蜂巢配电网的构建过程及优势分析

谢光龙，王旭斌，朱 琳，张可心

（1.国网能源研究院有限公司，北京 102209；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

在“碳达峰”、“碳中和”的背景下，我国能源的绿色低碳转型已站在新的历史起点上。为了推进能源实现全面、协调、可持续发展，我国政府发布了《新时代的中国能源发展》白皮书和《能源生产和消费革命战略（2016—2030）》等文件[1]。风能、光伏、水电等可再生能源的大规模应用，替代了传统的化石能源，为实现碳中和愿景提供了可行途径，这使得风能和光伏能源等越来越多的分布式可再生能源快速发展和并入电网。新能源、新型储能、氢能等新型能源技术以前所未有的速度快速发展，各种新模式新形态不断涌现，成为全球能源转型变革的关键驱动力。在许多国家，可再生能源消费量稳步上升，占到全部能源消费的1/5，可再生能源发电量也在不断提高，已经超过全部发电量的1/4。而在我国，到2030 年非化石能源在一次能源消费中的比重应达到所有能源消费的1/4左右[2]，风电和太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上[3]。

随着可再生能源的高速发展，配电网必须解决波动性可再生能源和高峰值电动汽车负荷带来的问题，通过多能流耦合实现低成本储能（电-气-热-氢-甲烷-抽水蓄能等）并且通过直流柔性互联解决目前电网的频率和相角问题，增强电网的灵活性。因此在未来的电网发展中，不能忽视分布式接入中压、低压配网的可再生能源，广泛接入的波动性能源使得中低压配电系统必须实现真正互联互通。目前已经出现了一些关于未来互联互通的配电网建设形态的设想，比如：基于储能的直流微电网[4]、综合能源局域网[5]、单元控制区域、微网群[6]以及柔性配电网等。而将微网群和柔性配电网相结合，就可以得到基础的蜂巢有源配电网HDN（honeycomb distribution network）。

直流微电网是一个可以将各种直流输出源相互连接，并提供高质量电力的系统[7]。随着可再生能源的发展，新能源发电逐渐成为微电网系统的主导，直流微电网不断发展成为一种新的微电网技术。储能技术已经为未来配电网的架构提供了新的发展思路。文献[8]以基于风力发电机的直流微电网配置为例，提出了3 层电压分层协调控制策略。每个电力电子转换器通过监测直流电压的变化来协调其控制方法，以保持直流微电网在不同运行条件下的功率平衡。每个单元都是独立控制，互不通信，简化了控制结构并提高了控制的灵活性。变流器有能力快速响应由各种运行条件引起的直流电压变化，如风速和负载的变化、交流电网故障等，有能力改善直流微电网系统的稳定性和供电质量。文献[9]给出了一个设想的未来配电网架构体系，即基于储能系统的低压直流微电网，虽然低压直流微电网和储能设备的相关技术已经能够满足其发展要求，但储能设备的电能体积比、能量质量比以及寿命方面依旧存在一定限制，采用储能的直流微电网的技术落地仍面临着一定的技术问题。文献[10]提出微网群的概念，未来的配电网可能包括一些微电网，它们每个都可以被视为一个小规模能源区。未来电网一般是智能电网，它满足了电力基础设施和智能信息网络。微电网是电网中的一个部分，它由多个小规模能源区（包括太阳能光伏、风力发电机等可再生能源）、储能和负载组合而成。微电网的运行方式有两种，分别是并网和离网。当微电网处于并网运行状态时，微电网与主电网保持完全或部分连接，这样微电网就能够从主电网输入或者输出电力，而当主电网受到干扰无法正常运行时，微电网就会切换到离网运行状态，此时微电网处于独立模式，同时仍优先向负载供电[11]。

德国为了更好地实现分布式可再生能源消纳，形成了蜂巢型广泛互联低压微网群，如图1所示。

图1 蜂巢型广泛互联低压微网群Fig.1 Honeycomb-type interconnected low-voltage multi-microgrids

德国的经验说明，蜂巢型互联低压微网群能更好地实现能源区域间调配，实现蜂巢间能量交互；并且蜂巢间通过中压配网互联互通，由图2所示的德国各部门的温室气体排放情况可知，基于蜂巢内及蜂巢间的协同控制、能量管理系统能够实现可再生能源的高效、可靠利用和消纳，温室气体排放量会显著降低，带来巨大的环境效益。

