蜂巢配電網(wǎng)的構(gòu)建過程及優(yōu)勢分析

謝光龍，王旭斌，朱 琳，張可心

（1.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

在“碳達(dá)峰”、“碳中和”的背景下，我國能源的綠色低碳轉(zhuǎn)型已站在新的歷史起點(diǎn)上。為了推進(jìn)能源實(shí)現(xiàn)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，我國政府發(fā)布了《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書和《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》等文件[1]。風(fēng)能、光伏、水電等可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，替代了傳統(tǒng)的化石能源，為實(shí)現(xiàn)碳中和愿景提供了可行途徑，這使得風(fēng)能和光伏能源等越來越多的分布式可再生能源快速發(fā)展和并入電網(wǎng)。新能源、新型儲能、氫能等新型能源技術(shù)以前所未有的速度快速發(fā)展，各種新模式新形態(tài)不斷涌現(xiàn)，成為全球能源轉(zhuǎn)型變革的關(guān)鍵驅(qū)動力。在許多國家，可再生能源消費(fèi)量穩(wěn)步上升，占到全部能源消費(fèi)的1/5，可再生能源發(fā)電量也在不斷提高，已經(jīng)超過全部發(fā)電量的1/4。而在我國，到2030 年非化石能源在一次能源消費(fèi)中的比重應(yīng)達(dá)到所有能源消費(fèi)的1/4左右[2]，風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上[3]。

隨著可再生能源的高速發(fā)展，配電網(wǎng)必須解決波動性可再生能源和高峰值電動汽車負(fù)荷帶來的問題，通過多能流耦合實(shí)現(xiàn)低成本儲能（電-氣-熱-氫-甲烷-抽水蓄能等）并且通過直流柔性互聯(lián)解決目前電網(wǎng)的頻率和相角問題，增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性。因此在未來的電網(wǎng)發(fā)展中，不能忽視分布式接入中壓、低壓配網(wǎng)的可再生能源，廣泛接入的波動性能源使得中低壓配電系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)真正互聯(lián)互通。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些關(guān)于未來互聯(lián)互通的配電網(wǎng)建設(shè)形態(tài)的設(shè)想，比如：基于儲能的直流微電網(wǎng)[4]、綜合能源局域網(wǎng)[5]、單元控制區(qū)域、微網(wǎng)群[6]以及柔性配電網(wǎng)等。而將微網(wǎng)群和柔性配電網(wǎng)相結(jié)合，就可以得到基礎(chǔ)的蜂巢有源配電網(wǎng)HDN（honeycomb distribution network）。

直流微電網(wǎng)是一個可以將各種直流輸出源相互連接，并提供高質(zhì)量電力的系統(tǒng)[7]。隨著可再生能源的發(fā)展，新能源發(fā)電逐漸成為微電網(wǎng)系統(tǒng)的主導(dǎo)，直流微電網(wǎng)不斷發(fā)展成為一種新的微電網(wǎng)技術(shù)。儲能技術(shù)已經(jīng)為未來配電網(wǎng)的架構(gòu)提供了新的發(fā)展思路。文獻(xiàn)[8]以基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流微電網(wǎng)配置為例，提出了3 層電壓分層協(xié)調(diào)控制策略。每個電力電子轉(zhuǎn)換器通過監(jiān)測直流電壓的變化來協(xié)調(diào)其控制方法，以保持直流微電網(wǎng)在不同運(yùn)行條件下的功率平衡。每個單元都是獨(dú)立控制，互不通信，簡化了控制結(jié)構(gòu)并提高了控制的靈活性。變流器有能力快速響應(yīng)由各種運(yùn)行條件引起的直流電壓變化，如風(fēng)速和負(fù)載的變化、交流電網(wǎng)故障等，有能力改善直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。文獻(xiàn)[9]給出了一個設(shè)想的未來配電網(wǎng)架構(gòu)體系，即基于儲能系統(tǒng)的低壓直流微電網(wǎng)，雖然低壓直流微電網(wǎng)和儲能設(shè)備的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)能夠滿足其發(fā)展要求，但儲能設(shè)備的電能體積比、能量質(zhì)量比以及壽命方面依舊存在一定限制，采用儲能的直流微電網(wǎng)的技術(shù)落地仍面臨著一定的技術(shù)問題。文獻(xiàn)[10]提出微網(wǎng)群的概念，未來的配電網(wǎng)可能包括一些微電網(wǎng)，它們每個都可以被視為一個小規(guī)模能源區(qū)。未來電網(wǎng)一般是智能電網(wǎng)，它滿足了電力基礎(chǔ)設(shè)施和智能信息網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)是電網(wǎng)中的一個部分，它由多個小規(guī)模能源區(qū)（包括太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等可再生能源）、儲能和負(fù)載組合而成。微電網(wǎng)的運(yùn)行方式有兩種，分別是并網(wǎng)和離網(wǎng)。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時，微電網(wǎng)與主電網(wǎng)保持完全或部分連接，這樣微電網(wǎng)就能夠從主電網(wǎng)輸入或者輸出電力，而當(dāng)主電網(wǎng)受到干擾無法正常運(yùn)行時，微電網(wǎng)就會切換到離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，此時微電網(wǎng)處于獨(dú)立模式，同時仍優(yōu)先向負(fù)載供電[11]。

