摘　要：直流配電網(wǎng)是未來(lái)城市配電網(wǎng)的重要組成部分，文章對(duì)目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于直流配電網(wǎng)方面的研究工作進(jìn)行了綜述。首先分析了基于兩電平VSC換流器和基于模塊化多電平換流器的直流系統(tǒng)的故障特征，將故障過(guò)程劃分為多個(gè)階段，通過(guò)理論分析得到了各階段的故障電流解析表達(dá)式。其次介紹了各種適用于直流配電網(wǎng)的故障檢測(cè)和定位原理，主要包括電壓/電流保護(hù)、邊界保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、分區(qū)保護(hù)、“握手法”等。然后，通過(guò)對(duì)比采用交流斷路器、利用換流器自清除能力和采用直流斷路器的3種故障隔離方案，對(duì)直流配電網(wǎng)的故障隔離策略進(jìn)行了分析。最后從接地方式、保護(hù)與控制一體化、故障電流限制等方面，對(duì)配電網(wǎng)故障分析與處理的研究提出了建議。 
引言
       柔性直流輸電技術(shù)憑借其在傳輸容量、線(xiàn)損、可靠性以及有功和無(wú)功的獨(dú)立靈活控制等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電領(lǐng)域。而在電壓等級(jí)較低的中低壓配電網(wǎng)領(lǐng)域，直流配電技術(shù)雖然也具有可靠性高、線(xiàn)損小、便于光伏等分布式新能源接入等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用才剛剛起步，目前還僅應(yīng)用于一些大規(guī)模工業(yè)園區(qū)、船舶供電、軌道交通等領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、分布式電源的發(fā)展，未來(lái)直流配電技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于城市供電系統(tǒng)，直流配電網(wǎng)是未來(lái)城市配電網(wǎng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。
       雖然柔性直流配電技術(shù)相較于傳統(tǒng)的交流配電技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢(shì)，但其目前還處在發(fā)展階段，依然面臨著許多問(wèn)題。柔性直流配電技術(shù)目前的發(fā)展瓶頸主要包括以下3點(diǎn)：①直流潮流控制技術(shù)；②直流變壓技術(shù)；③直流故障檢測(cè)、識(shí)別和隔離技術(shù)。其中直流故障快速檢測(cè)、可靠隔離對(duì)保證柔性直流配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義，也是本文關(guān)注的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于直流系統(tǒng)故障檢測(cè)識(shí)別和隔離技術(shù)的研究主要可以分為以下3個(gè)方面：
1）直流配電網(wǎng)故障特性分析。
       直流配電網(wǎng)故障暫態(tài)特性分析是故障檢測(cè)、定位和隔離的基礎(chǔ)，也是直流配電網(wǎng)故障檢測(cè)、識(shí)別、隔離技術(shù)的研究難點(diǎn)。直流配電網(wǎng)故障暫態(tài)特性受到較多因素的影響，主要包括換流器類(lèi)型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)控制策略。故障暫態(tài)過(guò)程往往是多種因素共同作用下的一個(gè)復(fù)雜的暫態(tài)非線(xiàn)性過(guò)程，傳統(tǒng)的基于工頻電氣量的故障特性分析方法顯然不再適用于直流配電網(wǎng)。
       目前，關(guān)于直流配電網(wǎng)故障特性分析方面的研究多采用理論研究與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，將故障暫態(tài)過(guò)程分為不同的發(fā)展階段，通過(guò)簡(jiǎn)化等效故障放電回路，求解不同階段所對(duì)應(yīng)故障電流的解析表達(dá)式來(lái)對(duì)故障暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行描述。
2）直流配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位。
       直流配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位是直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)的核心。直流配電系統(tǒng)不同于交流配電系統(tǒng)，其具有“低阻尼”特性，直流故障發(fā)生后，故障電流非常大，故障發(fā)展過(guò)程極快，通常在幾個(gè)毫秒內(nèi)就能危及整個(gè)直流配電網(wǎng)的安全，因此，要求直流配電網(wǎng)的故障檢測(cè)與定位策略能夠在幾毫秒內(nèi)快速定位故障線(xiàn)路。傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)的故障保護(hù)方法顯然不適用于直流配電網(wǎng)的保護(hù)。
如何處理好快速性與可靠性之間的矛盾是直流配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位需要解決的問(wèn)題。目前，該領(lǐng)域的研究主要集中于動(dòng)作速度快的保護(hù)新原理的開(kāi)發(fā)。
3）直流配電網(wǎng)故障隔離方法。
       直流配電網(wǎng)故障隔離技術(shù)是直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)的重要組成部分。未來(lái)直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是“直流成網(wǎng)”，因此如何快速、準(zhǔn)確地將故障隔離在盡可能小的范圍內(nèi)是故障隔離技術(shù)需要解決的問(wèn)題。
       目前，直流配電網(wǎng)故障隔離方法主要包括3種：①交流側(cè)斷路器加直流側(cè)隔離開(kāi)關(guān)；②換流器自清除加直流側(cè)隔離開(kāi)關(guān)；③直流斷路器。其中交流側(cè)斷路器加直流側(cè)隔離開(kāi)關(guān)切除速度較慢，難以滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)對(duì)故障切除速度的要求；換流器自清除加直流側(cè)隔離開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)斷電，且具有自清除能力的換流器拓?fù)漭^為復(fù)雜，換流站的投資增加；直流斷路器能夠快速切除故障線(xiàn)路，其故障隔離過(guò)程與交流系統(tǒng)相似，但目前直流斷路器技術(shù)仍處在發(fā)展階段，直流斷路器造價(jià)昂貴也是不可回避的問(wèn)題。
       本文將從直流配電網(wǎng)故障特性分析、故障檢測(cè)與定位原理、故障隔離方法3個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)行歸納總結(jié)和綜述，并提出自己的一些觀點(diǎn)與展望，以期能夠?qū)ξ磥?lái)直流配電網(wǎng)研究與建設(shè)有所裨益。

