祖國(guó)強(qiáng)，王蕾，肖峻，徐科，楊添剴，唐慶華

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津市 300384；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072；3.國(guó)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(xué)船舶電氣工程學(xué)院，遼寧省大連市 116026）

0 引言

隨著全球能源供應(yīng)向清潔、低碳、電氣化轉(zhuǎn)型，未來(lái)配電網(wǎng)功能將更加多元化，責(zé)任也更加重大。不斷增長(zhǎng)的分布式電源（distributed generator，DG）、儲(chǔ)能和電動(dòng)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(fù)荷、DG以及上級(jí)電網(wǎng)間的能量傳輸、分配、存儲(chǔ)與交易平臺(tái)。同時(shí)，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(wèn)題，給配電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)［1］。

目前，解決上述問(wèn)題主要依靠新設(shè)備和新運(yùn)行方法，包括增加儲(chǔ)能、電力電子設(shè)備、自動(dòng)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(duì)較少。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)是配電網(wǎng)的基礎(chǔ)元素，決定了設(shè)備、運(yùn)行以及管理等技術(shù)對(duì)系統(tǒng)提升效果的上限［2］。例如，饋線自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于單輻射線路只能快速隔離故障，而用于手拉手聯(lián)絡(luò)線路則可進(jìn)一步提升其網(wǎng)絡(luò)潮流轉(zhuǎn)移能力。因此，合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是滿足未來(lái)配電網(wǎng)需求的關(guān)鍵因素，可以增強(qiáng)配電網(wǎng)高級(jí)形態(tài)下可調(diào)度資源在運(yùn)行中的協(xié)同支撐能力，釋放新設(shè)備和新技術(shù)的潛能。

當(dāng)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(biāo)網(wǎng)架，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)也確是適合城市配電網(wǎng)的高可靠網(wǎng)架。但是，對(duì)于未來(lái)高比例可再生能源配電系統(tǒng)，一旦儲(chǔ)能技術(shù)取得突破，臺(tái)區(qū)內(nèi)源-荷就有潛力實(shí)現(xiàn)能量的自平衡，中壓線路的負(fù)載率也將進(jìn)一步降低，甚至只起到備用作用。目前，國(guó)內(nèi)一些光伏發(fā)展較快的地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)臺(tái)區(qū)功率長(zhǎng)期倒送的情況，需要做好預(yù)案。

近年來(lái)，一些學(xué)者陸續(xù)提出不同的未來(lái)配電網(wǎng)的形態(tài)方案，包括低壓直流儲(chǔ)能微網(wǎng)［3］、能源局域網(wǎng)［4］、綜合配電網(wǎng)［2］、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（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(xiàng)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(luò)線對(duì)微網(wǎng)進(jìn)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(shí)時(shí)交換的需求。其次，多狀態(tài)軟開(kāi)關(guān)（soft open point，SOP）是一種替代傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)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(shí)限制短路電流，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行［9］。綜合微網(wǎng)群和柔性配電網(wǎng)，文獻(xiàn)［10］提出用柔性“HUB”替代傳統(tǒng)公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC），多個(gè)微網(wǎng)通過(guò)HUB 進(jìn)行功率交互。文獻(xiàn)［11］將微網(wǎng)設(shè)想為能源互聯(lián)網(wǎng)的細(xì)胞，不同細(xì)胞之間采用能量路由器互聯(lián)；文獻(xiàn)［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(xiàn)［13］提出了基于柔性互聯(lián)的配電網(wǎng)負(fù)荷均衡方法。文獻(xiàn)［14］中提出，未來(lái)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(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能量傳輸控制。但是，文獻(xiàn)［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(xiàn)［15］也指出了未來(lái)配電網(wǎng)可能向蜂窩狀交直流混合模式轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)［16］探討了蜂巢結(jié)構(gòu)應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)的可能性。文獻(xiàn)［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(gè)源-荷-儲(chǔ)規(guī)范配置的微網(wǎng)柔性互聯(lián)。每個(gè)微網(wǎng)供電范圍呈六邊形，與6 個(gè)基站互聯(lián)；基站可根據(jù)所互聯(lián)微網(wǎng)的需求進(jìn)行能量調(diào)控，公共配電網(wǎng)再基于基站信息對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行全局監(jiān)控；文獻(xiàn)［17］還對(duì)比分析了HDN 與其他配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。同時(shí)，仿真研究提出了HDN 的分布式優(yōu)化調(diào)度［18］和可靠性評(píng)估方法［19］，探索了山區(qū)HDN 的運(yùn)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(lái)配電網(wǎng)的形態(tài)演變提供了方向，但當(dāng)前研究總體還處于探索階段，HDN 的核心特征與關(guān)鍵問(wèn)題尚不清晰。本文在已有HDN 研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決上述問(wèn)題，為HDN 的系統(tǒng)研究和實(shí)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(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

