直流配电网故障分析和继电保护综述

3 直流配电网故障隔离方法

直流配电网故障隔离技术是直流配电网继电保护的重要组成部分。不同于交流配电网，直流配电网故障电流没有过零点，不能沿用交流系统故障隔离的方法，目前国内外已有的关于直流配电网故障隔离方面的研究主要分为3个思路：思路1，利用交流断路器清除故障电流，再由直流隔离开关隔离故障；思路2，通过改变换流器拓扑结构，实现故障电流的自清除，再由直流隔离开关切除故障线路；思路3，直接利用具有直流开断能力的直流断路器切除故障。

3.1 交流断路器加直流隔离开关隔离故障

利用交流断路器加直流隔离开关隔离故障是目前工程实际中最常用的直流故障隔离方法。该方法的动作原理如下：当直流系统发生故障时，保护装置向所有的交流断路器发出跳闸信号，阻止交流系统向直流系统供电，失去供电的直流系统故障电流会逐渐衰减到零，等到直流故障电流衰减到零之后，再由直流隔离开关切除故障线路。该方法虽然简单经济，但动作时间长，且会导致全系统断电，无法达到未来直流配电网对故障隔离速度和可靠性的要求。因此该方法只是在直流配电网故障隔离早期研究阶段提出的权宜之计，现阶段的研究中鲜有涉及。

文献［36］提出了“握手法”原则，通过闭锁换流站，断开所有交流侧断路器清除直流故障电流，再跳开预跳闸开关，切除故障线路，紧接着解闭锁换流站，根据线路带电信息重合误跳闸的直流开关，最后进行交流侧断路器重合闸，恢复整个系统的供电。

3.2 换流器自清除加直流隔离开关隔离故障

具有故障自清除能力的换流器拓扑结构的研究是近年来的直流配电网领域的一大研究热点。其中最具代表性的拓扑结构包括：全桥子模块多电平换流器、箝位双子模块换流器、串联双子模块换流器、二极管箝位子模块等。

文献［44］对比分析了采用半桥子模块、全桥子模块、箝位双子模块进行故障清除的故障清除能力、故障清除时间以及投资成本，并对故障清除时间的差异进行了深入的分析，最后得出了实际工程应用中推荐采用箝位双子模块换流器的结论。文献［45］提出了双晶闸管法，故障期间，并联的晶闸管可以起到对续流二极管的分流作用，提高系统的过流能力，同时可以通过对晶闸管的控制，消除交流侧往直流侧注入的故障电流，实现故障电流的自清除。文献［46］往两电平VSC换流器拓扑结构中加入了IGBT-CB，故障过程中，通过IGBT-CB闭锁直流侧储能电容的放电回路实现故障电流的自清除。

3.3 直流断路器隔离故障

基于直流断路器的故障隔离方案是最能够适应未来直流配电网发展趋势的故障隔离方案，它能够有选择性地将故障隔离在最小范围内，保证非故障区域的正常供电，可以大大提高直流配电网的供电可靠性，是最理想的故障隔离方案。但受制于直流断路器的制造技术和昂贵的造价，目前基于直流断路器的故障隔离方案还处在理论研究阶段，尚未投入大规模的工程应用。

目前直流断路器可以分为3种类型：基于机械开关的常规机械式直流断路器、基于电力电子器件的固态断路器、基于电力电子器件和机械开关结合的混合式直流断路器。机械式断路器虽然损耗低，但其动作速度慢，不能满足直流配电网的要求；固态断路器恰恰相反，动作速度快，但其通态损耗大且造价昂贵；混合式直流断路器结合了二者的优点，是目前被广泛接受的直流断路器类型。

文献［49］对比了3种直流断路器的性能，包括分段速度、通态损耗、分断能力和制造成本，并对混合式直流断路器的运行原理进行了详细的描述，最后提出了柔性直流电网差动保护方案，通过仿真验证了混合式直流断路器在柔性直流电网中的可行性和有效性。文献［37，50］详细对比了基于交流侧断路器、基于直流断路器、基于换流器自清除的直流故障保护方案的优劣。其中文献［37］根据“握手法”原则，分别设计了基于交流断路器和基于直流断路器以及换流器自清除的故障隔离方案，并通过仿真对保护方案的性能进行了验证。文献［50］针对架空线路，提出了直流断路器和换流器自清除两套故障隔离方案，对两套隔离方案的保护流程进行了详细的设计，并对比了两者的故障清除性能。

总体而言，基于交流断路器的故障隔离策略存在故障隔离时间长的问题，必然不能适应未来直流配电网故障隔离的要求。基于换流器自清除的故障隔离方案会导致全站停电，在点对点式的柔性直流系统中尚有适用性，但应用于多端柔性直流配电网会对直流配电网的可靠性产生极大的影响。基于直流断路器的故障隔离方案可以将故障隔离在最小范围内，最大限度地保证非故障线路的正常运行，是未来直流配电网故障隔离的最佳选择。