德國為了更好地實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源消納，形成了蜂巢型廣泛互聯(lián)低壓微網(wǎng)群，如圖1所示。

圖1 蜂巢型廣泛互聯(lián)低壓微網(wǎng)群Fig.1 Honeycomb-type interconnected low-voltage multi-microgrids

德國的經(jīng)驗(yàn)說明，蜂巢型互聯(lián)低壓微網(wǎng)群能更好地實(shí)現(xiàn)能源區(qū)域間調(diào)配，實(shí)現(xiàn)蜂巢間能量交互；并且蜂巢間通過中壓配網(wǎng)互聯(lián)互通，由圖2所示的德國各部門的溫室氣體排放情況可知，基于蜂巢內(nèi)及蜂巢間的協(xié)同控制、能量管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源的高效、可靠利用和消納，溫室氣體排放量會顯著降低，帶來巨大的環(huán)境效益。

圖2 德國各部門的溫室氣體排放情況Fig.2 Greenhouse gas emissions by sectors in Germany

國內(nèi)關(guān)于蜂巢狀配電網(wǎng)的研究，天津大學(xué)王成山院士團(tuán)隊(duì)在2017 年提出，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，未來配電網(wǎng)可能具有蜂巢狀的結(jié)構(gòu)[12]，靈活的柔性互連技術(shù)大大改變了主動配電網(wǎng)的運(yùn)行?；谂潆妼拥娜嵝曰ヂ?lián)設(shè)備基礎(chǔ)，高度互聯(lián)的蜂巢狀配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來主動配電網(wǎng)發(fā)展的一個可行方案。多終端柔性軟開關(guān)能夠靈活地連接多個饋線，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可控性和供電的可靠性。充分利用柔性軟開關(guān)等柔性互連設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性，其中，運(yùn)行靈活性被定義為電網(wǎng)有效適應(yīng)分布式電源高滲透性帶來的各種不確定性并消除其負(fù)面影響的能力。浙江大學(xué)江道灼教授團(tuán)隊(duì)2019年提出一種關(guān)于HDN的結(jié)構(gòu)設(shè)想[13]：通過建設(shè)一定數(shù)量的智能功率/信息交換基站，將孤立的分布式微網(wǎng)連接起來，形成一個互聯(lián)互通的整體系統(tǒng)，這個系統(tǒng)就是蜂巢狀有源配電網(wǎng)整體。其中，蜂巢狀有源配電網(wǎng)的所有微電網(wǎng)都是相對獨(dú)立自主的個體，無論電網(wǎng)是否出現(xiàn)異常，它們都擁有高供電可靠性、配電方式靈活和容易接入分布式可再生能源等優(yōu)勢，該構(gòu)想使HDN的發(fā)展具備了牢固的前提。

本文在已有的關(guān)于HDN 的研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了HDN 的基本形態(tài)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并逐步闡述了HDN 的構(gòu)建過程及用到的關(guān)鍵技術(shù)，最后分析了HDN 在未來電網(wǎng)構(gòu)建中的優(yōu)勢，并對未來互聯(lián)互通配電網(wǎng)的形態(tài)進(jìn)行了前景展望。

1 蜂巢狀電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及構(gòu)建過程

1.1 蜂巢狀電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)是覆蓋二維平面的最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。蜂窩是由一個個正六角形排列組合而成的一種結(jié)構(gòu)，而一個蜂巢結(jié)構(gòu)是由多個蜂窩結(jié)構(gòu)組成的，這種結(jié)構(gòu)有著易于擴(kuò)展、便于交互、靈活構(gòu)建等優(yōu)點(diǎn)，在航天、建筑、材料等方面都有著廣泛的應(yīng)用[14]。而當(dāng)蜂巢結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)蜂巢狀有源配電網(wǎng)，更是有著供電可靠性高、配電靈活性大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

