蔣 原 劉謹華 陳明軒

（1.北京科技大學a.自動化學院；b.工業(yè)過程知識自動化教育部重點實驗室；c.順德研究生院；2.三峽科技有限責任公司）

為了積極推進實現(xiàn)“雙碳”目標，2021 年3 月中央財經委員會上明確部署建設以新能源為主的新型電力系統(tǒng)。 目前，我國火力發(fā)電量在全國發(fā)電總量中仍占有很大比例，2021 年前三季度火力發(fā)電量占比為71.27%，可見能源產業(yè)結構亟需調整。

以風能、光伏等為代表的清潔能源配合大規(guī)模儲能電站的發(fā)電技術，具有傳變效率高、功率密度高、能量密度高及靈活可控等特點的電力電子電能變換技術，是構成新型電力系統(tǒng)的基本元素。 與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，新型電力系統(tǒng)最顯著的特點是直流電能和電力電子設備的比例大幅增加。 以上述兩方面技術為核心，采用基于電力電子設備的柔性直流輸電技術，既可以靈活消納大規(guī)模新能源， 又能與傳統(tǒng)交流電網有機融合，是構建未來電力系統(tǒng)的最有效方案［1～3］。但當系統(tǒng)中電力電子設備比例持續(xù)增加，會呈現(xiàn)支撐慣性低、阻尼弱等特點，此時一旦發(fā)生電氣故障，故障電流上升速度快且幅值遠超額定值，將對用戶用電的安全性、設備的使用壽命甚至整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來較大負面影響。

筆者將對柔性直流輸電中的故障分析及保護策略進行綜述，對當前該領域研究的熱點問題進行歸納總結。

1 柔性直流輸電的發(fā)展與特點

1.1 柔性直流輸電的發(fā)展歷史與故障特點

對于直流電網的電壓等級劃分， 目前尚無統(tǒng)一的國際標準。 基于傳輸容量和距離的考慮，目前我國高壓直流輸電網的電壓等級包括±500 kV、±660 kV、±800 kV 和±1 000 kV，中低壓直流配電網的電壓等級包括±10 kV、±1.5 kV、±750 V 和±375 V。 與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中需要電力變壓器聯(lián)接不同電壓等級交流母線的情況類似，直流電網中也需要通過直流變壓器實現(xiàn)不同電壓等級直流母線的聯(lián)結，同時直流電能還需要換流器接口實現(xiàn)與交流電網的功率交互。 直流變壓器和換流器都是電力電子變換器，隨著電壓等級和輸送容量的提高，基于兩電平技術的變換器需要通過串并聯(lián)實現(xiàn)均壓均流，開關器件的導通一致性問題難以解決。 2002 年，德國研究人員基于級聯(lián)子模塊的思想，提出基于模塊化結構的變流器——模塊化多電平變流器 （Modular Multilevel Converter，MMC），可以提高換流器的電壓和容量等級，解決了均壓均流問題。 目前MMC 已成為高壓柔性直流 輸 電 （Voltage Sourced Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）領域中最重要和最常見的變流器拓撲，應用場景包括集群式新能源發(fā)電、交直流電網融合、諧波抑制與電能質量管理、直流電力系統(tǒng)潮流控制等［4］。

出于輸送距離、電壓等級及建設成本等方面的考慮，架空線輸電是目前大容量電能傳輸?shù)闹匾绞?，柔性直流輸電原理如圖1 所示。 但架空線處于野外，其工作環(huán)境復雜、不確定性因素多，導致發(fā)生故障的概率很高。 因此，為保證電力系統(tǒng)長期工作的穩(wěn)定性，需要高可靠性的保護技術進行故障隔離。 與同步發(fā)電機有所不同，無論是基于MMC 或是VSC 換流的直流電力系統(tǒng)， 均存在慣性低、阻尼弱等特點，因此一旦直流側出現(xiàn)電流故障，各換流站均會迅速向故障點注入能量，導致故障電流快速上升且幅值較大， 從而對整個直流系統(tǒng)的安全帶來較大危害。 考慮到換流器中最常用的開關器件——絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）耐受短路電流的能力有限，當通過器件的電流大于保護閾值時，換流站應當立即閉鎖。 但閉鎖后續(xù)流二極管將構成不控整流回路， 交流側仍可以向故障點注入能量。可見僅依靠橋臂閉鎖并不能完全清除故障，必須采取其他形式的快速隔離措施［5，6］。