图2 德国各部门的温室气体排放情况Fig.2 Greenhouse gas emissions by sectors in Germany

国内关于蜂巢状配电网的研究，天津大学王成山院士团队在2017 年提出，随着电力电子技术的高速发展，未来配电网可能具有蜂巢状的结构[12]，灵活的柔性互连技术大大改变了主动配电网的运行。基于配电层的柔性互联设备基础，高度互联的蜂巢状配电网结构被认为是未来主动配电网发展的一个可行方案。多终端柔性软开关能够灵活地连接多个馈线，从而提高系统运行的可控性和供电的可靠性。充分利用柔性软开关等柔性互连设备还可以实现电网运行的灵活性，其中，运行灵活性被定义为电网有效适应分布式电源高渗透性带来的各种不确定性并消除其负面影响的能力。浙江大学江道灼教授团队2019年提出一种关于HDN的结构设想[13]：通过建设一定数量的智能功率/信息交换基站，将孤立的分布式微网连接起来，形成一个互联互通的整体系统，这个系统就是蜂巢状有源配电网整体。其中，蜂巢状有源配电网的所有微电网都是相对独立自主的个体，无论电网是否出现异常，它们都拥有高供电可靠性、配电方式灵活和容易接入分布式可再生能源等优势，该构想使HDN的发展具备了牢固的前提。

本文在已有的关于HDN 的研究基础上，重点分析了HDN 的基本形态以及拓扑结构，并逐步阐述了HDN 的构建过程及用到的关键技术，最后分析了HDN 在未来电网构建中的优势，并对未来互联互通配电网的形态进行了前景展望。

1 蜂巢状电网的拓扑结构以及构建过程

1.1 蜂巢状电网的拓扑结构

蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。蜂窝是由一个个正六角形排列组合而成的一种结构，而一个蜂巢结构是由多个蜂窝结构组成的，这种结构有着易于扩展、便于交互、灵活构建等优点，在航天、建筑、材料等方面都有着广泛的应用[14]。而当蜂巢结构应用于电网，实现蜂巢状有源配电网，更是有着供电可靠性高、配电灵活性大等独特的优点。

蜂巢状电网中采用基本的“源、网、荷、储”配置，其中的分布式电源和负载组成六边形的微网能量网架[15]，如图3所示，其能量网架被抽象地表示为六边形，并不严格要求这个区域是一个正六边形。微网应具有一个或多个公共互连点即图中的交点，地理上相邻的微网通过各自的公共互连点连接，在公共点可以建设通信基站以及能量监测站等设施，用于监测所连接的微电网的运行状态，并根据微电网的运行状态做出所连接的微电网的互通或断开的决定。简而言之，每个微网是一个独立的系统，在主动配电网故障时独立运行，大大提高了微网的供电可靠性。主动配电网微电网也具有很高的灵活性，可以根据配电网装置的数量、实际供电区域的大小和供电的经济性进行优化，例如：在实际应用中，大部分的供电区域建设六边形的蜂巢状电网，但根据供电区域的地形、基础设施等条件，也可以建设一些三角形或四边形等其他符合实际需求的形状的微电网。

图3 蜂巢状有源电网的拓扑结构Fig.3 Topology structure of heneycomb distribution network

1.2 蜂巢配电网的构建过程

蜂巢配电网的构建需经过点到线到面3 个过程。首先是“点”，蜂巢状电网中的点代表交直流电网典型应用场景，比如数据中心、充电中心等，根据负荷特点划分；之后构建“线”，实现电网中的某一些必要的功率传输线的连接；最后是“面”，即大部分点之间实现连接，建成数字化信息化网络，优化配网能量分配。