1、直流配電網(wǎng)故障特性分析

       直流配電網(wǎng)故障暫態(tài)特性分析是故障檢測(cè)、定位、隔離的基礎(chǔ)。采用不同類(lèi)型的換流器的直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，因此故障特征也存在較大差異，相應(yīng)的故障暫態(tài)特性分析方法不同。本小節(jié)將針對(duì)目前最為典型的2種換流器拓?fù)洌謩e對(duì)其故障暫態(tài)特性分析的研究現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1.1兩電平VSC換流器型直流系統(tǒng)故障特性

       文獻(xiàn)［6］結(jié)合理論分析和仿真驗(yàn)證對(duì)兩電平VSC換流器直流系統(tǒng)單極接地故障的故障暫態(tài)特性進(jìn)行了細(xì)致的研究，通過(guò)對(duì)不同接地方式下直流系統(tǒng)單極接地故障的等效放電回路的分析和仿真，得出了兩電平VSC換流器直流系統(tǒng)單極接地故障特性與接地方式相關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)［7-8］通過(guò)對(duì)兩電平VSC換流器直流系統(tǒng)交流側(cè)不對(duì)稱(chēng)故障過(guò)程中的等效放電回路的分析，發(fā)現(xiàn)換流器交流出口處不對(duì)稱(chēng)故障產(chǎn)生的零序分量會(huì)通過(guò)直流側(cè)儲(chǔ)能電容的接地支路形成通路，從而耦合進(jìn)直流系統(tǒng)，導(dǎo)致正負(fù)極儲(chǔ)能電容電壓出現(xiàn)共模波動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)該現(xiàn)象，文獻(xiàn)［9］提出了直流側(cè)電容中點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方法減小故障零序電流，從而減小正負(fù)極儲(chǔ)能電容電壓的共模波動(dòng)，保持儲(chǔ)能電容兩端電壓的穩(wěn)定。
       極間短路故障是直流配電網(wǎng)最為嚴(yán)重的故障類(lèi)型，關(guān)于兩電平VSC換流器型直流系統(tǒng)極間短路故障特性的研究也相對(duì)豐富。文獻(xiàn)［10-12］將極間短路故障暫態(tài)過(guò)程中的故障電流分成3個(gè)部分，分別是：①換流器直流側(cè)儲(chǔ)能電容放電電流；②直流線(xiàn)路電感通過(guò)續(xù)流二極管提供的故障放電電流；③交流系統(tǒng)通過(guò)續(xù)流二極管提供的短路電流。故障暫態(tài)過(guò)程分為如下3個(gè)階段：①直流側(cè)儲(chǔ)能電容快速放電階段；②二極管自然換向?qū)A段；③二極管同時(shí)導(dǎo)通階段。其中文獻(xiàn)［10-11］指出故障暫態(tài)過(guò)程①中的故障電流以直流儲(chǔ)能電容放電電流為主，并通過(guò)對(duì)直流儲(chǔ)能電容放電二階電路的求解，推導(dǎo)出了該階段的故障電流的解析表達(dá)式；故障暫態(tài)過(guò)程②中交流電源和直流儲(chǔ)能電容同時(shí)向故障點(diǎn)放電，該過(guò)程中二極管存在交替導(dǎo)通、關(guān)斷的換向過(guò)程，這種換向過(guò)程每發(fā)生一次，動(dòng)態(tài)過(guò)程就要重新求解一次，通過(guò)求解多元狀態(tài)方程可以得到該過(guò)程中交直流側(cè)電壓電流的暫態(tài)解；故障暫態(tài)過(guò)程③發(fā)生在直流儲(chǔ)能電容電壓的振蕩過(guò)零時(shí)刻，該過(guò)程中電路完全對(duì)稱(chēng)，相當(dāng)于交流側(cè)發(fā)生了三相短路，通過(guò)求解交流側(cè)三相短路過(guò)程中的短路電流得到了此過(guò)程的故障電流暫態(tài)響應(yīng)的解析表達(dá)式。除此之外，文獻(xiàn)［12］還考慮了IGBT閉鎖與否對(duì)故障穩(wěn)定后故障電流特性的影響。