圖1 柔性直流輸電原理

1.2 柔性直流輸電故障保護的要求與難點

柔性直流輸電是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，其故障保護既有傳統(tǒng)繼電保護“四性”（可靠性、選擇性、速動性和靈敏性）的基本要求，又有直流系統(tǒng)運行特點帶來的新技術要求。

可靠性是對傳統(tǒng)繼電保護裝置的基本要求，其內涵包括“不誤動”和“不拒動”兩層意義。 影響可靠性的主要因素是干擾， 如測量信號的噪聲、雷擊等。 根據(jù)直流系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，直流架空線路的故障絕大部分是瞬時性故障，如果在故障切除后對線路進行自動重合閘控制，可以極大地提高電能傳輸?shù)目煽啃浴?而如果缺少對故障性質的識別，使重合閘發(fā)生永久性故障，則會對直流系統(tǒng)造成二次沖擊。 但是直流系統(tǒng)慣性小，故障電流上升速度快、暫態(tài)量豐富，使得故障性質判斷難度加大，基于故障識別的直流系統(tǒng)自適應重合閘是一個技術難點。 對直流電網進行保護的最佳方案是利用直流斷路器實現(xiàn)故障點的物理隔離，技術難點是直流電源沒有電流自然過零點，無法應用交流開關的滅弧技術，直流系統(tǒng)直接開斷時會出現(xiàn)電弧，降低故障保護動作的可靠性和靈敏性［7，8］。

選擇性保護應遵循停電影響最小化的原則，即確保在最小區(qū)域內將故障區(qū)域切除，以最大限度地保證未發(fā)生故障的部分仍然繼續(xù)正常供電。在交流系統(tǒng)中，常根據(jù)故障信號的穩(wěn)態(tài)值，利用保護上、下級線路的延時配合實現(xiàn)選擇。 但直流電網故障受系統(tǒng)運行方式、過渡電阻等因素影響大， 特征復雜且過渡過程信號暫態(tài)分量變化劇烈，因此傳統(tǒng)的繼電保護方法難以準確定位。 直流電網發(fā)生故障后，電路結構和參數(shù)決定了其故障回路呈現(xiàn)低阻尼、低慣性的特點，導致故障電流上升速度快。 為保證電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和電力電子器件的安全，一般要求短時間內完成故障切除， 因此可供利用的故障信息數(shù)據(jù)窗非常短。以張北柔性直流電網示范工程為例（電壓等級±500 kV），設計要求故障發(fā)生時，故障切除的總動作時間應小于6 ms，這加大了對保護的速動性和靈敏性要求的難度［5，9，10］。

2 柔性直流輸電的故障特性研究

2.1 柔性直流輸電中的故障類型

極間短路發(fā)生時，短路電流瞬間可達額定電流的上百倍，是VSC 型直流電力系統(tǒng)中最嚴重的故障形式，其等效電路如圖2 所示。 如前所述，當短路故障發(fā)生時， 流過IGBT 橋臂的電流迅速上升，換流器將閉鎖IGBT。 與此同時，直流側電容將向故障點釋放存儲的電能，表現(xiàn)為短路電流上升，直流母線電壓下降；當母線電壓下降為零時，由于直流側大電感的續(xù)流效應，VSC 換流器中各橋臂的反并聯(lián)二極管將開始導通，使換流器工作于不控整流模式；之后交流側能量開始穩(wěn)定注入故障點。 綜上，根據(jù)故障發(fā)生后直流側電流電壓的變化過程及注入故障點能量來源的不同，極間短路故障過程可描述為3 個階段：直流側電容放電階段、換流器二極管續(xù)流階段和交流側電流注入階段，即“電容放電”、“電網饋入”和“穩(wěn)定狀態(tài)”3 個過程。 如果故障的過渡電阻較大，極間短路時僅發(fā)生RLC 振蕩；反之，過渡電阻較小，除振蕩過程外，極間短路還包括電感續(xù)流過程。 直流側的額定電流、電容、電感值，換流器的二極管參數(shù)、子模塊數(shù)量及聯(lián)接方式等因素都與極間短路故障的發(fā)展關系密切［11，12］。

