一种海上风电场柔直送出线单端保护方案

吕俊超 丁志远 傅琪雯

一种海上风电场柔直送出线单端保护方案

吕俊超1丁志远2傅琪雯2

（1. 国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司，江苏 淮安 223002； 2. 国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏 常州 213004）

远海、大容量的海上风电场需要通过高压柔性直流系统并入大陆交流主网，柔直线路运行于海底，故障率高，需要配置快速、可靠的直流线路保护。目前，已实际应用于柔直工程的单端行波保护的暂态量幅值在高阻故障场景下会明显降低，其保护性能有进一步提升的空间。故障行波在传播过程中经过限流电抗，行波幅值变化受到抑制导致行波波形具有平滑特征，而区内故障下故障行波波形较曲折，突变明显。根据此特征，本文提出一种基于主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）的柔性直流线路单端保护方法，经仿真实验表明，该保护方法具有较好的耐过渡电阻及抗干扰能力。

海上风电场；柔性直流（VSC-HVDC）；主成分分析（PCA）；支持向量机（SVM）；保护

0 引言

随着传统能源的日益枯竭及环境问题的恶化，发展新能源已成为世界各国的普遍共识[1-2]。得益于新材料、新技术的发展进步，风力发电在世界范围内获得快速发展和广泛应用。与陆上风电相比，海上风电具有风资源充裕、单机容量大、距离负荷中心近等优点，更适合规模化集中开发。

海上风电的并网消纳是建设大型海上风电场站需要解决的重点问题，采用全控型电力电子器件的柔性直流技术相比于高压直流技术，具有无换相失败、有功及无功功率独立控制、实时跟踪功率、满足一点对多点传输的优点，能够实现可再生能源可靠并网，解决了传统高压直流因新能源发电频率稳定性低而存在脱网的问题[3-4]。对于离岸距离超过70km的远海风电场，一般采用柔性直流输电系统与大陆交流主网完成互联，风电场柔直送出线运行于海底，工作环境复杂、故障率高，且海底电缆的维修难度大[5]。因此，需要在柔直线路发生故障后快速切除故障点，以控制故障范围和设备损坏程度。

柔直线路的主保护需在2ms内完成故障的检测和类型辨别，为满足保护的快速性和可靠性需求，行波保护是目前柔直线路的主保护。文献[6-7]分别采用希尔伯特-黄及S变换对高频量进行提取，避免了小波基选取困难的问题，所构造的单端保护能够较好地识别区内外故障特性，但是对信号采样率要求较高，最高可达1MHz，而现有工程中实际采样率不高于100kHz。文献[8]指出区内外故障行波首个波峰至波谷阶段所耗时间存在差异且不受过渡电阻影响，但并未对抗干扰能力进行验证。文献[9-10]指出区外故障下线路两端行波波形曲线相似，并采用Hausdorff及动态时间规整（dynamic time warping, DTW）算法对其进行相似性计算，此类方法计算简单且能够满足实际工程采样率要求，但对通信传输数据正确率有较高要求。2005年，天广直流发生线路高阻接地故障，直流线路主保护由于不满足保护判据定值而拒动。2009年，兴安直流发生直流线路高阻接地故障，但是由于直流线路保护拒动而最终导致直流系统闭锁。2012年，广东500kV砚都站发生故障，导致与其连接的高肇直流线路主保护误动作。综上所述，当前直流线路保护的灵敏性和可靠性仍有提升空间。

为满足实际工程采样率要求并避免通信设备带来的数据缺失问题，本文将采样率设置为10kHz，采用主成分分析（principal component analysis, PCA）降维技术对单端保护检测单元收集的区内外故障样本进行特征提取，再经支持向量机（support vector machine, SVM）训练即可得到故障判据算式。实验数据表明，该方法具有较好的耐过渡电阻能力及抗干扰能力，且训练样本数量无需过千。

1 区内外故障行波波形分析

根据行波传输定理可知，当线路发生故障时，故障行波由故障点向线路两侧进行传播[11]，本文定义由母线指向线路方向的行波为前行波，反之为反行波。故障行波传播示意图如图1所示。

图1中，相对于左侧保护检测单元M，fb为故障电压反行波，fq为故障电压前行波。行波线模量的频变特性小、可靠性高，且能表征接地、极间两类故障，因此行波保护中通常采用线模量进行区内外故障分析。

区内外故障行波波形如图2所示。当发生区内故障时，保护检测单元M测得的行波线模量仅受线路影响，其波形如图2（a）所示，其中故障发生在=0时刻。

图2 区内外故障行波波形

由图2（a）可以看出，保护检测单元M处测得的不同故障位置的行波波形存在相位差，这是由于不同故障处的故障行波传递到测量点存在时差。此外，当发生区内故障时，行波线模量波形较为曲折，且幅值在短时间内跌落很快。由图2（b）可知，区外故障场景下，保护检测单元M处测得的行波线模量波形较为平滑，这是由于限流电抗器对行波具有缓冲作用。

综上所述，受电抗器形成的边界效应影响，区内、区外故障场景下测点处的行波线模量波形存在巨大差异，可基于此特征实现区内外故障判别。

2 基于波形特征的保护方案设计

2.1 故障波形特征提取

PCA是一种通过对数据特征进行降维提取，进而实现同类型数据集聚类的数学统计处理方法[12]，可实现多数据集去杂化。设有个数据集列向量1～，每个列向量包含个数据，将这个列向量整合为矩阵×m，可将矩阵看作含有个样本，每个样本具有个特征量，利用PCA对其进行特征提取，具体步骤如下：

