0引言

　　柔性直流输电技术凭借其在传输容量、线损、可靠性以及有功和无功的独立灵活控制等方面的巨大优势，已经广泛应用于远距离大容量输电领域。而在电压等级较低的中低压配电网领域，直流配电技术虽然也具有可靠性高、线损小、便于光伏等分布式新能源接入等优点，但应用才刚刚起步，目前还仅应用于一些大规模工业园区、船舶供电、轨道交通等领域。随着电力电子技术、储能技术、分布式电源的发展，未来直流配电技术有望广泛应用于城市供电系统，直流配电网是未来城市配电网的重要发展趋势。

　　虽然柔性直流配电技术相较于传统的交流配电技术拥有众多优势，但其目前还处在发展阶段，依然面临着许多问题。柔性直流配电技术目前的发展瓶颈主要包括以下3点：①直流潮流控制技术；②直流变压技术；③直流故障检测、识别和隔离技术。其中直流故障快速检测、可靠隔离对保证柔性直流配电网的安全可靠运行具有重要意义，也是本文关注的重点。目前国内外学者关于直流系统故障检测识别和隔离技术的研究主要可以分为以下3个方面：

　　1）直流配电网故障特性分析。

　　直流配电网故障暂态特性分析是故障检测、定位和隔离的基础，也是直流配电网故障检测、识别、隔离技术的研究难点。直流配电网故障暂态特性受到较多因素的影响，主要包括换流器类型、系统结构以及系统控制策略。故障暂态过程往往是多种因素共同作用下的一个复杂的暂态非线性过程，传统的基于工频电气量的故障特性分析方法显然不再适用于直流配电网。

　　目前，关于直流配电网故障特性分析方面的研究多采用理论研究与仿真实验相结合的方法，将故障暂态过程分为不同的发展阶段，通过简化等效故障放电回路，求解不同阶段所对应故障电流的解析表达式来对故障暂态过程进行描述。

　　2）直流配电网故障检测与定位。

　　直流配电网故障检测与定位是直流配电网继电保护的核心。直流配电系统不同于交流配电系统，其具有“低阻尼”特性，直流故障发生后，故障电流非常大，故障发展过程极快，通常在几个毫秒内就能危及整个直流配电网的安全，因此，要求直流配电网的故障检测与定位策略能够在几毫秒内快速定位故障线路。传统的交流配电网的故障保护方法显然不适用于直流配电网的保护。

　　如何处理好快速性与可靠性之间的矛盾是直流配电网故障检测与定位需要解决的问题。目前，该领域的研究主要集中于动作速度快的保护新原理的开发。

　　3）直流配电网故障隔离方法。

　　直流配电网故障隔离技术是直流配电网继电保护的重要组成部分。未来直流配电网的发展趋势是“直流成网”，因此如何快速、准确地将故障隔离在尽可能小的范围内是故障隔离技术需要解决的问题。

　　目前，直流配电网故障隔离方法主要包括3种：①交流侧断路器加直流侧隔离开关；②换流器自清除加直流侧隔离开关；③直流断路器。其中交流侧断路器加直流侧隔离开关切除速度较慢，难以满足直流配电网对故障切除速度的要求；换流器自清除加直流侧隔离开关会导致全网断电，且具有自清除能力的换流器拓扑较为复杂，换流站的投资增加；直流断路器能够快速切除故障线路，其故障隔离过程与交流系统相似，但目前直流断路器技术仍处在发展阶段，直流断路器造价昂贵也是不可回避的问题。

　　本文将从直流配电网故障特性分析、故障检测与定位原理、故障隔离方法3个方面对国内外学者的研究进行归纳总结和综述，并提出自己的一些观点与展望，以期能够对未来直流配电网研究与建设有所裨益。

　　1直流配电网故障特性分析

　　直流配电网故障暂态特性分析是故障检测、定位、隔离的基础。采用不同类型的换流器的直流配电网的拓扑结构不同，因此故障特征也存在较大差异，相应的故障暂态特性分析方法不同。本小节将针对目前最为典型的2种换流器拓扑，分别对其故障暂态特性分析的研究现状进行详细的介绍。

