清華大學電機系董新洲教授及其團隊發(fā)明的“電力線路行波保護關鍵技術及裝置”有力保障了我國電力線路安全,，也讓中國在電力線路繼電保護技術走在了國際前列,。該成果榮獲2017年度國家技術發(fā)明獎二等獎,。
電網(wǎng)安全事關能源供給安全乃至國家安全，故障是電網(wǎng)安全的最大威脅,，處置不當會損毀設備,，擴大事故范圍，甚至引發(fā)大停電,。IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，國際電氣電子工程師協(xié)會）統(tǒng)計資料表明,，70%以上的大停電與繼電保護不正確動作有關,。電力線路是傳輸分配電能的大動脈，運行環(huán)境惡劣,，故障幾率高,。電力線路繼電保護是檢測并切除故障線路的技術，是電網(wǎng)安全的第一道防線,。
行波測距是依據(jù)行波理論實現(xiàn)的測距方法,，利用行波在故障點和測量點之間傳播的時間差來測量故障距離。談到他和團隊是如何開始做電力線路的繼電保護時,，清華大學電機系董新洲教授笑著說：“早在1994年之前,，我就開始研究利用行波測量輸電線路故障距離，到1995年底,，我們成功開發(fā)了國內最早同時也是國際上最為成功的行波測距裝置,。”上世紀90年代后期，中國開始在西北地區(qū)建設750kv特高壓電網(wǎng),，特高壓電網(wǎng)具有分布電容電流大,、輸電距離長的特性，傳統(tǒng)繼電保護不能有效檢測和切除線路故障,，董新洲由此想到利用行波構成電力線路保護,。“這既是我國電網(wǎng)建設和發(fā)展的新需求，也是時代賦予繼電保護工作者的新使命和機遇,。結合我自己在行波測距方面的深厚基礎和對繼電保護的熱情與愛好,，我開始帶領團隊將工作的重點放到了行波保護技術研究中來。”董新洲介紹說,。
盡管前期已經(jīng)攻克了行波測距的難題,，但在此基礎上對快速切除故障進行研發(fā)時，董新洲及其團隊也遇到了很多難點,。不過,，在科研團隊的共同努力下，他們成功將這些難點變成了含金量滿滿的幾大亮點,。
由于初始行波,、折反射行波會混疊,，性質甚至相反，如何利用行波快速可靠檢出故障方向,、故障區(qū)間和故障線路成為了一大難題,。董新洲坦言，為攻克這項難題,，他們前前后后試過很多種方法,，比如用于判別輸電線路故障方向的波阻抗繼電器、用于規(guī)避電容分壓式電壓互感器不能傳變寬頻電壓的極化電流行波方向繼電器以及輸電線路自適應行波差動保護方法,。同時針對中性點非有效接地電網(wǎng)配電線路單相接地故障判別難題,，他們把行波折反射理論和方法用于選擇單相接地故障線路。這些獨特又巧妙的電力線路行波保護方法,，成為董新洲團隊的研發(fā)亮點,。
由于行波和噪聲、雷電波的波譜重疊,，需要對行波與雷電波進行甄別,，剔除噪聲干擾，保證非故障情況下保護不會錯誤動作,。董新洲團隊經(jīng)過努力,，成功研發(fā)出由觸發(fā)器硬件啟動和小波消噪軟啟動共同組成的抗噪聲干擾的行波保護軟硬件聯(lián)合啟動技術，這項技術幫助他們成功降低了誤啟動概率,，從源頭上保證了保護的可靠性,。
除了攻克設計原理層面的難題，作為故障切除的核心,，電力線路行波保護的硬件裝置也非常重要,。基于此,，董新洲帶領團隊自主研發(fā)了行波高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號處理模件,，該模件可以完成相模變換、小波變換,、故障啟動,、故障方向和故障線路判別。除此之外,，團隊還研發(fā)出了分別針對超特高壓線路和配電線路的行波保護裝置,。超特高壓線路裝置采用主后備保護一體化、模件式結構,，可以完成行波方向和行波差動保護功能以及利用工頻模件的后備保護功能,。而配電線路單相接地選線保護裝置則采取了分布集中式平臺、模件式結構,，行波模件可以完成行波數(shù)據(jù)分布式采集和判啟動功能,，中控模件則可以比較選擇出接地線路,。
在攻克硬件設計的同時，董新洲團隊也兼顧了電力線路繼電保護的“四性”要求：一是選擇性,。保護裝置可以精準識別電力線路的故障,，只切除線路故障，不會影響電網(wǎng)的其他部分,；二是快速性,。保護裝置識別到故障后，可以在未產(chǎn)生危險后果的幾十毫秒內快速切斷故障,，用毫秒數(shù)量級單位的反應速度為電力線路的安全提供保證,；三是靈敏性。他們研發(fā)的保護裝置可以靈敏檢測從嚴重到輕微各個程度的故障,，即使是最細微的故障也不會被遺漏；四是可靠性,。董新洲介紹說,，由于保護裝置利用可靠啟動性裝置對初篩時檢測到的擾動層層把關，“我們保證是故障就100%切除,，不是故障就100%不切除,。”可靠性可以說是這套裝置中最核心的技術，“我們整個團隊在可靠性方面下了大功夫,。這套保護裝置由電路設計和芯片選擇共同保證硬件電路的抗干擾,、由行波平臺多尺度、多重印證和可靠啟動共同保證算法軟件的抗干擾,，可以說是‘雙管齊下’,。”
2007年以來，這項技術成果在國內由國電南自,、北京衡天北斗和清源繼保公司產(chǎn)業(yè)化,，在國外由ALSTOM公司生產(chǎn)銷售。2011年12月,，首套基于極化電流行波的方向縱聯(lián)保護投入西北750kV乾信線運行,。2016年5月，行波保護應用于蒙西-天津南1000kV交流工程,，解決了差動保護難以同時滿足可靠性和靈敏性的難題,。
這項技術解決了超特高壓線路和配電線路繼電保護難題，電壓等級覆蓋了10kV-1000kV,，被國內外繼電保護廠商產(chǎn)業(yè)化并廣泛應用,，已應用于全國31個省、市,、自治區(qū)和歐美等國家和地區(qū)的電力,、軍工,、航天、石化等多個行業(yè)領域,。“對我們這些奮戰(zhàn)在科研一線的人來說,，能親眼看到自己的科研成果應用于現(xiàn)實是最讓我們高興的事情。”談起這些應用成果,，董新洲顯得格外欣慰,。
董新洲團隊的努力也成功經(jīng)受住了時間的考驗。近三年,，現(xiàn)場運行的裝置未發(fā)生不正確動作,，正動率100%。現(xiàn)場運行的數(shù)據(jù)也表明了這套電力線路行波保護關鍵技術及裝置運行穩(wěn)定,、性能優(yōu)良,。同時，這項技術還得到了三大國際電氣組織——英國工程技術協(xié)會IET,、國際大電網(wǎng)組織Cigre,、國際電氣電子工程師協(xié)會IEEE的共同認可。董新洲本人先后獲選IET會士（Feloow）,、IEEE會士（Fellow）和中國電機工程學會會士,，并牽頭成立了Cigre行波保護工作組。他們的努力與堅守也讓中國團隊在國際繼電保護領域樹立了聲望,，引領了國際繼電保護技術的發(fā)展,。
