DC Collection Line Protection for Offshore Wind Power Based on Frequency-band Energy Ratio Restraint

LIU Chenfei; ZOU Guibin; WEI Xiuyan

doi:10.7500/AEPS20250320009

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DC Collection Line Protection for Offshore Wind Power Based on Frequency-band Energy Ratio Restraint

Basic Research | 更新时间：2026-10-10

- DC Collection Line Protection for Offshore Wind Power Based on Frequency-band Energy Ratio Restraint
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 19, Pages: 213-223(2026)
- 作者机构：
  
  山东大学电气工程学院，山东省济南市 250061
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Shandong Provincial Natural Science Foundation of China(ZR2024ME009)
- DOI：10.7500/AEPS20250320009
  CLC：
- Received：20 March 2025，
  
  Revised：2026-01-29，
  
  Online First：06 May 2026，
  
  Published：10 October 2026
- 稿件说明：
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刘晨斐,邹贵彬,魏秀燕.基于频带能量比率制动的海上风电直流汇集线路保护[J].电力系统自动化,2026,50(19):213-223.

LIU Chenfei,ZOU Guibin,WEI Xiuyan.DC Collection Line Protection for Offshore Wind Power Based on Frequency-band Energy Ratio Restraint[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(19):213-223.
刘晨斐,邹贵彬,魏秀燕.基于频带能量比率制动的海上风电直流汇集线路保护[J].电力系统自动化,2026,50(19):213-223. DOI： 10.7500/AEPS20250320009.

LIU Chenfei,ZOU Guibin,WEI Xiuyan.DC Collection Line Protection for Offshore Wind Power Based on Frequency-band Energy Ratio Restraint[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(19):213-223. DOI： 10.7500/AEPS20250320009.

摘要

远海直流风电汇集系统的集电线路多且拓扑复杂，存在直流汇集线路故障辨识困难等问题。对此，提出了一种基于频带能量比率制动的海上风电直流汇集线路单端保护方法。首先，建立单极接地故障及双极短路故障的等效模型，解析故障暂态信号的幅频特性与能量分布规律。其次，通过互补集合经验模态分解实现故障暂态信号的时频分解，利用分解后的主频能量与直流能量的比值自适应调整能量积分判据的定值，实现故障选线。此外，所提保护方法还可以作为直流汇集母线的后备保护。PSCAD仿真结果表明，所提保护方法可以快速准确地识别故障线路，具有较强的抗噪声能力和抗过渡电阻能力。

Abstract

Offshore wind power DC collection systems with multiple collection lines and complex topologies face challenges in locating faults on DC collection lines. To address this issue

this paper proposes a single-ended protection method of DC collection lines for offshore wind power based on frequency-band energy ratio restraint. First

equivalent models for single-pole grounding faults and bipolar short-circuit faults are established to analyze the amplitude-frequency characteristics and energy distribution patterns of fault transient signals. Second

complementary ensemble empirical mode decomposition (CEEMD) is employed to perform time-frequency decomposition of fault transient signals. The ratio between dominant frequency energy and DC energy from the decomposed components is utilized to adaptively adjust the setting values of energy integral criterion

enabling faulty line selection. Additionally

the proposed protection method can serve as backup protection for DC busbar. PSCAD simulation results demonstrate that the proposed method achieves rapid and accurate faulty line identification with strong noise immunity and high tolerance to transition resistance.

关键词

Keywords

references

Global Wind Energy Council . Global wind report 2022 ［EB/OL］. ［ 2025-03-10 ］. https：//www.gwec.net/reports/global windreport/2022 https://www.gwec.net/reports/globalwindreport/2022 .

樊肖杰，迟永宁，马士聪，等 . 大规模海上风电接入电网关键技术与技术标准的研究及应用［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2859 - 2870 .

Fan Xiaojie ， Chi Yongning ， Ma Shicong ， et al . Research and application of key technologies and technical standards for large-scale offshore wind farms connecting to power grid ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2859 - 2870 .

Cui S H ， Soltau N ， De doncker R W . A high step-up ratio soft-switching DC-DC converter for interconnection of MVDC and HVDC grids ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 4 ）： 2986 - 3001 .

郝治国，谢凡，张雨宁，等 . 远海风电直流汇集送出系统直流线路继电保护技术现状与展望［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 1 ）： 1 - 18 .

Hao Zhiguo ， Xie Fan ， Zhang Yuning ， et al . Status and prospects of relay protection technology for DC lines in distant offshore wind DC collection and transmission system ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 1 ）： 1 - 18 .

周嘉阳，李凤婷，陈伟伟，等 . 基于电容放电特征的柔性直流配电网线路保护方案［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 8 ）： 42 - 48 .

Zhou Jiayang ， Li Fengting ， Chen Weiwei ， et al . Line protection schemes for flexible DC distribution network based on capacitor discharge ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 8 ）： 42 - 48 .

Nanayakkara O M K K ， Rajapakse A D ， Wachal R . Traveling-wave-based line fault location in star-connected multiterminal HVDC systems ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2012 ， 27 （ 4 ）： 2286 - 2294 .

Saleh K A ， Hooshyar A ， El-saadany E F . Ultra-high-speed traveling-wave-based protection scheme for medium-voltage DC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 2 ）： 1440 - 1451 .

王小帅，薛永端，刘萃萃，等 . 灵活接地系统小电阻退出暂态特征及对暂态故障选线方法影响［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 16 ）： 174 - 183 .

