多端直流系統(tǒng)直流故障保護(hù)研究綜述

焦在濱，姜振超

(1.陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西 西安 710049；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；3. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

多端直流系統(tǒng)直流故障保護(hù)研究綜述

焦在濱1,3，姜振超2

(1.陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西 西安 710049；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；3. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

對國內(nèi)外多端直流系統(tǒng)的故障保護(hù)問題進(jìn)行了綜述。 首先分析了基于電壓源型換流器的多端直流系統(tǒng)故障的過程，研究了故障電流的特征和解析表達(dá)式。其次討論了針對多端直流系統(tǒng)的繼電保護(hù)原理，對電壓/電流保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)和行波暫態(tài)量保護(hù)進(jìn)行的分析。然后針對多端直流系統(tǒng)的故障隔離問題，從選擇性和恢復(fù)速度的角度對現(xiàn)有的策略進(jìn)行了分析。最后，建議應(yīng)當(dāng)從加強(qiáng)有針對性的繼電保護(hù)方案研究、重視故障快速恢復(fù)過程中換流器的性能以及關(guān)注測量環(huán)節(jié)對故障保護(hù)的影響3個方面展開研究工作，解決多端直流輸電系統(tǒng)的故障保護(hù)問題。

多端直流系統(tǒng)；故障識別；故障隔離；繼電保護(hù)

對于多端直流系統(tǒng)的故障處理技術(shù)的研究主要包括以下3個方面：

1)多端直流系統(tǒng)的故障分析

故障分析是故障識別與故障隔離的基礎(chǔ)。多端直流系統(tǒng)大多采用電壓源型換流器，其故障特征受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、換流器結(jié)構(gòu)以及控制策略的影響，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中基于工頻電氣量分析的故障分析方法顯然已經(jīng)不再適用。

目前，多端直流系統(tǒng)的故障分析主要采用解析分析與電磁暫態(tài)仿真相結(jié)合的方法，關(guān)注的重點(diǎn)包括故障暫態(tài)過程、故障電流的特性(峰值及波形)以及故障電流到達(dá)峰值的時間等問題。

2)多端直流系統(tǒng)的故障識別與定位

直流系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展及工程應(yīng)用已日趨成熟，雖然新原理不斷涌現(xiàn)，但是雙端直流輸電工程仍采用早期的保護(hù)配置并能夠可靠運(yùn)行。多端直流系統(tǒng)在要求故障識別的快速性和靈敏性之外，由于直流系統(tǒng)成網(wǎng)，在故障隔離過程中對故障元件的識別(定位)有較高的要求。同時，電壓源型換流器耐受故障電流的能力較差，要求繼電保護(hù)在幾毫秒內(nèi)動作并可靠有選擇性地隔離故障。如何解決故障識別的可靠性、選擇性和快速性之間的矛盾，在多端直流系統(tǒng)尤為突出。

該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)在于提出多端直流系統(tǒng)繼電保護(hù)的新原理與新算法、保護(hù)的整定方案等。

3)多端直流系統(tǒng)的故障隔離與恢復(fù)

多端直流系統(tǒng)的一個顯著特點(diǎn)是“直流成網(wǎng)”，即當(dāng)發(fā)生故障時需將故障隔離在盡量小的范圍之內(nèi)，保證直流電網(wǎng)中其他健全元件的正常運(yùn)行。若多端直流系統(tǒng)能夠配置性價比及可靠性均滿足電力系統(tǒng)要求的直流斷路器，其故障隔離和恢復(fù)過程與交流系統(tǒng)相同。

在直流斷路器技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性不能夠滿足大面積應(yīng)用的情況下，如何利用交流斷路器與快速隔離開關(guān)配合或者考慮換流器的阻斷特性來實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離與迅速恢復(fù)是多端直流系統(tǒng)運(yùn)行必須面對的問題，目前電壓源型換流器的重啟時間和重啟過程都不能滿足電力系統(tǒng)的要求，需要著力研究。

下面從多端直流系統(tǒng)的故障分析、故障識別定位和故障的隔離恢復(fù)3個方面，對目前國內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對未來研究方向進(jìn)行展望，并提出一些觀點(diǎn)，以期能夠?qū)窈蟮南嚓P(guān)繼電保護(hù)問題研究有所助益。

1 多端直流系統(tǒng)故障特征分析

故障特征分析是故障甄別與故障隔離的基礎(chǔ)。多端直流系統(tǒng)廣泛采用電力電子橋式換流電路，其故障響應(yīng)具有快速性、非線性、與控制策略強(qiáng)相關(guān)性，以同步發(fā)電機(jī)正弦電源為基礎(chǔ)的解析故障方法無法直接應(yīng)用，目前廣泛應(yīng)用的故障特征分析均基于電磁暫態(tài)仿真。即便如此，由于電力電子技術(shù)仍處于高速發(fā)展的過程中，為解決可靠性、效率、體積等問題，新的器件與電路拓?fù)洳粩嗵岢霾⑹痉稇?yīng)用，多端直流系統(tǒng)故障特征分析的理論和方法仍是目前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

