戴志辉，葛红波，Peter Crossley，王增平

(1. 华北电力大学 河北省分布式储能与微网重点实验室，河北 保定 071003；2. 曼彻斯特大学电 气与电子工程学院，英国 曼彻斯特，M13 9PL)

柔性直流配电网故障识别与隔离策略综述

戴志辉1，葛红波1，Peter Crossley2，王增平1

(1. 华北电力大学 河北省分布式储能与微网重点实验室，河北 保定 071003；2. 曼彻斯特大学电 气与电子工程学院，英国 曼彻斯特，M13 9PL)

随着技术的发展，柔性直流配电网将成为智能电网和能源互联网的关键组成部分，但保护技术的不成熟一定程度上限制了其应用。结合国内外对其保护技术相关方面的研究做了以下工作：首先，简述了柔性直流配电系统关键设备VSC换流器和直流变压器的控制策略，分析了适用于柔性直流配电系统的多端协调控制策略。然后，介绍了系统交流侧不对称故障和直流侧单极接地与极间短路情况下的故障特征，并分析了系统接地方式对故障特性的影响。随后，对其故障隔离手段和故障检测、识别原理进行了综述，简要分析了各种原理的优缺点。最后，列举了柔性直流配电系统保护技术所要重点关注和研究的问题。

柔性直流配电网；故障检测；故障隔离；继电保护；直流断路器

0 引 言

柔性直流输电技术已经广泛应用于远距离大容量输电，然而，在中低压等级的配电网领域，直流供电系统还仅仅应用于一些工业园区、轨道交通牵引供电系统、飞机和舰船供电系统[1]等，尚未广泛应用于城市供电系统。柔性直流配电网(Flexible DC power distribution networks，FDCPDN)的中压直流系统通过电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)和交流侧主电网连接，负荷和分布式电源则可以通过相应的逆变器或直流变压器(DC Transformer，DCT)与中压直流系统相连接。相对于柔性直流输电，柔性直流配电网：1)电压等级更低，且在一个系统中可能有多个直流电压等级，需要功率可以双向流动的直流变压器；2)涉及分布式电源、储能设备、直流负荷、直流变压器、充电站等源-网-储-荷设备和系统；3)柔性直流配电系统有多种运行方式，控制和保护策略均应随之改变。

相比交流配电系统，将柔性直流配电技术应用于城市供电系统具有以下优势：

(1)柔性直流配网可节省线路投资，具有电能质量高、传输容量大、可靠性高、系统结构简单和电能损耗低等优点[2-4]。

(2)在分布式电源和直流负荷接入时可减少一级功率变换，从而提高配电系统的供电效率[5]。

(3)适应智能配电网和能源互联网发展的需要。柔性直流配电网可实现功率的灵活控制，用户、售电商和电网企业可受益于其可控性和灵活性。

柔性直流配电网被认为将会替代交流配电网，成为配电网的主要形式[6]。目前在美国、日本、欧洲和我国深圳等地有小范围应用。当然，柔性直流配电系统的应用仍然面临着许多问题。其中，直流故障检测、识别和隔离技术关系到柔性直流配网运行的安全性和可靠性。由于柔性直流配电系统的设备较多，运行方式多变，故障特性受系统拓扑、故障类型和故障地点等因素影响而呈现复杂的多态特征，给保护系统的设计和配合带来了很大困难。当前，柔性直流配电保护系统仍缺乏相关标准和运行经验，需要继续深入研究。

本文结合国内外学者对柔性直流配电系统的研究，总结了柔性直流配电系统的控制策略和故障特性的研究状况，分析了隔离直流故障的方法，并对其故障检测、识别原理进行了综述，最后列举出了柔性直流配电网保护系统研究所面临的挑战。

1 柔性直流配电网及其控制策略

在直流电网中，故障特性、保护配置与网络拓扑及变流器的控制策略紧密相关，因此，首先对其关键设备和多端协调控制方式做简要总结。

柔性直流配电网中含有大量的换流器，由于其不能承受过高的电压和电流，其本身也需要配置保护，因此在对柔性直流配电系统配置保护时，需要考虑系统保护和换流器自身保护的配合。柔性直流配电网的故障特性会受到系统运行方式的影响，因此，研究柔性直流配网的控制技术是实现保护技术的一部分。

