韓笑，劉建婷，張益?zhèn)ィ酚攴?，張?/p>

(南京工程學(xué)院 江蘇省主動(dòng)配網(wǎng)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，南京 211100)

0 引 言

柔性直流配網(wǎng)(Flexible Distribution Network，F(xiàn)DN)在消納分布式能源、提高能源利用效率和提升電能質(zhì)量方面展現(xiàn)出交流配電所不具備的優(yōu)勢(shì)已成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-5]。我國(guó)成功建成多個(gè)智能配電網(wǎng)示范工程，去年8月國(guó)網(wǎng)杭州市供電公司負(fù)責(zé)的首個(gè)智能直流配網(wǎng)在杭州江東新城通過運(yùn)行考驗(yàn)，同年9月南網(wǎng)貴州電力科學(xué)研究院的五端直流配電示范工程已建成。由于直流配網(wǎng)存在工況和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、交直流互聯(lián)、開環(huán)、閉環(huán)共存等現(xiàn)象，使得故障的隨機(jī)特性、非線性特性增強(qiáng)、耦合因素增多，使得故障形式和保護(hù)配置相對(duì)復(fù)雜，使得保護(hù)的選擇性難以保證。目前，直流配網(wǎng)中的故障主要分為交流系統(tǒng)側(cè)、換流變壓器、換流器、直流系統(tǒng)側(cè)故障。與傳統(tǒng)交流配網(wǎng)相比，直流配網(wǎng)需特別關(guān)注換流變壓器、換流器、直流系統(tǒng)側(cè)的故障[6]。換流變壓器同常規(guī)電力變壓器類似有本體保護(hù)，也配置各種主保護(hù)和后備保護(hù)。主要配置換流變壓器及引線差動(dòng)保護(hù)(簡(jiǎn)稱大差保護(hù))，換流變壓器差動(dòng)保護(hù)(簡(jiǎn)稱小差保護(hù))、繞組差動(dòng)保護(hù)等。換流器在直流工程中起著整流、逆變的樞紐作用，是最為關(guān)鍵的元件之一。換流器區(qū)的故障類型主要包括：逆變器的換相失敗故障、主接線回路短路、換流閥本體及其控制系統(tǒng)故障以及過電壓、過電流等故障。根據(jù)保護(hù)原理的不同主要分為差動(dòng)保護(hù)組、諧波保護(hù)組、觸發(fā)保護(hù)組、電壓、電流保護(hù)組和換流閥本體保護(hù)組等。由于柔性直流配網(wǎng)分支眾多、線路短，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，線路故障約占整個(gè)直流系統(tǒng)故障總數(shù)的50%，是最主要的故障類型。常見的故障有雙極短路故障、單極接地故障和斷線故障。其中雙極短路故障對(duì)系統(tǒng)危害最嚴(yán)重[7-10]。

傳統(tǒng)保護(hù)原理的研究已接近極限，隨著配網(wǎng)架構(gòu)的日益復(fù)雜，對(duì)保護(hù)控制功能要求高，使得保護(hù)整定配合困難。應(yīng)用配電物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信技術(shù)、新一代人工智能等主流技術(shù)，給直流配網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，文章將從配網(wǎng)故障與保護(hù)配置現(xiàn)狀、故障電氣量特征與保護(hù)原理、繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)這三個(gè)層次介紹柔性直流配網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展情況。

1 配網(wǎng)故障與保護(hù)配置現(xiàn)狀

1.1 直流配網(wǎng)保護(hù)分區(qū)及主要故障

圖1表示直流配網(wǎng)中常見的保護(hù)分區(qū)。

圖1 柔性直流配網(wǎng)保護(hù)分區(qū)