就多端直流輸配電系統(tǒng)而言，目前被廣泛接受并應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括不對稱結(jié)構(gòu)、對稱結(jié)構(gòu)和雙極結(jié)構(gòu)，換流器一般采用兩電平換流器、三電平換流器以及模塊化多電平換流器，國內(nèi)外關(guān)于多端直流系統(tǒng)故障分析的研究均以此為基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[4-7]以兩電平換流器為例，考慮直流系統(tǒng)接線方式，分析了基于電壓源型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)在發(fā)生極間和極-地故障時的故障特征。對極間故障，故障電流由三部分組成[4-5]，分別是：故障發(fā)生后換流器電路中電容的放電電流、線路電感通過續(xù)流二極管的放電電流[5-6]以及由交流系統(tǒng)通過續(xù)流二極管向故障點(diǎn)提供的短路電流。對于極-地故障，故障電流的組成與接地方式相關(guān)[6]，對于典型的對稱結(jié)構(gòu)拓?fù)涠?，其故障電流由兩部分組成，分別是：故障發(fā)生后換流器電路中電容的放電電流和由交流系統(tǒng)通過續(xù)流二極管向故障點(diǎn)提供的短路電流。

文獻(xiàn)[6]指出，對于多端直流系統(tǒng)，短路電流尚需考慮健全線路的貢獻(xiàn)。同時，對于模塊化多電平換流器組成的直流系統(tǒng)，由于其各模塊獨(dú)立檢測過電流并對模塊進(jìn)行控制，其故障特征與兩電平換流器并不完全相同。

文獻(xiàn)[7]在理論分析的基礎(chǔ)上，給出了極間和極-地故障的等效電路，并理論推導(dǎo)了各個階段短路電流的解析表達(dá)式。特別需要指出的是，該文獻(xiàn)在解析分析的過程中，將交流系統(tǒng)提供的短路電流分為暫態(tài)短路電流(考慮換流器電容效應(yīng))和穩(wěn)態(tài)短路電流兩個部分，從而與實(shí)際情況更加相符。對于極間故障，交流系統(tǒng)提供的短路電流可通過求解由續(xù)流二極管組成的不控整流電路直流側(cè)短路問題得到。對于極-地故障，交流系統(tǒng)提供的短路電流則可通過求解回路中穿有續(xù)流二極管的交流電路得到。

無論采用多電平結(jié)構(gòu)，還是采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，電壓源型換流器均無法獨(dú)立地阻斷直流系統(tǒng)的故障電流并實(shí)現(xiàn)故障隔離。為滿足電力系統(tǒng)對多端直流系統(tǒng)的運(yùn)行要求，具有阻斷能力的換流器結(jié)構(gòu)及其故障特征成為近年來研究的熱點(diǎn)。其中有代表性的包括：全橋子模塊多電平換流器[8]、鉗位雙子模塊換流器[9]、串聯(lián)雙子模塊換流器[10]和二極管鉗位子模塊[11]等。

文獻(xiàn)[12]對具有直流故障清除能力的換流器的故障特征進(jìn)行了分析，指出雖然阻斷直流故障的機(jī)理不同，但其表現(xiàn)出的故障特征卻極為相似，即在電力電子器件關(guān)斷前的故障特征與多電平換流器一致，電力電子器件關(guān)斷后交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)完全隔離，交流系統(tǒng)不向故障點(diǎn)提供持續(xù)的短路電流。

阻斷時間和阻斷能力是表征具有直流故障清除能力的換流器特征的重要指標(biāo)[12]。故障阻斷時間是指在換流器接到阻斷指令到直流短路電流被限制為0的時間，文獻(xiàn)[12]通過研究發(fā)現(xiàn)，阻斷型換流器的故障清除時間為3～8 ms不等，其中串聯(lián)雙子模塊換流器的阻斷時間為3 ms，而基于鉗位雙子模塊的換流器阻斷時間則為8 ms。對于阻斷能力，則主要考慮交流線電壓與潛在饋流回路電容電壓的關(guān)系，通過分析，串聯(lián)雙子模塊清除故障時潛在饋流回路電容電壓要求較低，阻斷能力強(qiáng)。

文獻(xiàn)[13]比較了不同結(jié)構(gòu)的多端直流輸電系統(tǒng)在發(fā)生單極對地故障時的故障特征。在不采取控制措施的情況下，電壓源型換流器的故障自由(暫態(tài))過程時間為15～20 ms。相對于交流系統(tǒng)的故障響應(yīng)時間，電壓源型換流器的故障響應(yīng)時間非?？?，在故障發(fā)生后1 ms之內(nèi)，換流器即開始向故障點(diǎn)饋入短路電流，對于單極-大地回線結(jié)構(gòu)的柔性多端直流系統(tǒng)，故障電流達(dá)到峰值的時間小于4 ms，而若采用單極-金屬回線結(jié)構(gòu)形式，則該時間約為6 ms，這是由于金屬回線回路的阻抗增加了直流電容及健全線路分布電容向故障點(diǎn)放電的時間常數(shù)。同理，采用單極-大地回線結(jié)構(gòu)的柔性多端直流系統(tǒng)短路電流的幅值也比單極-金屬回線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)大，對設(shè)備的安全具有更大的威脅。

柔性直流輸配電系統(tǒng)的過電壓問題與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制策略密切相關(guān)，在采用單極對稱結(jié)構(gòu)的直流系統(tǒng)中，發(fā)生極-地故障時，健全極的電壓將升高為額定電壓的2倍[4,14]。