1.2 模塊化多電平換流器（MMC）型直流系統(tǒng)故障特性

       模塊化多電平換流器相較于兩電平VSC換流器擁有波形質(zhì)量高、控制靈活、運(yùn)行損耗小等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的被用于柔性直流輸配電領(lǐng)域。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與兩電平VSC換流器存在較大差異，尤其是直流側(cè)不含直接并聯(lián)的儲(chǔ)能電容，使得基于模塊化多電平換流器的直流系統(tǒng)與基于兩電平VSC換流器的直流系統(tǒng)的故障特征存在較大差異。
文獻(xiàn)［13］基于仿真對(duì)模塊化多電平換流器構(gòu)成的直流配電系統(tǒng)單極接地故障特性進(jìn)行了研究，主要關(guān)注交直流側(cè)不同的接地方式對(duì)于直流系統(tǒng)單極接地故障特征的影響，分析比較了不同接地方式的優(yōu)劣。文獻(xiàn)［14］在理論分析的基礎(chǔ)上，給出了模塊化多電平換流器構(gòu)成的直流配電系統(tǒng)單極接地故障及極間短路故障的等效放電電路，并以等效放電電路為依據(jù)，理論推導(dǎo)了單極接地故障及極間短路故障時(shí)的故障電流的解析表達(dá)式，需要指出的是該解析表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程并沒(méi)有考慮故障過(guò)程中IGBT的閉鎖對(duì)故障特性的影響，僅適用于IGBT閉鎖前的系統(tǒng)故障特性的分析。文獻(xiàn)［15-18］詳細(xì)地分析了模塊化多電平換流器構(gòu)成的直流配電系統(tǒng)極間短路故障的故障特性。其中文獻(xiàn)［15］詳細(xì)闡述了極間短路故障過(guò)程中故障等效電路及故障電流解析表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了解析表達(dá)式的正確性。文獻(xiàn)［16-17］將極間短路故障過(guò)程分為IGBT閉鎖前和閉鎖后2個(gè)階段，分別對(duì)這2個(gè)階段中的故障暫態(tài)特性進(jìn)行分析，通過(guò)理論推導(dǎo)得到了2個(gè)階段故障電流的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)［18］指出換流器橋臂電抗會(huì)對(duì)極間短路故障后短路電流的流通回路產(chǎn)生影響，文中定義了導(dǎo)通重疊角，根據(jù)角的大小，分析了4種穩(wěn)態(tài)短路電流通路，然后分別對(duì)這4種短路電流通路下的交直流側(cè)故障電流特性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了交流側(cè)和直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流的實(shí)用計(jì)算方法。
       無(wú)論是兩電平VSC換流器還是模塊化多電平換流器都不具備故障阻斷能力，為了適應(yīng)未來(lái)多端柔性直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)避免使用造價(jià)昂貴的直流斷路器，具有故障自清除能力的換流器的拓?fù)浼肮收咸卣鞒蔀榻陙?lái)的一大研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［19］分析了具有故障自清除能力的換流器的故障特征，發(fā)現(xiàn)在IGBT閉鎖前，其故障特性與模塊化多電平換流器的故障特性完全相同，在IGBT閉鎖后，交直流系統(tǒng)被完全隔離，直流側(cè)故障電流逐漸衰減為零。
       以上研究表明，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于直流配電網(wǎng)故障特性的研究已初具規(guī)模，已經(jīng)能夠用相對(duì)準(zhǔn)確的解析表達(dá)式對(duì)故障暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行描述，但諸如控制系統(tǒng)、接地方式等因素對(duì)于故障暫態(tài)特性的影響仍沒(méi)有得到足夠的重視。未來(lái)一方面需要統(tǒng)一直流配電網(wǎng)的接地方式，另一方面需要考慮各種控制系統(tǒng)對(duì)于直流配電網(wǎng)故障特性的影響。另外，更加深入研究直流配電網(wǎng)故障暫態(tài)過(guò)程，尋找更為精確的解析表達(dá)式對(duì)故障暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行更加準(zhǔn)確的描述也是未來(lái)直流配電網(wǎng)故障分析的發(fā)展方向。

2、直流配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位原理

2.1 電壓/電流保護(hù)