1.1 换流器控制

柔性直流配电网中的换流器有两大类型，即VSC换流器和直流变压器(DC Transformer，DCT)。

目前应用较为广泛的VSC换流器控制方法主要采用了基于比例积分(Proportional Integral，PI)调节器的电压、电流双闭环解耦的直接电流控制控制，文献[7]给出了PI调节器参数的整定方法。根据外环控制对象的不同可将换流器级控制包含定直流电压控制、定功率控制、定交流电压控制。

DCT在直流配网中起着连接不同电压等级直流系统的作用，当前较为认可的DCT拓扑结构为双有源桥(Dual Active Bridge, DAB)DC/DC变换器[8-10]，在柔性直流配电网中，DCT高压侧电压由其所连接的中高压直流母线提供，控制其低压侧电压即可。基于DAB的DCT的典型的控制方法为移相控制，根据控制变量的多少，主要分为单移相控制[11]、双移相控制[12,13]和三移相控制[14,15]，随着控制变量的增多，其控制越灵活，越能够降低变换器损耗，功率调节范围越大，同时实现起来愈加复杂。

1.2 多端协调控制

目前对柔性直流配电网的控制策略多参考于柔性直流输电系统，尚无成熟的直流配电网多端协调控制策略。多端直流输电多端协调控制主要分为主从控制、电压下垂控制和电压裕度控制，目前已有文献对主从控制在直流配网的应用做了研究。

文献[16]分析了基于主从控制策略的系统运行切换策略，正常运行时主站控制直流电压，从站控制功率传输，故障时在故障隔离后通过切换系统运行策略实现非故障区域的不间断供电。文献[17]对从站采用了一种新型的P-U-I 控制器，解决了系统在运行方式变化时复杂的模式切换问题，降低了系统对监测、通信和控制的要求，实现了VSC 工作模式的无缝切换。

2 柔性直流配网的故障特征

本文以交流侧不对称故障和直流侧单极接地、极间短路故障为例展开分析。

2.1 换流器交流侧不对称故障

若故障后换流器不闭锁，当VSC换流器交流侧发生不对称故障时，换流器交流出口处故障的零序分量通过直流电容的接地支路形成通路，不对称故障产生的零序分量会导致直流正负极电容电压出现基频共模波动现象[18,19]，负序分量会在直流侧引入二次谐波。为抑制该现象，文献[20]分析了电容中点经大电阻接地的方法，表明可以使交流侧发生不对称故障后仍能保持正负极电容上电压稳定，故障切除后可快速恢复系统运行。

若故障后换流器闭锁，故障特性与换流变压器的接地方式有关。若换流变压器阀侧不接地，则直流侧会产生过电压现象；若换流变压器阀侧接地，则直流侧不会产生过电压现象[21]。

2.2 VSC换流器直流侧故障

VSC换流器直流侧故障可以划分为单极接地故障、极间短路故障和断线故障，本文主要考虑短路故障。

2.2.1 直流侧单极接地故障

直流线路单极接地故障是直流系统最为常见的故障，多是由于线路绝缘老化问题造成，但是其对系统所造成的危害远不及两极短路故障[22,23]。

若故障后IGBT立即闭锁，故障经历三个过程，分别是“电容放电阶段”、“电网馈入阶段”和“稳定状态”[24]，其中第二阶段会使得二极管产生过流现象，若不及时隔离故障，会造成二极管损坏。

若故障后IGBT不闭锁，系统故障特性与换流变压器的接地方式有关。当换流变压器阀侧不接地，且直流电容中点接地时，直流线路单极接地故障后，故障极的电容迅速放电，该极电压趋向于零，同时会有较大的故障电流，而非故障极的电容电压则会在直流电压控制系统的作用下上升到原来的2倍[23]，但是当故障清除后，由于直流电容没有充放电回路，直流线路的不平衡电压无法恢复。当直流系统采用某一极接地，例如负极接地时，则正极接地故障等效于极间短路，而负极接地故障则对系统运行没有影响，这时换流变压器的接地方式不会对其故障特性造成影响；当直流系统和换流变压器均不接地时，单极故障电流只能通过线路的杂散电容形成通路[23]，故障电流很小，但在正常运行时，其直流正负极电压是未知的，且故障后不平衡电压同样无法恢复；而换流变压器阀侧中性点接地时，直流接地故障发生后，变压器接地点和故障接地点通过换流器形成放电回路，此时故障特性与故障电阻有很大的关系，在故障清除后，直流正负极电压都能够恢复至正常水平[25]。