雖然從以上的綜述可見，國內(nèi)外學(xué)者對基于電壓源型換流器的故障過程及故障分析已達(dá)成共識，但從論文的仿真結(jié)果看，結(jié)構(gòu)形式和控制策略仍然將影響故障電流的具體波形。幸運(yùn)地是，由于多端直流系統(tǒng)中所采用的全控型電力電子器件耐受過載能力較差，系統(tǒng)要求的故障清除時間不大于5 ms[15]，因此故障甄別僅能應(yīng)用直流電容放電這一階段的故障信息，對故障暫態(tài)全過程波形的細(xì)微差別并不敏感。

在故障穩(wěn)態(tài)過程中，無論是采用多電平換流器還是半橋型多電平換流器，交流系統(tǒng)均持續(xù)向直流故障點(diǎn)饋入電流，對交流系統(tǒng)而言也是一種故障狀態(tài)；但是，由于直流系統(tǒng)對故障切除的時間要求嚴(yán)苛，因此，就短路故障傳播問題而言，僅在考慮后備保護(hù)時需考慮直流故障對交流系統(tǒng)的影響和保護(hù)配合問題。

2 多端直流系統(tǒng)的故障識別與故障定位

故障識別與故障定位算法是故障隔離的基礎(chǔ)，是故障清除過程的重要組成部分。交流系統(tǒng)的繼電保護(hù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了以電壓/電流保護(hù)、距離保護(hù)、行波和暫態(tài)量保護(hù)以及利用故障后全頻帶信息的保護(hù)等眾多的保護(hù)原理，并已被直流系統(tǒng)借鑒并在工程中廣泛應(yīng)用。高壓直流輸電工程普遍采用行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)、縱聯(lián)電流差動保護(hù)、低電壓保護(hù)等原理識別故障[16-17]，可以說直流系統(tǒng)并沒有形成針對自身特點(diǎn)的特殊保護(hù)體系，其保護(hù)均來源于交流系統(tǒng)，除算法形式外并無特殊之處。

目前，無論是LCC-HVDC直流系統(tǒng)還是VSC-HVDC直流系統(tǒng)大多為“點(diǎn)對點(diǎn)”兩端結(jié)構(gòu)，其故障隔離均采用換流器交流側(cè)斷路器跳閘的策略。目前的直流系統(tǒng)繼電保護(hù)原理具有“重故障識別、輕故障定位”、“重快速性和靈敏性、輕選擇性”的特點(diǎn)，將其直接應(yīng)用于多端直流系統(tǒng)的故障識別將會導(dǎo)致故障切除范圍擴(kuò)大等問題，影響交直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

基于電壓源型換流器的多端直流系統(tǒng)的故障識別與故障定位是目前研究的熱點(diǎn)，目前的研究主要集中在電流電壓保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、行波及暫態(tài)量保護(hù)以及基于智能算法的保護(hù)原理研究上。

2.1 電流/電壓保護(hù)

電流/電壓保護(hù)是最直接反應(yīng)電力系統(tǒng)故障特征的保護(hù)原理，其一般通過電流幅值的增加或電壓幅值的降低來識別故障，在多端直流系統(tǒng)中，尚需考慮故障電流升高的速度和持續(xù)時間。

文獻(xiàn)[18-19]提出了一種基于電流變化率的直流故障識別判據(jù)。文獻(xiàn)[18]提出了一種針對艦船直流配電系統(tǒng)的過電流保護(hù)方案。文獻(xiàn)[19]針對多端直流系統(tǒng)提出的保護(hù)判據(jù)在直流電壓跌落時啟動，并以直流電流變化量超過電流定值且持續(xù)時間超過時間定值作為動作條件。為了防止由于交流系統(tǒng)的擾動造成的不正確動作，采用直流電流的變化率作為閉鎖條件，當(dāng)直流電流變化率小于定值時閉鎖保護(hù)，防止誤動。遺憾的是，文中并未給出相應(yīng)地整定原則。

為保證選擇性，文獻(xiàn)[20]設(shè)計了一套適用于輻射狀直流配電網(wǎng)的保護(hù)方案。該保護(hù)方案將故障分為近區(qū)故障(保證速動性)和遠(yuǎn)端故障(保證選擇性)。在過電流保護(hù)判據(jù)和電流變化率保護(hù)中均采用兩段式設(shè)置，構(gòu)建電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)、近區(qū)故障電流變化率保護(hù)和遠(yuǎn)端故障電流變化率保護(hù)，通過階段式電流保護(hù)的思想實(shí)現(xiàn)了輻射狀配電網(wǎng)故障的可靠識別。該方案的不足之處在于遠(yuǎn)端故障的清除時間較長，不能滿足多端直流系統(tǒng)對繼電保護(hù)快速性的要求。

