0引言

　　传统配电网面对日益多样化的负荷和用电需求，在可靠性、经济适用性、高效性等方面面临巨大挑战。国家发展和改革委员会联合国家能源局于2015年、2016年分别出台《配电网建设改造行动计划（2015-2020年）的通知》和《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》等文件，明确指出要推动可再生能源生产智能化，建设高灵活性的柔性能源网络，保证能源传输的灵活可控和安全稳定，大幅提升配电网接纳新能源、分布式电源及多元化负荷的能力，优化配电网网架结构，提升供电可靠性水平。

　　目前，发用电技术的多样化发展需求，很大程度体现在直流电源与直流负荷的日益增加。光伏电源、风力发电、燃料电池、储能单元（电池、超级电容器等）产生的电能大部分为直流电；常用的电气设备及大型直流负荷，如计算机、空调设备、制冷设备、电动汽车、数据中心、电气化机车等采用直流供电更为方便。在交流配电网中，上述直流源荷都需要通过DC/AC、AC/DC、DC/DC变流器接入相应电压等级的交流配电网，或者先组网为直流微电网再经由变流器接入交流配电网。如果直接接入相应等级的直流配电网，可以省去部分变流器，减小损耗，提高电网的供配电效率及经济性。此外，交直流混合配电网中直流部分不存在同步问题，可以有效隔离交流侧扰动和故障，保证高可靠性供电。柔性直流技术在配电网中的发展应用使交直流混合配电网可实现输送功率的灵活控制，在常态运行中保障交直流发用电设备的高效接入，并在紧急状态下实现快速的跨区功率支撑。

　　目前国内外在交直流混合配电网领域的相关研究及示范工程尚在起步阶段，针对直流配电网的研究已有初步成果。在北美，弗吉尼亚理工大学CPES中心于2007年提出“SustainableBuildingInitiative（SBI）”计划，于2010年将其发展为“SBN（SustainableBuildingandNanogrids）”，并且提出了基于分层互联交直流子网混合结构概念性互联网络结构。北卡罗莱纳州立大学于2011年提出“TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement（FREEDM）”结构，适用于“即插即用”型分布式电源及分布式储能的交直流混合配电网结构。阿尔伯塔大学于2012年提出了基于变流器的交直流混合配电网结构，给出小信号分析模型并分析其稳定性。

　　在欧洲，意大利罗马第二大学和英国诺丁汉大学于2008年针对交直流混合配电网提出“UniversalandFlexiblePowerManagement（UNIFLEX-PM）”方案，在各个电网的不同工况下实现能量的双向流动。罗马尼亚布加勒斯特理工大学于2007年提出含有替代电源的直流配电网结构，实验证明该结构提高了电网的运行效率和电能质量。意大利米兰理工大学提出含有分布式电源的本地直流配电网结构，实现分布式电源、负荷与电网之间能量的双向流动。

　　在国内针对交直流混合配电网的研究刚刚起步，目前相关研究成果主要集中在直流配电网方面。优化规划方面，已有对直流配电网的拓扑、电压等级、规划方法、可靠性、经济性和综合评估等问题的研究。运行调度方面，有学者对直流配电网的潮流计算、电压分布、含分布式电源的调度等问题进行了研究。控制保护方面，对直流配电网建

　　模、控制策略、保护等问题均有相关研究。此外，相关“863计划”项目获得立项支持，其中由北京市电力公司承担的“863计划”项目“交直流混合配电网关键技术”于2015年正式启动，旨在实现面向城市不同供电区域之间柔性直流互联和交直流混合环网闭环运行控制，从而解决高密度可再生能源接入问题并保障交流配电网可靠性。

　　本文将结合现有研究成果，对交直流混合配电网的网架结构、优化规划、调度控制、经济性评估等内容进行归纳总结。

　　1交直流混合配电网网架结构

　　交直流混合配电网网架结构对运行可靠性、灵活性、经济性等方面都有重要影响。传统交流配电网的网架结构已经非常成熟，国内外均有相关网架结构标准和案例。目前针对交直流混合配电网网架结构的研究较少，主要研究工作集中在直流配电网的网架结构设计。交直流混合配电网网架结构设计需要综合考虑现有交流配电网的网架结构和直流配电网的研究成果，提出交直流混合配电网网架结构设计方案。

　　我国交流配电网中，高压配电网网架结构主要有链式、环网和辐射状结构；中压配电网结构主要有双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构；低压配电网一般采用辐射状结构。10kV配电网结构根据架空网和电缆网的不同可以分为2类：架空网主要包括辐射式接线和多分段适度联络接线2种模式；电缆网主要包括单环式接线和双环式接线2种模式。北京市高压配电网以环网建设、放射状运行为主（“手拉手”式网架结构）。巴黎城区的电缆网采用三环网T接或双环网T接方式；东京22kV电缆网采用主线备用线、环形、点状网络接线方式；新加坡采用“花瓣式”结构，22kV配电网采用环网连接、并列运行方式。

　　直流配电网网架结构主要有辐射型、两端供电型和环型直流配电网。①辐射型直流配电网由不同电压等级的直流母线组成骨干网络，分布式电源、交流负载与直流负载通过电力电子装置与直流母线相连，其结构简单，对控制保护要求低，但供电可靠性较低；②两端供电型直流配电网与辐射型直流配电网相比，当一侧电源故障时，可以通过操作联络开关，由另一侧电源供电，实现负荷转供，提高整体可靠性；③环型直流配电网相比于两端供电型直流配电网，可实现故障快速定位、隔离，其运行方式与两端供电型直流配电网相似，且供电可靠性更高。

