高压直流输电系统由于在输电距离、传输容量以及经济性上具有显著的优势，目前在跨区域电网间的互联与大容量远距离输电中获得广泛应用。换流器与直流输电线路是高压直流输电系统的核心元件，其故障特征和保护组成最具直流系统特征，与交流系统继电保护存在较明显的差异，对于整个直流输电系统的安全稳定运行具有重要的影响。本文以直流输电系统的换流器和直流输电线路这两个典型元件作为研究对象，针对直流保护普遍存在的动作行为不确定性、缺乏系统的整定计算方法及定量分析手段等问题开展研究。本文首先建立了面向直流保护的直流输电系统故障分析模型。针对换流器保护在换流器交流连接线故障时的动作行为存在不确定性的问题，研究了换流器保护各特征量的动态特性和动作判据，分析了交流连接线上故障位置、故障类型及系统运行方式对保护动作行为的影响，明确了换流器保护对交流连接线故障响应的规律，为换流器保护优化提供了依据。本文提出了基于保护特征量分析直流继电保护动作行为的方法。研究了直流线路保护特征量的动态特性，分析了故障条件（包括本极线路故障、对极线路故障、平波电抗器阀侧故障以及交流母线故障）、系统运行方式（包括单极大地方式、单极金属回线方式以及双极方式）和直流控制作用对直流线路故障暂态及保护特征量的影响规律，明确了直流线路各保护判据的动作边界、约束条件和功能定位，为直流线路保护优化与整定计算提供了依据。本文进一步提出了适用于直流线路各保护的统一整定计算方法，研究了保护装置采样率对直流线路保护整定影响的特殊问题，分析了直流线路各保护灵敏度系数影响因素与取值原则，有效解决了目前直流保护依据经验进行整定且缺乏有效的定量分析方法与手段的难题，将直流保护整定纳入到了电力系统继电保护整定的整体框架之中。基于以上理论，本文开发了直流线路保护整定计算程序，实现了直流线路保护的整定计算、定值校核、数据分析以及文档输出等功能。结合我国多个直流输电工程实际参数与保护配置进行了整定计算，验证了本文方法与程序的正确性与有效性。该整定计算程序已在实际直流输电工程中获得应用。本文工作得到国家高技术研究发展计划（“863”计划）（项目编号：2012AA050209）的资助，部分研究成果已经在电网运行部门的实际工作中得到应用，验证了本文工作的正确性和有效性，取得了良好的社会和经济效益。