圖2 極間短路故障的等效電路

在基于VSC 換流器的直流系統(tǒng)中，單極接地是低壓側最常見的故障形式，等效電路如圖3 所示。 其特點是故障發(fā)生時，直流側電容的中性點與故障點等電位。 對于真雙極運行方式下的單極接地故障，受過渡電阻值Rf的影響，故障過程將呈現(xiàn)不同的特性：欠阻尼系統(tǒng)中的故障經歷振蕩放電和二極管續(xù)流兩個過程；過阻尼系統(tǒng)中僅有振蕩放電過程。 對于偽雙極運行方式下的單極接地故障，由于反并聯(lián)二極管不導通，只有振蕩階段［13］。

圖3 單極接地故障的等效電路

2.2 柔性直流輸電中的故障建模

柔性直流輸電最大的優(yōu)點是能廣泛融合多種能源形式轉換得到的電能，但其直流側的故障保護是其發(fā)展的瓶頸問題。 對于交流電力系統(tǒng)的故障，一般用電路的穩(wěn)態(tài)模型分析，可簡化為二階微分方程，故障全電流為正弦交流分量和衰減的直流分量的疊加。 而對于直流電力系統(tǒng)，出于快速保護的考慮，只能利用暫態(tài)量。 由于直流電力系統(tǒng)的換流站由大量電力電子設備組成，呈現(xiàn)出高度非線性的特點，因此無法得到故障暫態(tài)全過程的數(shù)學解析結果。 只能采取分段處理的研究方法， 在一定條件下對故障電路進行線性化等效，降低復雜程度，然而大電容系統(tǒng)線性化結果通常為高次微分方程， 精確解析解仍然很難獲得，需要通過數(shù)值方法求解。 雖然這樣會給直流電網的故障分析帶來誤差，但一方面線性化等效具有很強的工程實用性，另一方面通過狀態(tài)空間變換［14］、改進的卡爾曼濾波［15］等數(shù)學處理可彌補這一固有缺陷，因此線性化等效仍是目前使用頻率最高的故障電流建模方法。

當MMC 換流器的直流側發(fā)生故障時， 橋臂子模塊中電容的放電過程貢獻了主要的短路電流，因此分析故障過程應首先確定電路的等效放電電容模型，這對直流短路故障電流的暫態(tài)分析具有重要的理論和實際應用意義。 針對此類問題，文獻［16］研究了MMC 發(fā)生短路故障之后、換流站閉鎖之前的故障電流發(fā)展過程，利用均值等效的分析方法，得到短路電流和直流側等效放電電容的數(shù)學解析式，并討論了調制比和故障發(fā)生時刻對電路等效模型的影響。 依據(jù)直流電力系統(tǒng)參數(shù)的特點，文獻［17］簡化了MMC 換流站閉鎖之前的模型，該模型可以準確預測短路電流的發(fā)展走向，為直流電力系統(tǒng)繼電保護裝置的參數(shù)整定和斷路器型號的選取提供了實用的參考依據(jù)。對于雙端直流系統(tǒng)，大多數(shù)的研究認為故障點兩側的系統(tǒng)在故障點處解耦，但該假設的前提是系統(tǒng)發(fā)生了金屬性故障，而對于帶有過渡電阻性質的非金屬性故障不適用。 文獻［18］建立了適用于環(huán)網型直流電力系統(tǒng)的高頻等效電路模型，可用于分析系統(tǒng)故障發(fā)生初始階段的電流發(fā)展過程。文獻［19］分析了換流器內部的IGBT 是否閉鎖對直流側發(fā)生極間短路和單極接地故障的影響。 研究表明，系統(tǒng)發(fā)生極間短路故障時，換流器閉鎖會引起穩(wěn)態(tài)電壓和故障電流增大；發(fā)生單極接故障地時， 換流器不閉鎖將引起直流側電壓非對稱，進而導致交流側電流偏置。