文獻(xiàn)[21]提出了一種多端直流系統(tǒng)的電壓電流保護(hù)方案，其在方案中設(shè)計了一種“三取二”的表決器，解決低電壓保護(hù)和過電流保護(hù)的可靠性問題。方案中的3個判據(jù)分別是故障電流的小波系數(shù)、故障電壓的小波系數(shù)以及電壓幅值和變化率。該方案能夠通過比較小波系數(shù)或電壓幅值變化率的大小確定故障線路的位置，對于保證選擇性具有一定的意義。由于采用小波變化對信號進(jìn)行了處理，該文獻(xiàn)并未直接應(yīng)用電壓電流信號，并通過各區(qū)域信號的相對關(guān)系確定故障位置，部分解決了電壓電流保護(hù)的靈敏性問題，但其整定值確定需要經(jīng)過電磁暫態(tài)仿真確定，并不具備良好的工程應(yīng)用前景。

電流/電壓保護(hù)是基于單端電氣量的保護(hù)原理，需要通過定值與時間的配合來保證選擇性，對輻射狀直流電網(wǎng)或其他對選擇性要求不高的系統(tǒng)是一個性價比很高的選擇；但是對于多端直流系統(tǒng)，特別是輸電系統(tǒng)，其只能作為后備保護(hù)，與性能更好的主保護(hù)配合保證設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2.2 縱聯(lián)保護(hù)

縱聯(lián)保護(hù)，特別是電流差動保護(hù)，作為主保護(hù)廣泛用于高壓交流輸電系統(tǒng)中。在應(yīng)用于LCC-HVDC系統(tǒng)時，電流差動保護(hù)不能區(qū)分直流輸電線路故障電流和逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障而引入的100 Hz分布電容電流，需延時動作，從而失去了“全線速動”的特性，只能作為傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的后備保護(hù)。電壓源型換流器件在故障暫態(tài)過程中迅速關(guān)閉，交流系統(tǒng)通過串聯(lián)的續(xù)流二極管或由續(xù)流二極管組成的不控橋式整流電流與直流系統(tǒng)聯(lián)系，饋入短路電流；且直流電容和健全線路的電容電流在故障初期遠(yuǎn)大于交流系統(tǒng)饋入的電流：因此在理論上，電流差動保護(hù)是可以應(yīng)用于多端直流系統(tǒng)的，需要解決的只是判據(jù)形式的問題。

文獻(xiàn)[20]介紹了一種基于采樣值的電流差動保護(hù)，其判據(jù)形式與基于相量的差動保護(hù)形式相同，均采用比率制動特性。判據(jù)中設(shè)置了參數(shù)R和S來保證可靠性，在由差動電流和直流電流組成的平面中，當(dāng)軌跡中R個點(diǎn)中有S個進(jìn)入了動作區(qū)，則判定為區(qū)內(nèi)故障，否則，則判定為區(qū)外故障。

文獻(xiàn)[22]提出了一種由電流“能量”構(gòu)成的差動保護(hù)，將電流信號進(jìn)行離散小波變換；并且變換后的小波系數(shù)在選定的時間窗內(nèi)積分得到電流信號的“能量”，并參照電流差動保護(hù)的判據(jù)構(gòu)建差動量和制動量，從而實(shí)現(xiàn)對區(qū)內(nèi)故障的識別。

縱聯(lián)方向保護(hù)是另外一種類型的縱聯(lián)保護(hù)，在交流系統(tǒng)中通過判別被保護(hù)元件兩端電流的方向來識別內(nèi)部故障。由對柔性多端直流系統(tǒng)的故障特征進(jìn)行分析可知，直流線路故障時直流電流具有明確的方向性[22]，故理論上縱聯(lián)方向原理是可以應(yīng)用于柔性多端直流系統(tǒng)的，所面臨的無非是如何構(gòu)建方向元件的問題。

文獻(xiàn)[23-24]分析了基于電壓源換流器的直流輸電系統(tǒng)區(qū)內(nèi)外故障特征的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了基于波形相關(guān)性的縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)。區(qū)內(nèi)故障時，兩端換流器直流側(cè)電流變化的方向是相反的，區(qū)外故障時，其變化方向相同。文獻(xiàn)[23]采用就地判別方向的思想，在規(guī)定數(shù)據(jù)窗內(nèi)對電流變化率求和，若其大于規(guī)定的(正)門檻，則表明電流是增加的，相反，若其小于規(guī)定的(負(fù))門檻，則表明電流是減小的，通過比較電流變化的方向識別區(qū)內(nèi)故障。文獻(xiàn)[24]則通過直接計算兩側(cè)電流的時域相關(guān)系數(shù)識別區(qū)內(nèi)故障。

綜上，縱聯(lián)保護(hù)的原理和思路可以直接應(yīng)用于多端直流輸電系統(tǒng)，但是在具體判據(jù)上會存在不同于交流的形式。必須指出的是，由于縱聯(lián)保護(hù)需要在多個VSC換流站之間傳輸數(shù)據(jù)，其動作速度高度依賴于通信系統(tǒng)，是否能夠滿足柔性多端直流系統(tǒng)的需要尚需進(jìn)一步的研究。

2.3 行波及暫態(tài)量保護(hù)

行波保護(hù)是目前高壓直流輸電線路廣泛應(yīng)用的主保護(hù)，其充分利用電力系統(tǒng)故障暫態(tài)波過程中的故障信息實(shí)現(xiàn)故障的檢測和定位。暫態(tài)量保護(hù)一般利用故障暫態(tài)信號中的能量等信息檢測并識別被保護(hù)元件的內(nèi)部故障，雖未廣泛應(yīng)用，但一直是繼電保護(hù)的研究熱點(diǎn)。行波及暫態(tài)量保護(hù)所利用的信號或信息均不具備穩(wěn)態(tài)特性，即其隨時間衰減，在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性問題一直被廣泛質(zhì)疑，在將其應(yīng)用于柔性多端直流輸電系統(tǒng)中的過程中，可靠性也是必須關(guān)注和著力解決的問題。