　　1.1?两电平VSC换流器型直流系统故障特性

　　文献［6］结合理论分析和仿真验证对两电平VSC换流器直流系统单极接地故障的故障暂态特性进行了细致的研究，通过对不同接地方式下直流系统单极接地故障的等效放电回路的分析和仿真，得出了两电平VSC换流器直流系统单极接地故障特性与接地方式相关的结论。文献［7-8］通过对两电平VSC换流器直流系统交流侧不对称故障过程中的等效放电回路的分析，发现换流器交流出口处不对称故障产生的零序分量会通过直流侧储能电容的接地支路形成通路，从而耦合进直流系统，导致正负极储能电容电压出现共模波动现象。针对该现象，文献［9］提出了直流侧电容中点经电阻接地的方法减小故障零序电流，从而减小正负极储能电容电压的共模波动，保持储能电容两端电压的稳定。

　　极间短路故障是直流配电网最为严重的故障类型，关于两电平VSC换流器型直流系统极间短路故障特性的研究也相对丰富。文献［10-12］将极间短路故障暂态过程中的故障电流分成3个部分，分别是：①换流器直流侧储能电容放电电流；②直流线路电感通过续流二极管提供的故障放电电流；③交流系统通过续流二极管提供的短路电流。故障暂态过程分为如下3个阶段：①直流侧储能电容快速放电阶段；②二极管自然换向导通阶段；③二极管同时导通阶段。其中文献［10-11］指出故障暂态过程①中的故障电流以直流储能电容放电电流为主，并通过对直流储能电容放电二阶电路的求解，推导出了该阶段的故障电流的解析表达式；故障暂态过程②中交流电源和直流储能电容同时向故障点放电，该过程中二极管存在交替导通、关断的换向过程，这种换向过程每发生一次，动态过程就要重新求解一次，通过求解多元状态方程可以得到该过程中交直流侧电压电流的暂态解；故障暂态过程③发生在直流储能电容电压的振荡过零时刻，该过程中电路完全对称，相当于交流侧发生了三相短路，通过求解交流侧三相短路过程中的短路电流得到了此过程的故障电流暂态响应的解析表达式。除此之外，文献［12］还考虑了IGBT闭锁与否对故障稳定后故障电流特性的影响。

　　1.2?模块化多电平换流器（MMC）型直流系统故障特性

　　模块化多电平换流器相较于两电平VSC换流器拥有波形质量高、控制灵活、运行损耗小等优势，越来越多的被用于柔性直流输配电领域。其拓扑结构与两电平VSC换流器存在较大差异，尤其是直流侧不含直接并联的储能电容，使得基于模块化多电平换流器的直流系统与基于两电平VSC换流器的直流系统的故障特征存在较大差异。

　　文献［13］基于仿真对模块化多电平换流器构成的直流配电系统单极接地故障特性进行了研究，主要关注交直流侧不同的接地方式对于直流系统单极接地故障特征的影响，分析比较了不同接地方式的优劣。文献［14］在理论分析的基础上，给出了模块化多电平换流器构成的直流配电系统单极接地故障及极间短路故障的等效放电电路，并以等效放电电路为依据，理论推导了单极接地故障及极间短路故障时的故障电流的解析表达式，需要指出的是该解析表达式的推导过程并没有考虑故障过程中IGBT的闭锁对故障特性的影响，仅适用于IGBT闭锁前的系统故障特性的分析。文献［15-18］详细地分析了模块化多电平换流器构成的直流配电系统极间短路故障的故障特性。其中文献［15］详细阐述了极间短路故障过程中故障等效电路及故障电流解析表达式的推导过程，并通过仿真实验验证了解析表达式的正确性。文献［16-17］将极间短路故障过程分为IGBT闭锁前和闭锁后2个阶段，分别对这2个阶段中的故障暂态特性进行分析，通过理论推导得到了2个阶段故障电流的解析表达式。文献［18］指出换流器桥臂电抗会对极间短路故障后短路电流的流通回路产生影响，文中定义了导通重叠角，根据角的大小，分析了4种稳态短路电流通路，然后分别对这4种短路电流通路下的交直流侧故障电流特性进行了分析，推导出了交流侧和直流侧稳态短路电流的实用计算方法。

