CN112531684A - 面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构 - Google Patents

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祖国强
王蕾
肖峻
宋晨辉
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Abstract

本发明涉及一种面向城市配电网的中压‑低压双层蜂巢状网络结构，包括10kV中压配电网络层和380V低压配电网络层，该10kV中压配电网络层为中压蜂巢网络层，该中压蜂巢网络层以六边形馈线网格为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；该380V低压配电网络层为低压蜂巢网络层，该低压蜂巢网络层以六边形供电边界的微网为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；该中压蜂巢网络层与低压蜂巢网络层相连接构成双层蜂巢状网络结构。本发明首次提出了中压‑低压配电网均采用蜂巢拓扑的配电网结构，相比于已有的蜂巢配电网拓扑，进一步提升了中压配电网的灵活性，有利于实现配电网更大范围内的潮流优化控制，进一步提升供电可靠性与清洁能源的消纳能力。

Description

面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构
技术领域
本发明属于配电网技术领域，涉及城市配电网规划，尤其是一种面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构。
背景技术
随着全球能源供应向清洁、低碳、电气化转型，未来配电网功能将更加多元，责任也将更加重大。不断增长的分布式电源(distributed generation,DG)、储能和电动汽车，海量用户资源管理，兼容冷-热-气等多种能源以及与信息系统耦合等新的功能要求，将使得配电网从单纯的电力配送者转变为多种负荷、DG以及上级电网间的能量传输、分配、交易甚至存储平台。同时，潮流由单向变为双向、源荷双端的高度不确定性、电力电子化以及电能质量等问题，为配电网的规划运行带来巨大挑战。
结构是配电网的基础元素，决定了设备、运行以及管理等技术对系统提升效果的上限，合理的网架结构是满足未来配电网需求的关键因素，既可以提升配电网高级形态下可调度资源在运行中的协同支撑能力，也能增强释放新设备和技术的潜能。
长期以来，我国配电网采用闭环建设、开环运行的原则，总体呈放射状结构，这是在高压变电站集中送电、线路单向潮流的背景下形成的。这种结构难以满足未来配电网的新需求，其最主要原因是拓扑连通程度相对较低。连通性是节点间能量互动的前提以及网架灵活性的空间基础，对配电网可靠性、设备利用率、网损优化等具有重要影响。我国城市配电网虽然广泛建设联络，但由于缺乏统筹规划，导致大量低效甚至无效联络，难以支撑负荷灵活转移，一些多联络在运行效果上基本等同单联络(双电源)，导致出现可靠性低、供电能力不足、负载不均衡等问题。未来配电网将具有交直流混合形态，多状态开关(softopenpoints,SOP)等电力电子设备将大大增强配电网潮流控制能力；大规模DG通过微网消纳，而不同微网之间需要实时能量互济。上述技术方法均需要基于高度连通的网架才能实现效果，当前配电网难以满足。其它方面，已有配电网为限制短路电流而开环运行，因此故障恢复中部分非故障区不得不经历短时停电，无法满足精密制造等用户的高可靠性要求。此外，当前配电网接线规范性较差，增加了精细化管理和扩建改造的难度。
近年来，一些学者陆续提出不同的未来配电网结构形态方案，包括闭环配电网、直流储能微网、能源局域网等。蜂巢结构泛指以正六边形(体)紧密排列构成的几何结构，因类似蜜蜂巢穴而得名，不仅在自然界广泛存在(例如石墨烯、芳香烃、昆虫复眼等)，也在航天、建筑、通信等多个领域展示了良好性能。相比于传统配电网的树状层级结构，蜂巢结构具有典型的扁平化特征：更加灵活、支持互动、易于扩展，非常适合未来配电网的发展需求。
发明内容
本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、性能稳定且组网灵活的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，包括10kV中压配电网络层和380V低压配电网络层，所述10kV中压配电网络层为中压蜂巢网络层，该中压蜂巢网络层以六边形馈线网格为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；所述380V低压配电网络层为低压蜂巢网络层，该低压蜂巢网络层以六边形供电边界的微网为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；所述中压蜂巢网络层与低压蜂巢网络层相连接构成双层蜂巢状网络结构。