其中，直流線路區(qū)、換流器區(qū)、換流變壓器是柔性直流配網(wǎng)中的故障頻發(fā)地。其對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)技術(shù)也是國(guó)內(nèi)外專家的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]結(jié)合直流配電示范工程，研究了直流配網(wǎng)中的保護(hù)配置和線路故障定位方法，給出保護(hù)區(qū)域的劃分方法，結(jié)合模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)及網(wǎng)絡(luò)的故障特性，提出各保護(hù)分區(qū)的配置方案，并介紹了線路常見故障的保護(hù)配置和故障定位方法。在簡(jiǎn)單的直流配電系統(tǒng)中，單極接地故障是直流系統(tǒng)最常見的故障，多由絕緣老化、樹枝接觸或雷電造成的，不會(huì)引起持續(xù)性的過流，由于其故障傳播速度快、影響范圍廣，已成為直流配電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。換流器在直流工程中起著整流、逆變的樞紐作用，是最為重要的元件之一。閥橋復(fù)雜的接線方式和換相特性，使其故障形式和故障機(jī)理較復(fù)雜的多。換流器的保護(hù)原則是區(qū)內(nèi)故障保護(hù)動(dòng)作，區(qū)外故障保護(hù)不動(dòng)作。區(qū)內(nèi)故障指的是換流器本體和主接線回路的故障，換流器主接線回路短路故障指各個(gè)接線端間短路、載流元件、接線端對(duì)地短路，如圖2中的直流側(cè)對(duì)地短路f1、直流側(cè)出口短路f2、閥短路故障f3、交流側(cè)相間短路f4及單相接地短路f5。換流變壓器是直流工程中的核心部件，連接于交流母線與換流器之間，與常規(guī)電力變壓器相比，換流變壓器的特殊點(diǎn)在于其短路阻抗大、直流偏磁嚴(yán)重、諧波含量高、有載調(diào)壓分接頭動(dòng)作頻繁[12-16]。

圖2 換流器主接線回路故障點(diǎn)

1.2 保護(hù)配置現(xiàn)狀

對(duì)線路雙極故障常配置低壓過流保護(hù)、電流差動(dòng)保護(hù)，對(duì)線路單極接地故障常配置直流電壓不平衡保護(hù)。為防止短路造成的閥過應(yīng)力，就目前保護(hù)配置現(xiàn)狀而言，主要配置閥組短路保護(hù)，可檢測(cè)各個(gè)閥的短路、接地故障及換流變閥的相間短路故障。換相失敗保護(hù)可有效檢測(cè)交流電網(wǎng)擾動(dòng)、其他異常換相條件造成的換相失敗。諧波保護(hù)組首先通過檢測(cè)線路中的諧波含量來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)和保護(hù)?？杀Ｗo(hù)換流器交流側(cè)相間短路、相對(duì)地短路、閥短路。為防止電流過大，燒毀換流器，預(yù)防晶閘管的損壞，目前工程主要配置直流或交流過流保護(hù)。差動(dòng)類保護(hù)通過換流變閥側(cè)電流、換流器直流側(cè)高壓端及中性端電流差值的不同區(qū)分不同的故障類型。已有文獻(xiàn)指出，一種保護(hù)類型可以保護(hù)不同類型的故障，針對(duì)某種故障的保護(hù)也可通過多種保護(hù)類型共同完成。在換流器區(qū)保護(hù)中，要根據(jù)實(shí)際情況選取部分保護(hù)協(xié)調(diào)配合，但需保證能夠保護(hù)換流器區(qū)的所有故障類型，且每一故障都配置后備保護(hù)。

換流變壓器保護(hù)配置和普通電力變壓器類似，主要采用國(guó)內(nèi)某公司的直流保護(hù)技術(shù)。三繞組換流變壓器保護(hù)典型配置如圖3所示。文獻(xiàn)[17]的研究表明，采用S變換相位差及能量相對(duì)熵算法換流變零序差動(dòng)保護(hù)新判據(jù)。該判據(jù)可準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障，不受故障類型和過渡電阻影響。文獻(xiàn)[18]討論故障位于不同電壓等級(jí)換流橋及不同時(shí)刻閥橋通斷情況的差異，解決了故障性涌流導(dǎo)致?lián)Q流變區(qū)內(nèi)故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤閉鎖問題，并提出一種新的防止差動(dòng)保護(hù)誤閉鎖的解決方案。