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(fù)眼等），也在航天、建筑、通信等多個(gè)領(lǐng)域展示了良好性能。例如，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所用小區(qū)（基站）數(shù)量最少［21］；蜂巢狀多孔材料強(qiáng)度高且重量輕［22］；蜂巢拓?fù)涠嗵幚砥鹘Y(jié)構(gòu)成本低、容錯(cuò)率高［23］。蜂巢系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用表明，相比于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的樹狀層級(jí)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(dòng)、易于擴(kuò)展，非常適合未來(lái)配電網(wǎng)的發(fā)展需求。具體包括如下4 個(gè)方面:

1）易于實(shí)現(xiàn)能量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)靈活轉(zhuǎn)移。未來(lái)配電網(wǎng)是城市能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，充分的電力市場(chǎng)條件下，不同節(jié)點(diǎn)之間需要實(shí)時(shí)的能量互動(dòng)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)樹狀結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)一般只有接收上級(jí)能量的單一渠道，能量互動(dòng)存在困難。蜂巢網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)控制力更強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)之間能量信息通路更多、平均傳遞路徑更短、節(jié)點(diǎn)間地位更加平等，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能量轉(zhuǎn)移。

2）滿足靈活性需求。靈活性是應(yīng)對(duì)DG、電動(dòng)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(gè)維度［24］。傳統(tǒng)配電網(wǎng)連通度較低，機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)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(diǎn)都通過(guò)3 條流量可控路徑與其他節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，系統(tǒng)故障后不同節(jié)點(diǎn)容量互為備用，可實(shí)現(xiàn)多種連通模式的靈活切換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流的靈活控制。

3）滿足局部能量自治需求。對(duì)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(tái)計(jì)算量以及通信壓力過(guò)大的問(wèn)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(yīng)上述要求。蜂巢結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化上游變電站至末端用戶之間的層級(jí)劃分，其網(wǎng)格化特征與未來(lái)大規(guī)模微網(wǎng)組網(wǎng)的形態(tài)吻合，有利于通過(guò)微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部能量控制。

4）滿足可擴(kuò)展性需求。未來(lái)，配電網(wǎng)規(guī)劃方案需要具有靈活調(diào)整的能力，以應(yīng)對(duì)技術(shù)和政策層面的不可預(yù)見(jiàn)性。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃方案制定以及擴(kuò)建周期相對(duì)較長(zhǎng)，而蜂巢結(jié)構(gòu)具有模塊化的接線模式，其網(wǎng)架擴(kuò)展可等效為基本單元的增加，降低配電網(wǎng)擴(kuò)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(yùn)行等方面的獨(dú)特性。此外，未來(lái)配電網(wǎng)的遠(yuǎn)景目標(biāo)形態(tài)需要分階段演進(jìn)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有配電網(wǎng)的一些技術(shù)進(jìn)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(shè)備（flexible interconnected device，F(xiàn)ID）是HDN 的頂點(diǎn)設(shè)備與能量分配樞紐，借鑒文獻(xiàn)［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(chǔ)能、通信模塊以及控制器構(gòu)建，同時(shí)具有多種形式能源接入的可擴(kuò)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(shè)計(jì)以節(jié)約空間。蜂巢單元是HDN 的基本單元，可根據(jù)負(fù)荷和DG 的類型選擇直流、交流或混合微網(wǎng)，每個(gè)蜂巢單元有1 個(gè)或多個(gè)PCC，通過(guò)多個(gè)FID 接口與其他蜂巢單元或上級(jí)電網(wǎng)連接/斷開(kāi)，以聯(lián)網(wǎng)/孤島兩種模式運(yùn)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(duì)稱多電壓等級(jí)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(diǎn):1）區(qū)域能量自治與分層分群運(yùn)行；2）多接口模塊化單元設(shè)計(jì)；3）節(jié)點(diǎn)和支路的廣義柔性。下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 區(qū)域自治與分層分群運(yùn)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(shí)有利于地區(qū)能源資源的合理開(kāi)發(fā)，配電系統(tǒng)一直以來(lái)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的信息尚可，但隨著大規(guī)模分布式資源的接入以及實(shí)時(shí)能量信息的互動(dòng)需求，集中調(diào)控的運(yùn)行管理方式暴露出了弊端［25］，而HDN 采用分層分群的運(yùn)行方式解決了這一問(wèn)題。