而且，所述中压蜂巢网络层的结构为：以中压柔性能量交换单元MFEU为节点，每个中压柔性能量交换单元MFEU与3条10kV交流馈线互联；每条10kV交流馈线的两端均与中压柔性能量交换单元MFEU相连。
而且，所述中压柔性能量交换单元MFEU的结构为：
⑴至少具有4个端口，其中3个端口用于互联3条10kV交流馈线，通过电力电子软开关形成柔性互联；1个端口用于向低压层的380V低压配电网络输出功率，采用电力电子变压器柔性互联；
⑵内部直流母线扩展出直流端口，接入储能单元以及其他直流负荷；
而且，所述中压柔性能量交换单元MFEU还包括能量管理模块和通信模块。
而且，所述中压柔性能量交换单元MFEU采用集装箱式或站房设计，不同端口之间仅交换电能。
而且，所述低压蜂巢网络层的结构为：以低压柔性能量交换单元LFEU为节点，每个低压柔性能量交换单元LFEU与3个微网通过综合管廊互联；对于每个微网，供电区域抽象为六边形，六边形的每个角均与1个低压柔性能量交换单元LFEU相连。
而且，所述低压柔性能量交换单元LFEU的结构为：
⑴至少具有4个端口，其中1个端口用于接收中压柔性能量交换单元MFEU输送的电功率；另外3个端口用于互联城市综合管廊并与微网进行能量交互。
⑵3条微网电力联络线通过380V的低压电力电子软开关互联；3条输气管道通过天然气调节阀形成互联；3条输热管道通过给排水调节阀形成互联；
⑶内部直流母线接入储能单元；在气、热管网处配有储热、储气装置存储设备。
而且，所述低压柔性能量交换单元LFEU还包括能量管理模块和通信模块。
而且，所述综合管廊包括但不限于380V微网电力联络线、输气管道和输热管道。
而且，所述10kV中压配电网络层和380V低压配电网络层还包括柔性能量集成交换站IFES，该柔性能量集成交换站IFES的结构为：以封闭的站房形式建设，内部包括地理位置相近的中压柔性能量交换单元MFEU和低压柔性能量交换单元LFEU，以及数据中心站、5G基站和电动汽车充电站。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明首次提出了中压-低压配电网均采用蜂巢拓扑的配电网结构，相比于已有的蜂巢配电网拓扑，进一步提升了中压配电网的灵活性，有利于实现配电网更大范围内的潮流优化控制，进一步提升供电可靠性与清洁能源的消纳能力。
2、本发明适用于负荷密集、风光资源有限的城市配电网，其分布式可再生能源渗透率不超过50％且中压配电网长期存在；所提出配电网结构可以实现在现有配电网架构的基础上逐步改造，更加贴合中国大多数城市配电网的发展实际。
3、本发明提出了蜂巢拓扑网路中柔性能量集成交换站的概念，充分利用站房空间节约土地资源，同时保证数据中心、5G基站等大功率重要负荷的供电，支撑新型基础设施建设，打造不同主体的共赢模式。
4、本发明在蜂巢配电网中首次考虑了气、热、电的综合能源场景，为构建未来城市能源互联网提供基础。
附图说明
图1是本发明的中压柔性能量交换单元MFEU；
图2是本发明的低压柔性能量交换单元LFEU；
图3是本发明的柔性能量集成交换站IFES；
图4是本发明的中压-低压双层蜂巢状网络结构图；
图5本发明的系统能量交换方式。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，包括10kV中压配电网络层(中压层)与380V低压配电网络层(低压层)。如图4所示，10kV中压配电网络层为中压蜂巢网络层，其以六边形馈线网格为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；380V低压配电网络层为低压蜂巢网络层，其以六边形供电边界的微网为基本单元组成蜂巢状拓扑结构。
在上述中压-低压双层蜂巢状网络结构中，主要采用中压柔性能量交换单元(mid-voltage flexible energy exchange unit,MFEU)、低压柔性能量交换单元(low-voltageflexible energy exchange unit,LFEU)和柔性能量集成交换站(integrated flexibleenergy exchange station,IFES)，下面对上述设备分别进行说明：
如图1所示，中压柔性能量交换单元MFEU的结构为：
