【国家科技奖系列报道】突破技术难题,守护国家电力安全

清华大学电机系董新洲教授及其团队发明的“电力线路行波保护关键技术及装置”有力保障了我国电力线路安全,也让中国在电力线路继电保护技术走在了国际前列。该成果荣获2017年度国家技术发明奖二等奖。

电网安全事关能源供给安全乃至国家安全,故障是电网安全的最大威胁,处置不当会损毁设备,扩大事故范围,甚至引发大停电。IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,国际电气电子工程师协会)统计资料表明,70%以上的大停电与继电保护不正确动作有关。电力线路是传输分配电能的大动脉,运行环境恶劣,故障几率高。电力线路继电保护是检测并切除故障线路的技术,是电网安全的第一道防线。

行波测距是依据行波理论实现的测距方法,利用行波在故障点和测量点之间传播的时间差来测量故障距离。谈到他和团队是如何开始做电力线路的继电保护时,清华大学电机系董新洲教授笑着说:“早在1994年之前,我就开始研究利用行波测量输电线路故障距离,到1995年底,我们成功开发了国内最早同时也是国际上最为成功的行波测距装置。”上世纪90年代后期,中国开始在西北地区建设750kv特高压电网,特高压电网具有分布电容电流大、输电距离长的特性,传统继电保护不能有效检测和切除线路故障,董新洲由此想到利用行波构成电力线路保护。“这既是我国电网建设和发展的新需求,也是时代赋予继电保护工作者的新使命和机遇。结合我自己在行波测距方面的深厚基础和对继电保护的热情与爱好,我开始带领团队将工作的重点放到了行波保护技术研究中来。”董新洲介绍说。

尽管前期已经攻克了行波测距的难题,但在此基础上对快速切除故障进行研发时,董新洲及其团队也遇到了很多难点。不过,在科研团队的共同努力下,他们成功将这些难点变成了含金量满满的几大亮点。

由于初始行波、折反射行波会混叠,性质甚至相反,如何利用行波快速可靠检出故障方向、故障区间和故障线路成为了一大难题。董新洲坦言,为攻克这项难题,他们前前后后试过很多种方法,比如用于判别输电线路故障方向的波阻抗继电器、用于规避电容分压式电压互感器不能传变宽频电压的极化电流行波方向继电器以及输电线路自适应行波差动保护方法。同时针对中性点非有效接地电网配电线路单相接地故障判别难题,他们把行波折反射理论和方法用于选择单相接地故障线路。这些独特又巧妙的电力线路行波保护方法,成为董新洲团队的研发亮点。

由于行波和噪声、雷电波的波谱重叠,需要对行波与雷电波进行甄别,剔除噪声干扰,保证非故障情况下保护不会错误动作。董新洲团队经过努力,成功研发出由触发器硬件启动和小波消噪软启动共同组成的抗噪声干扰的行波保护软硬件联合启动技术,这项技术帮助他们成功降低了误启动概率,从源头上保证了保护的可靠性。

除了攻克设计原理层面的难题,作为故障切除的核心,电力线路行波保护的硬件装置也非常重要。基于此,董新洲带领团队自主研发了行波高速数据采集与数字信号处理模件,该模件可以完成相模变换、小波变换、故障启动、故障方向和故障线路判别。除此之外,团队还研发出了分别针对超特高压线路和配电线路的行波保护装置。超特高压线路装置采用主后备保护一体化、模件式结构,可以完成行波方向和行波差动保护功能以及利用工频模件的后备保护功能。而配电线路单相接地选线保护装置则采取了分布集中式平台、模件式结构,行波模件可以完成行波数据分布式采集和判启动功能,中控模件则可以比较选择出接地线路。

在攻克硬件设计的同时,董新洲团队也兼顾了电力线路继电保护的“四性”要求:一是选择性。保护装置可以精准识别电力线路的故障,只切除线路故障,不会影响电网的其他部分;二是快速性。保护装置识别到故障后,可以在未产生危险后果的几十毫秒内快速切断故障,用毫秒数量级单位的反应速度为电力线路的安全提供保证;三是灵敏性。他们研发的保护装置可以灵敏检测从严重到轻微各个程度的故障,即使是最细微的故障也不会被遗漏;四是可靠性。董新洲介绍说,由于保护装置利用可靠启动性装置对初筛时检测到的扰动层层把关,“我们保证是故障就100%切除,不是故障就100%不切除。”可靠性可以说是这套装置中最核心的技术,“我们整个团队在可靠性方面下了大功夫。这套保护装置由电路设计和芯片选择共同保证硬件电路的抗干扰、由行波平台多尺度、多重印证和可靠启动共同保证算法软件的抗干扰,可以说是‘双管齐下’。”

2007年以来,这项技术成果在国内由国电南自、北京衡天北斗和清源继保公司产业化,在国外由ALSTOM公司生产销售。2011年12月,首套基于极化电流行波的方向纵联保护投入西北750kV乾信线运行。2016年5月,行波保护应用于蒙西-天津南1000kV交流工程,解决了差动保护难以同时满足可靠性和灵敏性的难题。

这项技术解决了超特高压线路和配电线路继电保护难题,电压等级覆盖了10kV-1000kV,被国内外继电保护厂商产业化并广泛应用,已应用于全国31个省、市、自治区和欧美等国家和地区的电力、军工、航天、石化等多个行业领域。“对我们这些奋战在科研一线的人来说,能亲眼看到自己的科研成果应用于现实是最让我们高兴的事情。”谈起这些应用成果,董新洲显得格外欣慰。

董新洲团队的努力也成功经受住了时间的考验。近三年,现场运行的装置未发生不正确动作,正动率100%。现场运行的数据也表明了这套电力线路行波保护关键技术及装置运行稳定、性能优良。同时,这项技术还得到了三大国际电气组织——英国工程技术协会IET、国际大电网组织Cigre、国际电气电子工程师协会IEEE的共同认可。董新洲本人先后获选IET会士(Feloow)、IEEE会士(Fellow)和中国电机工程学会会士,并牵头成立了Cigre行波保护工作组。他们的努力与坚守也让中国团队在国际继电保护领域树立了声望,引领了国际继电保护技术的发展。

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