HDN 中，每個(gè)蜂巢單元都是單個(gè)可控的實(shí)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(chǔ)能、需求響應(yīng)的內(nèi)部功率平衡策略等。因此，HDN 的實(shí)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(yùn)行的方式。首先，每個(gè)蜂巢單元有義務(wù)盡量維持與其他蜂巢單元、上級(jí)電網(wǎng)之間的計(jì)劃功率，同時(shí)其內(nèi)部分布式發(fā)電的調(diào)節(jié)需要隨時(shí)吸收自身負(fù)荷的變化，即使在有擾動(dòng)的情況下，也需盡量達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)。為此，蜂巢單元需要根據(jù)自身實(shí)際特征制定一套規(guī)劃運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)信息，并對(duì)蜂巢單元進(jìn)行就地控制。

需要指出，DG 通過(guò)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(yùn)行特征，這也是HDN 設(shè)計(jì)的初衷。對(duì)于少量分散且距離負(fù)荷較遠(yuǎn)的DG，仍可以采用直接并網(wǎng)等方式。

HDN 的分層分群運(yùn)行架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 HDN 的分層分群運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)能量自平衡的重要途徑。2021 年6月，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于報(bào)送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間的光伏功率從臺(tái)區(qū)倒送到10 kV 的場(chǎng)景；“光儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，至少對(duì)于廣大的縣域配電網(wǎng)，將具備在中壓饋線級(jí)、臺(tái)區(qū)級(jí)、用戶級(jí)等較小空間尺度內(nèi)的能量自平衡能力。從這一點(diǎn)考慮，HDN 應(yīng)該率先在縣域配電網(wǎng)示范應(yīng)用。

在較大空間尺度上，大電網(wǎng)一直以來(lái)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(gè)平衡區(qū)，一個(gè)平衡區(qū)在地理區(qū)域上是唯一的運(yùn)行實(shí)體，各平衡區(qū)的調(diào)度中心安裝有先進(jìn)、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(yīng)用。對(duì)于大型城市配電網(wǎng)，由于土地空間資源有限、負(fù)荷密度高，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量自平衡的難度很大，代價(jià)也更高，而在更大空間尺度的高壓配電網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)能量自平衡更加現(xiàn)實(shí)。此時(shí)，分散的風(fēng)力發(fā)電可以進(jìn)一步補(bǔ)充清潔電量，如利用110 kV 高壓配電網(wǎng)將風(fēng)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(zhǎng)度在50～100 km，相比于特/超高壓遠(yuǎn)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(fù)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(jí)的HDN，此時(shí)，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(shí)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(lái)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司大力推廣配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，重點(diǎn)工作就是部署臺(tái)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(jì)算能力，可以就地處理部分信息并下達(dá)指令，分擔(dān)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(dān)停電告警、低壓設(shè)備監(jiān)測(cè)、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別等簡(jiǎn)單功能。在未來(lái)臺(tái)區(qū)DG 大規(guī)模接入場(chǎng)景下，可以將TTU 升級(jí)為臺(tái)區(qū)的EMS，成為蜂巢單元的“大腦”，為臺(tái)區(qū)內(nèi)的光伏、電動(dòng)汽車、熱泵等提供監(jiān)控和運(yùn)行優(yōu)化服務(wù)，同時(shí)與相鄰臺(tái)區(qū)進(jìn)行信息交互，進(jìn)一步與FID 集成形成一二次融合智能設(shè)備。

