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(guó)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(guó)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(duì)國(guó)內(nèi)外多端直流系統(tǒng)的故障保護(hù)問(wèn)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(guò)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(duì)多端直流系統(tǒng)的繼電保護(hù)原理，對(duì)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(duì)多端直流系統(tǒng)的故障隔離問(wèn)題，從選擇性和恢復(fù)速度的角度對(duì)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(duì)性的繼電保護(hù)方案研究、重視故障快速恢復(fù)過(guò)程中換流器的性能以及關(guān)注測(cè)量環(huán)節(jié)對(duì)故障保護(hù)的影響3個(gè)方面展開(kāi)研究工作，解決多端直流輸電系統(tǒng)的故障保護(hù)問(wèn)題。

多端直流系統(tǒng)；故障識(shí)別；故障隔離；繼電保護(hù)

對(duì)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(gè)方面：

1)多端直流系統(tǒng)的故障分析

故障分析是故障識(shí)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(guò)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(shí)間等問(wèn)題。

2)多端直流系統(tǒng)的故障識(shí)別與定位

直流系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)過(guò)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(shí)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(guò)程中對(duì)故障元件的識(shí)別(定位)有較高的要求。同時(shí)，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(dòng)作并可靠有選擇性地隔離故障。如何解決故障識(shí)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(gè)顯著特點(diǎn)是“直流成網(wǎng)”，即當(dāng)發(fā)生故障時(shí)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(jià)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(guò)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(kāi)關(guān)配合或者考慮換流器的阻斷特性來(lái)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(duì)的問(wèn)題，目前電壓源型換流器的重啟時(shí)間和重啟過(guò)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(shí)別定位和故障的隔離恢復(fù)3個(gè)方面，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果進(jìn)行了回顧和分析，對(duì)未來(lái)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(wèn)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(wú)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(guò)程中，為解決可靠性、效率、體積等問(wèn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)、對(duì)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(guó)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(shí)的故障特征。對(duì)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(guò)續(xù)流二極管的放電電流[5-6]以及由交流系統(tǒng)通過(guò)續(xù)流二極管向故障點(diǎn)提供的短路電流。對(duì)于極-地故障，故障電流的組成與接地方式相關(guān)[6]，對(duì)于典型的對(duì)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(guò)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(duì)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(shí)，對(duì)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(cè)過(guò)電流并對(duì)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(gè)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(guò)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(gè)部分，從而與實(shí)際情況更加相符。對(duì)于極間故障，交流系統(tǒng)提供的短路電流可通過(guò)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(wèn)題得到。對(duì)于極-地故障，交流系統(tǒng)提供的短路電流則可通過(guò)求解回路中穿有續(xù)流二極管的交流電路得到。

無(wú)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(wú)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(duì)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(lái)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)間，文獻(xiàn)[12]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，阻斷型換流器的故障清除時(shí)間為3～8 ms不等，其中串聯(lián)雙子模塊換流器的阻斷時(shí)間為3 ms，而基于鉗位雙子模塊的換流器阻斷時(shí)間則為8 ms。對(duì)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(guò)分析，串聯(lián)雙子模塊清除故障時(shí)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(duì)地故障時(shí)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(guò)程時(shí)間為15～20 ms。相對(duì)于交流系統(tǒng)的故障響應(yīng)時(shí)間，電壓源型換流器的故障響應(yīng)時(shí)間非常快，在故障發(fā)生后1 ms之內(nèi)，換流器即開(kāi)始向故障點(diǎn)饋入短路電流，對(duì)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(shí)間小于4 ms，而若采用單極-金屬回線結(jié)構(gòu)形式，則該時(shí)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(shí)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(duì)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(guò)電壓?jiǎn)栴}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(duì)稱結(jié)構(gòu)的直流系統(tǒng)中，發(fā)生極-地故障時(shí)，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(jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于電壓源型換流器的故障過(guò)程及故障分析已達(dá)成共識(shí)，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(guò)載能力較差，系統(tǒng)要求的故障清除時(shí)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(duì)故障暫態(tài)全過(guò)程波形的細(xì)微差別并不敏感。

在故障穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，無(wú)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(duì)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(duì)故障切除的時(shí)間要求嚴(yán)苛，因此，就短路故障傳播問(wèn)題而言，僅在考慮后備保護(hù)時(shí)需考慮直流故障對(duì)交流系統(tǒng)的影響和保護(hù)配合問(wèn)題。