4直流配电网故障分析与继电保护需进一步解决的问题

当前直流配电网故障分析和继电保护方面的研究虽已取得一些成果，但还远未达到工程实际应用的要求，仍然存在许多亟需解决的问题。

出于经济性的考虑，中低压直流配电网可能采用“对称单极”的方式运行，直流侧的接地方式会对故障的隔离与恢复产生很大的影响，在进行故障特征分析与隔离方案的选择时，接地方式是必须考虑的因素。同时，对直流配电网接地方式应该进行充分的研究，并根据不同的应用场景，给出相应的接地建议。

直流配电网保护与控制研究不能割裂开来。直流配电网中含有大量的受控型电力电子器件，其故障特征已经从传统电网的由物理特性所主导的过程转变为了由控制特性所主导的过程。在研究直流配电网保护的同时，需要充分结合控制方式的特点，控制保护的“一体化”是未来直流配电网发展的一大特点。

直流配电网故障检测与定位原理研究方面，需要摆脱传统交流电网继电保护观念的束缚，充分考虑直流配电网结构和控制的特征，探索符合直流配电网特征的新型的继电保护原理，形成适用于直流配电网的继电保护体系是未来直流配电网保护策略研究领域的重要任务。

直流配电网故障隔离方面，尤其是基于直流断路器的故障隔离方案，可以考虑结合故障限流技术，降低对直流断路器开断时间和开断短路电流的要求，大幅降低直流断路器的制造难度和制造成本。目前已有一些文献对故障限流技术进行了初步的研究，文献［10，44］对比分析了电阻型超导限流器和电感型超导限流器的限流性能，并对电阻型超导限流器性能优于电感型超导限流器的原因做出了分析。文献［51］提出了3种用于故障限流的方法：方法一，通过改变换流器的控制策略，限制桥臂电压中的直流分量，从而减小故障电流；方法二，通过串联电感限制故障电流；方法三，通过串联电感并在公共连接点上并联电容的方法限制故障电流。故障限流技术的发展可以大大缓解直流断路器的制造压力，有进一步深入研究的必要。

5 结语

直流配电技术作为未来电网形态的重要组成部分，已经得到了国内外相关行业的广泛关注。如何充分发挥直流配电系统在效率、效益、兼容性、可控性方面的优势，提升配电系统的运行水平也是目前学术界关注和研究的热点。直流配电系统网络化之后，对故障隔离的快速性和选择性均提出了新的更高的要求，一方面，有选择地切除故障线路对于缩小停电范围、提升供电可靠性至关重要；另一方面，快速地切除故障对于设备安全及配电网健全线路的恢复供电意义重大，因此，高性能的继电保护是直流系统安全运行的重要保障。

在故障的快速识别，即继电保护原理方面，目前的研究基本上基于交流继电保护的思想，大量新原理主要来源于交流输电系统或者高压直流输电系统，其对直流配电的特点及应用场景的适应性需要进一步考虑。直流配电系统继电保护必须面对的问题有：普通的过电流保护/电流变化率保护在电阻（抗）相对小的配电线路上应用的性能问题；以电流差动保护原理为代表的纵联保护原理的动作速度问题；考虑经济性之后，以行波保护为代表的暂态量保护是否能够大面积应用的问题等。在故障隔离方面，直流断路器的技术发展阶段和昂贵的造价限制了其在配电领域的大量应用，具有阻断能力的换流器无法保证故障隔离的选择性，混合方案（交流断路器直流开关，或者换流器直流开关）在隔离速度上无法取得令人满意的效果。

在直流配电网的故障识别与隔离方面，充分分析直流配电系统的特点及业务需求，充分考虑保护与控制的关系，跳出交流系统继电保护的固有框架，研究适用于直流配电应用场景的继电保护原理与方案是未来需要努力的方向。具体地：①继电保护应与故障隔离技术相适应，针对实际工程中的故障隔离策略，研究并提出合适的继电保护新原理；②继电保护应与应用场景相适应，在技术允许的前提下，避免过度地追求快速性等性能指标而丧失经济性；③继电保护应与量测系统相适应，需要考虑系统动态特性及量测误差给继电保护带来的影响；④继电保护应与换流器控制策略相适应，直流配电系统的控制和保护的一体化趋势和模式值得关注。

作者简介

罗飞，男，硕士研究生，研究方向为直流配电网继电保护。焦在滨，男，博士，副教授，研究方向为电力系统继电保护。马钊，男，博士，国家“千人计划”特聘专家，主要研究方向为智能配电网规划与资产管理、智能电器等。李蕊，女，硕士，教授级高级工程师，研究方向为直流配电、电力系统运行分析及新能源接入。孙丽敬，女，硕士，高级工程师，研究方向为新能源、电能质量。杨霖泽，男，硕士研究生，研究方向为直流配电网。顾瀚文，男，硕士研究生，研究方向为直流配电网。

［引文信息］罗飞，焦在滨，马钊，等．直流配电网故障分析和继电保护综述［J］．供用电，2018，35（6）：3-11．LUOFei，JIAOZaibin，MAZhao，etal．ReviewoffaultanalysisandrelayprotectionofDCdistributionnetwork［J］．Distribution&Utilization，2018，35（6）：3-11．