2.2 多接口模塊化設(shè)計(jì)

2.2.1 模塊化特征內(nèi)涵

未來(lái)配電網(wǎng)的供需將呈現(xiàn)多元化、個(gè)性化、定制化的特征，由于多元負(fù)荷預(yù)測(cè)（尤其是短期預(yù)測(cè)）、預(yù)判技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(yīng)對(duì)快速迭代的用戶需求。

HDN 的模塊化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出一系列標(biāo)準(zhǔn)的蜂巢單元存儲(chǔ)在規(guī)劃方案庫(kù)，通過(guò)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(chǔ)能配置、內(nèi)部網(wǎng)架架構(gòu)、與外部電網(wǎng)接口的個(gè)數(shù)（互聯(lián)FID 的數(shù)量）和容量、電能質(zhì)量治理配套設(shè)施等。例如，對(duì)于風(fēng)光資源相對(duì)充足的鄉(xiāng)村低密度負(fù)荷地區(qū)，可以配置較高容量的分布式光伏和儲(chǔ)能，單元內(nèi)以直流網(wǎng)架為主，預(yù)留較小容量的上級(jí)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(duì)于風(fēng)光資源相對(duì)不足但可靠性標(biāo)準(zhǔn)較高的城市高密度負(fù)荷地區(qū)，可以配置較少的光伏與儲(chǔ)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(shí)在高壓變電站內(nèi)布置FID 裝置與上級(jí)電網(wǎng)/相鄰蜂巢單元形成交互。

模塊化設(shè)計(jì)使得HDN 可以在規(guī)劃中以少變應(yīng)對(duì)多變:蜂巢單元具有標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的視角，蜂巢單元因其具有自平衡、自洽能力以及對(duì)外功率交易能力，可作為一個(gè)類似細(xì)胞的“生命體”［11］，只要服務(wù)對(duì)象（用戶、電源、儲(chǔ)能、電網(wǎng)）有發(fā)展需求，那么這個(gè)生命體就會(huì)像細(xì)胞一樣增殖生長(zhǎng)，從而演進(jìn)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(gè)蜂巢單元一定是多個(gè)接口的。對(duì)于六邊形供電區(qū)域蜂巢單元，接口數(shù)量是6 個(gè)，然而實(shí)際中需要滿足具體地理?xiàng)l件約束，數(shù)量一般為3～6 個(gè)。相比于多個(gè)微網(wǎng)共用一個(gè)HUB 的拓?fù)洌?0］，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(gè)FID 連接的蜂巢單元并不多（3、4 個(gè)），故不存在典型的重要節(jié)點(diǎn)，減少了蓄意攻擊核心節(jié)點(diǎn)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(diǎn)也更多，運(yùn)行方式更加靈活，可靠性也更高［18-19］。

需要指出，蜂巢形拓?fù)涫菍?duì)稱的，理論上蜂巢單元的供電區(qū)域?yàn)檎呅?，蜂巢單元接口?shù)量恒定為6 個(gè)，每個(gè)FID 互聯(lián)蜂巢單元為3 個(gè)，但由于受到地理因素和負(fù)荷分布的影響很難實(shí)現(xiàn)，因此不作為HDN 的核心特征。文獻(xiàn)［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(shè)計(jì)

模塊化一直是配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)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(jí)。例如，以變電站供電范圍為供電區(qū)域，由聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)或開(kāi)環(huán)點(diǎn)分開(kāi)的各個(gè)相對(duì)獨(dú)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(tái)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(chǔ)能-負(fù)荷形成的微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法也可以作為蜂巢單元模塊化設(shè)計(jì)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(duì)大約9 km2用地進(jìn)行了均分，劃分出500 多個(gè)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(gè)小街坊的供電網(wǎng)易于升級(jí)為蜂巢單元。

2.2.2.2 多接口設(shè)計(jì)