對于交直流混合配電網，發(fā)生極間短路故障后，直流（交流）側故障會對交流（直流）側電氣量產生影響，但目前還缺乏一種具備較強普適性的定量分析方法。 文獻［20］分析了直流電網發(fā)生極間短路故障后交流系統(tǒng)對故障電流的貢獻，研究表明交流側提供的短路電流快速達到峰值后會逐漸衰減，穩(wěn)態(tài)時換流站進入不控整流模式。 與故障區(qū)域相連的交流系統(tǒng)與始端的短路電流大小關系密切，而未與故障區(qū)域相連的交流系統(tǒng)與末端的短路電流大小關系密切。 文獻［21］提出了交直流混合系統(tǒng)序分量網絡模型，其中“正序網絡”反映了交流系統(tǒng)中正序分量與直流系統(tǒng)中直流分量的映射關系，其中，“負序網絡”反映了交流系統(tǒng)中負序分量與直流系統(tǒng)中二次諧波分量的映射關系；“零序網絡”反映了交流系統(tǒng)中零序分量與直流系統(tǒng)中工頻分量的映射關系。

3 柔性直流輸電的故障保護方案

3.1 柔性直流輸電的保護方法

當前主流的柔性直流輸電保護方法有電壓（電流）保護法、縱聯(lián)差動保護法、行波保護法、邊界暫態(tài)量保護法及基于智能算法的保護法等。 其中行波保護和欠壓保護通常作為系統(tǒng)的主保護，因為這兩種方法具有反應速度快、受分布電容的影響小等優(yōu)點［22］。 行波保護法雖然在高壓直流輸電網絡中得到了廣泛的實際應用， 但尚有不足：一是解決近端死區(qū)問題時的選擇性和可靠性不強，即無法精確甄別區(qū)內的末端和區(qū)外的首端故障，由此導致誤動作；二是當發(fā)生長線路故障時，無法同時保證保護動作的速動性和耐受過渡電阻的能力［23］。 為了解決這一問題，根據(jù)縱聯(lián)電流差動保護對高阻接地故障靈敏性強的特點，可以將縱聯(lián)電流差動保護與行波保護配合使用。 但為了躲開電流暫態(tài)過程的影響，通常需要設置長延時，這將無法滿足保護直流電力系統(tǒng)的速動性要求，因此電流差動保護一般只作為系統(tǒng)的后備保護使用。 對于基于邊界條件的保護法，其原理是利用電路中的電感或濾波器等元件組成保護的邊界條件，從而實現(xiàn)全線路段的速動，但該方法不適用于保護區(qū)域無明顯邊界條件的情況［24，25］?？梢娪捎诠收系臅r變和非線性，以及運行現(xiàn)場的電磁環(huán)境復雜，導致提取故障特征困難，現(xiàn)有的直流電網保護方案很難完全濾除噪聲干擾、線路分布電容、網絡通信延時以及故障過渡電阻等因素對保護輸出結果的影響。