圖3 繞組換流變壓器保護(hù)典型配置

2 故障電氣量特征與保護(hù)方案

2.1 故障電氣量特征

直流配網(wǎng)線路故障占據(jù)著整個(gè)直流系統(tǒng)故障總數(shù)的近一半，故國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者把研究重點(diǎn)放在線路故障的研究。單極接地故障發(fā)生后，故障極被鉗位至零電位，受換流器子模塊電容的支撐作用，健全極電壓升高升高到故障前2倍。當(dāng)線路發(fā)生雙極短路時(shí)，故障電流迅速上升，通過故障點(diǎn)、直流線路、換流站上下橋臂形成回路。極易造成換流器閉鎖、線路過流等嚴(yán)重后果[19]。以MMC為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器故障后，其拓?fù)涞刃槿鐖D4、圖5所示的電容放電、交流注入兩階段。

圖4 電容放電階段

圖5 交流注入階段

此階段的等值電路可簡(jiǎn)化為二階振蕩電路，該動(dòng)態(tài)過程對(duì)應(yīng)的微分方程可表示為：

(1)

式中L0和L1分別為橋臂、直流線路電感；C0為子模塊電容；Uc為等值電容兩端電壓；R1為直流線路電阻；Rf為故障點(diǎn)過渡電阻?？紤]到電力電子裝置耐受沖擊電流能力差，文獻(xiàn)[20]采用端口的本地保護(hù)與系統(tǒng)中各變換器協(xié)調(diào)控制配合，通過改變換流器的調(diào)制頻率，將各端口換流器變?yōu)樘卣餍盘?hào)的注入源，利用特征信號(hào)進(jìn)行計(jì)算與檢測(cè)，形成直流線路保護(hù)，該原理簡(jiǎn)單可靠無(wú)需較高的采樣頻率。

為解決直流側(cè)故障電流上升快、過流幅值大導(dǎo)致難以隔離這一現(xiàn)象，文獻(xiàn)[21]從交流斷路器、換流器和直流斷路器為分類依據(jù)，總結(jié)各自適用的隔離措施及優(yōu)缺點(diǎn)，通過搭建兩電平電壓源換流器(two-level Voltage Source Converter,two-level VSC)型和MMC的直流系統(tǒng)，對(duì)隔離方法進(jìn)行仿真測(cè)試，為工程實(shí)際中隔離措施的配置提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)[22]從故障快速隔離、提高供電可靠性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)基于直流斷路器和不基于直流斷路器的故障保護(hù)方案。所提方案無(wú)需通信，能可靠實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。與傳統(tǒng)的基于交流斷路器的方案相比，在速動(dòng)性和供電可靠性上均有較大改善。文獻(xiàn)[23]為解決柔性直流輸配電中的直流故障隔離問題，給出一種改進(jìn)的DTSS(Double Thyristor Switch Scheme,DTSS)方案，通過投入橋臂串聯(lián)電阻，彌補(bǔ)了DTSS在隔離速度、保護(hù)死區(qū)及交流側(cè)過流等方面的缺陷，提高了故障隔離的效率、范圍、速度。

作為交直流轉(zhuǎn)換的樞紐，換流器的故障特性較為復(fù)雜，常見的故障有：閥短路、誤開通、不開通及換相失敗等。閥短路是換流器閥絕緣損壞或被短接造成的故障，是換流器最為嚴(yán)重的故障。由交流側(cè)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的二相短路、三相短路電流幅值如式(2)所示。

(2)

式中E為換相線電壓；Lr為換相電感；ω為角頻率。整流器閥短路的主要特征是交流側(cè)交替發(fā)生兩相短路和三相短路。換流變壓器是直流配電工程中的關(guān)鍵部件之一?？赡艹霈F(xiàn)的主要故障有：換流變壓器內(nèi)部相間短路故障、內(nèi)部繞組匝間層間短路故障、內(nèi)部繞組接地故障等，其故障分析與普通變壓器故障分析類似。此外，勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流和直流偏磁也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。勵(lì)磁涌流的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變不能正常投入、差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作等后果，將引起換流變壓器的直流偏磁，造成變壓器過熱及噪聲的增大等嚴(yán)重后果。和應(yīng)涌流影響著電流互感器的正常工作及變壓器后備保護(hù)的可靠運(yùn)行。直流偏磁可增加變壓器的無(wú)功消耗，造成繼電保護(hù)的誤動(dòng)。