　　无论是两电平VSC换流器还是模块化多电平换流器都不具备故障阻断能力，为了适应未来多端柔性直流配电网的发展趋势，同时避免使用造价昂贵的直流断路器，具有故障自清除能力的换流器的拓扑及故障特征成为近年来的一大研究热点。文献［19］分析了具有故障自清除能力的换流器的故障特征，发现在IGBT闭锁前，其故障特性与模块化多电平换流器的故障特性完全相同，在IGBT闭锁后，交直流系统被完全隔离，直流侧故障电流逐渐衰减为零。

　　以上研究表明，目前国内外学者对于直流配电网故障特性的研究已初具规模，已经能够用相对准确的解析表达式对故障暂态过程进行描述，但诸如控制系统、接地方式等因素对于故障暂态特性的影响仍没有得到足够的重视。未来一方面需要统一直流配电网的接地方式，另一方面需要考虑各种控制系统对于直流配电网故障特性的影响。另外，更加深入研究直流配电网故障暂态过程，寻找更为精确的解析表达式对故障暂态过程进行更加准确的描述也是未来直流配电网故障分析的发展方向。

　　2?直流配电网故障检测与定位原理

　　直流配电网故障检测和定位是直流配电网继电保护的核心。目前直流配电网故障检测与定位方法大多都参考交流系统继电保护方法，保护原理涉及电压/电流保护、距离保护、纵联电流差动保护等多种保护原理。但相较于交流系统，直流配电网保护又具有其特殊性，表现为：①直流配电网对保护的动作速度要求极高；②“直流成网”的直流配电网对保护的选择性要求很高；③直流配电网保护原理可以充分利用直流系统的边界元件。下面将对目前国内外学者对直流配电网继电保护方面的研究进行详细的综述。

　　2.1?电压/电流保护

　　电压/电流保护是电力系统最基础的保护原理，它一般利用电流幅值的增大、电压幅值的减小或者电压、电流变化率的变化来判断故障区间。

　　文献［20］针对含分布式电源的辐射状直流配电网提出了基于电流瞬时值的两段式过电流保护策略。利用电压突变作为保护启动判据，过电流保护段是快速保护段，其能够在故障电流的上升阶段发送跳闸指令；过电流保护Ⅱ段作为过电流保护段的后备保护，用于在电容放电阶段结束后，故障电流达到稳态时进行保护，该方案不足之处在于没有充分考虑系统运行方式的影响，其保护整定值的选取缺乏可靠的依据。文献［21］同样针对辐射状直流配电网设计了一套过电流及电流变化率保护方案。文章中将故障分为近端故障和远端故障，为了兼顾速动性和选择性，文章参考交流系统阶段式保护的思想，设置了两段式的过电流保护及电流变化率保护，与文献［20］不同的是本文中的两段式保护均作为被保护线路的主保护。具体地，近端故障时电流速断保护及近端电流变化率，发出跳闸指令；远端故障时，限时电流速断保护及远端故障电流变化率保护动作，切除故障线路，两段式保护通过整定值和延时的相互配合可以实现故障线路的切除，但其缺点也很明显，动作速度较慢，不能满足未来直流配电网保护动作速度的要求。

　　综上，电压/电流保护虽然原理简单，实现方便，但其动作速度和选择性难以满足直流配电网要求，尤其是多端柔性直流配电系统，因此电压/电流保护在直流配电网的保护中一般只用于故障检测。

　　2.2?边界保护

　　边界保护是直流电网保护所特有的保护原理，该保护原理主要利用线路边界元件两侧故障暂态特征的差异判别故障区间。目前关于边界保护的研究多在柔性高压直流输电领域展开，但其保护原理在柔性直流配电领域仍然具有适用性。因此下面关于边界保护的综述中并不局限于直流配电网领域。

　　文献［14］对三端网状柔性直流电网的保护原理进行研究，提出了一套仅利用单端直流电抗器电压的大小和方向的变化特征识别故障的保护原理，该保护原理可以实现故障线路、故障类型以及故障极的判别，大量仿真验证结果表明该方案能够灵敏、可靠、快速地识别故障线路和故障极，且能够耐受一定的过渡电阻，适合用作多端柔性直流系统的主保护。文献［22］利用事先设定好的直流电抗器两端电压阈值5?kV和10?kV以及电压从5?kV上升到10?kV所需要的时间来进行故障线路的识别。该保护方案实现过程中首先通过比较同一换流站不同馈出线路中的直流电抗器两端电压的极性，判断可能发生故障的直流线路，再选取该条线路上的直流电抗器电压作为研究对象，进行故障区间的判别。