       電壓/電流保護(hù)是電力系統(tǒng)最基礎(chǔ)的保護(hù)原理，它一般利用電流幅值的增大、電壓幅值的減小或者電壓、電流變化率的變化來(lái)判斷故障區(qū)間。
文獻(xiàn)［20］針對(duì)含分布式電源的輻射狀直流配電網(wǎng)提出了基于電流瞬時(shí)值的兩段式過(guò)電流保護(hù)策略。利用電壓突變作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，過(guò)電流保護(hù)段是快速保護(hù)段，其能夠在故障電流的上升階段發(fā)送跳閘指令；過(guò)電流保護(hù)Ⅱ段作為過(guò)電流保護(hù)段的后備保護(hù)，用于在電容放電階段結(jié)束后，故障電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)進(jìn)行保護(hù)，該方案不足之處在于沒(méi)有充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，其保護(hù)整定值的選取缺乏可靠的依據(jù)。文獻(xiàn)［21］同樣針對(duì)輻射狀直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)了一套過(guò)電流及電流變化率保護(hù)方案。文章中將故障分為近端故障和遠(yuǎn)端故障，為了兼顧速動(dòng)性和選擇性，文章參考交流系統(tǒng)階段式保護(hù)的思想，設(shè)置了兩段式的過(guò)電流保護(hù)及電流變化率保護(hù)，與文獻(xiàn)［20］不同的是本文中的兩段式保護(hù)均作為被保護(hù)線(xiàn)路的主保護(hù)。具體地，近端故障時(shí)電流速斷保護(hù)及近端電流變化率，發(fā)出跳閘指令；遠(yuǎn)端故障時(shí)，限時(shí)電流速斷保護(hù)及遠(yuǎn)端故障電流變化率保護(hù)動(dòng)作，切除故障線(xiàn)路，兩段式保護(hù)通過(guò)整定值和延時(shí)的相互配合可以實(shí)現(xiàn)故障線(xiàn)路的切除，但其缺點(diǎn)也很明顯，動(dòng)作速度較慢，不能滿(mǎn)足未來(lái)直流配電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作速度的要求。
       綜上，電壓/電流保護(hù)雖然原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但其動(dòng)作速度和選擇性難以滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)要求，尤其是多端柔性直流配電系統(tǒng)，因此電壓/電流保護(hù)在直流配電網(wǎng)的保護(hù)中一般只用于故障檢測(cè)。

2.2 邊界保護(hù)

       邊界保護(hù)是直流電網(wǎng)保護(hù)所特有的保護(hù)原理，該保護(hù)原理主要利用線(xiàn)路邊界元件兩側(cè)故障暫態(tài)特征的差異判別故障區(qū)間。目前關(guān)于邊界保護(hù)的研究多在柔性高壓直流輸電領(lǐng)域展開(kāi)，但其保護(hù)原理在柔性直流配電領(lǐng)域仍然具有適用性。因此下面關(guān)于邊界保護(hù)的綜述中并不局限于直流配電網(wǎng)領(lǐng)域。
       文獻(xiàn)［14］對(duì)三端網(wǎng)狀柔性直流電網(wǎng)的保護(hù)原理進(jìn)行研究，提出了一套僅利用單端直流電抗器電壓的大小和方向的變化特征識(shí)別故障的保護(hù)原理，該保護(hù)原理可以實(shí)現(xiàn)故障線(xiàn)路、故障類(lèi)型以及故障極的判別，大量仿真驗(yàn)證結(jié)果表明該方案能夠靈敏、可靠、快速地識(shí)別故障線(xiàn)路和故障極，且能夠耐受一定的過(guò)渡電阻，適合用作多端柔性直流系統(tǒng)的主保護(hù)。文獻(xiàn)［22］利用事先設(shè)定好的直流電抗器兩端電壓閾值5?kV和10?kV以及電壓從5?kV上升到10?kV所需要的時(shí)間來(lái)進(jìn)行故障線(xiàn)路的識(shí)別。該保護(hù)方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程中首先通過(guò)比較同一換流站不同饋出線(xiàn)路中的直流電抗器兩端電壓的極性，判斷可能發(fā)生故障的直流線(xiàn)路，再選取該條線(xiàn)路上的直流電抗器電壓作為研究對(duì)象，進(jìn)行故障區(qū)間的判別。
       文獻(xiàn)［23-24］利用直流電抗器兩端電壓變化率的特征，設(shè)計(jì)了適用于直流電網(wǎng)保護(hù)的保護(hù)原理。其中文獻(xiàn)［23］針對(duì)交流閥側(cè)含有接地點(diǎn)的直流系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套利用直流電抗器線(xiàn)路側(cè)電壓變化率作為保護(hù)判據(jù)的保護(hù)原理。文中具體討論了直流電抗器的取值與直流斷路器耐受過(guò)流能力以及故障開(kāi)斷時(shí)間的關(guān)系。另外，線(xiàn)路側(cè)電壓變化率的整定值的選取原則也是文章關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。文獻(xiàn)［24］利用低電壓作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)；利用直流電抗器電壓變化率大小和極性判斷故障區(qū)間；利用零模故障分量的大小確定故障極，設(shè)計(jì)了一套滿(mǎn)足柔性直流電網(wǎng)要求的保護(hù)原理。
       文獻(xiàn)［25］利用直流電抗器對(duì)故障過(guò)程中高頻電流信號(hào)的阻隔作用，提出了利用短路電流的高頻暫態(tài)能量的差別區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障的保護(hù)原理。具體地，利用小波變換提取故障過(guò)程中短路電流的高頻暫態(tài)能量，根據(jù)暫態(tài)能量的差別識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障，同時(shí)，利用直流電抗器上的壓降作為方向元件，判斷故障方向，防止保護(hù)反向誤動(dòng)。該保護(hù)原理的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)作速度快，能夠耐受一定的過(guò)渡電阻，不足之處在于針對(duì)不同故障類(lèi)型的保護(hù)整定值不統(tǒng)一且保護(hù)整定值需要通過(guò)仿真獲取。文獻(xiàn)［26］針對(duì)兩電平VSC換流器構(gòu)成的直流系統(tǒng)，利用直流電抗器和直流側(cè)儲(chǔ)能電容作為線(xiàn)路邊界元件，通過(guò)比較線(xiàn)路側(cè)與母線(xiàn)側(cè)暫態(tài)電壓的比值確定故障線(xiàn)路。
       邊界保護(hù)雖然在速動(dòng)性、選擇性上滿(mǎn)足柔性直流配電網(wǎng)的要求，但其實(shí)現(xiàn)需要直流線(xiàn)路兩端都裝設(shè)有直流電抗器作為前提。實(shí)現(xiàn)該前提，存在兩大難點(diǎn)：一方面并非所有直流配電網(wǎng)都支持安裝直流電抗器；另一方面，直流電抗器的取值目前還沒(méi)有較為完善的理論體系，不同直流電抗器的取值會(huì)對(duì)邊界保護(hù)的整定值的選取產(chǎn)生極大的影響。因此，邊界保護(hù)原理能否適應(yīng)未來(lái)直流配電網(wǎng)的發(fā)展，還需要進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