2.2 直流線路保護(hù)

目前，直流線路發(fā)生故障，常用的直流保護(hù)有：低壓過流保護(hù)、方向過流保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、直流電壓不平衡保護(hù)、直流斷線保護(hù)、直流低電壓保護(hù)等。鑒于直流電網(wǎng)現(xiàn)有線路保護(hù)存在的問題，專家學(xué)者積極開展研究，取得了較為豐碩的成果。文獻(xiàn)[24]以張北直流電網(wǎng)工程為背景，提出全網(wǎng)配置直流斷路器、采用架空線輸電的對(duì)稱雙極直流電網(wǎng)線路單端量快速保護(hù)方案，該方案速動(dòng)性好，采用電壓梯度檢測(cè)故障，借助限流電抗器對(duì)故障電壓的平滑作用實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)間的判別，具有較好的選擇性和可靠性。文獻(xiàn)[25]借助小波變換提取故障時(shí)刻高頻暫態(tài)電壓分量，根據(jù)區(qū)內(nèi)外暫態(tài)能量差異識(shí)別故障，根據(jù)正負(fù)極電壓變化差異給出故障極判據(jù)，設(shè)計(jì)包括故障啟動(dòng)、識(shí)別、選極、多次重合閘判據(jù)的線路保護(hù)方案。該方案無(wú)需借助通信、具有一定的耐過渡電阻和抗擾動(dòng)能力。文獻(xiàn)[26]針對(duì)MMC、電壓源換流器共存的環(huán)狀直流配網(wǎng)線路，提出借助附加電感電壓的故障識(shí)別方法，先是給出模量網(wǎng)絡(luò)故障后線路附加電感電壓初始值的計(jì)算方法，再借助線路附加電感電壓初始值在區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的差異進(jìn)行故障的迅速識(shí)別，最后通過比較故障極和健全極電感電壓初始值的差異進(jìn)行選極。文獻(xiàn)[27]提出適用于新型多端柔直配網(wǎng)的線路保護(hù)方法。借助線路邊界特性，通過小波變換提取區(qū)內(nèi)、外故障的的暫態(tài)特征差異，并采用直流電抗器壓降判據(jù)保證保護(hù)的方向性。文獻(xiàn)[28]為解決現(xiàn)有縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)存在的問題，提出一種采用電流突變量夾角余弦值的縱聯(lián)保護(hù)方法，借助線路兩端電流突變量計(jì)算夾角余弦值進(jìn)行區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判斷。該方法可靠性較高、不受分布電流的影響。由以上文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有的直流配網(wǎng)保護(hù)分為單端量保護(hù)和雙端量保護(hù)。單端量保護(hù)雖然無(wú)需通信能實(shí)現(xiàn)迅速動(dòng)作，但閾值整定較難。雙端量保護(hù)雖避免單端量保護(hù)閾值整定，但對(duì)通信要求較高，保護(hù)速動(dòng)性難以保證。

在簡(jiǎn)單的直流配網(wǎng)中，發(fā)生雙極短路故障時(shí)常配置低壓過流保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)。其中，低壓過流保護(hù)判據(jù)如式(3)所示。

(3)

式中Ud,p和Ud,n分別直流線路正、負(fù)極電壓；Id,p和Id,n分別為直流正、負(fù)極線路電流;Uset,s、Iset,s分別為動(dòng)作電壓、電流門檻值；KU為低壓判據(jù)電壓系數(shù)；KI過流判據(jù)電流系數(shù); Δtset,LVOC為低壓過流保護(hù)持續(xù)判斷時(shí)間;IN為換流器直流側(cè)額定電流。直流線路正負(fù)極分別安裝電流差動(dòng)保護(hù),用于有選擇性地識(shí)別直流線路區(qū)內(nèi)外故障。保護(hù)判據(jù)為：

(4)