　　文献［23-24］利用直流电抗器两端电压变化率的特征，设计了适用于直流电网保护的保护原理。其中文献［23］针对交流阀侧含有接地点的直流系统，设计了一套利用直流电抗器线路侧电压变化率作为保护判据的保护原理。文中具体讨论了直流电抗器的取值与直流断路器耐受过流能力以及故障开断时间的关系。另外，线路侧电压变化率的整定值的选取原则也是文章关注的重点内容。文献［24］利用低电压作为保护启动判据；利用直流电抗器电压变化率大小和极性判断故障区间；利用零模故障分量的大小确定故障极，设计了一套满足柔性直流电网要求的保护原理。

　　文献［25］利用直流电抗器对故障过程中高频电流信号的阻隔作用，提出了利用短路电流的高频暂态能量的差别区分区内外故障的保护原理。具体地，利用小波变换提取故障过程中短路电流的高频暂态能量，根据暂态能量的差别识别区内外故障，同时，利用直流电抗器上的压降作为方向元件，判断故障方向，防止保护反向误动。该保护原理的优点在于动作速度快，能够耐受一定的过渡电阻，不足之处在于针对不同故障类型的保护整定值不统一且保护整定值需要通过仿真获取。文献［26］针对两电平VSC换流器构成的直流系统，利用直流电抗器和直流侧储能电容作为线路边界元件，通过比较线路侧与母线侧暂态电压的比值确定故障线路。

　　边界保护虽然在速动性、选择性上满足柔性直流配电网的要求，但其实现需要直流线路两端都装设有直流电抗器作为前提。实现该前提，存在两大难点：一方面并非所有直流配电网都支持安装直流电抗器；另一方面，直流电抗器的取值目前还没有较为完善的理论体系，不同直流电抗器的取值会对边界保护的整定值的选取产生极大的影响。因此，边界保护原理能否适应未来直流配电网的发展，还需要进一步的研究验证。

　　2.3?纵联保护

　　纵联保护是基于双端电气量的保护原理，它一般利用线路两端的差动电流、差动电流的能量或者线路两端电流的方向的特征识别故障线路，主要包括纵联电流差动保护、纵联电流方向保护。

　　文献［27-28］提出了利用电流差动保护原理实现直流配电网故障线路识别的方法。其中文献［27］沿线多点布置电流光纤传感器，通过对比相邻传感器上的差动电流的大小以及电流变化率的差异判断故障区间，该方法的缺点在于成本较高。文献［28］以电压不平衡度作为单极接地故障的保护启动判据，再通过电流差动保护进行故障定位，以过流和欠压保护作为极间短路故障的保护启动判据，再通过电流差动保护进行故障定位。

　　文献［29］提出了一种基于线路直流电抗器两侧电压暂态分量幅值比的快速方向纵联保护判据，利用小波变化提取电压暂态分量中的有效信息，同时通过正负极电压的幅值比进行故障极的判别，该方法优点在于不受线路分布电容的影响，能够在3～4?ms内快速动作，满足柔性直流配电网对保护动作速度的要求。文献［30］针对“手拉手”式的两端直流配电网，设计了一套基于电流状态矩阵的保护原理，实际上就是利用线路两端电流方向信息进行故障线路的判别，该保护判据同时具备故障类型的判别能力。文献［31］针对小电流接地方式下的对称单极直流系统单极接地故障时，故障电流小甚至无故障电流的特点，利用故障暂态过程中，线路分布电容提供的微弱故障电流的特性，提出利用线路两端暂态差流的短时能量来区分区内外故障。

　　纵联保护利用双端电气量信息判别故障，可靠性高，但其需要解决通信和数据同步问题。实际应用中其动作速度和可靠性能否满足直流配电网的要求还有待进一步的验证。

　　2.4?其他保护

　　除了电压/电流保护、边界保护、纵联保护等常见的直流配电网保护原理外，国内外学者针对直流配电网还提出了分区保护、横联保护、测距式保护、握手法、基于智能算法的保护等保护原理。

　　其中文献［32］根据直流系统规模及保护要求，提出了多端直流系统区域保护划分原则和分区保护策略，通过划分区域减少直流断路器的数量，该方法利用直流断路器隔离故障区域与非故障区域，非故障区域维持运行，故障区域通过交流侧断路器和直流侧隔离开关进行故障隔离。