负荷端、发电端、储能端三方面都存在典型的直流电网应用场景，都可以作为蜂巢配电网的“点”。负荷端方面，第一有数据中心，如腾讯、阿里这样的创新型公司，当几百万台服务器同时工作时，数据中心的能源消耗已经占据了公司总支出的较大部分，而数据中心的负荷大多为直流负荷；第二即交通运输的电气化，我国正在大力发展节油洁净的电气化交通[16]，趋势是航空、陆地、海洋3 种运输方式均在向电气化方向发展，如氢燃料电池飞机，比亚迪、小鹏等品牌的电动汽车，它们都是目前应用较为广泛的电气化交通工具，也都是直流供电。这两个应用场景是负荷端最普遍也是最显著的变化。发电端方面，传统的能源结构是将化石能源作为主要供给能源，这显然不符合国家可持续发展战略的需求，因此必须探寻新的符合当前社会发展的能源结构，比如光伏、燃料电池、风力发电和生物质能等，而这些可再生能源生产形式大都是直流供电。储能端方面，由于可再生能源这类新的能源生产形式大多存在不稳定性，因此需要配置储能。而大多数储能设备都是直流的，如锂电池、铅酸电池、超级电容器以及混合储能设备等。

同时，在蜂巢配电网的“点”中也需要建设一些通信基站以及能量监测站[17]，依靠通信基站，蜂巢状配电网可以实现基站与基站之间以及基站与上级电网之间的双向通信，高速的双向通信网络是确保蜂巢配电网实现资源共享，优化功率分配，建设电力市场的关键。这为实现蜂巢配电网的智能化和数字化奠定了坚实的基础。

“线”的形成即点与点之间通过柔性方式实现互联，从而建设柔性互联蜂巢配电网。蜂巢配电网的柔性主要分为节点柔性和支路柔性两个方面。节点的柔性与电网的刚性特征相对，电网的刚性特征指电网中能量只能瞬间平衡，而节点的柔性通过配置储能、调整参与需求响应的负载以及接入或断开电动汽车等可灵活给电网供电的装置等手段可以改善这种现象。这里的节点主要分为两类，一类是用户节点，另一类是连接到柔性互联装置的负载或储能节点。但节点柔性在空间分布上体现出一定的不平衡性，因此需要支路柔性来弥补，而支路柔性主要是利用柔性互联装置来实现电网潮流的连续调节。同时，不同电压等级的互联节点可以通过电力电子装置等灵活地连接。

柔性互联装置FID（flexible interconnected device）可以看作是蜂巢配电网的顶点设备，是蜂巢配电网的能量分配枢纽，柔性互联装置可以在智能软开关SOP（soft open point）、固态变压器、储能装置、通信装置等设备的基础上构建，柔性互联装置具有可扩展性，能实现各种不同形式能源的接入。基于智能软开关实现配网柔性互联能够快速、准确地控制自身的功率流动，从而影响所连两侧馈线的功率分布。在常规的联络方式中，馈线之间的连接通常是选取断路器、隔离开关等部件，通过控制开关元件的开/关来改变网络的拓扑结构，从而控制电网潮流分布；但是在直流柔性联络方法中，馈线之间的连接大多是选用大功率电力电子装置，电力电子装置可以调节馈线之间的功率流动，从而实现对电网潮流分布的控制以及优化。

在正常运行时，多端智能软开关可以根据发出的调度指令，在多条馈线之间实现灵活地功率交换[18]；故障状态情况下，如果一条馈线因故障而失效，可以实现多个变流器运行模式的快速平滑切换，保证重要负载的快速转接。当智能软开关与储能联合时，储能的缓冲使柔性互联不再是简单的功率输送，而是可以作为瞬时或短期功率平衡电源平滑功率波动，施加更灵活的控制策略。SOP可实现负荷在馈线间的空间转移，储能实现的是负荷在时间分布上的转移，二者相结合可从空间和时间两个维度上进行优化。