式中i1,i2分別為線路雙側(cè)電流瞬時(shí)值;K為制動(dòng)系數(shù),借鑒高壓直流的經(jīng)驗(yàn),一般取0.5～0.8;Iop為最小動(dòng)作門檻；Δtset,DIFF為電流差動(dòng)保護(hù)持續(xù)判斷時(shí)間。相比于其他保護(hù)而言，差動(dòng)保護(hù)具有絕對(duì)的選擇性，不易受故障嚴(yán)重程度、故障電阻及分布式電源的影響，但在直流配網(wǎng)中應(yīng)用差動(dòng)保護(hù)還存在一些挑戰(zhàn)：如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)并隔離故障、電流變化率高的情況下的時(shí)間同步等問題。對(duì)于多分支、多節(jié)點(diǎn)的直流配網(wǎng)，線路保護(hù)配置有待于進(jìn)一步研究。單極接地故障可能危害交直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣 ,依據(jù)電壓偏移的故障特征,針對(duì)單極接地故障常配置直流電壓不平衡保護(hù)。

文獻(xiàn)[29]提出基于線路邊界元件的新型快速方向縱聯(lián)故障識(shí)別判據(jù)和故障選極判據(jù)，該保護(hù)方案可耐受過渡電阻，不受線路分布電容影響。文獻(xiàn)[30]的研究表明，基于自適應(yīng)白噪聲的完備集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法能量熵對(duì)單極故障區(qū)域的檢測(cè)是有效的。文獻(xiàn)[31]采用行波保護(hù)、電壓、電流突變量保護(hù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)短路故障的快速定位，通過雙端線路故障檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作快速出口。文獻(xiàn)[32]在文獻(xiàn)[31]的基礎(chǔ)上，把電流波形曲率作為曲率，提出適用于多端直流配網(wǎng)的暫態(tài)量線路保護(hù)。在借鑒傳統(tǒng)的高壓、柔性直流輸電現(xiàn)有線路保護(hù)的基礎(chǔ)上，研究兼具速動(dòng)性和可靠性的線路保護(hù)是國(guó)內(nèi)外專家的研究熱點(diǎn)。對(duì)于線路保護(hù)，極間故障電阻小，對(duì)系統(tǒng)危害最為嚴(yán)重；單極接地的故障電阻受接地方式的影響，保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮接地方式的影響。文獻(xiàn)[33]表明，基于行波的故障檢測(cè)研究多用于雙端和多端直流輸電系統(tǒng)，行波保護(hù)在配網(wǎng)中的適用性還受到采樣頻率和設(shè)備投資等因素限制。

由于直流配網(wǎng)中電源眾多、含有大量主電源、風(fēng)電、光伏，系統(tǒng)各級(jí)阻抗無(wú)明顯差異，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜，這使得電流定值及延時(shí)整定配合困難。目前，行業(yè)的解決方案為主要為：分布式保護(hù)和集中式保護(hù)，分散布置的裝置通過GOOSE通信，進(jìn)行系統(tǒng)故障的識(shí)別及定位，集中布置的裝置直接接入多間隔的模擬量，進(jìn)行系統(tǒng)故障識(shí)別與定位。通過這兩種工作模式的互相協(xié)作，進(jìn)行系統(tǒng)故障識(shí)別及定位。

2.3 換流器區(qū)保護(hù)

針對(duì)換流器區(qū)的故障中的閥短路保護(hù)，就目前保護(hù)研究現(xiàn)狀而言，采用的判據(jù)如(5)所示。正常情況下，流過Y橋和D橋交流連接線上的電流IacY和IacD應(yīng)相等。當(dāng)發(fā)生6脈橋換相失敗、閥短路故障直流側(cè)出口高壓端、中性端對(duì)換流器中點(diǎn)短路等故障時(shí)，Y橋與D橋之間對(duì)稱特性的消失，二者不再相等。利用交流連線電流這一故障特征可構(gòu)成橋差保護(hù)，采用的判據(jù)如(6)所示。

(5)

(6)

