第１０卷第３期南方电网技术Ｖ０１．１０，Ｎｏ．３２０１６年３月ＳＯＵＴＨＥＲＮＰＯＷＥＲＳＹＳＴＥＭＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭａｒ．２０１６
文章编号：１６７４－０６２９（２０１６）０３－００５３－０５ＤＯＩ：１０．１３６４８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ６７４－０６２９．２０１６．０３．００９中图分类号：ＴＭ７７：ＴＭ７２１．１文献标志码：Ａ
直流配电网保护技术评述
毕天姝，李猛，贾科，杨奇逊
（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京１０２２０６）
摘要：直流配电网因其控制灵活、电能质量好、便于分布式电源接入等优点，成为国内外技术发展的一个重要方向和研究的热点。然而。直流配电网故障特征与交流系统相比存在本质差异，已有交流系统保护技术难以直接应用于直流配电网。同时，由于直流换流设备耐受过流能力弱及故障恢复控制措施相对复杂，对实现快速准确故障检测、故障定位及有选择隔离故障区域提出了更高的要求。因此保护技术已成为直流配电网亟需突破的关键技术之一。论文在给出直流配电网拓扑的基础上。通过分析直流配电网故障发生、故障检测、故障定位与故障隔离的过程，明确了直流配电网保护中故障检测与故障定位是两个关键问题，并探讨了这个问题的技术难点，重点评述了直流配电网故障检测和故障定位方法，剖析了已有研究存在的主要问题，展望了未来发展方向，以期为后续研究奠定基础。关键词：直流配电网；保护技术；故障检测；故障定位；故障恢复
ＲｅｖｉｅｗｏｆＤＣＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＢＩＴｉａｎｓｈｕ，ＬＩＭｅｎｇ，ＪＩＡＫｅ，ＹＡＮＧＱｉｘｕｎ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｌｔｅｒｎａｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｏｕｒｃｅｓ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｇａｉｎｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｉｎｔｅｒｅｓｔｓｄｕｅｔｏｉｔｓｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄｃａｐａ—ｂｉｌｉｔｙｔｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｓａｎｄＤＣｌＯａｄＳ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅｆａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＤＣｎｅｔｗｏｒｋｓａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｎａｔｕｒｅａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＡＣｐｏｗｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＴｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆａｎＡＣｎｅｔｗｏｒｋｉｓｈａｒｄｔｏｂｅｄｉｒｅｃｔｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｏｔｈｅＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｔｈｅｏｖｅｒ．ｃｕｒｒｅｎｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｉＳｗｅａｋａｎｄｔｈｅｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉＳｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．ｗｈｉｃｈｐｒｅｓｅｎｔｓｈｉｇｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｆａｓｔａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｆａｕｌｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｉｓｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｅ—ｃｏｍｅｓｏｎｅｏｆｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｉｓｄｉｓ—ｃｕｓｓｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｆａｕｌｔｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ．ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．