為了提高故障發(fā)生時保護的成功率，進而減小換相失敗對整個系統(tǒng)產生的能量沖擊，當柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時，首先需要根據(jù)電氣量對故障的特征進行識別，然后再針對不同的故障選擇對應的繼電保護方法。 文獻［26］研究了柔性直流配電網中區(qū)內和區(qū)外故障的特征，對短路全電流的幅值、相位、暫態(tài)特性進行綜合評價，采用假設檢驗方法分析故障發(fā)生后直流線路兩側電流的相關性，由此構造保護動作的判據(jù)，并提出基于故障全電流相關性t檢驗的柔性直流配電網縱聯(lián)保護方法。 該方法具有較強的魯棒性，提高了故障判別的可靠性和快速性。 針對差動保護對區(qū)內故障響應速度慢的技術難點，文獻［27］提出一種可分辨出故障極的保護方案。 其原理是使用低通濾波器對直流線路兩端的測量電壓和測量電流進行濾波， 使用線路電壓計算分布電容電流，再用差動電流分辨故障極。 隨著智能算法技術的快速發(fā)展，基于智能算法的保護對直流電網的保護也產生了重要影響。 與傳統(tǒng)的行波、邊界暫態(tài)量保護等方法中的整定值判別方式相比，基于智能算法的保護無需明確的整定值，通過數(shù)據(jù)驅動方式，提取和放大故障的隱含特征，就能夠有效地避免過渡電阻、 故障位置等因素的影響。文獻［28］提出一種基于小波多分辨分解和支持向量機（Support Vector Machine，SVM）的柔性直流系統(tǒng)單端保護方法，利用小波分解計算出故障電流在各頻率段的能量比例， 以此構成特征向量， 然后通過數(shù)據(jù)訓練的SVM 模型識別故障類型。 該方法僅利用單端測量電氣量即可區(qū)分區(qū)內和區(qū)外故障，且對復雜工況下的故障也可進行較準確的識別。

3.2 柔性直流輸電的自動重合閘

對于電力系統(tǒng)而言，線路故障通常具有單相（單極）和瞬時性的特點，以某年我國高壓輸電線路故障交流電力系統(tǒng)為例，故障的類型、發(fā)生次數(shù)和百分比見表1， 其中瞬時性故障占比達到了90%以上。進一步統(tǒng)計的結果表明，輸電線路故障的重合閘成功率為60%以上，且重合閘成功率與電壓等級正相關。

目標函數(shù)值的權矩陣Q中包含了未知目標的真實位置和速度,因而是未知的。為求出權矩陣,需要得到位置和速度的初始估計值初始估計的求解參考文獻[10]中的第1步。將位置和速度的初始估計值代入Q中,進而得到Q的估計值,記為由此,可以得到上述WLS問題的近似問題:

表1 某年我國高壓輸電線路故障統(tǒng)計結果

大量實踐證明，自動重合閘是目前提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和保證供電連續(xù)最實用、最有效的方法［29，30］。 根據(jù)自動重合閘技術在交流電力系統(tǒng)中被廣泛采用的成功經驗，國內外學者也提出了直流電網的自動重合閘方法，文獻［31］針對半橋型MMC 的換流站， 建立了等效電路并推導出故障電流方程，提出一種重啟故障線路的控制方法，可使直流電力系統(tǒng)快速穩(wěn)定地穿越極間短路故障區(qū)間， 自動重合閘100 ms 之后各換流站即可恢復穩(wěn)定狀態(tài)。 但線路若自動重合在永久性故障，則會對電網中的一次和二次設備產生過電流沖擊甚至破壞。 針對這一問題的研究，文獻［32］提出一種注入主動信號的直流故障自適應重合閘控制策略， 在MMC 換流器的控制器中加入判別功能，即跳閘后向電力系統(tǒng)主動發(fā)送特征信號以辨識是否為永久性故障， 可實現(xiàn)自適應重合閘。 為了提高自動重合閘成功率，需要先判斷故障性質，但在直流系統(tǒng)中非故障極與故障極弱耦合，使得預判故障性質的準確率降低，為此文獻［33］對直流系統(tǒng)的故障極注入擾動特征信號，可實現(xiàn)自適應重合閘。

4 柔性直流輸電的故障定位研究

故障定位是電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置的重要功能，尤其對實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)自動控制與保護更為重要。 當線路的某位置發(fā)生故障，如果不進行故障定位，位于變電站的出口斷路器就會跳閘， 整條線路所帶的負荷全部停電，將極大地影響供電的可靠性。 同時全線停電給故障的排查造成了很大的難度，巡線人員不得不巡視線路的每一處， 不僅耗費大量人力物力，而且延長了停電時間。 采用故障定位技術，可以準確確定故障區(qū)段并完成隔離工作（圖4），具有重大意義。

