随着全球化石能源的严重紧缺和环境污染问题的日益严重,越来越多的国家开始致力于可再生能源的开发和能源结构的调整优化。我国地域辽阔,且可再生能源基地与负荷需求呈逆向分布,基于架空线的柔性直流电网是实现大规模可再生能源远距离输送的有效解决方案。架空线的应用会导致直流线路故障概率大幅增加,完善、可靠的直流线路保护方案对于柔性直流电网的安全、稳定运行至关重要。论文在智能电网联合基金和国家自然科学基金等项目的资助下,分析了柔性直流电网线路保护的性能要求,梳理总结了实际运行和现有研究中的直流线路保护存在的问题,揭示了柔性直流输电系统的故障特性,并在此基础上提出了在线估计判据极值的直流线路距离保护、应对出口故障的直流线路距离保护和基于电容电流分段补偿的直流线路纵联电流差动保护,构建了柔性直流电网线路保护新方案。主要研究工作包括:柔性直流系统的故障特性研究是提出柔性直流线路保护新原理的基础。分析了直流线路电压的时空分布特性,提出了线路分布电压的线性拟合方法,并讨论了线性拟合误差与低通滤波器截止频率、被拟合线路长度的相关性。推导了双端柔性直流系统直流线路短路故障后换流站等值电容暂态电压的解析式,揭示了故障后短时间内换流站等值电容暂态电压保持故障前极性不变的特征。在柔性直流电网中建立了数值分析模型,对换流站等值电容暂态电压进行计算。通过数字仿真对直流线路电压的时空分布特性和换流站等值电容暂态电压的故障特性进行了分析和验证。所得结论为研究提出柔性直流电网线路保护新原理提供了重要的理论支撑。运行中的直流线路保护原理单一、可靠性差,主保护所依赖的故障特征持续时间极短、整定依赖于仿真,且主后备保护之间较长的时间间隔内缺乏响应故障的保护原理。距离保护不需要通信通道、能长时间投入、整定依据明确。针对这一问题,论文基于直流线路电压的时空分布特性,分析了线路区内外故障时补偿电压与测量电压的极性关系,提出了利用补偿电压与测量电压的比值“压比”判别故障的距离保护方法。针对直流线路距离保护动作速度较慢的问题,提出了距离保护的分段方法以兼顾其在近区故障的速动性和远端故障的选择性。针对直流线路参数误差和频变特性会造成距离保护误动的问题,提出了在线路参数取值范围内对压比最大值进行在线估计的方法。数字仿真结果表明,所提在线估计判据极值的距离保护原理能快速响应直流线路非出口短路故障。现有研究中的直流线路距离保护以及在线估计判据极值的距离保护原理均难以对直流线路出口近区故障进行判别。针对这一问题,论文分析了直流线路出口近区短路故障时补偿电压与换流站等值电容暂态电压的极性关系,结合换流站等值电容暂态电压故障特性的分析结果,并考虑线路参数误差和频变特性的影响,提出了利用故障后一定时间段内补偿电压极值的极性判别故障的距离保护方法。将此保护与在线估计判据极值的距离保护结合,构成了直流线路距离保护整体方案。通过在线估计判据极值的距离保护判别非出口短路故障,通过应对出口故障的距离保护判别出口近区短路故障。数字仿真结果表明,所提直流线路距离保护整体方案能快速响应直流线路出口故障和非出口故障。直流线路电流差动保护可长期投入、能持续反应故障且耐过渡电阻能力强。针对实际运行中的差动保护动作速度慢、现有研究中应对分布电容电流的方法有待改进的问题,论文基于直流线路电压的时空分布特性,提出了沿线分布电容电流的分段补偿方法,以兼顾保护动作速度和分布电容电流的补偿精度。针对线路两侧同步误差会造成电流差动保护误动的问题,提出了基于波形匹配的同步误差识别方法。通过对故障启动前后基于线路两侧保护信息推算出来的补偿点电流进行波形匹配,计算线路两侧的同步误差,以降低保护对时钟同步的依赖性。数字仿真结果表明,所提电流差动保护原理可快速、可靠地辨识区内、外故障,不受同步误差影响。针对现有直流线路保护方案存在的问题,结合上述直流线路保护新原理,提出了一种柔性直流电网线路保护新方案。在保留现有行波保护和微分欠压保护的基础上,引入了在线估计判据极值的距离保护和应对出口故障的距离保护,丰富了方案中单端量保护的配置,使其具备了基于单端信息长期反映故障的能力,配置了基于电容电流分段补偿的直流线路电流差动保护,使方案中具备了一种基于双端量、可长期投入、能持续反应故障且耐过渡电阻能力强的保护。数字仿真结果表明,在不考虑现阶段直流断路器开断能力限制的情况下,柔性直流电网线路保护新方案可在换流站闭锁前清除故障。通过动态模拟试验,对柔性直流电网线路保护新原理和新方案进行了验证。