　　文献［34］为了减小电流互感器的投资，提出了针对辐射状网络的横联保护方案，该方法仅利用线路首端正负极装设的电流互感器测得的电流数据便可以进行故障区段的判别；缺点在于用于保护的电流数据是故障后的稳态量，保护动作速度不能满足直流配电网的要求。

　　文献［35］针对两端供电的直流配电网提出了一套测距式保护方案。对传统的R-L算法进行改进，利用直流电抗器上的压降代替了传统的差分方法获取dd，从而避免了差分代替微分带来的误差，提高了R-L算法的数值稳定性。

　　文献［36-37］利用握手法原则，先根据方向性过电流保护选取预跳闸开关，然后再根据线路的带电信息进行重合闸。该方法简单可靠，但依靠交流侧断路器切除故障，动作速度慢，供电可靠性差。

　　文献［38］分析了单纯利用时域或者频域方法在识别直流系统故障方面存在的问题，指出随着模糊算法、神经网络和人工神经网络等智能算法的发展，可以考虑将人工智能算法融入到直流电网的保护中。

　　综上所述，目前关于直流配电网保护的研究尚处在探索阶段，还没有任何一种保护方案能够完全满足直流配电网保护的要求。充分考虑未来直流配电系统“直流成网”的结构特点，寻找适合直流配电网保护的新型、快速、可靠的保护方案仍然是未来直流配电网领域一个非常重要的研究方向。

　　3?直流配电网故障隔离方法

　　直流配电网故障隔离技术是直流配电网继电保护的重要组成部分。不同于交流配电网，直流配电网故障电流没有过零点，不能沿用交流系统故障隔离的方法，目前国内外已有的关于直流配电网故障隔离方面的研究主要分为3个思路：思路1，利用交流断路器清除故障电流，再由直流隔离开关隔离故障；思路2，通过改变换流器拓扑结构，实现故障电流的自清除，再由直流隔离开关切除故障线路；思路3，直接利用具有直流开断能力的直流断路器切除故障。

　　3.1?交流断路器加直流隔离开关隔离故障

　　利用交流断路器加直流隔离开关隔离故障是目前工程实际中最常用的直流故障隔离方法。该方法的动作原理如下：当直流系统发生故障时，保护装置向所有的交流断路器发出跳闸信号，阻止交流系统向直流系统供电，失去供电的直流系统故障电流会逐渐衰减到零，等到直流故障电流衰减到零之后，再由直流隔离开关切除故障线路。该方法虽然简单经济，但动作时间长，且会导致全系统断电，无法达到未来直流配电网对故障隔离速度和可靠性的要求。因此该方法只是在直流配电网故障隔离早期研究阶段提出的权宜之计，现阶段的研究中鲜有涉及。

　　文献［36］提出了“握手法”原则，通过闭锁换流站，断开所有交流侧断路器清除直流故障电流，再跳开预跳闸开关，切除故障线路，紧接着解闭锁换流站，根据线路带电信息重合误跳闸的直流开关，最后进行交流侧断路器重合闸，恢复整个系统的供电。

　　3.2?换流器自清除加直流隔离开关隔离故障

　　具有故障自清除能力的换流器拓扑结构的研究是近年来的直流配电网领域的一大研究热点。其中最具代表性的拓扑结构包括：全桥子模块多电平换流器、箝位双子模块换流器、串联双子模块换流器、二极管箝位子模块等。

　　文献［44］对比分析了采用半桥子模块、全桥子模块、箝位双子模块进行故障清除的故障清除能力、故障清除时间以及投资成本，并对故障清除时间的差异进行了深入的分析，最后得出了实际工程应用中推荐采用箝位双子模块换流器的结论。文献［45］提出了双晶闸管法，故障期间，并联的晶闸管可以起到对续流二极管的分流作用，提高系统的过流能力，同时可以通过对晶闸管的控制，消除交流侧往直流侧注入的故障电流，实现故障电流的自清除。文献［46］往两电平VSC换流器拓扑结构中加入了IGBT-CB，故障过程中，通过IGBT-CB闭锁直流侧储能电容的放电回路实现故障电流的自清除。