文獻(xiàn)[25]提出了一種用于雙端直流輸電線路的行波保護(hù)原理。其考慮輸電線路兩端平波電抗器(LCC-HVDC)對行波傳播的影響，利用區(qū)內(nèi)外故障行波傳播路徑中是否存在平波電抗器作為故障定位的依據(jù)。該方案首先利用故障電壓反行波的1模分量識別故障，并利用該分量的變化量區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，然后利用1模分量和0模分量數(shù)值相對大小選出故障類型，以實(shí)現(xiàn)故障隔離。

文獻(xiàn)[26-27]同樣利用直流輸電線路上串接的電感元件對行波和暫態(tài)信號傳播的影響構(gòu)建保護(hù)原理。文獻(xiàn)[26]采用電壓變化率，即“微分欠壓”的形式構(gòu)建保護(hù)原理，而文獻(xiàn)[27]則根據(jù)暫態(tài)過程中直流線路電抗器兩端電壓的相互關(guān)系識別故障和故障區(qū)域。需要說明的是，文獻(xiàn)[25-27]給出的是典型的行波/暫態(tài)量保護(hù)判據(jù)的構(gòu)建方式，其思想具有通用性。

文獻(xiàn)[28]針對VSC-HVDC系統(tǒng)輸電線路未裝設(shè)電抗器的情形，考慮直流濾波器支路對不同位置故障暫態(tài)行波傳播電路的頻譜特性的影響，提出了一種基于固有頻率的直流輸電線路保護(hù)方案。該方案利用被保護(hù)元件區(qū)內(nèi)、外故障時暫態(tài)(行波)信號的固有頻率的差異，并與行波信號的暫態(tài)能量相配合實(shí)現(xiàn)故障的識別。

可見，對于行波和暫態(tài)量保護(hù)而言，其實(shí)質(zhì)上都是在描述故障行波穿越“邊界”的特性，這種邊界可以是交流系統(tǒng)中的母線、故障點(diǎn)，也可以是直流系統(tǒng)中的平波電抗器和直流濾波器。借助于故障暫態(tài)行波信號在傳播過程是否穿越“邊界”所帶來的幅值、頻率、波形等信息來識別故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，因此可以將這種保護(hù)方案均稱之為“邊界保護(hù)”。需要說明的是這類保護(hù)方案根據(jù)行波傳播路徑特征識別故障并進(jìn)行故障定位，電壓電流測量裝置的安裝位置對結(jié)構(gòu)有決定性的影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)給予考慮。

無論是故障行波的波過程還是電路的暫態(tài)響應(yīng)，其均與故障的類型和嚴(yán)重程度密切相關(guān)，且隨著電容電感等元件暫態(tài)過程的結(jié)束和消失，因此，行波和暫態(tài)量保護(hù)無法回避工程應(yīng)用中的可靠性問題，這也是制約其應(yīng)用的最關(guān)鍵因素。

除此電壓/電流保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)和行波/暫態(tài)量等高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用的主流保護(hù)之外，國內(nèi)外學(xué)者針對多端直流輸電系統(tǒng)還提出了直流距離保護(hù)[29]、諧波保護(hù)[30]、基于智能算法的保護(hù)[31]等保護(hù)原理以及后備保護(hù)方案[32-33]。這些原理和方案尚在不斷的完善和發(fā)展中，待成熟后對提高多端直流輸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)性能將發(fā)揮巨大的作用。

綜上所述，柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的故障識別與故障區(qū)域定位方法在可靠性、快速性等方面與電力系統(tǒng)的要求尚有較大的差距，深入研究柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的故障特征，充分考慮其電路非線性、響應(yīng)快速性、故障清除時間速動性、故障隔離范圍選擇性等特點(diǎn)和要求，構(gòu)建新的保護(hù)體系和保護(hù)方案是非常有意義的研究方向。

3 多端直流系統(tǒng)的故障隔離策略

交流電網(wǎng)的故障隔離依賴斷路器，簡單實(shí)用。目前多端直流系統(tǒng)的故障隔離策略主要包括3種技術(shù)路線：采用交流斷路器與直流隔離開關(guān)、采用不同類型的直流斷路器以及采用具有故障阻斷能力的換流器隔離故障。直流斷路器技術(shù)尚未達(dá)到大規(guī)模工程應(yīng)用的要求，目前的多端直流工程全部采用通過換流器交流側(cè)斷路器隔離故障的策略，動作時間長，且無選擇性，在故障元件從直流系統(tǒng)中清除后換流器重啟過程復(fù)雜，故障恢復(fù)時間長，不能滿足多端直流系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