式中Iac=max(IacY,IacD)；Iset為啟動(dòng)電流定值，每個(gè)時(shí)刻取IacY和IacD中的較大者，分別與IacY和IacD進(jìn)行相減，兩個(gè)差值中只要有一個(gè)大于保護(hù)定值，橋差保護(hù)動(dòng)作。為減少直流系統(tǒng)的停運(yùn)次數(shù)，橋差保護(hù)在逆變側(cè)一般設(shè)置兩段定值。文獻(xiàn)[34]針對(duì)兩電平換流器(VSC-MMC)系統(tǒng)換流器區(qū)內(nèi)常見的IGBT貫穿故障，提出利用閉鎖時(shí)刻的直流電壓及閉鎖后2個(gè)周期的三相交流電作為特征信號(hào)進(jìn)行故障分類與定位的診斷，并確定區(qū)分故障類型的電壓、電流診斷閾值。文獻(xiàn)[35]的研究表明，基于小波奇異熵理論和相關(guān)向量機(jī)的診斷方法可快速、準(zhǔn)確地對(duì)VSC-MTDC換流器進(jìn)行診斷。該方法具有更高的診斷準(zhǔn)確率和更短的診斷時(shí)間。文獻(xiàn)[36]的研究表明S變換可提取故障信號(hào)低頻段工頻分量，采用遺傳優(yōu)化的二叉樹多分類支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)故障類型的精準(zhǔn)分類，可縮短了計(jì)算時(shí)間。文獻(xiàn)[37]分析了換流閥閉鎖保護(hù)策略下的電容放電階段與閉鎖階段的等效電路，給出電容電壓和電流的解析式，為解決換流站閉鎖期間功率模塊模塊電容電壓漸漸發(fā)散導(dǎo)致的交流斷路器跳閘問題，提出一種FBMMC-HVDC的故障穿越控制保護(hù)策略。

2.4 換流變壓器保護(hù)

換流變壓器保護(hù)配置主要分為主保護(hù)和后備保護(hù)，主保護(hù)主要有比率差動(dòng)、差動(dòng)速斷、零序比率差動(dòng)等，后備保護(hù)包括過流、零序過流、過電壓等。其中，比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)常采用兩折線和三折線兩種?？煞从硴Q流變壓器內(nèi)部相間短路故障、高壓側(cè)單相接地故障短路及匝間短路等故障。兩折線動(dòng)作方程如下：

(7)

式中Iop為啟動(dòng)電流；Ires為制動(dòng)電流；S為動(dòng)作特性曲線中的斜率，一般取0.5，Iop.min為最小啟動(dòng)電流，Ires.0為拐點(diǎn)電流，取(0.8～1.0)Ie。Ie為換流變壓器二次額定電流。引線差動(dòng)保護(hù)是換流變壓器引線故障的主保護(hù)，保護(hù)范圍為引線電流互感器到網(wǎng)側(cè)電流互感器之間的區(qū)域，檢測(cè)換流變壓器引線的相間及接地故障。文獻(xiàn)[38]研究了故障性涌流的產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，根據(jù)故障時(shí)閥側(cè)電流直流分量發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的特征，改進(jìn)了換流變差動(dòng)保護(hù)閉鎖邏輯判據(jù)防止差動(dòng)保護(hù)閉鎖的解決方案。文獻(xiàn)[39]采用相空間重構(gòu)技術(shù)，提出基于零序電流相空間分布重心幅值變化特征的零序過電流保護(hù)閉鎖新判據(jù)，該判據(jù)可應(yīng)對(duì)換流變復(fù)雜涌流導(dǎo)致的零序過流保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[40]結(jié)合南方電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)勵(lì)磁涌流引起直流50 Hz保護(hù)動(dòng)作事件，通過對(duì)比勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流及故障電流波形特征差異，可很好的解決空投涌流造成的直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)。隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，配網(wǎng)換流變壓器的保護(hù)技術(shù)將更加完善，降低勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流、直流偏磁對(duì)保護(hù)可靠性的影響，有助于提升配網(wǎng)的安全性。

2.5 其它保護(hù)

除以上介紹的保護(hù)外，直流配網(wǎng)中，還存在著直流母線區(qū)保護(hù)、接地極線路區(qū)保護(hù)、交直流濾波器保護(hù)等保護(hù)。母線保護(hù)根據(jù)流過互感器的電流方向正負(fù)相反這一特征來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，主要配置的保護(hù)有：高壓直流母線差動(dòng)、中性直流母線差動(dòng)和直流后備差動(dòng)保護(hù)。接地極線路區(qū)的作用是給直流電流提供回路通道和參考電位。交直流濾波器主要作用是限制系統(tǒng)中的諧波電流，配置的主保護(hù)是主要差動(dòng)保護(hù)。作用借鑒傳統(tǒng)的高壓直流輸電，為簡(jiǎn)化配網(wǎng)的保護(hù)配置，相同故障電氣特征的不同故障類型可采用同一種保護(hù)類型，可簡(jiǎn)化直流系統(tǒng)的保護(hù)配置。

