能源短缺、气候变化逐渐成为世界性的难题,使得风能和太阳能等可再生能源的利用率迅速增长。然而伴随着可再生能源的开发,需要面临如何经济有效的收集、传输能源以及保证系统与大电网互联稳定性的挑战。高压直流输电系统凭借较大的传输容量和灵活的电源配置等优势,成为实现电网和可再生资源有效整合最经济的解决方案。随着直流系统输电容量及输送距离的不断增加,承担系统互联的直流传输线路面临安全可靠运行的挑战。传统的基于大功率晶闸管的电网换相换流器的直流系统在线路故障时存在换相失败的风险;基于电压源型转换器的高压直流输电具有较低的阻尼和惯性,这会导致线路故障期间故障电流迅速增加,造成换流站闭锁;此外由于直流输电线路运行环境复杂,及时定位和排除线路故障存在困难。为了提高直流系统安全可靠运行的能力,针对上述问题,本文将首先分析直流线路故障后的特征以及提供一种分析方法来了解现有直流线路保护存在的优缺点,其次提出灵敏可靠的高性能保护方案,使其不受限制于边界元件特性及背端系统结构,最后利用直流线路故障特征量开发直流线路故障测距方案。通过分析直流线路故障后的波动方程推导出行波表达式,对直流输电线路的典型故障特征进行了阐述。由于现有直流线路保护分析方法自适应性较差,无法全方面展现线路保护动作特性,本文提出一种利用时空特性分析保护性能的方法,该方法利用过渡电阻、故障距离以及动作时间实现不同保护方案的横向对比。利用PSCAD/EMTDC仿真系统建立多端直流输电系统,通过对典型的单端量保护、纵联保护以及系统级保护方案的仿真,体现出所提出的保护分析方法可以直观地体现方案优缺点,为优化保护方案提供依据。通过引入特勒根拟功率定理分析直流线路贝瑞隆模型的拓扑结构,得出直流线路区内故障和区外故障存在差异明显的拟功率数值,由此建立基于特勒根拟功率定理的直流线路纵联保护方案。通过构造双阈值的保护方案,有效保证在不影响区内故障灵敏性的情况下,克服区外故障时最大不平衡拟功率数值对保护方案的影响,并且利用理论推导确定阈值设定标准。最后利用PSCAD/EMTDC仿真系统建立多端直流输电系统进行大量仿真,验证了该保护方案具有较高的耐过渡电阻能力,不受故障位置及故障类型的影响,同时证明了该保护方案不受线路边界元件以及直流系统种类的影响,具有较高的适应性。通过理论推导出在区内故障时故障点处拟功率计算值表达式,利用贝瑞隆模型计算沿线电压、电流来获得拟功率基准值,利用计算值和基准值的匹配度来构建基于特勒根拟功率定理的故障测距方案。通过仿真验证了根据贝瑞隆模型得出的拟功率基准值具有较高精度,并且确定测距方案所采用的时间窗。最后利用PSCAD/EMTDC仿真系统验证了该测距方案在不同的过渡电阻、故障距离、故障类型下均具有较高测距精度,同时分析了采样频率以及线路参数对该方案测距精度的影响。