蜂巢狀電網(wǎng)中采用基本的“源、網(wǎng)、荷、儲”配置，其中的分布式電源和負(fù)載組成六邊形的微網(wǎng)能量網(wǎng)架[15]，如圖3所示，其能量網(wǎng)架被抽象地表示為六邊形，并不嚴(yán)格要求這個區(qū)域是一個正六邊形。微網(wǎng)應(yīng)具有一個或多個公共互連點(diǎn)即圖中的交點(diǎn)，地理上相鄰的微網(wǎng)通過各自的公共互連點(diǎn)連接，在公共點(diǎn)可以建設(shè)通信基站以及能量監(jiān)測站等設(shè)施，用于監(jiān)測所連接的微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)做出所連接的微電網(wǎng)的互通或斷開的決定。簡而言之，每個微網(wǎng)是一個獨(dú)立的系統(tǒng)，在主動配電網(wǎng)故障時獨(dú)立運(yùn)行，大大提高了微網(wǎng)的供電可靠性。主動配電網(wǎng)微電網(wǎng)也具有很高的靈活性，可以根據(jù)配電網(wǎng)裝置的數(shù)量、實(shí)際供電區(qū)域的大小和供電的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，例如：在實(shí)際應(yīng)用中，大部分的供電區(qū)域建設(shè)六邊形的蜂巢狀電網(wǎng)，但根據(jù)供電區(qū)域的地形、基礎(chǔ)設(shè)施等條件，也可以建設(shè)一些三角形或四邊形等其他符合實(shí)際需求的形狀的微電網(wǎng)。

圖3 蜂巢狀有源電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology structure of heneycomb distribution network

1.2 蜂巢配電網(wǎng)的構(gòu)建過程

蜂巢配電網(wǎng)的構(gòu)建需經(jīng)過點(diǎn)到線到面3 個過程。首先是“點(diǎn)”，蜂巢狀電網(wǎng)中的點(diǎn)代表交直流電網(wǎng)典型應(yīng)用場景，比如數(shù)據(jù)中心、充電中心等，根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)劃分；之后構(gòu)建“線”，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中的某一些必要的功率傳輸線的連接；最后是“面”，即大部分點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)連接，建成數(shù)字化信息化網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化配網(wǎng)能量分配。

負(fù)荷端、發(fā)電端、儲能端三方面都存在典型的直流電網(wǎng)應(yīng)用場景，都可以作為蜂巢配電網(wǎng)的“點(diǎn)”。負(fù)荷端方面，第一有數(shù)據(jù)中心，如騰訊、阿里這樣的創(chuàng)新型公司，當(dāng)幾百萬臺服務(wù)器同時工作時，數(shù)據(jù)中心的能源消耗已經(jīng)占據(jù)了公司總支出的較大部分，而數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷大多為直流負(fù)荷；第二即交通運(yùn)輸?shù)碾姎饣?，我國正在大力發(fā)展節(jié)油潔凈的電氣化交通[16]，趨勢是航空、陸地、海洋3 種運(yùn)輸方式均在向電氣化方向發(fā)展，如氫燃料電池飛機(jī)，比亞迪、小鵬等品牌的電動汽車，它們都是目前應(yīng)用較為廣泛的電氣化交通工具，也都是直流供電。這兩個應(yīng)用場景是負(fù)荷端最普遍也是最顯著的變化。發(fā)電端方面，傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)是將化石能源作為主要供給能源，這顯然不符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求，因此必須探尋新的符合當(dāng)前社會發(fā)展的能源結(jié)構(gòu)，比如光伏、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)能等，而這些可再生能源生產(chǎn)形式大都是直流供電。儲能端方面，由于可再生能源這類新的能源生產(chǎn)形式大多存在不穩(wěn)定性，因此需要配置儲能。而大多數(shù)儲能設(shè)備都是直流的，如鋰電池、鉛酸電池、超級電容器以及混合儲能設(shè)備等。