圖4 直流電網故障定位原理

4.1 傳統(tǒng)電網的故障定位方法簡介

傳統(tǒng)的交流電網故障定位技術主要包括距離法、行波法、基于重合器和分段器的方法、信號注入法及廣域通信法等［34］。

距離法和行波法一般應用于輸電線路的故障定位。

距離法又稱為阻抗法，其原理是當故障發(fā)生時，利用測量點處的電壓、電流推算等效阻抗，進而得到故障距離，但受過渡電阻、線路分支等因素的影響，阻抗法的定位結果中易出現(xiàn)“偽”故障點。

行波法故障定位的原理是根據(jù)測量點處故障電壓和電流行波的傳播時間確定故障位置；但在配電網中，線路結構復雜且分支多，當在多個位置安裝行波保護設備時，不僅成本增加，而且由于難以實現(xiàn)多源信息的精確同步，故障的定位精度一般。

配電網系統(tǒng)中的重合器和分段器定位方法，其優(yōu)點是不需要通信，但重合器定位劃分的區(qū)域少，無法實現(xiàn)將故障隔離在較小范圍內，而分段器定位和隔離的時間較長，且必須依賴于二次重合閘。

信號注入法的基本原理是在故障線路的首端注入特征信號，利用特征信號的反射時間來判斷故障的位置。 根據(jù)注入信號的性質，可分為交流法、直流法和脈沖法。 線路分布電容、故障距離、過渡電阻值等因素對交流法的定位結果影響大；直流法和脈沖法需要重復多次注入信號和檢測，致使定位效率低、可靠性差，并對系統(tǒng)中正常運行的一次設備產生干擾。

4.2 柔性直流輸電的故障定位

對于柔性直流系統(tǒng)故障定位的研究雖然是當前的熱點問題，但暫無成熟的理論體系和技術方法。

行波法分為單端測距法和雙端測距法，多用于長距離高壓直流輸電網絡的故障定位，采樣頻率一般在500 kHz 以上。 單端測距法是根據(jù)行波在故障發(fā)生點與邊界間的折反射原理，利用測量點處兩次行波到達的時間差推算故障發(fā)生位置，二次行波波頭的捕捉是該技術的難點，其定位結果易受過渡電阻和線路分布電容的影響。 雙端測距法則是根據(jù)兩側測量點初始行波到達的時間差推算故障發(fā)生位置，時間同步是該技術的難點［38，39］。 根據(jù)行波定位法的原理衍生出的自然頻率法目前也被用于直流電力系統(tǒng)的故障定位，但其結果受過渡電阻和線路分布電容的影響也較大［40］。 考慮到電流差動保護具有良好的選擇性，而且能夠靈敏、 快速地識別區(qū)內故障的特點，文獻［41］提出融合行波保護和電流差動保護方案，對行波是很好的補充和后備。

針對短距離柔性直流輸電網絡的故障定位問題，多采用基于暫態(tài)量反演的推算方法。 定位原理是首先計算得到線路中電壓和電流的暫態(tài)量分布，根據(jù)故障點處過渡電阻的阻抗角最小和電壓最低原則，推算故障點的位置。 該方法對線路建模準確性的要求較高，同時對線路故障后交流側注入的短路電流比較敏感［42，43］。 為了解決這一問題，文獻［44］提出一種基于小波分解和時間反轉的故障定位方法，對柔性直流輸電線路兩端的故障電流進行小波分解，提取有效信息后將暫態(tài)量以時間軸為鏡像反轉，再利用反轉后的電流計算得到故障點，結果表明過渡電阻和故障類型對該方法定位準確性的影響較小。 為解決低頻采樣條件下柔性直流電網故障定位不準確的問題，文獻［45］提出一種基于電流突變量以確定故障位置的方法。 文獻［46］利用二階網絡的零輸入響應特性，實現(xiàn)了直流電網極間短路和單極接地故障的快速定位。

柔性直流輸電系統(tǒng)中， 除了線路故障定位，換流器的故障定位也是一個重要的研究內容。 目前在換流器內部故障定位的研究方面，有兩類問題尚未解決：一是現(xiàn)有的定位方法利用的是故障發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)電氣量，并未計及故障電氣量在保護的作用下快速變化或已被清除的可能性，由此導致定位結果的可靠性不高；二是未能考慮換流器區(qū)外故障對區(qū)內保護的影響［47］。