将互联低压馈线的柔性互联装置成为低压柔性互联装置，将互联高压馈线的柔性互联装置成为高压柔性互联装置，为了节省空间，距离较近的低压柔性互联装置和高压柔性互联装置可以合并规划[19]，构建柔性直流互联系统，其形态架构如图4所示，其中黑色线段表示交流母线；LV 表示低压线路，电压等级为380 V；MV表示中压线路，电压等级为35 kV；HV表示高压线路，电压等级为500 kV；深灰色线段表示直流母线，电压等级为10 kV。高压线路与中压线路通过模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）相连，中压线路与低压线路通过AC-AC 换流器相连。直流负荷直接通过DC-DC 换流器接入直流母线[20]。蜂巢单元是蜂巢配电网的基本单元，其形态可以是直流、交流或混合微电网，具体可根据负载和分布式电源的类型进行选择。通过柔性互联装置，蜂巢单元可以与其他蜂巢单元或者上级电网实现连接在并网模式下运行，同时也可以独立运行即处于孤岛模式。中压网络可以是交流或直流，形成一个多回路的交直流混合配电网。分析中压交流辐射状的线路不同时段负载率，计划可再生能源接入量，源荷不匹配程度、储能配置区域及对主网辅助调频调压调峰的需求，认为有区域互联、协同互济需求的区域，配置中压柔性互联线路。

图4 柔性直流互联系统形态架构Fig.4 Morphological architecture of flexible DC interconnected system

最后，随着电力电子设备等可控装置越来越多，蜂巢配电网可以收集信息同时向上反馈进行信息化处理，并引入能量管理系统、调度管理系统、协同控制系统等，最终建设成为数字化信息化的智能电网，形成“面”。

数字化智能化电网以一体化的高速双向通信网络为基础，通过应用先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制技术和先进的决策支持系统技术，保证电网安全可靠高效地运行，并且最大限度地提高环境效益，其主要特点是保证电力市场的高效运行和实现能源资产的优化分配[21]。实现数字化信息化的智能电网，可以通过微电网集群柔性互联。微电网集群柔性互联可以将交、直流微电网等不同供电类型进行互联，也可以实现不同电压等级的微电网集群大规模接入的互联。多个微电网在物理层面上实现隔离，但电网互联处的灵活功率管理使微网集群能够以稳定的方式共同运行，并且具有高度的灵活性和可控性[22]。在地理位置上相距较近的微电网可以进行微电网集群互联，通过微网集群，可以对这些微电网进行协调功率管理并且可以实现彼此之间的紧急功率支撑，这可以更有效地解决高比例可再生能源接入、间歇性和波动性的负荷随机接入等重要挑战，并且可以提高集群中分布式可再生能源发电系统和储能设备的能源效率。

同时数字化也是指运营中心的数字化，比如数字化电力交易平台等，即实现通过数字化的手段提升电网整体的运营效率，降低运营成本。实现运营数字化就要以数字化为抓手，推动能源转型，提高数字化能力和培养数字化人才，建设数字智能AI和区块链，打造数字化产品和服务，实现数字协同办公等。

2 蜂巢配电网的经济优势及关键技术

2.1 蜂巢配电网的经济优势

从长期发展来看，互联的蜂巢配电网一定是更经济、更高效的。通过建设蜂巢配电网，可以更快地实现以“风光氢储充+能源耦合+能源数字化”为引领的能源转型。为促进可再生能源开发利用，我国出台了一系列可再生能源发展与保障政策，有效保障了可再生能源发电优先并网的需求[23]，通过建设蜂巢配电网，可再生能源接入的不确定性逐渐减小，在预设备用容量相同的情况下，与传统配电网相比，蜂巢电网对可再生能源有更大的消纳能力。从技术经济方面而言，蜂巢能源互联网能够保证大规模电动汽车可靠有序充电、大规模分布式光伏高效接入，从而保证供电可靠性，保障电动汽车及分布式电源发展。蜂巢配电网互联后，弃风弃光现象减少，电网对可再生能源的消纳能力提高。并且互联的蜂巢配电网可以显著提高环境保护效益，蜂巢配电网中可再生能源代替了大部分化石能源，因此在生产电能的环节中，显著减少了废气的排放。并且通过电网互联，蜂巢配电网可以根据实际情况进行合理地供电环节转移，发挥不同地区的不同优势，从而有效解决空气污染等环境问题。

