呂俊超 丁志遠(yuǎn) 傅琪雯

一種海上風(fēng)電場(chǎng)柔直送出線單端保護(hù)方案

呂俊超1丁志遠(yuǎn)2傅琪雯2

（1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇 淮安 223002； 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213004）

遠(yuǎn)海、大容量的海上風(fēng)電場(chǎng)需要通過(guò)高壓柔性直流系統(tǒng)并入大陸交流主網(wǎng)，柔直線路運(yùn)行于海底，故障率高，需要配置快速、可靠的直流線路保護(hù)。目前，已實(shí)際應(yīng)用于柔直工程的單端行波保護(hù)的暫態(tài)量幅值在高阻故障場(chǎng)景下會(huì)明顯降低，其保護(hù)性能有進(jìn)一步提升的空間。故障行波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)限流電抗，行波幅值變化受到抑制導(dǎo)致行波波形具有平滑特征，而區(qū)內(nèi)故障下故障行波波形較曲折，突變明顯。根據(jù)此特征，本文提出一種基于主成分分析（PCA）和支持向量機(jī)（SVM）的柔性直流線路單端保護(hù)方法，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該保護(hù)方法具有較好的耐過(guò)渡電阻及抗干擾能力。

海上風(fēng)電場(chǎng)；柔性直流（VSC-HVDC）；主成分分析（PCA）；支持向量機(jī)（SVM）；保護(hù)

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭及環(huán)境問(wèn)題的惡化，發(fā)展新能源已成為世界各國(guó)的普遍共識(shí)[1-2]。得益于新材料、新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)獲得快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)資源充裕、單機(jī)容量大、距離負(fù)荷中心近等優(yōu)點(diǎn)，更適合規(guī)?；虚_(kāi)發(fā)。

海上風(fēng)電的并網(wǎng)消納是建設(shè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)站需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題，采用全控型電力電子器件的柔性直流技術(shù)相比于高壓直流技術(shù)，具有無(wú)換相失敗、有功及無(wú)功功率獨(dú)立控制、實(shí)時(shí)跟蹤功率、滿(mǎn)足一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源可靠并網(wǎng)，解決了傳統(tǒng)高壓直流因新能源發(fā)電頻率穩(wěn)定性低而存在脫網(wǎng)的問(wèn)題[3-4]。對(duì)于離岸距離超過(guò)70km的遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)，一般采用柔性直流輸電系統(tǒng)與大陸交流主網(wǎng)完成互聯(lián)，風(fēng)電場(chǎng)柔直送出線運(yùn)行于海底，工作環(huán)境復(fù)雜、故障率高，且海底電纜的維修難度大[5]。因此，需要在柔直線路發(fā)生故障后快速切除故障點(diǎn)，以控制故障范圍和設(shè)備損壞程度。

柔直線路的主保護(hù)需在2ms內(nèi)完成故障的檢測(cè)和類(lèi)型辨別，為滿(mǎn)足保護(hù)的快速性和可靠性需求，行波保護(hù)是目前柔直線路的主保護(hù)。文獻(xiàn)[6-7]分別采用希爾伯特-黃及S變換對(duì)高頻量進(jìn)行提取，避免了小波基選取困難的問(wèn)題，所構(gòu)造的單端保護(hù)能夠較好地識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障特性，但是對(duì)信號(hào)采樣率要求較高，最高可達(dá)1MHz，而現(xiàn)有工程中實(shí)際采樣率不高于100kHz。文獻(xiàn)[8]指出區(qū)內(nèi)外故障行波首個(gè)波峰至波谷階段所耗時(shí)間存在差異且不受過(guò)渡電阻影響，但并未對(duì)抗干擾能力進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9-10]指出區(qū)外故障下線路兩端行波波形曲線相似，并采用Hausdorff及動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（dynamic time warping, DTW）算法對(duì)其進(jìn)行相似性計(jì)算，此類(lèi)方法計(jì)算簡(jiǎn)單且能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程采樣率要求，但對(duì)通信傳輸數(shù)據(jù)正確率有較高要求。2005年，天廣直流發(fā)生線路高阻接地故障，直流線路主保護(hù)由于不滿(mǎn)足保護(hù)判據(jù)定值而拒動(dòng)。2009年，興安直流發(fā)生直流線路高阻接地故障，但是由于直流線路保護(hù)拒動(dòng)而最終導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖。2012年，廣東500kV硯都站發(fā)生故障，導(dǎo)致與其連接的高肇直流線路主保護(hù)誤動(dòng)作。綜上所述，當(dāng)前直流線路保護(hù)的靈敏性和可靠性仍有提升空間。