文献[19,26]的研究表明，直流侧单极接地故障对交流侧也会造成影响，例如在换流变压器经电阻接地的情况下，单极接地故障使得交流侧电压出现零序偏置的现象，使得交流侧会路出现了零序电流分量。不同接地方式下直流侧单极故障对交流系统的影响仍需进一步研究。

若系统采用MMC换流器情况则有所不一样。由于MMC换流器直流侧正负极通常经大电阻接地，在换流器发生单极接地故障时，其子模块电容不存在与故障点的放电通路，电容电压基本保持不变，这时故障极电压变为零，而非故障极电压上升1倍。极间电压保持不变不影响功率传送，但需要考虑非故障极的绝缘能力[27]。故障恢复后，其正负极对地电压可很快恢复正常，有利于直流线路暂态故障恢复[28]。

2.2.2 直流侧极间短路故障

双极短路故障对柔性直流配电系统的危害最为严重。尽管2电平VSC与MMC在结构上有所不同，但极间短路时的故障特性类似。换流器直流侧极间短路发生后，故障电流会可能在4 ms内上升到额定工作电流的35倍[29]，如此大的电流电力电子器件无法承受。文献[29-31]假定故障后IGBT立即闭锁，分析了换流站直流侧双极故障后的电磁暂态过程。直流侧两极短路故障的暂态过程可划分为以下三阶段：①直流侧电容放电阶段。②二极管自然换相阶段。③二极管全导通阶段。故障电流含三个部分：①直流电容放电电流ic，②直流侧电缆电感通过续流二极管的放电电流iL，③交流电网馈入电流iGrid。其中故障电流①未经换流器， ②和③流经二极管，若不及时隔离故障，会造成二极管损坏[32]。

对于直流侧保护，极间故障电阻小，电流的上升迅速，对系统的危害最为严重；单极接地的故障电阻受系统接地方式的影响，因此保护系统的设计必须考虑到接地方式的影响。

3 故障隔离方案

根据直流侧故障特征，直流故障电流的上升十分迅速，直流侧的保护应在直流电容放电阶段动作以保护换流器器件，这要求保护系统在2ms左右的时间检测并隔离故障[33]，能满足要求的故障隔离技术成为柔性直流配电系统面临的挑战之一。

3.1 直接利用换流器隔离故障

在基于电流源换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统中，可以通过关闭换流站来关闭整个系统，但这种方法并不适用于基于VSC的柔性直流配电网中，这是因为即便VSC的IGBT闭锁，交流电源仍可以通过续流二极管向直流侧故障点馈入故障电流[34]，如果要通过闭锁换流器来隔离故障则需要对换流器的拓扑结构进行改进。文献[35]提出采用可关断电力电子器件来代替VSC的续流二极管，这样就可以阻断交流侧与故障点的电流通路。对于无源交流负荷侧故障，则可以通过直接闭锁逆变器实现其保护，因为当无源交流负荷发生故障时，直流侧不会通过续流二极管向交流侧故障馈入故障电流[36]。

随着MMC换流器的广泛应用，越来越多的学者研究新型MMC子模块拓扑结构，使其本身具备切除故障电流的能力。如具有自清除直流故障能力的全桥子模块和双钳位子模块[37,38]。此外，还有学者提出了增强自阻型子模块[39]、交叉连接型子模块[40]、混合型子模块[41]等拓扑结构。