　　根据不同的应用需求，交直流混合配电网可分为含柔性直流装置的交直流混合配电网与含直流网的交直流混合配电网，前者适用于直流源荷较少的情况，后者更加适合高密度直流源荷接入的情况。含直流网的交直流混合配电网接线模式主要包括辐射型交直流混合配电网（交直流线路间无联络）、多分段适度联络型交直流混合配电网（交直流线路间有联络），两者的网络结构分别见图1、图2。

　　根据端口数的不同，含柔性直流装置的交直流混合配电网主要包括两端互联、三端互联、四端互联和六端互联等方式。

　　2交直流混合配电网优化规划技术

　　交直流混合配电网的优化规划问题是配电网结构设计阶段需要解决的核心问题，对交直流混合配电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。

　　目前与交直流混合配电网优化规划相关的研究，主要是基于传统交流配电网规划方法的成果，在直流配电网或直流微电网的一些特殊应用场合的规划问题中进行应用。例如，针对海上风电接入配电网已有相关研究；此外，有学者对孤岛直流微电网运行控制进行了相关研究，文献［36～37］提出孤岛直流微电网的运行方式及控制策略；文献［38］针对直流微电网提出基于本地电压分段控制策略的稳定性控制方法；文献［39］研究了直流微电网的能量协调控制问题。而针对交直流混合配电网的规划问题，着力解决在城市现有交流配电网中扩建直流子系统（包含柔性直流互联装置以及直流线路）的规划方法，并没有特别研究其关键技术及可行的规划方法。

　　基于优化问题所需要涉及考虑的优化变量、优化目标和约束条件3方面内容，交直流混合配电网的规划模型具有其自身的特征。

　　模型的优化变量需要扩展考虑直流源、荷以及柔性直流装置的位置和容量；此外，也可结合交直流混合配电网调度运行方式增加相应的优化变量。

　　交直流混合配电网的优化目标依然从经济性最优、可靠性最优2方面进行评估。经济性评估主要从全寿命周期内投资成本、运行成本和经济性评价指标（净现值、投资回收期等）3方面进行评估。含有柔性直流互联装置的交直流混合配电网由于装置成本占比较大，需要深入讨论成本不确定性对经济性结论的影响，从而调整优化规划目标；含有直流线路的交直流混合配电网由于其基于已有交流配电网进行扩展规划，通常建设时间较长，且根据直流子系统成熟度的递增，一般可分为多个建设阶段去考虑其经济性优化的规划目标。交直流混合配电网的可靠性评估需要反映柔性直流设备和网络运行的综合可靠性，并在直流子系统所能提供的紧急功率支撑条件下讨论其对网络可靠性的提升。

　　现阶段大量的研究主要集中在经济性单目标优化方面：文献［41］考虑经济性，以网损最小为目标函数，建立了配电网重构二阶锥规划模型；文献［42］以最小规划年综合费用最小为目标函数，包括线路投资费用、折旧费用和运行中年电能损耗费用，建立基于协同遗传算法的配电网规划模型。由于经济性单目标优化包含的信息十分有限，多目标优化已经成为配电网规划的研究方向：文献［43］采用多目标规划方法，引入电能质量目标函数，以规划电网线路总长度最短和风电场公共接入点PCC处闪变值最小为目标函数，建立基于改进NSGA2算法的规划模型；文献［44］建立以最小化配电网投资、最小化网络损耗为目标函数的多目标规划模型。

　　考虑交直流混合配电网的优化模型，优化规划问题的求解可基于以下几类算法进行尝试：第一类是解析算法，包括线性规划、非线性规划和混合整数规划等；第二类是智能算法，包括遗传算法、禁忌搜索算法和蚁群算法等；另外，还有基于图论的最小生成树等方法。

　　在相关的优化规划算法尝试方面，文献［45］提出了基于地理信息系统和遗传算法的配电网优化规划方法，综合考虑投资、维护和运行费用，包括用户停电损失，考虑了配电网的可靠性价值；文献［46］提出了基于蚁群算法的配电网网架优化规划方法，将蚁群算法应用于配电网网架优化规划问题的研究，建立了网架规划的数学模型；文献［47］提出了一种基于改进最小生成树算法的配电网网架优化规划方案，将配电网的电源点和负荷点当作顶点，将各个顶点间可能架设线路的走廊当作边，将线路的建设费用和运行费用（主要为线损）之和作为各条边的权，在采用基本最小生成树算法获得初步规划方案的基础上，采取动态调整各条边的权值并反复迭代的方法，获得总费用最小的优化规划结果；文献［48］将多粒子群协同优化算法应用于配电网网架结构研究；文献［49］利用混合整数线性规划方法解决大型风电场并网规划问题。

　　交直流混合配电网规划问题属于大规模组合规划问题，对于实际大系统，第一类解析算法计算时间通常较长，容易造成“维数灾”问题，一般适用于小系统。如果需要采用解析算法（智能算法无法处理或陷入局部最优解），需要对交直流混合配电网先进行分区，再对每个子区域进行规划求解。第二类智能算法对数据的要求较低且可同时考虑多个目标函数和约束条件，适用于交直流混合配电网规划问题。另外，大部分智能算法均可实现并行计算，可在交直流混合配电网分区的基础上，利用智能算法的并行特性提高求解速度，且能做到在各个配电网分区间的信息交互，实现交直流混合配电网各个子分区间的联合规划。