清華大學(xué)電機(jī)系董新洲教授及其團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“電力線路行波保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)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(hù)技術(shù)走在了國際前列。該成果榮獲2017年度國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
電網(wǎng)安全事關(guān)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(dāng)會(huì)損毀設(shè)備，擴(kuò)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(huì)）統(tǒng)計(jì)資料表明，70%以上的大停電與繼電保護(hù)不正確動(dòng)作有關(guān)。電力線路是傳輸分配電能的大動(dòng)脈，運(yùn)行環(huán)境惡劣，故障幾率高。電力線路繼電保護(hù)是檢測(cè)并切除故障線路的技術(shù)，是電網(wǎng)安全的第一道防線。
行波測(cè)距是依據(jù)行波理論實(shí)現(xiàn)的測(cè)距方法，利用行波在故障點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)之間傳播的時(shí)間差來測(cè)量故障距離。談到他和團(tuán)隊(duì)是如何開始做電力線路的繼電保護(hù)時(shí)，清華大學(xué)電機(jī)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(cè)量輸電線路故障距離，到1995年底，我們成功開發(fā)了國內(nèi)最早同時(shí)也是國際上最為成功的行波測(cè)距裝置。”上世紀(jì)90年代后期，中國開始在西北地區(qū)建設(shè)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(hù)不能有效檢測(cè)和切除線路故障，董新洲由此想到利用行波構(gòu)成電力線路保護(hù)。“這既是我國電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的新需求，也是時(shí)代賦予繼電保護(hù)工作者的新使命和機(jī)遇。結(jié)合我自己在行波測(cè)距方面的深厚基礎(chǔ)和對(duì)繼電保護(hù)的熱情與愛好，我開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將工作的重點(diǎn)放到了行波保護(hù)技術(shù)研究中來。”董新洲介紹說。
盡管前期已經(jīng)攻克了行波測(cè)距的難題，但在此基礎(chǔ)上對(duì)快速切除故障進(jìn)行研發(fā)時(shí)，董新洲及其團(tuán)隊(duì)也遇到了很多難點(diǎn)。不過，在科研團(tuán)隊(duì)的共同努力下，他們成功將這些難點(diǎn)變成了含金量滿滿的幾大亮點(diǎn)。
由于初始行波、折反射行波會(huì)混疊，性質(zhì)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(xiàng)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(yīng)行波差動(dòng)保護(hù)方法。同時(shí)針對(duì)中性點(diǎn)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(dú)特又巧妙的電力線路行波保護(hù)方法，成為董新洲團(tuán)隊(duì)的研發(fā)亮點(diǎn)。
由于行波和噪聲、雷電波的波譜重疊，需要對(duì)行波與雷電波進(jìn)行甄別，剔除噪聲干擾，保證非故障情況下保護(hù)不會(huì)錯(cuò)誤動(dòng)作。董新洲團(tuán)隊(duì)經(jīng)過努力，成功研發(fā)出由觸發(fā)器硬件啟動(dòng)和小波消噪軟啟動(dòng)共同組成的抗噪聲干擾的行波保護(hù)軟硬件聯(lián)合啟動(dòng)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)幫助他們成功降低了誤啟動(dòng)概率，從源頭上保證了保護(hù)的可靠性。
除了攻克設(shè)計(jì)原理層面的難題，作為故障切除的核心，電力線路行波保護(hù)的硬件裝置也非常重要。基于此，董新洲帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了行波高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理模件，該模件可以完成相模變換、小波變換、故障啟動(dòng)、故障方向和故障線路判別。除此之外，團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出了分別針對(duì)超特高壓線路和配電線路的行波保護(hù)裝置。超特高壓線路裝置采用主后備保護(hù)一體化、模件式結(jié)構(gòu)，可以完成行波方向和行波差動(dòng)保護(hù)功能以及利用工頻模件的后備保護(hù)功能。而配電線路單相接地選線保護(hù)裝置則采取了分布集中式平臺(tái)、模件式結(jié)構(gòu)，行波模件可以完成行波數(shù)據(jù)分布式采集和判啟動(dòng)功能，中控模件則可以比較選擇出接地線路。
在攻克硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，董新洲團(tuán)隊(duì)也兼顧了電力線路繼電保護(hù)的“四性”要求：一是選擇性。保護(hù)裝置可以精準(zhǔn)識(shí)別電力線路的故障，只切除線路故障，不會(huì)影響電網(wǎng)的其他部分；二是快速性。保護(hù)裝置識(shí)別到故障后，可以在未產(chǎn)生危險(xiǎn)后果的幾十毫秒內(nèi)快速切斷故障，用毫秒數(shù)量級(jí)單位的反應(yīng)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(hù)裝置可以靈敏檢測(cè)從嚴(yán)重到輕微各個(gè)程度的故障，即使是最細(xì)微的故障也不會(huì)被遺漏；四是可靠性。董新洲介紹說，由于保護(hù)裝置利用可靠啟動(dòng)性裝置對(duì)初篩時(shí)檢測(cè)到的擾動(dòng)層層把關(guān)，“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(shù)，“我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)在可靠性方面下了大功夫。這套保護(hù)裝置由電路設(shè)計(jì)和芯片選擇共同保證硬件電路的抗干擾、由行波平臺(tái)多尺度、多重印證和可靠啟動(dòng)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(xiàng)技術(shù)成果在國內(nèi)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(hù)投入西北750kV乾信線運(yùn)行。2016年5月，行波保護(hù)應(yīng)用于蒙西-天津南1000kV交流工程，解決了差動(dòng)保護(hù)難以同時(shí)滿足可靠性和靈敏性的難題。
這項(xiàng)技術(shù)解決了超特高壓線路和配電線路繼電保護(hù)難題，電壓等級(jí)覆蓋了10kV-1000kV，被國內(nèi)外繼電保護(hù)廠商產(chǎn)業(yè)化并廣泛應(yīng)用，已應(yīng)用于全國31個(gè)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(gè)行業(yè)領(lǐng)域。“對(duì)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(yīng)用于現(xiàn)實(shí)是最讓我們高興的事情。”談起這些應(yīng)用成果，董新洲顯得格外欣慰。
董新洲團(tuán)隊(duì)的努力也成功經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。近三年，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的裝置未發(fā)生不正確動(dòng)作，正動(dòng)率100%。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)也表明了這套電力線路行波保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及裝置運(yùn)行穩(wěn)定、性能優(yōu)良。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還得到了三大國際電氣組織——英國工程技術(shù)協(xié)會(huì)IET、國際大電網(wǎng)組織Cigre、國際電氣電子工程師協(xié)會(huì)IEEE的共同認(rèn)可。董新洲本人先后獲選IET會(huì)士（Feloow）、IEEE會(huì)士（Fellow）和中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)會(huì)士，并牽頭成立了Cigre行波保護(hù)工作組。他們的努力與堅(jiān)守也讓中國團(tuán)隊(duì)在國際繼電保護(hù)領(lǐng)域樹立了聲望，引領(lǐng)了國際繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。