但这种方法在柔性直流配电网直流侧故障时会扩大停电范围，且无法阻断直流电容的放电回路，保护的选择性和可靠性较低。

3.2 利用交流系统的设备来隔离直流故障

已有的VSC-HVDC工程多采用过换流器交流侧设备如交流断路器或熔断器来隔离直流故障[42]。利用交流系统的设备来隔离直流系统故障具有配置简单，经济性好的特点。但缺点也不能忽视，首先，熔断器和交流断路器的动作时间都需要数十毫秒的时间[43]，无法达到直流系统对保护的快速性的要求；其次，对于直流配电系统来说，直流侧发生故障会使整个直流系统停电，无法达到保护的选择性。

文献[44]针对直流环网系统提出了“握手方法”，利用直流快速隔离开关、换流器和交流断路器的配合来实现保护的选择性。故障发生后，所有换流器立即闭锁，然后断开所有交流断路器，在故障线路(需利用故障检测方法确认)的电压和电流均衰减至隔离开关额定关断电流值以下时，其直流隔离开关动作将故障线路隔离，然后所有的换流器重新启动，使得直流母线和正常运行的负荷恢复供电。这种保护方法能够实现保护的选择性，但也有不足，首先保护配置无法阻断电容放电电流，这会造成电容的损坏；其次，交流断路器动作速度慢，在其动作前交流系统已经通过续流二极管向故障点馈入故障电流，损坏二极管；最后，这种保护配置使系统重启时间长，造成正常线路的不必要停电，降低了系统可靠性。

3.3 限制故障电流的上升

文献[45]提出了LCL-VSC的概念，这种换流器由LCL电路和VSC构成，其拓扑如图1所示。

图 1 LCL-VSC拓扑结构图Fig.1 Topology of LCL-VSC

电感L1、L2和电容C构成了无源LCL电路，可以将LCL电路视为一个电力网络，其输入量为V1ac和I1ac，输出量为V2ac和I2ac。LCL-VSC与交流系统之间不需要变压器，因为LCL电路具有电压变换的功能，通过合理设计LCL电路的参数，可以使得无论系统发生直流侧故障还是交流侧故障，流过换流器二极管的故障电流均小于额定工作电流。文献[46]对LCL-VSC的拓扑结构进行了改进，把LCL电路中的电容C改为一系列电容并联到电路上，提升了系统的运行效率。LCL-VSC限制故障电流在额定电流附近，降低了对保护动作时间的要求，也降低了对直流断路器容量的要求。

除此之外，也可以在直流侧安装专门的故障电流限流器(Fault Current Limiter, FCL)来限制故障电流，其原理是在系统正常工作时显示出很小的阻抗，而在故障时呈现出较大的阻抗从而达到限制故障电流而又不影响系统正常运行。根据工作原理可分为基于超导材料、基于饱和电抗器、基于正温度系数和基于电力电子器件等几类[47]。

3.4 利用直流断路器

隔离直流故障最有效的办法是在其故障电流上升到危及电力电子设备前就将其断开，因此采用在数毫秒内能够隔离直流故障的直流断路器非常有现实意义。当柔性直流配电系统采用直流断路器后就可以在故障时只隔离故障区域，非故障区域则不受影响，大大提高了供电可靠性。根据直流断路器中开断器件的不同，可以将其分为三类: 机械式直流断路器、全固态式直流断路器和混合式直流断路器[48,49]。机械式直流断路器运行稳定、可靠性高、通态损耗小，但由于自身结构的制约，断开时产生的电弧易损坏触头，故障电流切除时间相对较长，无法实时、灵活、快速动作。常规全固态直流断路器的动作迅速、无弧操作、结构简单，但耐压能力有限，通态损耗较高。混合式直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，理论上具有开断时间短、通态损耗小、无需专用冷却设备等优点。

2012年，ABB公司研发了世界第一台高压直流断路器，可以在5 ms之内断开大型发电站的故障电流；2014年，法国阿尔斯通电网宣布试制出了开端电流大于3 kA，开断时间小于2.5 ms的高压直流断路器样机；2015年5月，中国国网智能电网研究院也完成了200 kV混合式直流断路器的技术成果鉴定，其能够在3 ms内开断15 kA的故障电流，同年，额定电流5 000 A的西门子直流断路器已经在我国洛渡-浙江高压直流输电系统上成功测试。尽管当前国内外对直流断路器的研究尚处在实验室阶段，但其大规模的商业化应用只是时间问题，随着技术的进步和产业化应用，其价格将进一步降低，开断速度也将进一步提高。