多接口設(shè)計(jì)是當(dāng)前配電網(wǎng)與HDN 差距較大的一個(gè)特征。在供電區(qū)域?qū)用妫噜彽牟煌?10 kV 變電站之間可以通過(guò)10 kV 饋線建立多個(gè)聯(lián)絡(luò)；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(luò)，這些聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)可以看做是接口的雛形。但0.4 kV 臺(tái)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(gè)微網(wǎng)一般也只通過(guò)一個(gè)PCC 與上級(jí)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(guó)家電網(wǎng)有限公司啟動(dòng)低壓柔性直流臺(tái)區(qū)推廣工作，為臺(tái)區(qū)的多接口設(shè)計(jì)提供了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。臺(tái)區(qū)集中式柔性互聯(lián)的典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示，臺(tái)區(qū)經(jīng)由低壓側(cè)一路交流電纜引出，通過(guò)AC/DC 轉(zhuǎn)換器連接至公共直流母線，并在直流側(cè)預(yù)留各種新能源、儲(chǔ)能或是負(fù)載的接口。每個(gè)臺(tái)區(qū)可以看做是一個(gè)蜂巢單元，如果臺(tái)區(qū)可以通過(guò)其他線路接入更多的低壓FID，與其他臺(tái)區(qū)進(jìn)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(tái)區(qū)柔性直流互聯(lián)Fig.3 Centralized flexible DC interconnection of lowvoltage service transformers

2.3 節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(shí)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(guò)程系統(tǒng)中被首次提出，是指系統(tǒng)應(yīng)對(duì)各種不確定因素的響應(yīng)能力，體現(xiàn)了系統(tǒng)自身對(duì)于內(nèi)部或外部變量變化的應(yīng)變能力。HDN 的柔性體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)和支路兩個(gè)方面，本文統(tǒng)一稱其為廣義柔性。節(jié)點(diǎn)柔性將用以改變功率只能瞬時(shí)平衡的剛性電網(wǎng)特征，主要通過(guò)部署儲(chǔ)能、參與需求響應(yīng)的負(fù)荷以及電網(wǎng)-電動(dòng)汽車互動(dòng)等手段實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)不僅包括一般的用戶節(jié)點(diǎn)，還包括FID 連接的負(fù)荷或儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)。支路柔性則彌補(bǔ)了節(jié)點(diǎn)靈活性在空間上分布的不均衡性，主要利用FID 實(shí)現(xiàn)潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，不同電壓等級(jí)互聯(lián)節(jié)點(diǎn)還可以利用固態(tài)變壓器等裝置實(shí)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(lái)學(xué)術(shù)研究和工程示范的焦點(diǎn)之一。在節(jié)點(diǎn)柔性方面，分布式儲(chǔ)能發(fā)展較為迅速，但目前仍然存在能量密度較低、運(yùn)維工作量大、價(jià)格高昂以及安全性低等問(wèn)題。因此，大力發(fā)展需求響應(yīng)技術(shù)是提供節(jié)點(diǎn)柔性的另一個(gè)有效途徑，包括負(fù)荷精準(zhǔn)調(diào)控、虛擬電廠、虛擬儲(chǔ)能技術(shù)等。值得注意的是電動(dòng)汽車的快速發(fā)展:一方面，充分的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促使電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)不斷更新迭代；另一方面，電動(dòng)汽車也是靈活的可調(diào)控負(fù)荷，大規(guī)模有序充電甚至車網(wǎng)互動(dòng)（vehicle to grid，V2G）行為可以為配電網(wǎng)提供柔性資源。2021 年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司在天津、江蘇、上海等多個(gè)省市開(kāi)展了規(guī)模化多場(chǎng)景的車網(wǎng)互動(dòng)試點(diǎn)應(yīng)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(shè)主要針對(duì)高壓和中壓配電網(wǎng)，如英國(guó)的Network Equilibrium 項(xiàng)目和中國(guó)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(duì)臺(tái)區(qū)級(jí)的局部配電網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題，因其成本相對(duì)較低、應(yīng)用場(chǎng)景多樣、直接面向直流電源和負(fù)荷，更有潛力實(shí)現(xiàn)率先推廣。英國(guó)FUN-LV 工程對(duì)比示范了24 套低壓FID［33］，中國(guó)寧波北侖開(kāi)展了國(guó)內(nèi)最早的柔性臺(tái)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(bǔ)技術(shù)的發(fā)展，臺(tái)區(qū)的能量自平衡能力將進(jìn)一步提升，從而弱化了臺(tái)區(qū)與中壓網(wǎng)的能量耦合程度，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)也將具備分層分群運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，向著真正的HDN 演進(jìn)。中國(guó)山西芮城縣的窯洞光伏+直流配電項(xiàng)目，便是一個(gè)接近HDN的樣例［34］。