Wang Xiaoshuai ， Xue Yongduan ， Liu Cuicui ， et al . Transient characteristics after low-resistor exit in flexible grounding system and its influence on transient fault line selection method ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 16 ）： 174 - 183 .

Li R ， Xu L ， Yao L Z . DC fault detection and location in meshed multiterminal HVDC systems based on DC reactor voltage change rate ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1516 - 1526 .

左鹏飞，秦文萍，夏福良，等 . 基于零模电流相关性的直流配电网单极接地选线方法［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 13 ）： 86 - 96 .

Zuo Pengfei ， Qin Wenping ， Xia Fuliang ， et al . Single-pole ground selection method for DC distribution networks based on zero-mode current correlation ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 13 ）： 86 - 96 .

陈仕龙，李国辉，毕贵红，等 . 基于多模式分解和多支路并行残差网络的特高压三端混合直流输电线路故障区域诊断［J］. 电力自动化设备， 2024 ， 44 （ 10 ）： 140 - 147 .

Chen Shilong ， Li Guohui ， Bi Guihong ， et al . Fault area diagnosis of UHV three-terminal hybrid DC transmission lines based on multi-mode decomposition and multi-branch parallel residual network ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2024 ， 44 （ 10 ）： 140 - 147 .

贾科，陈聪，刘子奕，等 . 基于单端电流暂态量的柔性直流配电网保护及其整定［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 6 ）： 144 - 152 .

Jia Ke ， Chen Cong ， Liu Ziyi ， et al . Protection of flexible DC distribution network based on single-end current transient and its setting ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 144 - 152 .

Li S L ， Chen W ， Yin X G ， et al . A novel integrated protection for VSC-HVDC transmission line based on current limiting reactor power ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 226 - 233 .

Sneath J ， Rajapakse A D . Fault detection and interruption in an earthed HVDC grid using ROCOV and hybrid DC breakers ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2016 ， 31 （ 3 ）： 973 - 981 .

姚钢，杨浩猛，周荔丹，等 . 大容量海上风电机组发展现状及关键技术［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 33 - 47 .

Yao Gang ， Yang Haomeng ， Zhou Lidan ， et al . Development status and key technologies of large-capacity offshore wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 33 - 47 .

田阳，王晓卫，刘伟博，等 . 基于多故障特征融合的直流配电网单极故障选线方法［J］. 电力系统及其自动化学报， 2024 ， 36 （ 6 ）： 23 - 33 .

Tian Yang ， Wang Xiaowei ， Liu Weibo ， et al . Single-pole fault feeder selection method for DC distribution network based on multifault feature fusion ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2024 ， 36 （ 6 ）： 23 - 33 .

郑涛，章若竹，吕文轩，等 . 基于故障主动控制的海上风电交流汇集线路时域距离保护［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 1 ）： 122 - 138 .

Zheng Tao ， Zhang Ruozhu ， Lü Wenxuan ， et al . Time-domain distance protection for AC collector lines of offshore wind farms based on active fault control ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 1 ）： 122 - 138 .

李泽文，颜勋奇，肖仁平，等 . 基于暂态电流波形斜率的中压柔性直流配电线路故障定位方法［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 8 ）： 88 - 95 .

Li Zewen ， Yan Xunqi ， Xiao Renping ， et al . Fault location method based on slope of transient current waveform for flexible mid-voltage DC distribution line ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 8 ）： 88 - 95 .

何佳伟，李斌，李晔，等 . 多端柔性直流电网快速方向纵联保护方案［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 23 ）： 6878 - 6887 .

He Jiawei ， Li Bin ， Li Ye ， et al . A fast directional pilot protection scheme for the MMC-based MTDC grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 23 ）： 6878 - 6887 .

Xiang W ， Yang S Z ， Xu L ， et al . A transient voltage-based DC fault line protection scheme for MMC-based DC grid embedding DC breakers ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 334 - 345 .

何仰赞 . 电力系统分析［M］. 4版 . 武汉：华中科技大学出版社， 2016 .

He Yangzan . Power system analysis ［M］. 4th ed . Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology Press ， 2016 .

DONG C ， HAO L M ， SHI G Y ， et al . A time constant estimation method for block RC circuits with application to power grid analysis ［C］// 2021 IEEE 14th International Conference on ASIC （ASICON）， 2021 .

丁华星，邹贵彬，王凤莲，等 . 一种适用于深远海全直流风电汇集网络的保护方法［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 2 ）： 15 - 25 .

Ding Huaxing ， Zou Guibin ， Wang Fengian ， et al . A fault protection method of a DC collection network for an all-DC offshore wind farm ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 2 ）： 15 - 25 .

薛永端，刘珊，王艳松，等 . 基于零序电压比率制动的小电阻接地系统接地保护［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 16 ）： 112 - 117 .

Xue Yongduan ， Liu Shan ， Wang Yansong ， et al . Grounding fault protection in low resistance grounding system based on zero-sequence voltage ratio restraint ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 16 ）： 112 - 117 .

高飘，郑晓冬，晁晨栩，等 . 基于特定频带能量比的高压直流输电线路保护［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 15 ）： 136 - 144 .

Gao Piao ， Zheng Xiaodong ， Chao Chenxu ， et al . High-voltage DC transmission line protection based on energy ratio of specific frequency band ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 15 ）： 136 - 144 .

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