１０ｃａｔｉｏｎａｎｄｉｓｏｌａｔｉｏｎ．ＴｈｅｆａｕｌｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌＯＣａｔｉｏｎａｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｓｉｎＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｉｓ，ｔｈｅｍａｉｎｐｏｉｎｔｓａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ｎｌｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｏｆｆａｕｌｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｉｎＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｅｒｓｐｅｃ—ｔｉｖｅｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｓｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｆａｕｌｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ
０引言
随着社会进步和经济发展，交流配电系统正面
临一系列难题，而直流配电网为城市配电提供了一
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（９７３项目）（２０１２ＣＢ２１５２０６）；国家自然科学基金项目（５１４０７０６７，５１２２２７０３）；高等学校学科创新引智计划资助（Ｂ０８０１３）。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍ：ＳｕｐｐｏｓｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（９７３Ｐｒｏｇｒａｍ）（２０１２ＣＢ２１５２０６）；ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｆｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（ＮＳＦＣ）（５１４０７０６７，５１２２２７０３）；ｔｈｅ“１１１”Ｐｒｏ—ｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ（１３０８０１３）．种新的解决方案。这主要体现在以下几个方面：
１）大量分布式电源与直流负荷需要经过换流
环节接入交流配电网，降低了能源利用效率；而接
入直流配电网可以减少换流环节，降低设备成本，提高能源效率…。２）负荷快速增长使得短路容量
越限问题在交流配电网中日益凸显；而柔性直流配电网受交流侧故障影响小，不增加交流侧短路容
量旧Ｊ。３）输电走廊紧缺制约了城市中架空线路的使用，同时电容充电效应又限制了电缆在交流配网
中的供电半径；而在直流配电网中，无需传输无功
功率，无电容效应与集肤效应，故供电半径及容量
万方数据南方电网技术第１０卷
大、效率高¨。。４）交流配网电能质量问题日益突
出；而柔性直流配电网巾由于交流侧有功、无功功率可独立控制，且直流侧不存在频率偏移和三相不
对称问题，所以电能质量问题更易于解决ＨＪ。然而，直流配电网的故障特征与交流系统存在本
质差异”ｏ，已有的交流系统保护技术难以直接应用于
直流配电网。同时，由于直流换流设备耐受过流的能
力弱及故障恢复控制措施相对复杂，对实现快速准确
故障检测、故障定位及有选择地隔离故障区域提出了
更高的要求。因此保护技术已成为直流配电网亟需突
破的关键技术之一，也成为国内外研究的热点旧Ｊ。
本文将首先给出一个具有应用前景的直流配电网拓扑，以此为研究对象，分析直流配电网保护面
临的关键问题与技术难点，评述直流配电网故障检
测和故障定位方法，剖析已有研究存在的主要问题。
１直流配电网拓扑结构概述
图１给出了一种具有应用前景的±ｌＯｋＶ直流
配电网拓扑结构。其中，网络拓扑为双端型供电，
这主要由于直流配电网潮流可控，双端型网络不存
在环流问题，并可有效提高供电可靠性。由于直流
配电网电压等级低、容量小，故采用成本低、控制
简单、可靠性高的两电平ＶＳＣ作为换流器拓扑，
并选取结构简单、经济性好、应用广泛的对称单极
方式作为主接线方式。此外，为防止单极接地故障
引起严重过流，威胁设备安全，采用直流电容器中
性点高阻接地方式。直流配电网在每条馈线出线端
配置直流断路器，其他分段开关配置负荷开关，以便于同时兼顾系统的经济性和可靠性。
本文采用图１所示的直流配电网作为研究对
象，展开直流配电网保护技术评述。
２保护关键问题与技术难点直流配电网保护可分为换流站保护、直流网的保护及负荷分支保护。其中，换流站保护技术与已
有直流系统区别不大；负荷分支作为直流配电网的
末端，其保护技术相对简单。论文重点分析直流网
的保护技术。
当直流配电网出线１的区段２发生双极短路故
障（如图１所示）时，出线Ｉ两端直流断路器处配置
的保护应快速准确检测故障，跳开断路器，切断故
障电流。然而，直流线路双极故障的故障特征复杂：直流侧含有电容器，导致故障电流上升速度
快，暂态分量丰富；交流侧的换流电抗器含有比较大的电感元件，导致故障暂态过程持续时间较长；
由于稳态故障电流以直流量为主，线路电感对故障
电流影响小，导致稳态故障电流幅值较大。在这种