未來(lái)，中壓+低壓嵌套式的多電壓等級(jí)柔性互聯(lián)可能使得配電網(wǎng)的柔性程度達(dá)到非常高的水平，但不同電壓等級(jí)之間的FID 協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略、故障特征機(jī)理將更為復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究。以某工業(yè)園區(qū)4 端口中壓多狀態(tài)開(kāi)關(guān)示范工程為例，考慮臺(tái)區(qū)負(fù)載均衡以及光伏的靈活消納，可構(gòu)建兩個(gè)低壓柔性互聯(lián)試點(diǎn)，以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題

問(wèn)題1:HDN 設(shè)計(jì)中的柔性-隨機(jī)性平衡以及分階段演變問(wèn)題。

現(xiàn)有研究給出了對(duì)稱的HDN 結(jié)構(gòu)設(shè)想，但實(shí)際配電網(wǎng)設(shè)計(jì)中的網(wǎng)架、負(fù)荷分布并不規(guī)則，因此，必須提出考慮實(shí)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(shè)備的選址定容問(wèn)題，其本質(zhì)是通過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)以HDN 的可控性平衡大規(guī)模DG、電動(dòng)汽車接入的潮流隨機(jī)性，這對(duì)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(shí)際構(gòu)建涉及存量配電網(wǎng)利用、儲(chǔ)能、電力電子材料發(fā)展趨勢(shì)、碳排放約束、市場(chǎng)機(jī)制等諸多方面的影響，需要研究面向未來(lái)新形態(tài)配電網(wǎng)的綜合評(píng)估方法，以充分論證技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的可行性，設(shè)計(jì)HDN 的分階段演變路徑以及典型過(guò)渡形態(tài)。

問(wèn)題2:分層分群架構(gòu)下的HDN 優(yōu)化運(yùn)行高維模型求解問(wèn)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(duì)粗放，主要關(guān)心故障問(wèn)題，優(yōu)化運(yùn)行的迫切程度不高。HDN 的運(yùn)行面向未來(lái)配電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的需求，充分利用DG、儲(chǔ)能、可調(diào)控負(fù)荷、FID等可控元件以及通信條件，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(wèn)題。此外，隨著電力市場(chǎng)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(wèn)題，如多個(gè)相鄰蜂巢單元的剩余光伏出力共享策略等。類似問(wèn)題在主網(wǎng)層面研究較多，但配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模更大，傳感器、通信設(shè)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(wèn)題仍是一個(gè)難點(diǎn)。

問(wèn)題3:不同系統(tǒng)中蜂巢結(jié)構(gòu)作用機(jī)理的共性分析問(wèn)題。

同一拓?fù)浣Y(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(xué)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(xué)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(xué)科領(lǐng)域，具有更廣泛的意義?；趫D論或復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)拓?fù)涮卣鞣治鲆延胁糠盅芯?，但尚沒(méi)有針對(duì)柔性配電網(wǎng)、微網(wǎng)群以及HDN 的研究，其中柔性節(jié)點(diǎn)和柔性支路在點(diǎn)-邊圖論模型中如何處理是一個(gè)難點(diǎn)。此外，在不同物理系統(tǒng)中，蜂巢結(jié)構(gòu)對(duì)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(biāo)，將HDN 與通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行深入對(duì)比，揭示數(shù)學(xué)上更一般的規(guī)律。

4 HDN 關(guān)鍵問(wèn)題的研究思路

本章將針對(duì)3 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(jī)度配比的蜂巢單元核心設(shè)備定容