文獻(xiàn)[34]研究采用交流斷路器與直流快速隔離開關(guān)的故障隔離技術(shù)，在故障識別技術(shù)無法保證選擇性的情況下，基于各換流器就地方向判別結(jié)果，提出了一種直流線路故障隔離的“握手原則”，若換流器出線電流為正方向則跳開相應(yīng)的隔離開關(guān)，反之則不動作。由于其僅僅利用就地的方向判別來識別故障，則不可避免地造成健全線路某一側(cè)的方向元件誤動作，因此必須通過快速隔離開關(guān)的重合來糾正不正確動作，故障隔離時間無法保證。

文獻(xiàn)[35-36]將這一原則推廣到采用具有阻斷特性的電壓源型換流器多端直流電網(wǎng)中。文獻(xiàn)[37]則在設(shè)計采用直流斷路器的故障隔離方案中應(yīng)用了“握手原則”。

文獻(xiàn)[38]給出了一種適用于架空線路多端直流電網(wǎng)的保護(hù)方案，其重點(diǎn)考慮如何應(yīng)對架空線路瞬時性故障的問題。文獻(xiàn)中提出了基于半橋MMC+直流斷路器和阻斷型MMC兩種保護(hù)策略。故障發(fā)生且斷路器動作(阻斷型換流器阻斷)后，針對瞬時性故障，設(shè)置了3次換流器重啟動，若重啟成功則系統(tǒng)成功進(jìn)行了故障穿越可以繼續(xù)運(yùn)行；若重啟失敗則說明輸電線路發(fā)生永久性故障，需要通過快速隔離開關(guān)隔離故障。對于半橋MMC+直流斷路器方案，無論重啟是否成功，均可以保證健全系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而對于采用阻斷型MMC的方案，若重啟失敗，則多端直流系統(tǒng)面臨全停的風(fēng)險，恢復(fù)過程需要較長時間。

此外，文獻(xiàn)[12,39-41]從電壓源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略方面對具有阻斷特性的換流器進(jìn)行了研究，以期能夠通過改進(jìn)換流器的性能解決直流電路故障阻斷時間長和阻斷能力不足的問題。文獻(xiàn)[42-45]從實(shí)際工程出發(fā)，介紹了目前實(shí)際柔性多端直流輸電工程的保護(hù)配置和運(yùn)行情況，并從電力系統(tǒng)運(yùn)行的角度為保護(hù)原理和故障隔離策略的研究提出了建議。

綜上所述，多端直流系統(tǒng)直流線路故障的隔離方案可以簡單地分為換流器停電和換流器不停電兩種。換流器停電方案包括采用交流斷路器切斷交流側(cè)向直流側(cè)饋入的短路電流以及通過換流器自身阻斷交流側(cè)向直流饋入的短路電流；換流器不停電方案則通過直流斷路器隔離故障，隔離過程迅速且不影響系統(tǒng)健全部分的運(yùn)行。顯然，采用直流斷路器的方案更符合多端直流系統(tǒng)運(yùn)行的要求。在直流斷路器不成熟的情況下，若采用換流器停電方案，除考慮阻斷時間和阻斷能力外，還應(yīng)考慮如何在無選擇性停電之后迅速恢復(fù)的問題，在此情況下如何縮短放電后的直流電容再充電的過程顯得尤為重要。

4 結(jié)論與展望

快速性、選擇性、靈敏性和可靠性是電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)的基本要求，多端直流系統(tǒng)的故障識別原理與隔離方案的研究也必須遵循這一基本原則。雖然國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但多端直流系統(tǒng)故障識別的快速性與故障隔離的選擇性問題仍然未能得到解決。無選擇性地切除故障必然帶來健全系統(tǒng)恢復(fù)的問題，雖然基于直流斷路器的方案能夠解決快速恢復(fù)的問題，但其技術(shù)尚不成熟；而基于逆變器停電的故障隔離方案則無法保證系統(tǒng)健全部分的快速恢復(fù)，不能滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

1)在繼電保護(hù)的原理方面，目前多端直流系統(tǒng)的故障識別問題已有多種解決方案，并在雙端直流輸電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。但是，對于多端直流系統(tǒng)，僅僅可靠靈敏地識別故障并不能夠滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求，尚需要對故障發(fā)生元件進(jìn)行識別和定位。從目前的文獻(xiàn)來看，直流保護(hù)原理的選擇性通常通過以下3種形式實(shí)現(xiàn)：定值與延時的配合，其無法保護(hù)直流線路全長，且無法滿足柔性直流系統(tǒng)故障隔離快速性的要求；采用基于通信的縱聯(lián)保護(hù)方案，通信系統(tǒng)的速度和可靠性制約故障隔離的速度和可靠性；依賴行波及暫態(tài)量信息進(jìn)行邊界識別，靈敏性不足，實(shí)際應(yīng)用中也存在可靠性的問題。

因此，跳出傳統(tǒng)交流繼電保護(hù)方案的束縛，充分研究多端直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、控制策略以及故障特征，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建新的繼電保護(hù)方案可能是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2)在故障隔離方面，進(jìn)一步加大直流斷路器產(chǎn)品化、實(shí)用化研究的基礎(chǔ)上，充分考慮換流器的阻斷能力，著重研究并提出具備快速重啟特性的阻斷型換流器是解決多端直流電網(wǎng)故障清除選擇性和故障恢復(fù)快速性的一個渠道。

3)重視測量環(huán)節(jié)可靠性與精度對故障識別與故障隔離的影響。測量環(huán)節(jié)是繼電保護(hù)的重要組成部分，測量環(huán)節(jié)的可靠性將直接影響到故障識別和故障隔離的可靠性，由于測量環(huán)節(jié)導(dǎo)致的直流系統(tǒng)停運(yùn)事故層出不窮[46]。在交流系統(tǒng)的保護(hù)中，通過TA飽和識別、TA和TV斷線識別來閉鎖保護(hù)，防止由于測量環(huán)節(jié)造成的繼電保護(hù)不正確動作，多端直流系統(tǒng)中尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)和算法，測量環(huán)節(jié)與通信環(huán)節(jié)的可靠性問題及其對多端直流系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響值得關(guān)注。

[1] 湯廣福，羅湘，魏曉光. 多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013, 33 (10):8-17.

