）進行解耦，并在自治-協(xié)調(diào)模式下進行集群優(yōu)化運行。

針對蜂巢單元（群內(nèi)）自治問題，首先，基于單元自身節(jié)點功率注入和邊界決策變量組成的運行點構(gòu)成區(qū)域決策空間；然后，在區(qū)域決策空間上基于單元自身網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和邊界節(jié)點信息進行優(yōu)化?？紤]到HDN 中光伏、儲能、電動汽車等新元件的“即插即用”特性，所有可控設備不能預定，有必要制定一個能夠應對設備增減、具有篩選功能的控制策略，以確保電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。

針對單元間（群間）協(xié)調(diào)問題，目前的優(yōu)化模型主要考慮電力市場背景，以經(jīng)濟性為目標，未對潮流約束需求進行研究。而實際上，不同運行狀況下調(diào)度人員對安全性與經(jīng)濟性的偏好并不相同，這就意味著需要針對不同目標調(diào)整參與協(xié)調(diào)工作的群集，并制定相應的控制策略。為此，可通過安全裕度指標量化蜂巢單元對安全性的需求。然后，考慮運行經(jīng)濟性和安全性，建立配電網(wǎng)蜂巢單元對應的分布式優(yōu)化模型，并采用合適的算法進行求解，如基于KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件的優(yōu)化算法等，以保證解的全局最優(yōu)并加快迭代速度。若考慮不同主體間的博弈行為，則通常采取多智能體強化學習算法來解決［36］。

值得注意的是，域方法可以簡化集群優(yōu)化問題的潮流約束，提供量化的安全分析指標并進行可視化處理，因此，針對HDN 的分層分群運行特征，可以采用基于安全域的方法進行優(yōu)化求解［37］。

4.4 HDN 的圖論和復雜網(wǎng)絡特征

相比于傳統(tǒng)的輸配電系統(tǒng)，HDN 節(jié)點互聯(lián)充分、能量流動靈活，更加接近一般網(wǎng)絡。HDN 的圖論本質(zhì)是含大規(guī)模有限容量中間節(jié)點（FID）、弧流量雙向可控的多源多匯網(wǎng)絡。

首先，網(wǎng)絡性能與圖論指標存在關(guān)聯(lián)，如“度”“長度”“直徑”“深度”等。在通信網(wǎng)絡研究中，圖的“度”代表組件端數(shù)，這與網(wǎng)絡的建設成本密切相關(guān)。在HDN 中，“度”同樣代表了FID 的端口數(shù)，端口數(shù)過少則網(wǎng)絡連通度不足，端口數(shù)過多則可能提高設備造價并難以實現(xiàn)緊湊化設計。現(xiàn)有SOP 示范工程通常為3 端口或4 端口，然而大規(guī)模組網(wǎng)時未必如此。圖1 提出的HDN 中，F(xiàn)IDL節(jié)點度為3，PCC 節(jié)點度為6，可以通過計算HDN 度、度分布、平均距離等指標及其統(tǒng)計分布，建立蜂巢網(wǎng)絡性能與圖論統(tǒng)計指標的內(nèi)在聯(lián)系。

其次，可以采用復雜網(wǎng)絡分析中的抗毀性（invulnerability）指標，分析蜂巢拓撲對大規(guī)模網(wǎng)絡可靠性的影響機理?？箽允蔷W(wǎng)絡可靠性研究的一個重要分支［38］，反映了網(wǎng)絡承受攻擊的能力，在社交網(wǎng)、計算機、通信網(wǎng)以及電力網(wǎng)中均有廣泛應用?？苫趩我蜃幼兞克悸?，分析抗毀性指標隨網(wǎng)格形狀、平均負載率、負載均衡度、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)、網(wǎng)絡平均度等參數(shù)的變化規(guī)律，繪制典型的變化曲線，并分析曲線的幾何特征?？箽灾笜擞嬎惴椒ㄈ缦?

式中:Rij為邊（vi，vj）的抗毀性值；R為全網(wǎng)每條邊Rij的平均值，采用失效后網(wǎng)絡的最大連通片尺寸與網(wǎng)絡尺寸之比來量度網(wǎng)絡抗毀性；N為N-1 故障前網(wǎng)絡中邊的數(shù)目；Nij為N-1 故障后邊（vi，vj）最大連通尺寸中邊的數(shù)目；k為第k條邊的序號。同時，同步計算工作點到安全邊界的安全距離（N-1 故障后的元件安全裕量）指標［39］以輔助驗證抗毀性。

5 結(jié)語

本文闡述了配電網(wǎng)采用蜂巢拓撲結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢，提出了HDN 的3 個核心特征，即區(qū)域能量自治與分層分群運行、多接口模塊化單元設計、節(jié)點和支路的廣義柔性，明確了HDN 在規(guī)劃、運行等方面的獨特性。針對3 個核心特征，分析了柔性互聯(lián)臺區(qū)、高比例分布式光伏、網(wǎng)格化規(guī)劃、智能融合終端等HDN 的構(gòu)建基礎(chǔ)。最后，總結(jié)了HDN 柔性-隨機性平衡以及分階段演變、分層分群運行架構(gòu)下的高維優(yōu)化模型求解、不同系統(tǒng)中蜂巢結(jié)構(gòu)作用機理共性分析3 個關(guān)鍵問題，并提出了基于柔性度-隨機度比、供電消納能力、自治-協(xié)調(diào)模式以及復雜網(wǎng)絡抗毀性等方法的解決思路。

本文在已有蜂巢配電網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上，進一步明晰了蜂巢配電網(wǎng)的概念范疇，為蜂巢配電網(wǎng)的系統(tǒng)研究與實際構(gòu)建提供了思路與方案。HDN 是否是未來配電網(wǎng)的主要形態(tài)還需要更多層面的論證。隨著儲能技術(shù)、電力電子技術(shù)、通信技術(shù)以及電力市場的發(fā)展，HDN 蘊含的技術(shù)與理念在“雙碳”目標下將得到更廣泛的應用。

感謝國網(wǎng)天津市電力公司科技項目（KJ21-2-04）對本文研究的支持。