1）为了减少异常值和噪声对原始数据集的干扰，对数据集列向量1～进行零均值化处理，有

式中，为实现零均值化后的第个数据集列向量。由此得到×阶的新样本矩阵。

2）将样本矩阵与其自身转置矩阵相乘得到协方差矩阵，则有

式中，矩阵对角线上的元素c代表样本矩阵中第个特征量的方差值，非对角线上的元素则代表不同特征量之间的方差值。方差的大小能够体现原始数据与期望数值的偏差程度，为了体现不同样本同种特征量之间的差异，应使非对角线上元素值为0。

3）将协方差矩阵对角化，求解其特征值与对应的特征向量，并按照特征值从大到小排列得到特征向量矩阵。

4）为了进行可视化分析并保留最多特征量，通常选取前3个特征值对应的特征向量3×n，这三个特征值也称为主成分，即能够凸显数据集特征的主要分量。令3×n与样本矩阵相乘得

2.2 区内外故障判据

SVM拥有良好的监督学习能力，能够在两种不同类型的数据集之间寻找合理划分区域的超平 面[13]。SVM模型二维示意图如图3所示。

图3 SVM模型二维示意图

式中，为对数据类型所属区域的标记。

为使超平面能够最大程度地区分两类数据集，应最大化支持向量到超平面的距离。将二维空间下的SVM模型推广至（＞2）维，设有个数据集，令其以列向量的形式排列成矩阵×m，结合式（5）和式（6），以上分析可转化为对式（7）的优化求解问题。

本文采用序列最小优化算法（sequential minimum optimization, SMO）[14]对式（7）进行求解得到超平面方程参数。

2.3 启动判据

行波的传播需要时间，保护检测单元无法在故障时刻立刻检测到故障发生，而电压电气量能够对故障做出快速响应。

本文采用电压梯度法计算电压变化量，从而实现对线路故障的快速检测，相应的保护启动判据为

该方法增加了离散梯度算法中的样本量，减少了受噪声影响的电压值对梯度算子的影响，具有一定的抗干扰能力，并且能够快速识别故障的发生，为后续保护进程提供可靠保障。

2.4 选极判据

当保护检测到发生区内故障时，可通过解耦矩阵将故障行波分解为线模量和零模量行波。

选极判据为

3 仿真分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建海上风电场的柔直送出系统模型进行故障场景模拟，采样率为10kHz，模型主要参数见表1。

表1 柔直系统模型主要参数

3.1 区内故障保护效果验证

在区内线路的首端和末端两个区段选取不同于训练样本中的正、负极及双极故障点，另外对于正、负极故障各选取4类过渡电阻值，分别为0、100W、200W、300W进行分析。区内不同故障类型的识别结果见表2。

表2 区内不同故障类型的识别结果

由表2可以看出，区内故障场景下，各类型故障特征点代入超平面方程求得的值均为1，保护识别为区内故障；超平面距离的计算结果随着过渡电阻值的增大而减小，但即使在远端300Ω高阻故障场景下，其值仍在区内故障识别的范围内。

3.2 区外故障保护效果验证

高阻接地故障场景下保护测得的行波幅值偏小，其特征更接近于区外故障，因此考虑最严苛的情况，在区外场景下选取金属性故障作为研究对象，由于保护近端侧和远端侧区外故障为训练样本，在此无需讨论。分别在区外的首端、中端、末端三个区段选取不同于训练样本的正、负极及双极故障点。区外不同故障类型的识别结果见表3。

表3 区外不同故障类型的识别结果

由表3可知，发生区外故障时，故障类型所属区域在超平面方程中的标记均为-1。超平面距离的计算结果均大于阈值，保护识别结果为区外故障，可见保护在区外场景下能够可靠不误动。

4 结论

本文针对海上风电场柔性直流输电线路中行波保护存在高阻接地故障拒动、受噪声干扰而误动的问题，提出了一种基于主成分分析和支持向量机的单端保护方法，仿真结果表明该方法对采样率要求不高，能可靠地识别出区内、区外故障，具有较好的耐过渡电阻能力及抗干扰能力。

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A single-end protection scheme for voltage source converter based high voltage DC transmission line of offshore wind farm

LÜ Junchao1DING Zhiyuan2FU Qiwen2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd Huaian Power Supply Branch, Huaian, Jiangsu 223002;2. State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd Changzhou Power Supply Branch, Changzhou, Jiangsu 213004)

Offshore wind farms with large capacity need to be integrated into the mainland AC main network through voltage source based high voltage direct current (VSC-HVDC) system, and the failure rate of the transmission lines running in the sea bottom is high, so the configuration of fast and reliable transmission line protection is a key problem to be solved. The fault travelling wave passes through current limiting reactance in the propagation process, the amplitude of the travelling wave is suppressed, and the travelling wave shape has smooth characteristics. According to this feature, this paper proposes a single-ended protection method for VSC-HVDC transmission line based on principal component analysis (PCA) and support vector machine (SVM). The simulation experimental results show that this protection method can quickly identify faults inside and outside the area.

offshore wind farm; voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC); principal component analysis (PCA); support vector machine (SVM); protection

2023-11-01

2023-12-27

吕俊超（1996—），男，山东肥城人，硕士，从事电力系统运行、保护与控制工作。