⑴MFEU采用多端口设计，所有MFEU都至少具有4个端口，其中3个端口用于互联3条10kV交流馈线，通过电力电子软开关形成柔性互联(soft open points,SOP)；1个端口用于向低压层的380V低压配电网络输出功率，采用电力电子变压器柔性互联。
⑵MFEU内部直流母线可以扩展出直流端口，接入储能单元以及其他直流负荷。
⑶MFEU整体可采用集装箱式或站房设计，不同端口之间仅交换电能。
⑷由于采用基于电力电子技术的软开关和电力电子变压器，MFEU可以实现不同端口间的有功功率、无功功率的动态连续调节，从而灵活控制所连接线路的潮流分布，设能量流入MFEU为正，流出为负，其中有功功率满足公式(1)
P交流端口1+P交流端口2+P交流端口3+P端口LFEU+P储能+P直供负荷+P损耗＝0 (1)
如图2所示，低压柔性能量交换单元LFEU的结构为：
⑴LFEU采用多端口设计，所有LFEU都至少具有4个端口，其中1个端口用于接收中压层MFEU输送的电功率；另外3个端口用于互联城市综合管廊，与微网(MG)进行能量交互，综合管廊包括但不限于380V微网电力联络线(电力电缆)、输气管道、输热管道。
⑵在LFEU中，3条微网电力联络线通过380V的低压电力电子软开关互联；3条输气管道通过天然气调节阀(gas control valve,GCV)形成互联；3条输热管道通过给排水调节阀(water supply and drainage valve,WSDV)形成互联；
⑶LFEU内部直流母线接入储能单元；在气、热管网处配有储热、储气装置等存储设备。
⑷LFEU内部，气-电-热还可以通过燃气轮机(气-电)、蓄热系统(电-热)、燃气锅炉(气-热)等进行转换。同时，由于采用了基于电力电子技术的软开关、具有热流控制能力的燃气调节阀(GCV)和具有气流控制能力的给排水调节阀(WSDV)，因此LFEU可以实现不同端口间电、气、热的综合能源灵活交换。其中电功率、气流量、热流量分别满足公式(2)。
Figure BDA0002788228940000041
⑸LFEU整体可采用集装箱式或站房设计。
如图3所示，柔性能量集成交换站IFES的结构为：以封闭的站房形式建设，内部主要元素一是地理位置相近的MFEU、LFEU；二是数据中心站、5G基站、电动汽车充电站等重要负荷。构建IFES的目的是充分利用站房物理空间，同时就近为数据中心等重要负荷可靠供电，一方面可以提升能量利用效率，一方面提升了重要负荷供电的可靠性，实现“多站合一”的效果，如附图3所示。
本发明的中压蜂巢网络层的结构为：
⑴以MFEU为核心构建，1个MFEU与3条10kV交流馈线互联；对于某1条10kV交流馈线，两端均与MFEU相连，以此扩展构成中压层蜂巢网络。
⑵10kV交流馈线上潮流双向流动，线路没有首端、末端之分；交流馈线上个别节点允许以常规方式(通过配电变压器)接入负荷、储能或分布式电源。
⑶中压网络层一方面接受高压变电站的电能，一方面向低压网络层输送电能，同时使得电能以10kV中压配电网为载体，在较大区域范围内进行传输。
⑷中压网络蜂巢拓扑可以不是正六边形(馈线长度不需相同)，只需保证1个节点(MFEU)连接3条边(交流馈线)的点-边互联关系即可。
本发明的低压蜂巢网络层的结构为：
⑴以LFEU为核心构建，1个LFEU与3个微网通过综合管廊互联；对于某1个微网而言，供电区域可以抽象为六边形，六边形的每个角均与1个LFEU相连(共6个)；以此扩展构成低压层蜂巢网络。
⑵微网中能量形式满足用户多元化用能需求，包括交流/直流电、热、气等；
⑶微网接入的用户类包括各类负荷、光伏、风机、储能等；
⑷低压网络层从中压网络层接收电能；同时通过LFEU以及互联的综合管廊，实现不同微网间电、热、气的交换，主要是相邻微网之间的交换。
⑸低压蜂巢拓扑(微网供电区域)可以不是正六边形，只需保证一个节点(LFEU)连接3个微网的互联关系即可。
下面对本发明的运行方式进行说明：
⑴根据技术背景中的未来城市配网能量渗透率<50％的结论，对于大部分低压层微网，其内部能量总体上源<荷，需要外部输入；少部分微网能做到能量自给自足；极个别的微网有能量盈余。
⑵系统中不同主体具有不同的能量管理系统：微网内部具有MEMS，LFEU和MFEU也分别具有自己的能量管理模块。
⑶MEMS，LFEU和MFEU都具有通信模块，可实现不同主体之间信息的互联互通。
⑷在未来能源市场化条件下，不同主体之间可以进行双向的能量交易。
⑸系统的能量交换方式如下，如图5所示：
①各个微网内部能量源优先被微网内部本地负荷消纳；
②对于能量不足的微网，从相邻LFEU交易获取能量；
③能量盈余的微网，向相邻LFEU交易输出能量；