2.3 縱聯(lián)保護(hù)

       縱聯(lián)保護(hù)是基于雙端電氣量的保護(hù)原理，它一般利用線(xiàn)路兩端的差動(dòng)電流、差動(dòng)電流的能量或者線(xiàn)路兩端電流的方向的特征識(shí)別故障線(xiàn)路，主要包括縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)、縱聯(lián)電流方向保護(hù)。
文獻(xiàn)［27-28］提出了利用電流差動(dòng)保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)故障線(xiàn)路識(shí)別的方法。其中文獻(xiàn)［27］沿線(xiàn)多點(diǎn)布置電流光纖傳感器，通過(guò)對(duì)比相鄰傳感器上的差動(dòng)電流的大小以及電流變化率的差異判斷故障區(qū)間，該方法的缺點(diǎn)在于成本較高。文獻(xiàn)［28］以電壓不平衡度作為單極接地故障的保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，再通過(guò)電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行故障定位，以過(guò)流和欠壓保護(hù)作為極間短路故障的保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，再通過(guò)電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行故障定位。
       文獻(xiàn)［29］提出了一種基于線(xiàn)路直流電抗器兩側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值比的快速方向縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)，利用小波變化提取電壓暫態(tài)分量中的有效信息，同時(shí)通過(guò)正負(fù)極電壓的幅值比進(jìn)行故障極的判別，該方法優(yōu)點(diǎn)在于不受線(xiàn)路分布電容的影響，能夠在3～4?ms內(nèi)快速動(dòng)作，滿(mǎn)足柔性直流配電網(wǎng)對(duì)保護(hù)動(dòng)作速度的要求。文獻(xiàn)［30］針對(duì)“手拉手”式的兩端直流配電網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一套基于電流狀態(tài)矩陣的保護(hù)原理，實(shí)際上就是利用線(xiàn)路兩端電流方向信息進(jìn)行故障線(xiàn)路的判別，該保護(hù)判據(jù)同時(shí)具備故障類(lèi)型的判別能力。文獻(xiàn)［31］針對(duì)小電流接地方式下的對(duì)稱(chēng)單極直流系統(tǒng)單極接地故障時(shí)，故障電流小甚至無(wú)故障電流的特點(diǎn)，利用故障暫態(tài)過(guò)程中，線(xiàn)路分布電容提供的微弱故障電流的特性，提出利用線(xiàn)路兩端暫態(tài)差流的短時(shí)能量來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。
縱聯(lián)保護(hù)利用雙端電氣量信息判別故障，可靠性高，但其需要解決通信和數(shù)據(jù)同步問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中其動(dòng)作速度和可靠性能否滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)的要求還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2.4 其他保護(hù)