目前评价互联电网经济性的模型主要有综合成本效益模型和考虑时空分布的电网运行效益模型[24]。在蜂巢配电网的建设环节，其综合成本效益主要包含蜂巢配电网实现远距离输电的工程成本和建设增加新的发电厂的建设成本。建设成本上，因为贵金属价格（铜、铝、硅钢等）持续上涨，变压器价格呈上升趋势，而硅原料及制造成本持续下降，因此逆变器等电力电子装置价格逐年降低，变压器价格与逆变器价格对比如图5所示。并且，在山村等环境条件较差的偏远地区，电力系统基础建设相对比较落后，新建发电厂会造成较大重复装机投资，而蜂巢配电网的功率支撑作用可有效避免该投资，从而降低综合成本效益；计及时空分布特性的蜂巢配电网运行模型可以大幅度降低可再生能源接入的不确定性，缓解弃风弃光现象，使系统对备用容量的依赖减少。于是，在预设备用容量和负荷均相同的情况下，蜂巢配电网可以有效提升系统对可再生能源的消纳能力，保护环境的同时减少了机组运行成本，从而降低电网的运行效益。因此随着时间的增长，蜂巢配电网的累计经济效益呈现上升趋势，如果从全寿命周期的角度考虑，最终的累计收益会远远高于前期投入资金。这主要是由两个因素造成的：一方面是引入全寿命周期后，建设时的投资成本从整个全寿命周期的角度进行分析，并将成本折算到整个生命周期中；另一方面原因是蜂巢配电网消纳可再生能源的能力的提高和彼此功率支撑的作用。

图5 变压器价格与逆变器价格对比Fig.5 Transformer price versus inverter price

综上所述，通过建设互联互通的蜂巢配电网，电网的经济效益将能够获得显著提升。蜂巢配电网建成后，可再生能源接入的整体不确定性会显著降低，对可再生能源的消纳能力增强，从而获取了更大的环境效益。同时，得益于蜂巢配电网功率相互支撑的特性，发电厂的建设费用会有效减少，并且蜂巢配电网运行的开停机量和运行成本也会有效降低。

2.2 蜂巢配电网的关键技术

与传统电网相比，蜂巢电网存在明显的经济优势，但因蜂巢电网的形态特征较为复杂，其构建过程中也存在一些仍需攻克的关键技术，比如完善通信机制的建立以及如何应用SOP 实现不同电压等级的灵活互联等。

完善通信机制的建立是实现数字化、智能化的蜂巢配电网的关键一环。蜂巢配电网因其特有的拓扑结构，具有分层分区协调控制、蜂巢单元自治等优良特点，故应采用蜂巢单元之间互联通信与系统整体通信相结合的通信机制[25]。既要确保最高层调控中心可以实时获取整个蜂巢电网的运行状态，便于其进行功率调配以及全局优化，也要实现各个蜂巢单元之间的站间通信，使得各个站点间可以进行功率互济，从而有利于蜂巢电网平稳运行，当然其执行优先级较低。因此通信基站需要具有调频辅助服务、参与阻塞管理、参与电力调峰等能力，并且具有同时参与多种需求响应应用场景的潜力，这将是未来的研究重点。

蜂巢配电网需要将各个电压等级的馈线进行互联，因此对SOP装置柔性互联能力的灵活性及适用性要求较高，理想的SOP装置可以充分发挥高电压等级馈线的供电能力，有效实现各个电压等级馈线之间的功率流动，从而实现相连馈线或站点间的相互支撑作用[26]。连接多电压等级的SOP 装置对容量以及变比的要求降低，而关键问题是如何在中压配网层面实现多电压等级的灵活接入，以及在不同电压等级间的双向可控功率交换能力。蜂巢电网复杂的拓扑结构就要求SOP 装置的装备实现技术更加先进，比如不同电压等级的电气隔离问题、直流环节的结构设计问题以及SOP 装置的协调控制问题，均有待进一步的研究与探索。

除此之外，目前构建互联互通配电网的关键性瓶颈在中压直流电网。如何完成中压配网的蜂巢状转化，实现中压互联设备成本降低、体积下降的目标，以及如何选择中压互联设备/网络的直流电压等级，解决多重耦合问题的多配网主动装置协同控制问题等都是目前亟待解决的研究重点。为了更好地实现分布式可再生能源消纳，蜂巢型电网应广泛互联低压微网群；同时蜂巢间通过中压配网互联互通，其中，中压直流电网需实现全电力电子化，确保其是主动可控的；区域内呈蜂巢环网状，多电力电子柔性互联装置协同控制实现多目标需求，当然每个区域间也通过直流互联，提高效率。