　　3.3?直流断路器隔离故障

　　基于直流断路器的故障隔离方案是最能够适应未来直流配电网发展趋势的故障隔离方案，它能够有选择性地将故障隔离在最小范围内，保证非故障区域的正常供电，可以大大提高直流配电网的供电可靠性，是最理想的故障隔离方案。但受制于直流断路器的制造技术和昂贵的造价，目前基于直流断路器的故障隔离方案还处在理论研究阶段，尚未投入大规模的工程应用。

　　目前直流断路器可以分为3种类型：基于机械开关的常规机械式直流断路器、基于电力电子器件的固态断路器、基于电力电子器件和机械开关结合的混合式直流断路器。机械式断路器虽然损耗低，但其动作速度慢，不能满足直流配电网的要求；固态断路器恰恰相反，动作速度快，但其通态损耗大且造价昂贵；混合式直流断路器结合了二者的优点，是目前被广泛接受的直流断路器类型。

　　文献［49］对比了3种直流断路器的性能，包括分段速度、通态损耗、分断能力和制造成本，并对混合式直流断路器的运行原理进行了详细的描述，最后提出了柔性直流电网差动保护方案，通过仿真验证了混合式直流断路器在柔性直流电网中的可行性和有效性。文献［37，50］详细对比了基于交流侧断路器、基于直流断路器、基于换流器自清除的直流故障保护方案的优劣。其中文献［37］根据“握手法”原则，分别设计了基于交流断路器和基于直流断路器以及换流器自清除的故障隔离方案，并通过仿真对保护方案的性能进行了验证。文献［50］针对架空线路，提出了直流断路器和换流器自清除两套故障隔离方案，对两套隔离方案的保护流程进行了详细的设计，并对比了两者的故障清除性能。

　　总体而言，基于交流断路器的故障隔离策略存在故障隔离时间长的问题，必然不能适应未来直流配电网故障隔离的要求。基于换流器自清除的故障隔离方案会导致全站停电，在点对点式的柔性直流系统中尚有适用性，但应用于多端柔性直流配电网会对直流配电网的可靠性产生极大的影响。基于直流断路器的故障隔离方案可以将故障隔离在最小范围内，最大限度地保证非故障线路的正常运行，是未来直流配电网故障隔离的最佳选择。

　　4直流配电网故障分析与继电保护需进一步解决的问题

　　当前直流配电网故障分析和继电保护方面的研究虽已取得一些成果，但还远未达到工程实际应用的要求，仍然存在许多亟需解决的问题。

　　出于经济性的考虑，中低压直流配电网可能采用“对称单极”的方式运行，直流侧的接地方式会对故障的隔离与恢复产生很大的影响，在进行故障特征分析与隔离方案的选择时，接地方式是必须考虑的因素。同时，对直流配电网接地方式应该进行充分的研究，并根据不同的应用场景，给出相应的接地建议。

　　直流配电网保护与控制研究不能割裂开来。直流配电网中含有大量的受控型电力电子器件，其故障特征已经从传统电网的由物理特性所主导的过程转变为了由控制特性所主导的过程。在研究直流配电网保护的同时，需要充分结合控制方式的特点，控制保护的“一体化”是未来直流配电网发展的一大特点。

　　直流配电网故障检测与定位原理研究方面，需要摆脱传统交流电网继电保护观念的束缚，充分考虑直流配电网结构和控制的特征，探索符合直流配电网特征的新型的继电保护原理，形成适用于直流配电网的继电保护体系是未来直流配电网保护策略研究领域的重要任务。

　　直流配电网故障隔离方面，尤其是基于直流断路器的故障隔离方案，可以考虑结合故障限流技术，降低对直流断路器开断时间和开断短路电流的要求，大幅降低直流断路器的制造难度和制造成本。目前已有一些文献对故障限流技术进行了初步的研究，文献［10，44］对比分析了电阻型超导限流器和电感型超导限流器的限流性能，并对电阻型超导限流器性能优于电感型超导限流器的原因做出了分析。文献［51］提出了3种用于故障限流的方法：方法一，通过改变换流器的控制策略，限制桥臂电压中的直流分量，从而减小故障电流；方法二，通过串联电感限制故障电流；方法三，通过串联电感并在公共连接点上并联电容的方法限制故障电流。故障限流技术的发展可以大大缓解直流断路器的制造压力，有进一步深入研究的必要。