2 多端直流系統(tǒng)的故障識(shí)別與故障定位

故障識(shí)別與故障定位算法是故障隔離的基礎(chǔ)，是故障清除過(guò)程的重要組成部分。交流系統(tǒng)的繼電保護(hù)經(jīng)過(guò)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(dòng)保護(hù)、低電壓保護(hù)等原理識(shí)別故障[16-17]，可以說(shuō)直流系統(tǒng)并沒(méi)有形成針對(duì)自身特點(diǎn)的特殊保護(hù)體系，其保護(hù)均來(lái)源于交流系統(tǒng)，除算法形式外并無(wú)特殊之處。

目前，無(wú)論是LCC-HVDC直流系統(tǒng)還是VSC-HVDC直流系統(tǒng)大多為“點(diǎn)對(duì)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(shí)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(shí)別將會(huì)導(dǎo)致故障切除范圍擴(kuò)大等問(wèn)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(shí)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(guò)電流幅值的增加或電壓幅值的降低來(lái)識(shí)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(shí)間。

文獻(xiàn)[18-19]提出了一種基于電流變化率的直流故障識(shí)別判據(jù)。文獻(xiàn)[18]提出了一種針對(duì)艦船直流配電系統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)方案。文獻(xiàn)[19]針對(duì)多端直流系統(tǒng)提出的保護(hù)判據(jù)在直流電壓跌落時(shí)啟動(dòng)，并以直流電流變化量超過(guò)電流定值且持續(xù)時(shí)間超過(guò)時(shí)間定值作為動(dòng)作條件。為了防止由于交流系統(tǒng)的擾動(dòng)造成的不正確動(dòng)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(shí)閉鎖保護(hù)，防止誤動(dòng)。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(jì)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(dòng)性)和遠(yuǎn)端故障(保證選擇性)。在過(guò)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(shí)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(guò)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(shí)別。該方案的不足之處在于遠(yuǎn)端故障的清除時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足多端直流系統(tǒng)對(duì)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(jì)了一種“三取二”的表決器，解決低電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)的可靠性問(wèn)題。方案中的3個(gè)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(guò)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(duì)于保證選擇性具有一定的意義。由于采用小波變化對(duì)信號(hào)進(jìn)行了處理，該文獻(xiàn)并未直接應(yīng)用電壓電流信號(hào)，并通過(guò)各區(qū)域信號(hào)的相對(duì)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(wèn)題，但其整定值確定需要經(jīng)過(guò)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(guò)定值與時(shí)間的配合來(lái)保證選擇性，對(duì)輻射狀直流電網(wǎng)或其他對(duì)選擇性要求不高的系統(tǒng)是一個(gè)性價(jià)比很高的選擇；但是對(duì)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(dòng)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(shí)，電流差動(dòng)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(shí)動(dòng)作，從而失去了“全線速動(dòng)”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(guò)程中迅速關(guān)閉，交流系統(tǒng)通過(guò)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(dòng)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(wèn)題。

文獻(xiàn)[20]介紹了一種基于采樣值的電流差動(dòng)保護(hù)，其判據(jù)形式與基于相量的差動(dòng)保護(hù)形式相同，均采用比率制動(dòng)特性。判據(jù)中設(shè)置了參數(shù)R和S來(lái)保證可靠性，在由差動(dòng)電流和直流電流組成的平面中，當(dāng)軌跡中R個(gè)點(diǎn)中有S個(gè)進(jìn)入了動(dòng)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(dòng)保護(hù)，將電流信號(hào)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(shí)間窗內(nèi)積分得到電流信號(hào)的“能量”，并參照電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)構(gòu)建差動(dòng)量和制動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)內(nèi)故障的識(shí)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(guò)判別被保護(hù)元件兩端電流的方向來(lái)識(shí)別內(nèi)部故障。由對(duì)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(shí)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(wú)非是如何構(gòu)建方向元件的問(wèn)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(shí)，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(shí)，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(duì)電流變化率求和，若其大于規(guī)定的(正)門(mén)檻，則表明電流是增加的，相反，若其小于規(guī)定的(負(fù))門(mén)檻，則表明電流是減小的，通過(guò)比較電流變化的方向識(shí)別區(qū)內(nèi)故障。文獻(xiàn)[24]則通過(guò)直接計(jì)算兩側(cè)電流的時(shí)域相關(guān)系數(shù)識(shí)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(huì)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(gè)VSC換流站之間傳輸數(shù)據(jù)，其動(dòng)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(guò)程中的故障信息實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和定位。暫態(tài)量保護(hù)一般利用故障暫態(tài)信號(hào)中的能量等信息檢測(cè)并識(shí)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(hào)或信息均不具備穩(wěn)態(tài)特性，即其隨時(shí)間衰減，在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性問(wèn)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(guò)程中，可靠性也是必須關(guān)注和著力解決的問(wèn)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)行波和暫態(tài)信號(hào)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(guò)程中直流線路電抗器兩端電壓的相互關(guān)系識(shí)別故障和故障區(qū)域。需要說(shuō)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(duì)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(duì)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(shí)暫態(tài)(行波)信號(hào)的固有頻率的差異，并與行波信號(hào)的暫態(tài)能量相配合實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別。