為滿(mǎn)足實(shí)際工程采樣率要求并避免通信設(shè)備帶來(lái)的數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，本文將采樣率設(shè)置為10kHz，采用主成分分析（principal component analysis, PCA）降維技術(shù)對(duì)單端保護(hù)檢測(cè)單元收集的區(qū)內(nèi)外故障樣本進(jìn)行特征提取，再經(jīng)支持向量機(jī)（support vector machine, SVM）訓(xùn)練即可得到故障判據(jù)算式。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法具有較好的耐過(guò)渡電阻能力及抗干擾能力，且訓(xùn)練樣本數(shù)量無(wú)需過(guò)千。

1 區(qū)內(nèi)外故障行波波形分析

根據(jù)行波傳輸定理可知，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波由故障點(diǎn)向線路兩側(cè)進(jìn)行傳播[11]，本文定義由母線指向線路方向的行波為前行波，反之為反行波。故障行波傳播示意圖如圖1所示。

圖1中，相對(duì)于左側(cè)保護(hù)檢測(cè)單元M，fb為故障電壓反行波，fq為故障電壓前行波。行波線模量的頻變特性小、可靠性高，且能表征接地、極間兩類(lèi)故障，因此行波保護(hù)中通常采用線模量進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障分析。

區(qū)內(nèi)外故障行波波形如圖2所示。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)檢測(cè)單元M測(cè)得的行波線模量?jī)H受線路影響，其波形如圖2（a）所示，其中故障發(fā)生在=0時(shí)刻。

圖2 區(qū)內(nèi)外故障行波波形

由圖2（a）可以看出，保護(hù)檢測(cè)單元M處測(cè)得的不同故障位置的行波波形存在相位差，這是由于不同故障處的故障行波傳遞到測(cè)量點(diǎn)存在時(shí)差。此外，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，行波線模量波形較為曲折，且幅值在短時(shí)間內(nèi)跌落很快。由圖2（b）可知，區(qū)外故障場(chǎng)景下，保護(hù)檢測(cè)單元M處測(cè)得的行波線模量波形較為平滑，這是由于限流電抗器對(duì)行波具有緩沖作用。

綜上所述，受電抗器形成的邊界效應(yīng)影響，區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障場(chǎng)景下測(cè)點(diǎn)處的行波線模量波形存在巨大差異，可基于此特征實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障判別。

2 基于波形特征的保護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 故障波形特征提取

PCA是一種通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行降維提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同類(lèi)型數(shù)據(jù)集聚類(lèi)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)處理方法[12]，可實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)集去雜化。設(shè)有個(gè)數(shù)據(jù)集列向量1～，每個(gè)列向量包含個(gè)數(shù)據(jù)，將這個(gè)列向量整合為矩陣×m，可將矩陣看作含有個(gè)樣本，每個(gè)樣本具有個(gè)特征量，利用PCA對(duì)其進(jìn)行特征提取，具體步驟如下：

1）為了減少異常值和噪聲對(duì)原始數(shù)據(jù)集的干擾，對(duì)數(shù)據(jù)集列向量1～進(jìn)行零均值化處理，有

式中，為實(shí)現(xiàn)零均值化后的第個(gè)數(shù)據(jù)集列向量。由此得到×階的新樣本矩陣。

2）將樣本矩陣與其自身轉(zhuǎn)置矩陣相乘得到協(xié)方差矩陣，則有

式中，矩陣對(duì)角線上的元素c代表樣本矩陣中第個(gè)特征量的方差值，非對(duì)角線上的元素則代表不同特征量之間的方差值。方差的大小能夠體現(xiàn)原始數(shù)據(jù)與期望數(shù)值的偏差程度，為了體現(xiàn)不同樣本同種特征量之間的差異，應(yīng)使非對(duì)角線上元素值為0。

3）將協(xié)方差矩陣對(duì)角化，求解其特征值與對(duì)應(yīng)的特征向量，并按照特征值從大到小排列得到特征向量矩陣。

4）為了進(jìn)行可視化分析并保留最多特征量，通常選取前3個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量3×n，這三個(gè)特征值也稱(chēng)為主成分，即能夠凸顯數(shù)據(jù)集特征的主要分量。令3×n與樣本矩陣相乘得

2.2 區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)

SVM擁有良好的監(jiān)督學(xué)習(xí)能力，能夠在兩種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)集之間尋找合理劃分區(qū)域的超平 面[13]。SVM模型二維示意圖如圖3所示。