直流故障保護(hù)問題是直流電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，文獻(xiàn)[41]針對(duì)直流斷路器應(yīng)用于直流電網(wǎng)時(shí)的故障差異難以區(qū)分這一難題，提出了直流斷路器附加電感的直流電網(wǎng)故障保護(hù)策略及電感值的選取方法。由附加電感電壓和MMC直流側(cè)電壓組合的直流斷路器動(dòng)作判據(jù)，該判據(jù)參數(shù)由本地測(cè)量可得，具有不依賴異地信號(hào)實(shí)時(shí)通信的優(yōu)點(diǎn)。所提的故障保護(hù)策略具有一定的“選擇性”，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的直流電網(wǎng)具有良好的適應(yīng)性。

與傳統(tǒng)的交流配網(wǎng)相比，交流配網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)已經(jīng)成熟，柔性直流配網(wǎng)保護(hù)的研究停留在理論研究階段，缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，遠(yuǎn)未達(dá)到工程應(yīng)用要求，缺乏系統(tǒng)的保護(hù)體系。此外，還需考慮直流配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式和保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，在借鑒國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)直流配電系統(tǒng)的理論和工程應(yīng)用做深入的完善與推廣。我國(guó)的直流輸電工程多采用三取二冗余配置，當(dāng)一套保護(hù)故障時(shí)，剩下兩個(gè)通道自動(dòng)變成二取一。柔性直流配電技術(shù)保護(hù)配置應(yīng)在借鑒直流輸電技術(shù)的基礎(chǔ)上兼具速動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

3 繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

作為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，配電物聯(lián)網(wǎng)在直流配網(wǎng)中的主要應(yīng)用有:故障預(yù)警、故障處理和用戶服務(wù)。故障預(yù)警可根據(jù)配網(wǎng)設(shè)備故障前出現(xiàn)的早期信號(hào)，對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行快速定位；可根據(jù)配網(wǎng)電壓等級(jí)的差異，采用不同的故障處理模式；通過對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備電子標(biāo)簽和二維碼的自動(dòng)識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通。通過圖像智能識(shí)別及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，可提高信息的交互能力，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與歷史數(shù)據(jù)的融合。

模塊化多電平換流器作為柔性直流配電的關(guān)鍵設(shè)備，由于MMC中的子模塊數(shù)量眾多，造價(jià)昂貴，對(duì)橋臂電抗器、子模塊狀態(tài)的在線智能感知顯得尤為重要。文獻(xiàn)[42]利用輸電系統(tǒng)中已布置的傳感器，在不添加新的采集點(diǎn)條件下，針對(duì)傳感器采集橋臂數(shù)據(jù)存在的測(cè)量噪聲，引入卡爾曼濾波理論，在線性最小方差準(zhǔn)則下，建立MMC子模塊IGBT狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)信息的數(shù)學(xué)模型，可得到各子模塊IGBT的狀態(tài)參數(shù)。橋臂電抗器承受多頻電應(yīng)力，可利用高頻電磁波的折反射、軸向振動(dòng)特性的分布及其多頻損耗信息進(jìn)行匝間絕緣故障定位和電抗器絕緣狀態(tài)的感知。壓接型高壓IGBT可通過功率循環(huán)試驗(yàn)提取劣化特征量，通過結(jié)溫與功率二者的迭代關(guān)系實(shí)時(shí)獲取IGBT的結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的感知。具有自愈特性的金屬化膜型電容器，通過控制變量實(shí)時(shí)計(jì)算狀態(tài)特征參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的感知。研究小型化、便于安裝且造價(jià)低廉的新型傳感器以及對(duì)傳統(tǒng)傳感器原理的改進(jìn)也是主流的研究。對(duì)閥安裝新型傳感器，結(jié)合智能化終端技術(shù)可實(shí)現(xiàn)閥的設(shè)備全生命周期監(jiān)測(cè)和管理，有利于直流配網(wǎng)的精準(zhǔn)控制。