情况下，如何实现快速、可靠、有选择的故障检测
方法是需要解决的问题。
在实现故障检测与故障电流开断的同时，还需
要准确定位故障点发生在哪个区段（例如区段２），以便于在出线Ｉ两侧断路器跳开后能通过打开相应
的负荷开关（区段２两侧负荷开关）实现故障隔离，
进一步闭合出线ｉ两端断路器恢复非故障区域的供
电，达到提高供电可靠性的目的。因此，故障定位
成为继故障检测之后的又一个关键问题。
实现准确故障定位的难点主要在于３个方面。
１）可利用数据少。如前文所述，直流电网保护和直
流断路器动作速度都比较快，因此可用于故障定位
的故障数据长度短，准确可靠定位故障的难度大。
２）负荷分支的干扰。负荷分支中可能含有分布式电源，会向故障点供应故障电流，这可能对准确故障
定位造成干扰。３）直流线路各区段长度较短。直流配
电网中，各区段长度相对较短，一般为数千米，这导
致各区段故障特征差异小，准确识别故障区段难。
图１直流配电网拓扑结构示意图
Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＤＣｄｉｓｔｎｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ７高压交未、输电网／
＼、一一／
万方数据第３期毕天姝，等：直流配电网保护技术评述５５
实现故障隔离（打开区段２两端负荷开关）后的
恢复非故障区域供电的过程，主要体现为双端ＡＣ／ＤＣ换流器恢复正常控制的过程，这与其启动过程
类似，本文不再赘述。因此，本文将针对故障检测和故障定位两个关键问题依次进行评述。
３故障检测方法评述
直流配电网一般通过直流断路器处配置的保护
实现故障检测，发出跳闸命令。按照实现原理，可
实现故障检测的保护可分为３类，即电气量幅值保
护、电气量微分保护以及测距式保护。
３．１电气量幅值保护
如前所述，直流配电网故障电流上升速度快，
稳态幅值大，即正常态与故障态电气量幅值差异明
显，这为电气量幅值保护应用于直流配电网提供了
可能性。电气量幅值保护仅利用单一电气量，原理简单、易于实现，具有较好的经济性。
电气量幅值保护包括电压保护、电流保护和谐
波保护。文献［７］给出了用于直流配电网的电压反
时限保护，通过保护的反时间特性实现上下级的配
合，但文中并未给出电压定值的计算方法。文献
［８］给出了用于舰船直流系统的电流保护，但未考虑多级线路配合的选择性问题。文献［９］利用谐波电流量的幅值，构成了柔性直流输电线路保护原
理，但也未考虑多级线路保护定值配合的问题。
电气量幅值保护用于直流配电网的主要问题
为：１）单独依靠电气量幅值，难以防止相邻出线故
障引起本线路保护误动。２）故障后直流配电网拓扑随续流二极管通断呈现时变特性，缺乏电气量故障
计算方法，因此电气量幅值保护定值整定多依赖仿
真计算。３）直流配电网含有分布式电源，并且线路
较短，电气量幅值保护可能存在出线保护与负荷分支保护定值配合难题。
３．２电气量微分保护
直流配电网故障畸变特征明显，可通过计算电气
量微分来识别，构成电气量微分保护。由于故障行波传递到保护安装处时，保护即可检测到明显的电气量微分变化，所以这类保护具有动作速度快的优点。
根据利用的电气量不同，电气量微分保护可分为电压微分保护和电流微分保护。文献［１０］提出了
一种用于直流输电线路的电压微分保护，可快速识
别故障。文献［１１］讨论了通过仿真计算实现直流电
网电压微分保护定值配合的方法。文献［１２］给出了用于海上风电直流电网的电流微分保护，通过定值
配合实现了故障线路有选择性的隔离。上述电气量
微分计算方法均是利用差分值近似替代微分值，需
要较高的采样率。文献［１３］利用限流电抗器上的压降计算电流微分值，避免了差分替代微分造成的误
差，不过定值获取仍依赖于仿真计算。文献［１４］利
用小波变换方法提取故障行波特征，但这并没有解
决定值整定依赖于仿真计算的问题，而且增加了保
护算法的复杂性。
电气量微分保护用于直流配电网存在如下不足：
（１）电气量微分针对行波波头到达特性，因此只适用
于故障起始阶段。（２）电气量微分保护的定值整定依
赖于仿真计算，缺乏普适的定值整定方法。（３）直流
配电网若采用架空线，电气量微分保护易受雷电等
噪声干扰，耐受过渡电阻的能力有限。
３．３测距式保护
测距式保护利用直流配电网故障特征，通过计
算保护安装处到短路点的距离达到检测故障发生与
确定故障位置的目的。测距式保护定值整定易于实
现，不依赖于仿真计算。
根据实现方法的不同，测距式保护可分为行波
测距保护和参数识别保护。行波测距保护利用测量
行波在故障点与保护安装处之间的传播时间计算故
障距离ｕ５｜，计算精度依赖于波头识别和波速估计。
同电气量微分保护一样，行波测距保护易受噪声干
扰，耐受过渡电阻的能力有限。参数识别保护通过
辨识保护安装处到故障点的线路电感或电阻等参数大
小来计算故障距离。文献［１６］针对Ｒ．Ｌ模型算法在直
流配电网中存在的计算误差和算法数值稳定性问题给
出了改进方案，提出了适用于直流配电网的参数识别
保护，但所提保护算法需要增加电压互感器。
测距式保护应用于直流配电网存在下面几个问
题：１）对于行波测距保护，由于直流配电网线路较
短，行波反射到达时间极短，若想准确捕捉波头需
要很高的采样率，对保护硬件的要求高。２）参数识
别保护易受负荷的影响，负荷分支可能产生外吸或
助增电流，影响线路参数辨识的准确性。
４故障定位方法评述
可应用于直流配电网的故障定位方法可分为本
地被动式故障定位方法、本地注入式故障定位方法和
基于多点信息的故障定位３类。下面分别进行评述。
万方数据