圖3 SVM模型二維示意圖

式中，為對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型所屬區(qū)域的標(biāo)記。

為使超平面能夠最大程度地區(qū)分兩類(lèi)數(shù)據(jù)集，應(yīng)最大化支持向量到超平面的距離。將二維空間下的SVM模型推廣至（＞2）維，設(shè)有個(gè)數(shù)據(jù)集，令其以列向量的形式排列成矩陣×m，結(jié)合式（5）和式（6），以上分析可轉(zhuǎn)化為對(duì)式（7）的優(yōu)化求解問(wèn)題。

本文采用序列最小優(yōu)化算法（sequential minimum optimization, SMO）[14]對(duì)式（7）進(jìn)行求解得到超平面方程參數(shù)。

2.3 啟動(dòng)判據(jù)

行波的傳播需要時(shí)間，保護(hù)檢測(cè)單元無(wú)法在故障時(shí)刻立刻檢測(cè)到故障發(fā)生，而電壓電氣量能夠?qū)收献龀隹焖夙憫?yīng)。

本文采用電壓梯度法計(jì)算電壓變化量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路故障的快速檢測(cè)，相應(yīng)的保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)為

該方法增加了離散梯度算法中的樣本量，減少了受噪聲影響的電壓值對(duì)梯度算子的影響，具有一定的抗干擾能力，并且能夠快速識(shí)別故障的發(fā)生，為后續(xù)保護(hù)進(jìn)程提供可靠保障。

2.4 選極判據(jù)

當(dāng)保護(hù)檢測(cè)到發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，可通過(guò)解耦矩陣將故障行波分解為線模量和零模量行波。

選極判據(jù)為

3 仿真分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建海上風(fēng)電場(chǎng)的柔直送出系統(tǒng)模型進(jìn)行故障場(chǎng)景模擬，采樣率為10kHz，模型主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柔直系統(tǒng)模型主要參數(shù)

3.1 區(qū)內(nèi)故障保護(hù)效果驗(yàn)證

在區(qū)內(nèi)線路的首端和末端兩個(gè)區(qū)段選取不同于訓(xùn)練樣本中的正、負(fù)極及雙極故障點(diǎn)，另外對(duì)于正、負(fù)極故障各選取4類(lèi)過(guò)渡電阻值，分別為0、100W、200W、300W進(jìn)行分析。區(qū)內(nèi)不同故障類(lèi)型的識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 區(qū)內(nèi)不同故障類(lèi)型的識(shí)別結(jié)果

由表2可以看出，區(qū)內(nèi)故障場(chǎng)景下，各類(lèi)型故障特征點(diǎn)代入超平面方程求得的值均為1，保護(hù)識(shí)別為區(qū)內(nèi)故障；超平面距離的計(jì)算結(jié)果隨著過(guò)渡電阻值的增大而減小，但即使在遠(yuǎn)端300Ω高阻故障場(chǎng)景下，其值仍在區(qū)內(nèi)故障識(shí)別的范圍內(nèi)。

3.2 區(qū)外故障保護(hù)效果驗(yàn)證

高阻接地故障場(chǎng)景下保護(hù)測(cè)得的行波幅值偏小，其特征更接近于區(qū)外故障，因此考慮最嚴(yán)苛的情況，在區(qū)外場(chǎng)景下選取金屬性故障作為研究對(duì)象，由于保護(hù)近端側(cè)和遠(yuǎn)端側(cè)區(qū)外故障為訓(xùn)練樣本，在此無(wú)需討論。分別在區(qū)外的首端、中端、末端三個(gè)區(qū)段選取不同于訓(xùn)練樣本的正、負(fù)極及雙極故障點(diǎn)。區(qū)外不同故障類(lèi)型的識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 區(qū)外不同故障類(lèi)型的識(shí)別結(jié)果

由表3可知，發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，故障類(lèi)型所屬區(qū)域在超平面方程中的標(biāo)記均為-1。超平面距離的計(jì)算結(jié)果均大于閾值，保護(hù)識(shí)別結(jié)果為區(qū)外故障，可見(jiàn)保護(hù)在區(qū)外場(chǎng)景下能夠可靠不誤動(dòng)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電線路中行波保護(hù)存在高阻接地故障拒動(dòng)、受噪聲干擾而誤動(dòng)的問(wèn)題，提出了一種基于主成分分析和支持向量機(jī)的單端保護(hù)方法，仿真結(jié)果表明該方法對(duì)采樣率要求不高，能可靠地識(shí)別出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，具有較好的耐過(guò)渡電阻能力及抗干擾能力。

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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

呂俊超（1996—），男，山東肥城人，碩士，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、保護(hù)與控制工作。