4 故障检测和识别原理

由于柔性直流配电系统的故障特性不同于交流系统，一些应用于交流系统的故障检测方法并不能直接应用于柔性直流系统[32]，另一方面，直流系统对保护快速性的要求也使得保护系统对故障检测方法要求苛刻。除此之外，不同区域的故障可能影响到其他区域，如整流器交流侧故障和直流侧故障的相互影响，准确的故障定位和保护配合也是柔性直流配电系统保护技术的挑战之一。

4.1 基于电流的故障检测

文献[36]通过检测整流器直流侧电流，当电流超过一定阀值并且测的直流电压降低到额定电压的80%以下时即判定发生了故障，同时继电器还要监控交流侧电流，若直流侧电流没有上升则判断故障在交流侧。而当向无源负荷供电的逆变器交流侧发生故障时，其直流侧电容不会向交流侧馈入故障电流，当该逆变器直流侧电流超过阀值，若交流侧电流也超过相应的阀值时则判断逆变器负荷侧发生故障，反之则判断为直流侧故障，向直流负荷供电的DC/DC变换器的故障定位方法与逆变器的判定方法相同。

文献[50]研究了过流保护在直流配电网中的应用，该文对直流线路的极间短路故障配置两段式过电流保护，保护启动判据为

(1)

式中：Δu为电压突变量；Δuset为保护启动定值，其设定值要考虑到系统正常运行时电压的正常波动。第一段为电流速断保护，其保护判据为

(2)

式中：Ii为线路电流测量值；Iiset1为保护装置的整定电流，其整定值要确保能在短路电流的上升阶段发送跳闸命令；第二段保护为限时电流速断保护，作为第一段保护的后备保护，其保护判据为

(3)

式中：Iiset2为保护装置的限时电流速断保护的整定值；tiset为保护延时，其整定值的确定确保故障特性达到稳定状态时保护仍然能够动作，tiset的值接近于故障暂态过程所经历的时间。

但是基于电流的保护在比较复杂的配网中由于相邻区域的保护定值难以整定，且难以实现时间上的配合而应用受限[51]，另一方面许多研究在涉及保护策略时没有考虑到换流器拓扑结构和接地方式对系统故障特性的影响，例如MMC换流器或高阻接地方式下的单极接地故障的两电平VSC换流器，在单极接地故障时故障电流几乎没有变化，基于电流的保护往往难以准确检测到故障。

4.2 距离保护

距离保护在用于直流系统中时也需克服一些困难。例如，在直流系统故障过程中，很难确定基频频率阻抗。在三相交流系统可以用对称分量法来避免故障电阻的影响[52]，但这在直流系统无法实现。对此，文献[53]提出了直流系统的距离保护，其配置如图2所示。

其中，Rf是故障点过渡电阻，iflt是故障电流， (n)点是直流断路器/隔离开关及继电器位置，临近(n)点下游位置的(r)点是参考点，在(n)点和(r)点配置电压互感器，测的的电压值分别为vn和vr，并且在(n)点配置电流互感器测得的电流为in，如果接地故障为金属性接地，故障距离x可按式(4)计算。

图2 距离保护配置Fig.2 Distance protection configuration

(4)

若为非金属接地时，故障距离计算公式为

(5)

其中：

(6)

D为该区段线路总长度，但过渡电阻Rf的大小未知，准确的故障距离也无法直接计算。文献[24]利用电容放电阶段(参考图1)，电容电压VC和电容放电电流icable与等效电路的总电阻Rtotal和总电感Ltotal有关，根据测得的Vcable和icable求得Rtotal和Ltotal，再根据式(7)求取过渡电阻和故障距离。

(7)

文献[54]则利用改进的R-L算法来求取故障点与保护安装处的距离。对于图3所示的两极短路故障，可得式(8)：

(8)