3 蜂巢配电网的广阔前景

随着国内5G 相关技术的快速发展，中国通信智能基站的相关技术已处于国际前列[27]，技术的进步使得单位流量的价格大大降低，并且通信速度、服务质量等都大幅度提高。因此，相信在未来，随着通信基站不断实现大容量、低时延的通信要求以及更低价格、更高性能的通信设备的投入使用，蜂巢状配电网的优越性与经济性将逐步凸显。

为了适应多电压等级供电场景下的柔性互联需求，目前SOP的发展正在逐渐实现多元化。在常规馈线柔性互联的基础上，逐步满足多线供电、多电压等级供电、多级变电站互联、储能辅助调节等不同场景下的柔性互联需求。随着SOP 装置的柔性互联能力以及适应性和灵活性的不断增强，建设互联互通蜂巢配电网的技术支撑逐渐可靠。

通信技术以及SOP 相关技术的日益成熟不断推进了蜂巢电网的发展。在互联电网实际构建中，应分为“理论研究—形态构建—过渡策略—原则制定—实证应用”五大阶段，以“经济性好、落地性强”为原则，开展蜂巢新型能源互联网结构及应用研究。基于蜂巢内及蜂巢间的协同控制、能量管理系统能够实现可再生能源的高效可靠利用和消纳，为可再生能源全面替代化石能源提供可能性。

综上所述，随着技术的发展以及经济政策的推动，基于目前国内配电网形态，可以先逐渐将现有配电网通过柔性直流的形式互联起来，使来自各个变电站的配电线路实现合环互济、功率可灵活控制的在线合环运行，以此提高每个配电区域内配电网的潮流调控能力，实现配电变压器间的负载均衡，从点到线再到面，最终建设成为互联互通蜂巢电网。

随着蜂巢配电网的建成，也会出现一些新的能源共享模式，比如自给自足、邻里售电、社区共享等[28]，如表1所示。其中：自给自足是指区域内电能自发自用，微网内实现发电及消纳；邻里售电是指社区用户共同成立能源共享社区，作为发用电市场参与主体，社区内新能源发电、储能实现点对点交换、供应或共享；社区共享模式是指社区用户共同成立能源共享社区，作为发用电市场参与主体，社区内新能源发电、储能实现点对点交换、供应或共享，电力公司与共享社区签订合约，提供保底供电。

表1 蜂巢电网背景下的多种商业模式Tab.1 Multiple business models in the context of HDN

这些商业模式基于蜂巢电网背景下的互联共享交易，未来将是一个多方参与互动的体系，各个参与主体既是能源提供者，又是消费者，从而推动实现绿色电力共享，为实现双碳目标提供可能。同时，政策环境与电力市场的发展是息息相关的，因此政府应当出台一系列扶持政策，比如全面引入招标竞争制度，以电力市场为引导，以多能协同为手段，最终形成成熟开放的电力市场模式。光伏、风电等成熟可再生能源发电模式全面进入竞争性电力市场，为了增加竞争力和收益，部分可再生能源电站开始自主配置储能。当竞争全面引入可再生能源市场，现货及辅助服务市场日趋成熟，其电价会远高于常规批发零售市场，进一步实现弃煤目标，依赖天然气、抽水蓄能及各种形式的储能代替煤电。

4 结 语

随着光伏、风电等可再生能源的快速发展，广泛接入的可再生能源使得配电系统必须实现真正互联互通，蜂巢结构的互联配电网形态显示出来巨大优势。遵循“点-线-面”原则，最终构建形成互联互通的蜂巢配电网，建设出的互联的蜂巢配电网是经济、高效的，蜂巢配电网互联后，弃风弃光现象减少，电网对可再生能源的消纳能力得到提升，能够保证大规模电动汽车可靠有序充电、大规模分布式光伏高效接入，从而保证供电可靠性，保障电动汽车及分布式电源发展。在蜂巢型配电网发展过程中，也存在一定的问题，比如，如何完成中压配网的蜂巢状转化，解决多重耦合问题的多配网主动装置协同控制问题等，这也是真正实现配电网互联互通的研究重点。

致谢：本文由国网科技项目支撑高比例分布式资源的配电网形态与管控体系构建技术研究的赞助，特此感谢！