[2] 周孝信，魯宗相，劉應(yīng)梅，等. 中國未來電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2014, 34 (29):4999-5008.

[3] 馬釗，周孝信，尚宇煒，等. 未來配電系統(tǒng)形態(tài)及發(fā)展趨勢[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015, 35 (6):1289-1298.

[4] Jie Yang, Jianchao Zheng, Guangfu Tang, et al．Characteristics and Recovery Performance of VSC-HVDC DC Transmission Line Fault[C]. Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2010 Asia-Pacific：1-4, 2010.

[5] E.M.Kontos．Control and Protection of VSC-based Multi-terminal DC Networks[D]. Delft University of Technology, 2013.

[6] S.Le Blond, R.Bertho,D.V.Coury, et al．Design of Protection Schemes for Multi-terminal HVDC Systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016 (56)：965-974．

[7] Jin Yang，J.E Fletcher， J．O′Reilly.Short-circuit and Ground Fault Analyses and Location in VSC-based DC Network Cables[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(10):3827-3837.

[8] Rainer Marquardt．Modular Multilevel Converter Topologies With DC-short Circuit Current Limitation[C].The 8th International Conference on Power Electronics-ECCE Asia，Jeju，Korea：IEEE，2011：1425-1431．

[9] Xue Yinglin，Xu Zheng，Tang Geng．Self-start Control With Grouping Sequentially Precharge for the C-MMC-based HVDC System[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(1)：187-198．

[10] Qin Jianchao，Saeedifard M，Rockhill A，et al．Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various Submodules Circuits[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2015，30(1)：385-394．

[11] Li Xiaoqian，Liu Wenhua，Song Qiang，et al．An Enhanced MMC Topology With DC Fault Ride-through Capability[C]∥39th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society，Vienna：IEEE，2013：6182-6188．

[12] 李斌，李曄，何佳偉．具有直流故障清除能力的 MMC 子模塊關(guān)鍵性能研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36(8)：2114-2122．

[13] E.Kontos, R.T.Pinto, S. Rodrigues, et al．Impact of HVDC Transmission System Topology on Multiterminal DC Network Faults[J]．IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(2): 844-852．

[14] Int.Electrotech.Comm．High-voltage Direct Current (HVDC) Transmission Using Voltage Sourced Converters (VSC)[R]．IEC Tech. Rep.TR-62543, 2011.

[15] M.Callavik,A.Blomberg,J.Hafner, et al．The Hybrid HVDC Breaker: An Innovation Breakthrough Enabling Reliable HVDC Grids[R]．ABB Grid Systems, Tech. Rep,Nov.2012.

[16] 趙畹君．高壓直流輸電工程技術(shù)(第二版)[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[17] 湯廣福．基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[18] Mesut E. Baran,Nikhil R.Mahajan．Overcurrent Protection on Voltage Source Converter Based Multi-terminal Distribution Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(1): 406-412.

[19] Lianxiang Tang, Boon-Teck Ooi.Protection of VSC-multi-terminal HVDC against DC Faults[C]．IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, 2002.

[20] Zaibin Jiao, Zhao Wang, Xiaobing Wang, et al. Protection Schemes for Distribution Lines in DC Power Grid[C]．IEEE Innovative on Smart Grid Technologies-Asia (ISGT ASIA), 2015．

[21] K.De Kerf,K.Srivastava,M.Reza,et al．Wavelet-based Protection Strategy for DC Faults in Multi-terminal VSC HVDC Systems[J]．IET Generation, Transmission and Distribution, 2011, 5(4):496-503．

[22] A.E.B.Abu-Elanien, A.A.Elserougi, A. S. Abdel-Khalik, et al. A Differential Protection Technique for Multi-terminal HVDC[J].Electric Power Systems Research, 2016, 130: 78-88．

[23] Yanting Wang, Baohui Zhang, Fei Kong．A Directional Comparison Pilot Protection Scheme for Hybrid HVDC Transmission Lines[J].The 5th international conference on Electric Utility Deregulation and Destructing and Power Technologies, 2015.

[24] 金吉良. 考慮交直流系統(tǒng)相互影響的交流過電壓保護(hù)及直流線路縱聯(lián)保護(hù)的研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2016.

[25] Ying Zhang, Nengling Tai, Bin Xu. Fault Analysis and Traveling-wave Protection Scheme for Bipolar HVDC Lines [J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(3): 1583-1591.

[26] W.Leterme, J.Beerten, D.V.Hertem.Nonunit Protection of HVDC Grids with Inductive DC Cable Termination[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(2): 820-828.