同時，在蜂巢配電網(wǎng)的“點(diǎn)”中也需要建設(shè)一些通信基站以及能量監(jiān)測站[17]，依靠通信基站，蜂巢狀配電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)基站與基站之間以及基站與上級電網(wǎng)之間的雙向通信，高速的雙向通信網(wǎng)絡(luò)是確保蜂巢配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享，優(yōu)化功率分配，建設(shè)電力市場的關(guān)鍵。這為實(shí)現(xiàn)蜂巢配電網(wǎng)的智能化和數(shù)字化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“線”的形成即點(diǎn)與點(diǎn)之間通過柔性方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，從而建設(shè)柔性互聯(lián)蜂巢配電網(wǎng)。蜂巢配電網(wǎng)的柔性主要分為節(jié)點(diǎn)柔性和支路柔性兩個方面。節(jié)點(diǎn)的柔性與電網(wǎng)的剛性特征相對，電網(wǎng)的剛性特征指電網(wǎng)中能量只能瞬間平衡，而節(jié)點(diǎn)的柔性通過配置儲能、調(diào)整參與需求響應(yīng)的負(fù)載以及接入或斷開電動汽車等可靈活給電網(wǎng)供電的裝置等手段可以改善這種現(xiàn)象。這里的節(jié)點(diǎn)主要分為兩類，一類是用戶節(jié)點(diǎn)，另一類是連接到柔性互聯(lián)裝置的負(fù)載或儲能節(jié)點(diǎn)。但節(jié)點(diǎn)柔性在空間分布上體現(xiàn)出一定的不平衡性，因此需要支路柔性來彌補(bǔ)，而支路柔性主要是利用柔性互聯(lián)裝置來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)。同時，不同電壓等級的互聯(lián)節(jié)點(diǎn)可以通過電力電子裝置等靈活地連接。

柔性互聯(lián)裝置FID（flexible interconnected device）可以看作是蜂巢配電網(wǎng)的頂點(diǎn)設(shè)備，是蜂巢配電網(wǎng)的能量分配樞紐，柔性互聯(lián)裝置可以在智能軟開關(guān)SOP（soft open point）、固態(tài)變壓器、儲能裝置、通信裝置等設(shè)備的基礎(chǔ)上構(gòu)建，柔性互聯(lián)裝置具有可擴(kuò)展性，能實(shí)現(xiàn)各種不同形式能源的接入?；谥悄苘涢_關(guān)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)柔性互聯(lián)能夠快速、準(zhǔn)確地控制自身的功率流動，從而影響所連兩側(cè)饋線的功率分布。在常規(guī)的聯(lián)絡(luò)方式中，饋線之間的連接通常是選取斷路器、隔離開關(guān)等部件，通過控制開關(guān)元件的開/關(guān)來改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而控制電網(wǎng)潮流分布；但是在直流柔性聯(lián)絡(luò)方法中，饋線之間的連接大多是選用大功率電力電子裝置，電力電子裝置可以調(diào)節(jié)饋線之間的功率流動，從而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)潮流分布的控制以及優(yōu)化。

在正常運(yùn)行時，多端智能軟開關(guān)可以根據(jù)發(fā)出的調(diào)度指令，在多條饋線之間實(shí)現(xiàn)靈活地功率交換[18]；故障狀態(tài)情況下，如果一條饋線因故障而失效，可以實(shí)現(xiàn)多個變流器運(yùn)行模式的快速平滑切換，保證重要負(fù)載的快速轉(zhuǎn)接。當(dāng)智能軟開關(guān)與儲能聯(lián)合時，儲能的緩沖使柔性互聯(lián)不再是簡單的功率輸送，而是可以作為瞬時或短期功率平衡電源平滑功率波動，施加更靈活的控制策略。SOP可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在饋線間的空間轉(zhuǎn)移，儲能實(shí)現(xiàn)的是負(fù)荷在時間分布上的轉(zhuǎn)移，二者相結(jié)合可從空間和時間兩個維度上進(jìn)行優(yōu)化。