蜂巢單元設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)具體的設(shè)備容量進(jìn)行選擇，典型變量應(yīng)為電源內(nèi)部DG、儲(chǔ)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(jí)電網(wǎng)交換功率的端口容量。已知邊界條件為負(fù)荷大小、負(fù)荷類型、光照、風(fēng)力、燃?xì)獾茸匀粭l件預(yù)測(cè)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(biāo)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的負(fù)荷具有隨機(jī)性、電源具有可控性，但在HDN 中，源、荷同時(shí)具有隨機(jī)性和可控性，經(jīng)典的容載比指標(biāo)不足以表達(dá)系統(tǒng)的平衡關(guān)系，需要在隨機(jī)性與可控性層面進(jìn)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(jī)度配比的蜂巢單元設(shè)計(jì)思路，如圖5 所示。

圖5 基于柔性度-隨機(jī)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(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和支路的柔性度、節(jié)點(diǎn)注入功率隨機(jī)性的量化指標(biāo)與計(jì)算方法，建立儲(chǔ)能、需求響應(yīng)、FID 容量與柔性度的函數(shù)關(guān)系，建立DG、電動(dòng)汽車等與隨機(jī)度的函數(shù)關(guān)系；2）根據(jù)光伏、負(fù)荷等數(shù)據(jù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的柔性度和隨機(jī)度的差值；3）以不同節(jié)點(diǎn)的凈隨機(jī)度與相關(guān)支路的柔性度平衡為目標(biāo)，考慮蜂巢單元孤島運(yùn)行時(shí)間等約束，得到儲(chǔ)能、FID 的容量；4）以設(shè)備容量結(jié)果為邊界條件，考慮地理約束，以蜂巢單元運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)（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(píng)價(jià)

相比于新增設(shè)備或新運(yùn)行方法，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的影響范圍更廣、影響時(shí)間更長(zhǎng)、綜合成本更高，因此，必須對(duì)HDN 設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分評(píng)估，綜合安全、效率、成本、環(huán)境效益等指標(biāo)，通過(guò)與其他未來(lái)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比，量化分析HDN 在各個(gè)發(fā)展階段的優(yōu)勢(shì)與不足。

將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為核心指標(biāo)和輔助指標(biāo):核心指標(biāo)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(shè)備利用率）問(wèn)題；將可靠性、電能質(zhì)量、運(yùn)行效率、改造成本、環(huán)境效益列為輔助指標(biāo)。采用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）進(jìn)行綜合評(píng)估，對(duì)不同HDN 以及對(duì)比方案的分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序。以不同指標(biāo)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(jì)性-安全性平衡差異等不同的未來(lái)場(chǎng)景邊界條件，綜合確定HDN的可用性水平。

負(fù)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(duì)偶指標(biāo)。首先，以HDN 的運(yùn)行約束為邊界構(gòu)成可行域，若以負(fù)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(jìn)行線性化處理，再轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃模型求解。文獻(xiàn)［35］還類比發(fā)電機(jī)輸出曲線，在TSC/TAC 指標(biāo)基礎(chǔ)上提出了TSC/TAC曲線，定義為所有嚴(yán)格安全邊界點(diǎn)負(fù)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(duì)比出兩個(gè)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(yùn)行

現(xiàn)有配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方法思路通常為:調(diào)度人員采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制（每一時(shí)間間隔評(píng)估一次系統(tǒng)最大調(diào)節(jié)能力）或者事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制（如系統(tǒng)面臨運(yùn)行約束問(wèn)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(chǎng)環(huán)境下各個(gè)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(shí)，單元間交流的信息要盡可能少，這可以通過(guò)增加等效節(jié)點(diǎn)注入和等效決策變量（如邊界節(jié)點(diǎn)電壓）對(duì)整個(gè)HDN（集群）進(jìn)行解耦，并在自治-協(xié)調(diào)模式下進(jìn)行集群優(yōu)化運(yùn)行。

針對(duì)蜂巢單元（群內(nèi)）自治問(wèn)題，首先，基于單元自身節(jié)點(diǎn)功率注入和邊界決策變量組成的運(yùn)行點(diǎn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邊界節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到HDN 中光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等新元件的“即插即用”特性，所有可控設(shè)備不能預(yù)定，有必要制定一個(gè)能夠應(yīng)對(duì)設(shè)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(jì)運(yùn)行。