[27] Jian Liu, Nengling Tai, Chunju Fan. Transient-voltage Based Protection Scheme for DC Line Faults in Multi-terminal VSC-HVDC System[J].IEEE Transactions on Power Delivery, DOI 10.1109/TPWRD.2016.2608986.

[28] Zheng-you He, Kai Liao. Natural Frequency-based Protection Scheme for Voltage Source Converter-based High-voltage Direct Current Transmission Lines[J].IET Generation, Transmission and Distribution, 2015, 9(13):1519-1525.

[29] J.Suonan,J.Zhang,Z.Jiao, et al. Distance Protection for HVDC Transmission Lines Considering Frequency-dependent Parameters[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28 (3):723-732.

[30] Xiaodong Zheng,Nengling Tai,Zhongyu Wu, et al. Harmonic Current Protection Scheme for Voltage Source Converter-based High-voltage Direct Current Transmission System[J]. IET Generation, Transmission and Distribution, 2014, 8(9): 1509-1515.

[31] Ramesh M,Laxmi AJ. Fault Identification in HVDC Using Artificial Intelligence——Recent Trends and Perspectiv[C].Proceedings of international Conference on Oower, Signals, Controls and Computation (EPSCICON)， 2012：1-6.

[32] W.Leterme,S.P.Azad,D.V.Hertem. A Local Backup Protection Algorithm for HVDC Grids[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(4):1767-1775．

[33] S. P. Azad, W. Leterme, D.V. Hertem. Fast Breaker Failure Backup Protection for HVDC Grids[J].Electric Power Systems Research, 2016, 138:99-105.

[34] Tang L X, Ooi B T. Locating and Isolating DC Faults in Multi-terminal DC Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(3):1877-1884.

[35] 趙成勇，許建中，李探. 全橋型MMC-MTDC直流故障穿越能力分析[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2013, 43(1)：106-114.

[36] 羅永捷，李耀華，李子欣，等. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)策略[J].電工電能新技術(shù)，2015, 34(12):1-6.

[37] 李斌，何佳偉，李曄，等. 多端柔性直流系統(tǒng)直流故障保護(hù)方案[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36(17)：4627-4636.

[38] 吳亞楠，呂錚，賀之淵，等. 基于架空線的直流電網(wǎng)保護(hù)方案研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016, 36(14):3726-3733.

[39] 李斌，李曄，何佳偉. 基于模塊化多電平換流器的直流系統(tǒng)故障處理方案[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016, 36(7): 1944-1950.

[40] 孔明，湯廣福，賀之淵. 子模塊混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014, 34(30): 5343-5351.

[41] 吳婧，姚良忠，王志冰，等. 直流電網(wǎng)MMC拓?fù)浼捌渲绷鞴收想娏髯钄喾椒ㄑ芯縖J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015, 35(11): 2681-2694.

[42] 王俊生，傅闖，胡銘，等. 并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)保護(hù)相關(guān)問題探討[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014, 34(28): 4923-4931.

[43] 時伯年，趙宇明，孫剛. 柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)方案研究及實(shí)現(xiàn)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2015, 9(9): 11-16.

[44] 付艷，黃金海，吳慶范，等. 基于MMC多端柔性直流輸電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016, 44 (18): 133-139.

[45] 董云龍，凌衛(wèi)家，田杰，等. 舟山多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2016, 36(7):169-175.

[46] 滕予非，湯勇，汪曉華，等. 特高壓直流輸電工程直流分壓器動態(tài)特性及其引起的誤閉鎖機(jī)理研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016, 40(9): 2646-2653.

A survey on relay protection for multi-terminal DC systems at home and abroad is given. Firstly, the electromagnetic transient during fault is analyzed in a voltage source-based DC system, and the characteristics and analytical expression of fault current are studied. Secondly, for the issues on fault detection and isolation, many protection schemes, including current and voltage based protection, pilot protection and travelling wave or transient based protection, are discussed. Thirdly, the different fault isolation strategies are compared considering the power system requirements, such as rapidity and reliability. Finally, it is suggested that the further researches in three aspects, including novel algorithms for rapid fault detection in multi-terminal DC system, rapid fault restoration schemes based on converters with special structures and the influences from errors brought by DC current and voltage measurement, should be promoted.

multi-terminal DC system；fault identification；fault isolation；relay protection

TM73

B

1003-6954(2017)01-0063-08

0 引 言

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51377129)

2016-10-06)

直流輸電系統(tǒng)由于其在傳輸容量、傳輸距離、線路損耗等方面的優(yōu)勢得到了飛速的發(fā)展。研究表明，多端直流輸、配電系統(tǒng)在大規(guī)模及分布式新能源接入、弱系統(tǒng)供電(偏遠(yuǎn)地區(qū)及海島等)以及城市配電等領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，多端直流系統(tǒng)將成為未來電力系統(tǒng)的重要組成部分。

直流系統(tǒng)，特別是直流輸配電線路故障的快速識別、可靠隔離與迅速恢復(fù)對于多端直流輸配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。由于直流斷路器技術(shù)尚不成熟，故障處理(識別、隔離與恢復(fù))技術(shù)成為制約多端直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸。國內(nèi)外學(xué)者