       除了電壓/電流保護(hù)、邊界保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)等常見(jiàn)的直流配電網(wǎng)保護(hù)原理外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)直流配電網(wǎng)還提出了分區(qū)保護(hù)、橫聯(lián)保護(hù)、測(cè)距式保護(hù)、握手法、基于智能算法的保護(hù)等保護(hù)原理。
其中文獻(xiàn)［32］根據(jù)直流系統(tǒng)規(guī)模及保護(hù)要求，提出了多端直流系統(tǒng)區(qū)域保護(hù)劃分原則和分區(qū)保護(hù)策略，通過(guò)劃分區(qū)域減少直流斷路器的數(shù)量，該方法利用直流斷路器隔離故障區(qū)域與非故障區(qū)域，非故障區(qū)域維持運(yùn)行，故障區(qū)域通過(guò)交流側(cè)斷路器和直流側(cè)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行故障隔離。
       文獻(xiàn)［34］為了減小電流互感器的投資，提出了針對(duì)輻射狀網(wǎng)絡(luò)的橫聯(lián)保護(hù)方案，該方法僅利用線(xiàn)路首端正負(fù)極裝設(shè)的電流互感器測(cè)得的電流數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行故障區(qū)段的判別；缺點(diǎn)在于用于保護(hù)的電流數(shù)據(jù)是故障后的穩(wěn)態(tài)量，保護(hù)動(dòng)作速度不能滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)的要求。
       文獻(xiàn)［35］針對(duì)兩端供電的直流配電網(wǎng)提出了一套測(cè)距式保護(hù)方案。對(duì)傳統(tǒng)的R-L算法進(jìn)行改進(jìn)，利用直流電抗器上的壓降代替了傳統(tǒng)的差分方法獲取dd，從而避免了差分代替微分帶來(lái)的誤差，提高了R-L算法的數(shù)值穩(wěn)定性。
       文獻(xiàn)［36-37］利用握手法原則，先根據(jù)方向性過(guò)電流保護(hù)選取預(yù)跳閘開(kāi)關(guān)，然后再根據(jù)線(xiàn)路的帶電信息進(jìn)行重合閘。該方法簡(jiǎn)單可靠，但依靠交流側(cè)斷路器切除故障，動(dòng)作速度慢，供電可靠性差。
       文獻(xiàn)［38］分析了單純利用時(shí)域或者頻域方法在識(shí)別直流系統(tǒng)故障方面存在的問(wèn)題，指出隨著模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法的發(fā)展，可以考慮將人工智能算法融入到直流電網(wǎng)的保護(hù)中。
       綜上所述，目前關(guān)于直流配電網(wǎng)保護(hù)的研究尚處在探索階段，還沒(méi)有任何一種保護(hù)方案能夠完全滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)保護(hù)的要求。充分考慮未來(lái)直流配電系統(tǒng)“直流成網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尋找適合直流配電網(wǎng)保護(hù)的新型、快速、可靠的保護(hù)方案仍然是未來(lái)直流配電網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究方向。

3、直流配電網(wǎng)故障隔離方法

       直流配電網(wǎng)故障隔離技術(shù)是直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)的重要組成部分。不同于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)故障電流沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)，不能沿用交流系統(tǒng)故障隔離的方法，目前國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于直流配電網(wǎng)故障隔離方面的研究主要分為3個(gè)思路：思路1，利用交流斷路器清除故障電流，再由直流隔離開(kāi)關(guān)隔離故障；思路2，通過(guò)改變換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障電流的自清除，再由直流隔離開(kāi)關(guān)切除故障線(xiàn)路；思路3，直接利用具有直流開(kāi)斷能力的直流斷路器切除故障。

3.1 交流斷路器加直流隔離開(kāi)關(guān)隔離故障

       利用交流斷路器加直流隔離開(kāi)關(guān)隔離故障是目前工程實(shí)際中最常用的直流故障隔離方法。該方法的動(dòng)作原理如下：當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置向所有的交流斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)，阻止交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)供電，失去供電的直流系統(tǒng)故障電流會(huì)逐漸衰減到零，等到直流故障電流衰減到零之后，再由直流隔離開(kāi)關(guān)切除故障線(xiàn)路。該方法雖然簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，且會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)斷電，無(wú)法達(dá)到未來(lái)直流配電網(wǎng)對(duì)故障隔離速度和可靠性的要求。因此該方法只是在直流配電網(wǎng)故障隔離早期研究階段提出的權(quán)宜之計(jì)，現(xiàn)階段的研究中鮮有涉及。
       文獻(xiàn)［36］提出了“握手法”原則，通過(guò)閉鎖換流站，斷開(kāi)所有交流側(cè)斷路器清除直流故障電流，再跳開(kāi)預(yù)跳閘開(kāi)關(guān)，切除故障線(xiàn)路，緊接著解閉鎖換流站，根據(jù)線(xiàn)路帶電信息重合誤跳閘的直流開(kāi)關(guān)，最后進(jìn)行交流側(cè)斷路器重合閘，恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

3.2 換流器自清除加直流隔離開(kāi)關(guān)隔離故障

       具有故障自清除能力的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究是近年來(lái)的直流配電網(wǎng)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。其中最具代表性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：全橋子模塊多電平換流器、箝位雙子模塊換流器、串聯(lián)雙子模塊換流器、二極管箝位子模塊等。
       文獻(xiàn)［44］對(duì)比分析了采用半橋子模塊、全橋子模塊、箝位雙子模塊進(jìn)行故障清除的故障清除能力、故障清除時(shí)間以及投資成本，并對(duì)故障清除時(shí)間的差異進(jìn)行了深入的分析，最后得出了實(shí)際工程應(yīng)用中推薦采用箝位雙子模塊換流器的結(jié)論。文獻(xiàn)［45］提出了雙晶閘管法，故障期間，并聯(lián)的晶閘管可以起到對(duì)續(xù)流二極管的分流作用，提高系統(tǒng)的過(guò)流能力，同時(shí)可以通過(guò)對(duì)晶閘管的控制，消除交流側(cè)往直流側(cè)注入的故障電流，實(shí)現(xiàn)故障電流的自清除。文獻(xiàn)［46］往兩電平VSC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入了IGBT-CB，故障過(guò)程中，通過(guò)IGBT-CB閉鎖直流側(cè)儲(chǔ)能電容的放電回路實(shí)現(xiàn)故障電流的自清除。