图3 直流线路两极短路故障示意图Fig.3 Schematic diagram of DC line pole-to-pole fault

式中：u和i分别为保护安装处电压、电流的瞬时值；Ru和Lu分别为单位长度电缆的电阻和电感；Llimit为限流电抗器的等值电感；x为保护安装处到故障点的距离。限流电抗器压降公式为

(9)

限流电抗器的出口极间电压为

(10)

联立式(9-10)可得测距公式为

(11)

然后根据式(12)所示的动作判据确定是否动作，其中，xset为保护整定距离。

(12)

距离保护做主保护时无法保护线路全长，且由于过渡电阻的影响难以计算出准确的故障距离，其在直流配网中的应用仍待深入研究。

4.3 差动保护

文献[55]研究了基于MMC的柔性直流配电网的保护策略，其根据MMC换流器单极接地故障特性，采用式(13)所示的电压不平衡度做为保护启动判据。

(13)

式中：Udp和Udn分别表示直流线路正极和负极电压；Uset_B为不平衡度的阀值；UDCBase为直流线路额定电压。保护启动判据动作后以电流差动保护来进行故障定位，其判据为

(14)

式中：Idp和Idp0表示直流正极线路两端的电流值；Idn和Idn0表示负极线路两端的电流值；Ic_set_L为差动电流门槛值；kset_L和Ires_L为制动系数和制动电流。对于极间短路，以欠压保护和过流保护作为保护启动判据，以差动保护进行故障定位，其动作判据与式(14)类似。

相比于其他故障检测方法，差动保护只保护特定区域，不易受故障严重程度、故障电阻以及分布式电源的影响，较好地适应了柔性直流配电系统的特点。但是，在柔性直流配电系统中应用差动保护还存在一些挑战。

(1)是否能在要求的时间内检测并隔离故障，在直流系统中应用差动保护需要将故障检测的时间控制在1.5ms以内[56],由于在直流系统则只需比较电流幅值，使得故障检测时间可以达到直流系统对保护的要求成为可能[57]，有文献表明在不计及通信延时的情况下，电流差动保护检测直流系统故障只需不到40μs[56]。

(2)在电流变化率很高情况下的时间同步问题。由于直流故障的电流变化率di/dt很大，微小的时间差异会造成很大计算误差。即使应用GPS进行校准系统时间，不同设备之间也会出现计时误差、采样不同步等现象[58]，从而使得保护判断出错，时间的误差须在设计保护方案时予以考虑。尽管如此，直流配电网的线路短，时间误差小，时间不同步问题对差动保护的影响较小。

(3)在直流配电系统应用差动保护还面临着经济性的问题。文献[51]针对直流馈线的保护提出当某馈线与下一级的装置配合时达不到时间要求的应用差动保护，当不需要与下一级保护配合或保护之间的配合满足时间要求时优先使用过流保护，这样可以兼顾保护的经济性和可靠性。

4.4 行波保护

直流系统发生故障后，电压行波和电流行波在线路上接近于光速传播，其中包含了大量的故障信息，因此可以通过记录并分析高频行波的特点例如幅值、极性和时间间隔来判断故障时间和故障位置[59]，基于行波的故障检测研究现在多应用于双端和多端直流输电系统[60-63]，其在直流配网领域的应用研究还很少见。行波保护在柔性直流配电系统中的应用应考虑到其费用、必要性和可靠性等因素。一方面，由于直流配电网直流线路长度较短，微小的时间误差就会产生很大的误差，采用行波保护进行故障定位的误差和增加的设备投资是否在可接受范围内有待研究。

5 柔性直流配网故障识别和隔离方面仍需进一步研究的问题

5.1 接地方式对故障检测和识别的影响研究

目前由于柔性直流配电系统在实际中应用较少，针对接地方式的问题尚无统一标准。但由于柔性直流配电系统中的设备众多，系统的接地方式涉及到换流变压器、滤波器、换流站直流侧的接地方式，不同的接地方式会使系统产生不同的故障响应，从而影响到故障检测和故障定位。例如，电容中点高阻接地的2电平VSC换流器和MMC换流器在发生单极接地故障时其电流并无明显变化，这样会导致过流保护、距离保护等失效。