3.2 新一代人工智能技術(shù)

新一代的人工智能技術(shù)主要應(yīng)用在配電線路的多目標(biāo)監(jiān)測(cè)與缺陷識(shí)別、線路故障特征的提取、氣象災(zāi)害特征預(yù)警以及巡檢機(jī)器人等方面。文獻(xiàn)[43]介紹線路高阻接地故障時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法，從信號(hào)采集、特征提取以及分類器選取這三方面研究了人工智能在高阻接地故障識(shí)別上的應(yīng)用。

通過采用智能校核技術(shù)，可自動(dòng)分類直流配網(wǎng)線路故障時(shí)的真實(shí)故障數(shù)據(jù)和擾動(dòng)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過新一代人工智能技術(shù)的應(yīng)用，分析多源信息，還原事故過程，開展事故鏈的推演，實(shí)現(xiàn)事故全過程的復(fù)現(xiàn)，輔助保護(hù)人員查找保護(hù)死區(qū)、重疊區(qū)、不靈敏區(qū)、實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯的定向優(yōu)化。對(duì)線路故障案例進(jìn)行深度挖掘，建立故障電氣量信息庫(kù)，根據(jù)故障特征，無(wú)需監(jiān)督，提取故障信息，和故障信息庫(kù)對(duì)比，識(shí)別故障類型，從而“對(duì)癥下藥”。結(jié)合傳統(tǒng)的故障診斷模型，開發(fā)出基于“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)+模型驅(qū)動(dòng)”的新型故障診斷模型是配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的研究熱點(diǎn)[44]。

3.3 一體化通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著5G技術(shù)的提出[45-46]，一體化的通信方式必然打破傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邊界，研究新型的保護(hù)安全防護(hù)體系迫在眉睫。如圖6所示，目前，電力物聯(lián)網(wǎng)常見的通信方式主要有RS-232串口、以太網(wǎng)、載波通信、3G/4G/5G等。

圖6 電力物聯(lián)網(wǎng)的通信方式

作為一種新興通信方式的5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了配電物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部信息的綜合，使得云技術(shù)實(shí)現(xiàn)從中央到邊緣的變革，但大量的數(shù)據(jù)暴露在用戶側(cè)，更容易被入侵甚至攻擊，引發(fā)的安全技術(shù)不容小覷?？紤]多端直流配電系統(tǒng)中的故障特征和影響，建立合理的通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)兼具可靠性、經(jīng)濟(jì)性的直流配網(wǎng)保護(hù)配置方案，縮小故障影響區(qū)域、提高配網(wǎng)可靠性，是直流配網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)其邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵因素。在進(jìn)行保護(hù)配置時(shí)，需優(yōu)化不同區(qū)域保護(hù)之間的配合及保護(hù)定值，如直流母線、直流饋線、分布式電源等，以避免擴(kuò)大停電范圍。

基于包交換的通信容易擴(kuò)展、配置，也是保護(hù)控制通信發(fā)展的趨勢(shì)，但需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)整體規(guī)劃。保護(hù)與控制配合研究，開發(fā)廣域信息保護(hù)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的即插即用、并與管理機(jī)進(jìn)行交互；完成眾多信息的傳遞，已成為直流配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章主要對(duì)柔性直流配網(wǎng)繼電保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面的梳理和總結(jié)。首先論述了直流配網(wǎng)中故障形式與保護(hù)配置、故障電氣量特征與保護(hù)原理。最后探討了配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、新一代人工智能技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等在繼電保護(hù)技術(shù)中的發(fā)展趨勢(shì)。隨著5G等技術(shù)的提出，解決好速動(dòng)性和可靠性二者間的矛盾、致力于保護(hù)新原理開發(fā)有望成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，根據(jù)柔性直流配網(wǎng)規(guī)模、電源及負(fù)荷分布等情況,優(yōu)化保護(hù)配置、降低整體投資成本，也是需要深入研究的課題之一。