3.3 直流斷路器隔離故障

       基于直流斷路器的故障隔離方案是最能夠適應(yīng)未來(lái)直流配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的故障隔離方案，它能夠有選擇性地將故障隔離在最小范圍內(nèi)，保證非故障區(qū)域的正常供電，可以大大提高直流配電網(wǎng)的供電可靠性，是最理想的故障隔離方案。但受制于直流斷路器的制造技術(shù)和昂貴的造價(jià)，目前基于直流斷路器的故障隔離方案還處在理論研究階段，尚未投入大規(guī)模的工程應(yīng)用。
       目前直流斷路器可以分為3種類(lèi)型：基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的常規(guī)機(jī)械式直流斷路器、基于電力電子器件的固態(tài)斷路器、基于電力電子器件和機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)合的混合式直流斷路器。機(jī)械式斷路器雖然損耗低，但其動(dòng)作速度慢，不能滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)的要求；固態(tài)斷路器恰恰相反，動(dòng)作速度快，但其通態(tài)損耗大且造價(jià)昂貴；混合式直流斷路器結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，是目前被廣泛接受的直流斷路器類(lèi)型。
       文獻(xiàn)［49］對(duì)比了3種直流斷路器的性能，包括分段速度、通態(tài)損耗、分?jǐn)嗄芰椭圃斐杀?，并?duì)混合式直流斷路器的運(yùn)行原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，最后提出了柔性直流電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)方案，通過(guò)仿真驗(yàn)證了混合式直流斷路器在柔性直流電網(wǎng)中的可行性和有效性。文獻(xiàn)［37，50］詳細(xì)對(duì)比了基于交流側(cè)斷路器、基于直流斷路器、基于換流器自清除的直流故障保護(hù)方案的優(yōu)劣。其中文獻(xiàn)［37］根據(jù)“握手法”原則，分別設(shè)計(jì)了基于交流斷路器和基于直流斷路器以及換流器自清除的故障隔離方案，并通過(guò)仿真對(duì)保護(hù)方案的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)［50］針對(duì)架空線(xiàn)路，提出了直流斷路器和換流器自清除兩套故障隔離方案，對(duì)兩套隔離方案的保護(hù)流程進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并對(duì)比了兩者的故障清除性能。
       總體而言，基于交流斷路器的故障隔離策略存在故障隔離時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，必然不能適應(yīng)未來(lái)直流配電網(wǎng)故障隔離的要求?；趽Q流器自清除的故障隔離方案會(huì)導(dǎo)致全站停電，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的柔性直流系統(tǒng)中尚有適用性，但應(yīng)用于多端柔性直流配電網(wǎng)會(huì)對(duì)直流配電網(wǎng)的可靠性產(chǎn)生極大的影響。基于直流斷路器的故障隔離方案可以將故障隔離在最小范圍內(nèi)，最大限度地保證非故障線(xiàn)路的正常運(yùn)行，是未來(lái)直流配電網(wǎng)故障隔離的最佳選擇。

4、直流配電網(wǎng)故障分析與繼電保護(hù)需進(jìn)一步解決的問(wèn)題

       當(dāng)前直流配電網(wǎng)故障分析和繼電保護(hù)方面的研究雖已取得一些成果，但還遠(yuǎn)未達(dá)到工程實(shí)際應(yīng)用的要求，仍然存在許多亟需解決的問(wèn)題。
出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，中低壓直流配電網(wǎng)可能采用“對(duì)稱(chēng)單極”的方式運(yùn)行，直流側(cè)的接地方式會(huì)對(duì)故障的隔離與恢復(fù)產(chǎn)生很大的影響，在進(jìn)行故障特征分析與隔離方案的選擇時(shí)，接地方式是必須考慮的因素。同時(shí)，對(duì)直流配電網(wǎng)接地方式應(yīng)該進(jìn)行充分的研究，并根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，給出相應(yīng)的接地建議。
       直流配電網(wǎng)保護(hù)與控制研究不能割裂開(kāi)來(lái)。直流配電網(wǎng)中含有大量的受控型電力電子器件，其故障特征已經(jīng)從傳統(tǒng)電網(wǎng)的由物理特性所主導(dǎo)的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榱擞煽刂铺匦运鲗?dǎo)的過(guò)程。在研究直流配電網(wǎng)保護(hù)的同時(shí)，需要充分結(jié)合控制方式的特點(diǎn)，控制保護(hù)的“一體化”是未來(lái)直流配電網(wǎng)發(fā)展的一大特點(diǎn)。
       直流配電網(wǎng)故障檢測(cè)與定位原理研究方面，需要擺脫傳統(tǒng)交流電網(wǎng)繼電保護(hù)觀念的束縛，充分考慮直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制的特征，探索符合直流配電網(wǎng)特征的新型的繼電保護(hù)原理，形成適用于直流配電網(wǎng)的繼電保護(hù)體系是未來(lái)直流配電網(wǎng)保護(hù)策略研究領(lǐng)域的重要任務(wù)。
       直流配電網(wǎng)故障隔離方面，尤其是基于直流斷路器的故障隔離方案，可以考慮結(jié)合故障限流技術(shù)，降低對(duì)直流斷路器開(kāi)斷時(shí)間和開(kāi)斷短路電流的要求，大幅降低直流斷路器的制造難度和制造成本。目前已有一些文獻(xiàn)對(duì)故障限流技術(shù)進(jìn)行了初步的研究，文獻(xiàn)［10，44］對(duì)比分析了電阻型超導(dǎo)限流器和電感型超導(dǎo)限流器的限流性能，并對(duì)電阻型超導(dǎo)限流器性能優(yōu)于電感型超導(dǎo)限流器的原因做出了分析。文獻(xiàn)［51］提出了3種用于故障限流的方法：方法一，通過(guò)改變換流器的控制策略，限制橋臂電壓中的直流分量，從而減小故障電流；方法二，通過(guò)串聯(lián)電感限制故障電流；方法三，通過(guò)串聯(lián)電感并在公共連接點(diǎn)上并聯(lián)電容的方法限制故障電流。故障限流技術(shù)的發(fā)展可以大大緩解直流斷路器的制造壓力，有進(jìn)一步深入研究的必要。