將互聯(lián)低壓饋線的柔性互聯(lián)裝置成為低壓柔性互聯(lián)裝置，將互聯(lián)高壓饋線的柔性互聯(lián)裝置成為高壓柔性互聯(lián)裝置，為了節(jié)省空間，距離較近的低壓柔性互聯(lián)裝置和高壓柔性互聯(lián)裝置可以合并規(guī)劃[19]，構(gòu)建柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)，其形態(tài)架構(gòu)如圖4所示，其中黑色線段表示交流母線；LV 表示低壓線路，電壓等級為380 V；MV表示中壓線路，電壓等級為35 kV；HV表示高壓線路，電壓等級為500 kV；深灰色線段表示直流母線，電壓等級為10 kV。高壓線路與中壓線路通過模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel converter）相連，中壓線路與低壓線路通過AC-AC 換流器相連。直流負(fù)荷直接通過DC-DC 換流器接入直流母線[20]。蜂巢單元是蜂巢配電網(wǎng)的基本單元，其形態(tài)可以是直流、交流或混合微電網(wǎng)，具體可根據(jù)負(fù)載和分布式電源的類型進(jìn)行選擇。通過柔性互聯(lián)裝置，蜂巢單元可以與其他蜂巢單元或者上級電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接在并網(wǎng)模式下運(yùn)行，同時也可以獨(dú)立運(yùn)行即處于孤島模式。中壓網(wǎng)絡(luò)可以是交流或直流，形成一個多回路的交直流混合配電網(wǎng)。分析中壓交流輻射狀的線路不同時段負(fù)載率，計(jì)劃可再生能源接入量，源荷不匹配程度、儲能配置區(qū)域及對主網(wǎng)輔助調(diào)頻調(diào)壓調(diào)峰的需求，認(rèn)為有區(qū)域互聯(lián)、協(xié)同互濟(jì)需求的區(qū)域，配置中壓柔性互聯(lián)線路。

圖4 柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)形態(tài)架構(gòu)Fig.4 Morphological architecture of flexible DC interconnected system

最后，隨著電力電子設(shè)備等可控裝置越來越多，蜂巢配電網(wǎng)可以收集信息同時向上反饋進(jìn)行信息化處理，并引入能量管理系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、協(xié)同控制系統(tǒng)等，最終建設(shè)成為數(shù)字化信息化的智能電網(wǎng)，形成“面”。

數(shù)字化智能化電網(wǎng)以一體化的高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制技術(shù)和先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)，保證電網(wǎng)安全可靠高效地運(yùn)行，并且最大限度地提高環(huán)境效益，其主要特點(diǎn)是保證電力市場的高效運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)能源資產(chǎn)的優(yōu)化分配[21]。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息化的智能電網(wǎng)，可以通過微電網(wǎng)集群柔性互聯(lián)。微電網(wǎng)集群柔性互聯(lián)可以將交、直流微電網(wǎng)等不同供電類型進(jìn)行互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的微電網(wǎng)集群大規(guī)模接入的互聯(lián)。多個微電網(wǎng)在物理層面上實(shí)現(xiàn)隔離，但電網(wǎng)互聯(lián)處的靈活功率管理使微網(wǎng)集群能夠以穩(wěn)定的方式共同運(yùn)行，并且具有高度的靈活性和可控性[22]。在地理位置上相距較近的微電網(wǎng)可以進(jìn)行微電網(wǎng)集群互聯(lián)，通過微網(wǎng)集群，可以對這些微電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)功率管理并且可以實(shí)現(xiàn)彼此之間的緊急功率支撐，這可以更有效地解決高比例可再生能源接入、間歇性和波動性的負(fù)荷隨機(jī)接入等重要挑戰(zhàn)，并且可以提高集群中分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和儲能設(shè)備的能源效率。

同時數(shù)字化也是指運(yùn)營中心的數(shù)字化，比如數(shù)字化電力交易平臺等，即實(shí)現(xiàn)通過數(shù)字化的手段提升電網(wǎng)整體的運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本。實(shí)現(xiàn)運(yùn)營數(shù)字化就要以數(shù)字化為抓手，推動能源轉(zhuǎn)型，提高數(shù)字化能力和培養(yǎng)數(shù)字化人才，建設(shè)數(shù)字智能AI和區(qū)塊鏈，打造數(shù)字化產(chǎn)品和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字協(xié)同辦公等。

2 蜂巢配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 蜂巢配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