④气、热能量除了微网内部消纳之外，只在微网之间传输交易，不进入中压网络层的能量交换。
⑤微网内部电系统故障后，若其电能质量仍能满足并网条件，则可以继续并网；若不能，则需要离网。
⑥LFEU以自身收益最大化为目标，进行能量交易，例如卖出/购入电、气、热等；内部电、气、热存储单元可以存储能量，以解决能量交易(尤其是电能)无法实时平衡的问题；
⑦需要上级电源能量时，LFEU向MFEU购入电量；
⑧MFEU以最小网损、可靠性等为优化目标，对LFEU的电能、分散负荷、分散电源、以及在IFES内的数据中心站、5G基站、电动汽车充电站等进行能量调度。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，包括10kV中压配电网络层和380V低压配电网络层，其特征在于：所述10kV中压配电网络层为中压蜂巢网络层，该中压蜂巢网络层以六边形馈线网格为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；所述380V低压配电网络层为低压蜂巢网络层，该低压蜂巢网络层以六边形供电边界的微网为基本单元组成蜂巢状拓扑结构；所述中压蜂巢网络层与低压蜂巢网络层相连接构成双层蜂巢状网络结构。
2.根据权利要求1所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述中压蜂巢网络层的结构为：以中压柔性能量交换单元MFEU为节点，每个中压柔性能量交换单元MFEU与3条10kV交流馈线互联；每条10kV交流馈线的两端均与中压柔性能量交换单元MFEU相连。
3.根据权利要求2所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述中压柔性能量交换单元MFEU的结构为：
⑴至少具有4个端口，其中3个端口用于互联3条10kV交流馈线，通过电力电子软开关形成柔性互联；1个端口用于向低压层的380V低压配电网络输出功率，采用电力电子变压器柔性互联；
⑵内部直流母线扩展出直流端口，接入储能单元以及其他直流负荷。
4.根据权利要求3所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述中压柔性能量交换单元MFEU还包括能量管理模块和通信模块。
5.根据权利要求3所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述中压柔性能量交换单元MFEU采用集装箱式或站房设计，不同端口之间仅交换电能。
6.根据权利要求1所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述低压蜂巢网络层的结构为：以低压柔性能量交换单元LFEU为节点，每个低压柔性能量交换单元LFEU与3个微网通过综合管廊互联；对于每个微网，供电区域抽象为六边形，六边形的每个角均与1个低压柔性能量交换单元LFEU相连。
7.根据权利要求6所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述低压柔性能量交换单元LFEU的结构为：
⑴至少具有4个端口，其中1个端口用于接收中压柔性能量交换单元MFEU输送的电功率；另外3个端口用于互联城市综合管廊并与微网进行能量交互；
⑵3条微网电力联络线通过380V的低压电力电子软开关互联；3条输气管道通过天然气调节阀形成互联；3条输热管道通过给排水调节阀形成互联；
⑶内部直流母线接入储能单元；在气、热管网处配有储热、储气装置存储设备。
8.根据权利要求7所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述低压柔性能量交换单元LFEU还包括能量管理模块和通信模块。
9.根据权利要求7所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述综合管廊包括但不限于380V微网电力联络线、输气管道和输热管道。
10.根据权利要求1至9任一项所述的面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构，其特征在于：所述10kV中压配电网络层和380V低压配电网络层还包括柔性能量集成交换站IFES，该柔性能量集成交换站IFES的结构为：以封闭的站房形式建设，内部包括地理位置相近的中压柔性能量交换单元MFEU和低压柔性能量交换单元LFEU，以及数据中心站、5G基站和电动汽车充电站。
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