針對現(xiàn)有直流電力系統(tǒng)故障定位方法存在閾值選取困難、對高阻故障接地靈敏性低、故障選極、 功能不完善且檢測時間長等技術問題，近年來又出現(xiàn)了依據(jù)人工智能算法的故障定位技術，利用狀態(tài)逼近和優(yōu)化理論對故障數(shù)據(jù)進行建模和判別，研究結果表明此類方法的通用性和容錯性較好。 文獻［48］根據(jù)配電網的物理結構和故障后的電氣量信息形成狀態(tài)評價函數(shù)，利用尋優(yōu)算法定位故障點， 但該方法在進行大規(guī)模計算時，存在計算效率低的問題。 基于相同的思路，文獻［49］采用蟻群算法對上述評價函數(shù)進行尋優(yōu)求解，增強了算法的魯棒性，但仍存在收斂速度慢和易陷入局部最優(yōu)解的問題。 文獻［50］提出基于人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）的柔性直流電網架空線的快速故障定位方法，該方法采用快速傅里葉變換分析暫態(tài)電壓的頻率特性以及小波變換和相模變換提取故障特征量，根據(jù)ANN 的輸出結果實現(xiàn)母線與線路的故障定位。 筆者在文獻［51］中提出一種基于電流、電流變化率等特征的BP 神經網絡模型的實時故障定位方法，該保護方案可以有效、準確、快速地定位故障，并利用直流斷路器和反時限過流保護隔離故障區(qū)域， 有利于提高直流電網運行的可靠性。針對BP 神經網絡單次判斷結果存在隨機性的問題， 相關學者又對簡單的BP 神經網絡算法進行了改進，文獻［52］中提出融合D-S 證據(jù)融合理論的直流電網故障定位與診斷方法， 顯著改進了BP 神經網絡分類結果的波動性，根據(jù)仿真結果，其最快故障檢測速度達到0.3 ms。 目前，基于人工智能算法的故障定位技術最顯著的問題是數(shù)據(jù)量過大，在線計算的實時性制約了其應用。

5 結論與展望

針對柔性直流輸電中的故障分析及保護策略這一研究熱點，筆者系統(tǒng)地分析了繼電保護要求、故障類型、建模方法、保護方案積極故障定位等關鍵技術問題，得出以下結論：

a. 柔性直流輸電技術對保護的可靠性、選擇性、速動性和靈敏性要求高，由于電路形式和系統(tǒng)特性發(fā)生較大變化，現(xiàn)有的成熟的交流繼電保護方案在直流并電網中不完全適用，同時交直流混合技術將大量應用于電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，因此后續(xù)的研究中，應注重交直流保護技術的融合發(fā)展。

b. 單極接地故障是柔性直流電網中最常見的故障，極間短路故障是VSC 型直流電網中最嚴重的故障，由于換流器的模型具有高度非線性的特點， 無法求得直流故障暫態(tài)過程的解析解，目前的處理方法是在特定條件下對電路做線性化處理，模型等效性一般。 針對這一難題，在后續(xù)研究中，可嘗試轉變研究思路，由建模的思想轉變?yōu)榉治龉收蠑?shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中尋求故障特征。

c. 目前柔性直流輸電中的故障保護方法較多，但對于每種方法各自的優(yōu)缺點尚無同時滿足“四性”要求的理想保護方法；后續(xù)研究中，可嘗試多種方案構成主保護并與后備保護進行時間和整定值配合，形成較完善的直流電力系統(tǒng)繼電保護方案。

d. 隨著大數(shù)據(jù)和人工智能算法的快速發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅動的故障定位方法必將在柔性直流輸電的故障定位和保護中發(fā)揮重要作用，但目前該方法僅停留在仿真階段；后續(xù)研究中，可嘗試將基于數(shù)據(jù)驅動的定位方法在實際直流電網中進行實驗驗證，因此算法的實時性、可靠性等問題值得深入研究。