從長期發(fā)展來看，互聯(lián)的蜂巢配電網(wǎng)一定是更經(jīng)濟(jì)、更高效的。通過建設(shè)蜂巢配電網(wǎng)，可以更快地實(shí)現(xiàn)以“風(fēng)光氫儲充+能源耦合+能源數(shù)字化”為引領(lǐng)的能源轉(zhuǎn)型。為促進(jìn)可再生能源開發(fā)利用，我國出臺了一系列可再生能源發(fā)展與保障政策，有效保障了可再生能源發(fā)電優(yōu)先并網(wǎng)的需求[23]，通過建設(shè)蜂巢配電網(wǎng)，可再生能源接入的不確定性逐漸減小，在預(yù)設(shè)備用容量相同的情況下，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，蜂巢電網(wǎng)對可再生能源有更大的消納能力。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面而言，蜂巢能源互聯(lián)網(wǎng)能夠保證大規(guī)模電動汽車可靠有序充電、大規(guī)模分布式光伏高效接入，從而保證供電可靠性，保障電動汽車及分布式電源發(fā)展。蜂巢配電網(wǎng)互聯(lián)后，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象減少，電網(wǎng)對可再生能源的消納能力提高。并且互聯(lián)的蜂巢配電網(wǎng)可以顯著提高環(huán)境保護(hù)效益，蜂巢配電網(wǎng)中可再生能源代替了大部分化石能源，因此在生產(chǎn)電能的環(huán)節(jié)中，顯著減少了廢氣的排放。并且通過電網(wǎng)互聯(lián)，蜂巢配電網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理地供電環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移，發(fā)揮不同地區(qū)的不同優(yōu)勢，從而有效解決空氣污染等環(huán)境問題。

目前評價互聯(lián)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的模型主要有綜合成本效益模型和考慮時空分布的電網(wǎng)運(yùn)行效益模型[24]。在蜂巢配電網(wǎng)的建設(shè)環(huán)節(jié)，其綜合成本效益主要包含蜂巢配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電的工程成本和建設(shè)增加新的發(fā)電廠的建設(shè)成本。建設(shè)成本上，因?yàn)橘F金屬價格（銅、鋁、硅鋼等）持續(xù)上漲，變壓器價格呈上升趨勢，而硅原料及制造成本持續(xù)下降，因此逆變器等電力電子裝置價格逐年降低，變壓器價格與逆變器價格對比如圖5所示。并且，在山村等環(huán)境條件較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力系統(tǒng)基礎(chǔ)建設(shè)相對比較落后，新建發(fā)電廠會造成較大重復(fù)裝機(jī)投資，而蜂巢配電網(wǎng)的功率支撐作用可有效避免該投資，從而降低綜合成本效益；計(jì)及時空分布特性的蜂巢配電網(wǎng)運(yùn)行模型可以大幅度降低可再生能源接入的不確定性，緩解棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，使系統(tǒng)對備用容量的依賴減少。于是，在預(yù)設(shè)備用容量和負(fù)荷均相同的情況下，蜂巢配電網(wǎng)可以有效提升系統(tǒng)對可再生能源的消納能力，保護(hù)環(huán)境的同時減少了機(jī)組運(yùn)行成本，從而降低電網(wǎng)的運(yùn)行效益。因此隨著時間的增長，蜂巢配電網(wǎng)的累計(jì)經(jīng)濟(jì)效益呈現(xiàn)上升趨勢，如果從全壽命周期的角度考慮，最終的累計(jì)收益會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前期投入資金。這主要是由兩個因素造成的：一方面是引入全壽命周期后，建設(shè)時的投資成本從整個全壽命周期的角度進(jìn)行分析，并將成本折算到整個生命周期中；另一方面原因是蜂巢配電網(wǎng)消納可再生能源的能力的提高和彼此功率支撐的作用。

圖5 變壓器價格與逆變器價格對比Fig.5 Transformer price versus inverter price

綜上所述，通過建設(shè)互聯(lián)互通的蜂巢配電網(wǎng)，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益將能夠獲得顯著提升。蜂巢配電網(wǎng)建成后，可再生能源接入的整體不確定性會顯著降低，對可再生能源的消納能力增強(qiáng)，從而獲取了更大的環(huán)境效益。同時，得益于蜂巢配電網(wǎng)功率相互支撐的特性，發(fā)電廠的建設(shè)費(fèi)用會有效減少，并且蜂巢配電網(wǎng)運(yùn)行的開停機(jī)量和運(yùn)行成本也會有效降低。

2.2 蜂巢配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，蜂巢電網(wǎng)存在明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但因蜂巢電網(wǎng)的形態(tài)特征較為復(fù)雜，其構(gòu)建過程中也存在一些仍需攻克的關(guān)鍵技術(shù)，比如完善通信機(jī)制的建立以及如何應(yīng)用SOP 實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的靈活互聯(lián)等。