5、結(jié)語(yǔ)

       直流配電技術(shù)作為未來(lái)電網(wǎng)形態(tài)的重要組成部分，已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的廣泛關(guān)注。如何充分發(fā)揮直流配電系統(tǒng)在效率、效益、兼容性、可控性方面的優(yōu)勢(shì)，提升配電系統(tǒng)的運(yùn)行水平也是目前學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。直流配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化之后，對(duì)故障隔離的快速性和選擇性均提出了新的更高的要求，一方面，有選擇地切除故障線(xiàn)路對(duì)于縮小停電范圍、提升供電可靠性至關(guān)重要；另一方面，快速地切除故障對(duì)于設(shè)備安全及配電網(wǎng)健全線(xiàn)路的恢復(fù)供電意義重大，因此，高性能的繼電保護(hù)是直流系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。
在故障的快速識(shí)別，即繼電保護(hù)原理方面，目前的研究基本上基于交流繼電保護(hù)的思想，大量新原理主要來(lái)源于交流輸電系統(tǒng)或者高壓直流輸電系統(tǒng)，其對(duì)直流配電的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性需要進(jìn)一步考慮。直流配電系統(tǒng)繼電保護(hù)必須面對(duì)的問(wèn)題有：普通的過(guò)電流保護(hù)/電流變化率保護(hù)在電阻（抗）相對(duì)小的配電線(xiàn)路上應(yīng)用的性能問(wèn)題；以電流差動(dòng)保護(hù)原理為代表的縱聯(lián)保護(hù)原理的動(dòng)作速度問(wèn)題；考慮經(jīng)濟(jì)性之后，以行波保護(hù)為代表的暫態(tài)量保護(hù)是否能夠大面積應(yīng)用的問(wèn)題等。在故障隔離方面，直流斷路器的技術(shù)發(fā)展階段和昂貴的造價(jià)限制了其在配電領(lǐng)域的大量應(yīng)用，具有阻斷能力的換流器無(wú)法保證故障隔離的選擇性，混合方案（交流斷路器直流開(kāi)關(guān)，或者換流器直流開(kāi)關(guān)）在隔離速度上無(wú)法取得令人滿(mǎn)意的效果。
       在直流配電網(wǎng)的故障識(shí)別與隔離方面，充分分析直流配電系統(tǒng)的特點(diǎn)及業(yè)務(wù)需求，充分考慮保護(hù)與控制的關(guān)系，跳出交流系統(tǒng)繼電保護(hù)的固有框架，研究適用于直流配電應(yīng)用場(chǎng)景的繼電保護(hù)原理與方案是未來(lái)需要努力的方向。具體地：①繼電保護(hù)應(yīng)與故障隔離技術(shù)相適應(yīng)，針對(duì)實(shí)際工程中的故障隔離策略，研究并提出合適的繼電保護(hù)新原理；②繼電保護(hù)應(yīng)與應(yīng)用場(chǎng)景相適應(yīng)，在技術(shù)允許的前提下，避免過(guò)度地追求快速性等性能指標(biāo)而喪失經(jīng)濟(jì)性；③繼電保護(hù)應(yīng)與量測(cè)系統(tǒng)相適應(yīng)，需要考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及量測(cè)誤差給繼電保護(hù)帶來(lái)的影響；④繼電保護(hù)應(yīng)與換流器控制策略相適應(yīng)，直流配電系統(tǒng)的控制和保護(hù)的一體化趨勢(shì)和模式值得關(guān)注。  本文將從直流配電網(wǎng)故障特性分析、故障檢測(cè)與定位原理、故障隔離方法3個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)行歸納總結(jié)和綜述，并提出自己的一些觀點(diǎn)與展望，以期能夠?qū)ξ磥?lái)直流配電網(wǎng)研究與建設(shè)有所裨益。