可見(jiàn)，對(duì)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(hào)在傳播過(guò)程是否穿越“邊界”所帶來(lái)的幅值、頻率、波形等信息來(lái)識(shí)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(shuō)明的是這類保護(hù)方案根據(jù)行波傳播路徑特征識(shí)別故障并進(jìn)行故障定位，電壓電流測(cè)量裝置的安裝位置對(duì)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(wú)論是故障行波的波過(guò)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(guò)程的結(jié)束和消失，因此，行波和暫態(tài)量保護(hù)無(wú)法回避工程應(yīng)用中的可靠性問(wèn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)間速動(dòng)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(jiǎn)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(kāi)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(guò)換流器交流側(cè)斷路器隔離故障的策略，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，且無(wú)選擇性，在故障元件從直流系統(tǒng)中清除后換流器重啟過(guò)程復(fù)雜，故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，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(kāi)關(guān)的故障隔離技術(shù)，在故障識(shí)別技術(shù)無(wú)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(kāi)相應(yīng)的隔離開(kāi)關(guān)，反之則不動(dòng)作。由于其僅僅利用就地的方向判別來(lái)識(shí)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(dòng)作，因此必須通過(guò)快速隔離開(kāi)關(guān)的重合來(lái)糾正不正確動(dòng)作，故障隔離時(shí)間無(wú)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(jì)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(duì)架空線路瞬時(shí)性故障的問(wèn)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(dòng)作(阻斷型換流器阻斷)后，針對(duì)瞬時(shí)性故障，設(shè)置了3次換流器重啟動(dòng)，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(shuō)明輸電線路發(fā)生永久性故障，需要通過(guò)快速隔離開(kāi)關(guān)隔離故障。對(duì)于半橋MMC+直流斷路器方案，無(wú)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(duì)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(xiǎn)，恢復(fù)過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)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(duì)具有阻斷特性的換流器進(jìn)行了研究，以期能夠通過(guò)改進(jìn)換流器的性能解決直流電路故障阻斷時(shí)間長(zhǎng)和阻斷能力不足的問(wèn)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(jiǎn)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(guò)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(guò)直流斷路器隔離故障，隔離過(guò)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(shí)間和阻斷能力外，還應(yīng)考慮如何在無(wú)選擇性停電之后迅速恢復(fù)的問(wèn)題，在此情況下如何縮短放電后的直流電容再充電的過(guò)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(duì)繼電保護(hù)的基本要求，多端直流系統(tǒng)的故障識(shí)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(guó)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(shí)別的快速性與故障隔離的選擇性問(wèn)題仍然未能得到解決。無(wú)選擇性地切除故障必然帶來(lái)健全系統(tǒng)恢復(fù)的問(wèn)題，雖然基于直流斷路器的方案能夠解決快速恢復(fù)的問(wèn)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(wú)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(shí)別問(wèn)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(duì)于多端直流系統(tǒng)，僅僅可靠靈敏地識(shí)別故障并不能夠滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求，尚需要對(duì)故障發(fā)生元件進(jìn)行識(shí)別和定位。從目前的文獻(xiàn)來(lái)看，直流保護(hù)原理的選擇性通常通過(guò)以下3種形式實(shí)現(xiàn)：定值與延時(shí)的配合，其無(wú)法保護(hù)直流線路全長(zhǎng)，且無(wú)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(shí)別，靈敏性不足，實(shí)際應(yīng)用中也存在可靠性的問(wèn)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(wèn)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(gè)渠道。

3)重視測(cè)量環(huán)節(jié)可靠性與精度對(duì)故障識(shí)別與故障隔離的影響。測(cè)量環(huán)節(jié)是繼電保護(hù)的重要組成部分，測(cè)量環(huán)節(jié)的可靠性將直接影響到故障識(shí)別和故障隔離的可靠性，由于測(cè)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(guò)TA飽和識(shí)別、TA和TV斷線識(shí)別來(lái)閉鎖保護(hù)，防止由于測(cè)量環(huán)節(jié)造成的繼電保護(hù)不正確動(dòng)作，多端直流系統(tǒng)中尚未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)和算法，測(cè)量環(huán)節(jié)與通信環(huán)節(jié)的可靠性問(wèn)題及其對(duì)多端直流系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響值得關(guān)注。

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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(guó)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(shì)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(shì)。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(lái)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(shí)別、可靠隔離與迅速恢復(fù)對(duì)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(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者