完善通信機(jī)制的建立是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的蜂巢配電網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。蜂巢配電網(wǎng)因其特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制、蜂巢單元自治等優(yōu)良特點(diǎn)，故應(yīng)采用蜂巢單元之間互聯(lián)通信與系統(tǒng)整體通信相結(jié)合的通信機(jī)制[25]。既要確保最高層調(diào)控中心可以實(shí)時獲取整個蜂巢電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于其進(jìn)行功率調(diào)配以及全局優(yōu)化，也要實(shí)現(xiàn)各個蜂巢單元之間的站間通信，使得各個站點(diǎn)間可以進(jìn)行功率互濟(jì)，從而有利于蜂巢電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)然其執(zhí)行優(yōu)先級較低。因此通信基站需要具有調(diào)頻輔助服務(wù)、參與阻塞管理、參與電力調(diào)峰等能力，并且具有同時參與多種需求響應(yīng)應(yīng)用場景的潛力，這將是未來的研究重點(diǎn)。

蜂巢配電網(wǎng)需要將各個電壓等級的饋線進(jìn)行互聯(lián)，因此對SOP裝置柔性互聯(lián)能力的靈活性及適用性要求較高，理想的SOP裝置可以充分發(fā)揮高電壓等級饋線的供電能力，有效實(shí)現(xiàn)各個電壓等級饋線之間的功率流動，從而實(shí)現(xiàn)相連饋線或站點(diǎn)間的相互支撐作用[26]。連接多電壓等級的SOP 裝置對容量以及變比的要求降低，而關(guān)鍵問題是如何在中壓配網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)多電壓等級的靈活接入，以及在不同電壓等級間的雙向可控功率交換能力。蜂巢電網(wǎng)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就要求SOP 裝置的裝備實(shí)現(xiàn)技術(shù)更加先進(jìn)，比如不同電壓等級的電氣隔離問題、直流環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題以及SOP 裝置的協(xié)調(diào)控制問題，均有待進(jìn)一步的研究與探索。

除此之外，目前構(gòu)建互聯(lián)互通配電網(wǎng)的關(guān)鍵性瓶頸在中壓直流電網(wǎng)。如何完成中壓配網(wǎng)的蜂巢狀轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)中壓互聯(lián)設(shè)備成本降低、體積下降的目標(biāo)，以及如何選擇中壓互聯(lián)設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)的直流電壓等級，解決多重耦合問題的多配網(wǎng)主動裝置協(xié)同控制問題等都是目前亟待解決的研究重點(diǎn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源消納，蜂巢型電網(wǎng)應(yīng)廣泛互聯(lián)低壓微網(wǎng)群；同時蜂巢間通過中壓配網(wǎng)互聯(lián)互通，其中，中壓直流電網(wǎng)需實(shí)現(xiàn)全電力電子化，確保其是主動可控的；區(qū)域內(nèi)呈蜂巢環(huán)網(wǎng)狀，多電力電子柔性互聯(lián)裝置協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)需求，當(dāng)然每個區(qū)域間也通過直流互聯(lián)，提高效率。

3 蜂巢配電網(wǎng)的廣闊前景

隨著國內(nèi)5G 相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，中國通信智能基站的相關(guān)技術(shù)已處于國際前列[27]，技術(shù)的進(jìn)步使得單位流量的價格大大降低，并且通信速度、服務(wù)質(zhì)量等都大幅度提高。因此，相信在未來，隨著通信基站不斷實(shí)現(xiàn)大容量、低時延的通信要求以及更低價格、更高性能的通信設(shè)備的投入使用，蜂巢狀配電網(wǎng)的優(yōu)越性與經(jīng)濟(jì)性將逐步凸顯。

為了適應(yīng)多電壓等級供電場景下的柔性互聯(lián)需求，目前SOP的發(fā)展正在逐漸實(shí)現(xiàn)多元化。在常規(guī)饋線柔性互聯(lián)的基礎(chǔ)上，逐步滿足多線供電、多電壓等級供電、多級變電站互聯(lián)、儲能輔助調(diào)節(jié)等不同場景下的柔性互聯(lián)需求。隨著SOP 裝置的柔性互聯(lián)能力以及適應(yīng)性和靈活性的不斷增強(qiáng)，建設(shè)互聯(lián)互通蜂巢配電網(wǎng)的技術(shù)支撐逐漸可靠。