5.2 直流变压器技术

直流变压器是低压直流负荷、储能原件、分布式电源与中压直流系统联系的中介，由于缺乏实际工程应用，国内外对应用于直流电网的直流变压器尚处于理论分析和仿真验证阶段，并无确定的拓扑结构和控制方法，当前几乎没有相关文献针对含有直流变压器的柔性直流配电网的保护技术进行深入研究，大多文献的研究集中在只含有VSC换流器的多端中压直流系统的保护上，对直流变压器低压侧及其高压侧的保护鲜有涉及。因此，含直流变压器的柔性直流配电网保护可能成为一个新的研究点。

5.3 直流断路器的研发和应用

当前由于直流断路器尚没有进入商业化应用，很多文献对柔性直流配电系统的保护策略研究多集中在采取辅助措施来隔离故障，如配置限流器、闭锁换流器触发脉冲信号、切断交流电路器或更改换流器的拓扑结构来隔离直流侧故障等，这些方法会使直流配电系统扩大停电范围，导致供电可靠性降低。随着技术的发展，直流断路器应用于柔性直流配电网是一个趋势，其高速动作的特性能在故障电流危及到换流器安全之前将故障切除，恢复正常部分供电，缩减非故障区域停电时间，直流断路器的应用也将改变直流配电网的保护思路。

5.4 保护与控制之间的配合

柔性直流配电系统一般是多端系统，不同的换流器工作于不同的运行方式，当故障发生后不同端口对故障点馈入电流的大小受到运行方式的影响，柔性直流配电系统的保护和控制密切相关，研究保护技术时应结合控制方式的变化，利用控制系统和保护系统的“一体化”来处理故障。

5.5 兼顾可靠性和经济性的保护配置方案

柔性直流配网中，如何兼顾智能电网发展，充分利用既有资源，综合考虑保护装置、断路器等资源配置，考虑多端直流系统中的故障特征和影响，实现具备可靠性和经济性的直流配网保护配置方案，减小故障影响范围、提高供电可靠性，也是其迈向实用化的重要保证之一。保护配置时，需优化不同区域保护之间的配合，如直流母线、直流馈线、分布式电源等，以避免扩大停电范围。

6 结 论

作为极具潜力的柔性直流配电网，在世界范围内受到越来越多关注。但现阶段，包括继电保护技术在内的一些因素还限制着柔性直流配电技术的广泛推广和应用。本文介绍了柔性直流配电系统的故障特征，及故障检测、识别和隔离策略。最后讨论了直流配电系统保护技术面临的一些问题。

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An Overview on Fault Detection and Isolation Strategies of Flexible DC Distribution Networks

DAI Zhihui1，GE Hongbo1，Peter Crossley2，WANG Zengping1
(1. Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK.)

With the development of technology, the flexible DC power distribution network (FDCPDN) will be one of the key parts of the smart grid and energy internet. Nevertheless, the extensive application of the FDCPDN has been limited by the immature protection technology. This paper has referred to the research both at home and board, main contents of this article are as follows: firstly, this paper introduces the control strategies of the key devices of flexible DC power distribution system such as VSC converter and DC transformer, as well as the multi-terminal coordination control strategies that apply to flexible DC distribution power system. Then, it analyzes the fault characteristics of FDCPDN about its AC side unsymmetrical faults and DC side pole-to-ground and pole-to-pole faults, the impact of the network grounding mode to the fault characteristics is analyzed as well. After that, the fault isolation technology, fault detection and identification methods are summarized. In addition, the advantage and disadvantage of the methods are also analyzed. Finally, key points in terms of the FDCPDN protection technology are presented in this paper.

flexible DC distribution networks; fault detection; fault isolation; protective relays; DC circuit breaker

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.04

2016-09-25.

国家重点研发计划专项课题(2016YFB0900203)；国家自然科学基金项目(51307059)；河北省自然科学基金项目(E2014502065)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017MS096).

TM77

A

1007-2691(2017)04-0019-10

戴志辉 (1980-)，男，副教授，研究方向为电力系统保护与控制；葛红波(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制；Peter Crossley (1956-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统保护与控制，新能源电力系统及智能电网等；王增平(1964-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统保护与控制，新能源电力系统等。