針對(duì)單元間（群間）協(xié)調(diào)問(wèn)題，目前的優(yōu)化模型主要考慮電力市場(chǎng)背景，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，未對(duì)潮流約束需求進(jìn)行研究。而實(shí)際上，不同運(yùn)行狀況下調(diào)度人員對(duì)安全性與經(jīng)濟(jì)性的偏好并不相同，這就意味著需要針對(duì)不同目標(biāo)調(diào)整參與協(xié)調(diào)工作的群集，并制定相應(yīng)的控制策略。為此，可通過(guò)安全裕度指標(biāo)量化蜂巢單元對(duì)安全性的需求。然后，考慮運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性，建立配電網(wǎng)蜂巢單元對(duì)應(yīng)的分布式優(yōu)化模型，并采用合適的算法進(jìn)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(qiáng)化學(xué)習(xí)算法來(lái)解決［36］。

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

4.4 HDN 的圖論和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征

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

首先，網(wǎng)絡(luò)性能與圖論指標(biāo)存在關(guān)聯(lián)，如“度”“長(zhǎng)度”“直徑”“深度”等。在通信網(wǎng)絡(luò)研究中，圖的“度”代表組件端數(shù)，這與網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)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(guò)少則網(wǎng)絡(luò)連通度不足，端口數(shù)過(guò)多則可能提高設(shè)備造價(jià)并難以實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)。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(shí)未必如此。圖1 提出的HDN 中，F(xiàn)IDL節(jié)點(diǎn)度為3，PCC 節(jié)點(diǎn)度為6，可以通過(guò)計(jì)算HDN 度、度分布、平均距離等指標(biāo)及其統(tǒng)計(jì)分布，建立蜂巢網(wǎng)絡(luò)性能與圖論統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系。

其次，可以采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析中的抗毀性（invulnerability）指標(biāo)，分析蜂巢拓?fù)鋵?duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響機(jī)理?？箽允蔷W(wǎng)絡(luò)可靠性研究的一個(gè)重要分支［38］，反映了網(wǎng)絡(luò)承受攻擊的能力，在社交網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)以及電力網(wǎng)中均有廣泛應(yīng)用?？苫趩我蜃幼兞克悸?，分析抗毀性指標(biāo)隨網(wǎng)格形狀、平均負(fù)載率、負(fù)載均衡度、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)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?biāo)計(jì)算方法如下:

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(luò)的最大連通片尺寸與網(wǎng)絡(luò)尺寸之比來(lái)量度網(wǎng)絡(luò)抗毀性；N為N-1 故障前網(wǎng)絡(luò)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(hào)。同時(shí)，同步計(jì)算工作點(diǎn)到安全邊界的安全距離（N-1 故障后的元件安全裕量）指標(biāo)［39］以輔助驗(yàn)證抗毀性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了配電網(wǎng)采用蜂巢拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢(shì)，提出了HDN 的3 個(gè)核心特征，即區(qū)域能量自治與分層分群運(yùn)行、多接口模塊化單元設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)和支路的廣義柔性，明確了HDN 在規(guī)劃、運(yùn)行等方面的獨(dú)特性。針對(duì)3 個(gè)核心特征，分析了柔性互聯(lián)臺(tái)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(jī)性平衡以及分階段演變、分層分群運(yùn)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(jī)理共性分析3 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并提出了基于柔性度-隨機(jī)度比、供電消納能力、自治-協(xié)調(diào)模式以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shí)際構(gòu)建提供了思路與方案。HDN 是否是未來(lái)配電網(wǎng)的主要形態(tài)還需要更多層面的論證。隨著儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子技術(shù)、通信技術(shù)以及電力市場(chǎng)的發(fā)展，HDN 蘊(yùn)含的技術(shù)與理念在“雙碳”目標(biāo)下將得到更廣泛的應(yīng)用。

感謝國(guó)網(wǎng)天津市電力公司科技項(xiàng)目（KJ21-2-04）對(duì)本文研究的支持。