通信技術(shù)以及SOP 相關(guān)技術(shù)的日益成熟不斷推進(jìn)了蜂巢電網(wǎng)的發(fā)展。在互聯(lián)電網(wǎng)實(shí)際構(gòu)建中，應(yīng)分為“理論研究—形態(tài)構(gòu)建—過渡策略—原則制定—實(shí)證應(yīng)用”五大階段，以“經(jīng)濟(jì)性好、落地性強(qiáng)”為原則，開展蜂巢新型能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究。基于蜂巢內(nèi)及蜂巢間的協(xié)同控制、能量管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源的高效可靠利用和消納，為可再生能源全面替代化石能源提供可能性。

綜上所述，隨著技術(shù)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)政策的推動，基于目前國內(nèi)配電網(wǎng)形態(tài)，可以先逐漸將現(xiàn)有配電網(wǎng)通過柔性直流的形式互聯(lián)起來，使來自各個變電站的配電線路實(shí)現(xiàn)合環(huán)互濟(jì)、功率可靈活控制的在線合環(huán)運(yùn)行，以此提高每個配電區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)的潮流調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)配電變壓器間的負(fù)載均衡，從點(diǎn)到線再到面，最終建設(shè)成為互聯(lián)互通蜂巢電網(wǎng)。

隨著蜂巢配電網(wǎng)的建成，也會出現(xiàn)一些新的能源共享模式，比如自給自足、鄰里售電、社區(qū)共享等[28]，如表1所示。其中：自給自足是指區(qū)域內(nèi)電能自發(fā)自用，微網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)電及消納；鄰里售電是指社區(qū)用戶共同成立能源共享社區(qū)，作為發(fā)用電市場參與主體，社區(qū)內(nèi)新能源發(fā)電、儲能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)交換、供應(yīng)或共享；社區(qū)共享模式是指社區(qū)用戶共同成立能源共享社區(qū)，作為發(fā)用電市場參與主體，社區(qū)內(nèi)新能源發(fā)電、儲能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)交換、供應(yīng)或共享，電力公司與共享社區(qū)簽訂合約，提供保底供電。

表1 蜂巢電網(wǎng)背景下的多種商業(yè)模式Tab.1 Multiple business models in the context of HDN

這些商業(yè)模式基于蜂巢電網(wǎng)背景下的互聯(lián)共享交易，未來將是一個多方參與互動的體系，各個參與主體既是能源提供者，又是消費(fèi)者，從而推動實(shí)現(xiàn)綠色電力共享，為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供可能。同時，政策環(huán)境與電力市場的發(fā)展是息息相關(guān)的，因此政府應(yīng)當(dāng)出臺一系列扶持政策，比如全面引入招標(biāo)競爭制度，以電力市場為引導(dǎo)，以多能協(xié)同為手段，最終形成成熟開放的電力市場模式。光伏、風(fēng)電等成熟可再生能源發(fā)電模式全面進(jìn)入競爭性電力市場，為了增加競爭力和收益，部分可再生能源電站開始自主配置儲能。當(dāng)競爭全面引入可再生能源市場，現(xiàn)貨及輔助服務(wù)市場日趨成熟，其電價會遠(yuǎn)高于常規(guī)批發(fā)零售市場，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)棄煤目標(biāo)，依賴天然氣、抽水蓄能及各種形式的儲能代替煤電。

4 結(jié) 語

隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源的快速發(fā)展，廣泛接入的可再生能源使得配電系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)真正互聯(lián)互通，蜂巢結(jié)構(gòu)的互聯(lián)配電網(wǎng)形態(tài)顯示出來巨大優(yōu)勢。遵循“點(diǎn)-線-面”原則，最終構(gòu)建形成互聯(lián)互通的蜂巢配電網(wǎng)，建設(shè)出的互聯(lián)的蜂巢配電網(wǎng)是經(jīng)濟(jì)、高效的，蜂巢配電網(wǎng)互聯(lián)后，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象減少，電網(wǎng)對可再生能源的消納能力得到提升，能夠保證大規(guī)模電動汽車可靠有序充電、大規(guī)模分布式光伏高效接入，從而保證供電可靠性，保障電動汽車及分布式電源發(fā)展。在蜂巢型配電網(wǎng)發(fā)展過程中，也存在一定的問題，比如，如何完成中壓配網(wǎng)的蜂巢狀轉(zhuǎn)化，解決多重耦合問題的多配網(wǎng)主動裝置協(xié)同控制問題等，這也是真正實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)互聯(lián)互通的研究重點(diǎn)。

致謝：本文由國網(wǎng)科技項(xiàng)目支撐高比例分布式資源的配電網(wǎng)形態(tài)與管控體系構(gòu)建技術(shù)研究的贊助，特此感謝！