行波保護研究取得重大突破提升電力系統安全水平

2017-11-29 17:55:40 科技日報　點擊量：評論 (0)

煤從天上走，電從遠方來!隨著我國西電東送、南北互供能源戰略的實施，隨著智能電網和能源互聯網建設的穩步推進以及八交八直特高壓輸電工程的投運，我國已經形成了全世界規模最大、電壓等級最高的交直流互聯大電網

“煤從天上走，電從遠方來!”

隨著我國“西電東送、南北互供”能源戰略的實施，隨著智能電網和能源互聯網建設的穩步推進以及“八交八直”特高壓輸電工程的投運，我國已經形成了全世界規模最大、電壓等級最高的交直流互聯大電網，為我國經濟社會發展提供了堅強的電能保障。但是由于特高壓電網輸送容量大、距離長，對于繼電保護提出了更高的要求。

繼電保護是電力系統的第一道安全防線，通過快速檢測并控制斷路器切除故障設備，以達到保護故障電氣設備不損壞、非故障部分電網繼續安全穩定運行的目的。其中，行波保護不受電力系統振蕩、過渡電阻、分布電容電流和電流互感器飽和等因素的影響，是理想的超特高壓線路繼電保護方式。

由清華大學電機系董新洲教授帶領的項目團隊經過10余年的基礎研究和技術攻關，揭示了行波與電力故障之間的依存機理，提出基于初始行波信息的電力線路繼電保護思想和方法，攻克了行波保護關鍵技術，取得多項原創性發明并產業化。項目成果已廣泛應用于10—1000kV不同電壓等級的電力線路，顯著提升了電力系統安全水平，產生了顯著的經濟效益和社會效益。在2016年北京市科學技術獎評選中，榮獲一等獎。

行波保護是護衛“能源高速路”的理想選擇

美國電氣和電子工程師協會(IEEE)繼電保護委員會的調研表明：70%的大停電事故是由繼電保護誘發或加劇的，從反面彰顯了繼電保護技術的極端重要性。優秀的繼電保護技術既可以保護發生了故障的輸電線路、發電機、變壓器等電氣設備不損壞，也可以顯著改善整個電網的安全穩定水平。

隨著電力事業的蓬勃發展，我國越來越多地采用超特高壓輸電技術作為遠距離傳輸電能的方式。超特高壓線路電壓等級高、輸電距離長、輸送容量大、對電網穩定影響大、故障波及范圍廣。因此，如何保證超特高壓輸電線路安全運行成為整個保障電網安全可靠運行亟待解決的科學技術問題。

“電是以光速在電網中奔跑，北京用的電可能是來自內蒙古發電廠的電，也可能是來自甘肅風電基地的電，根本不知道源頭在哪。”董新洲說，由于電網構成地域遼闊、輸電線路運行環境惡劣，故障是不可避免的，線路一旦發生故障就必須立即切除。

“如果不及時切除，巨大的短路電流會燒毀輸電線路本身以及與之相連的發電機和變壓器，造成大面積惡性停電事故，嚴重影響經濟發展和人民生活，甚至引發嚴重的社會問題。2003年美加大停電、2012年印度大停電、今年的臺灣大停電都是例子。”董新洲說。

我國一次能源和電力負荷呈現逆向分布，西部、中部地區“憋”著各種能源資源蓄勢待發，東南部沿海地區是急盼用清潔能源換取可持續發展的電力負荷中心，它們之間相距數千公里，超特高壓輸電成為必然的選擇;隨著互聯電網規模的擴大，電力系統愈來愈接近其穩定極限運行，迫使繼電保護必須用更短的時間切除可能發生的各種故障。

從電磁場理論出發，電能是以波的形式進行傳播，在輸電線發生故障或正常運行時，都會產生運動的行波。行波保護就是指利用輸電線路發生故障時所出現的故障行波來判別故障并快速切除故障設備的重要保護措施。

“行波保護具有超高速動作性能，不受電力系統振蕩、分布電容電流、過渡電阻和CT飽和的影響，是解決超特高壓線路繼電保護難題的理想選擇，也是最為先進的電力線路繼電保護技術。”董新洲說，行波保護原理新穎、技術上具有可實現性，性能優越，可有效保護超特高壓長距離輸電線路。

其實，家里的保險絲就是最早的、最基本的繼電保護技術，通過感受電流增大發熱而熔斷、通過“斷電”保護家用電器設備不損壞、不著火。

“繼電保護是‘負的正能量’，它不能阻止故障的發生，但是通過快速發現故障并及時切除故障設備可以有效防止故障范圍的擴大和蔓延，有效防止火災事故的發生。”董新洲說，故障行波是電力線路特有的故障特征，利用故障行波構造保護可以靈敏檢測各種輸電線路故障，可以毫秒級地超高速度動作切除故障線路，因此它是理想的超特高壓線路保護技術。

行波保護研究取得重大突破

據了解，1976年瑞典ASEA公司研制出世界上第一套行波保護裝置，并在500千伏的輸電線路中進行了試運行，但是由于未能很好解決可靠性問題，早期行波保護研究以失敗而告終。之后各國都加大了對行波保護研究的力度，不過由于行波保護構成復雜、技術門檻高，一直未能取得實質性突破。

“國外研究起步雖然早，但并沒有真正解決可靠性等方面的挑戰。”董新洲說，行波保護面臨最大的挑戰是受制于特高壓電網的現場條件，“行波是寬頻暫態信號，現場所使用的電容分壓式電壓互感器不能傳變高頻電壓，真正的寬頻帶行波無法獲得。”

董新洲告訴記者，誕生于上世紀70年代的行波保護很長時間未獲成功，主要問題在于：故障行波易逝且不可重復，信息源的標定、暫態信號的量化表示與實時算法問題尚未解決;行波與故障之間的聯系規律和變化機理尚不明晰;與之相關的關鍵實現技術像高速采集、快速處理等核心技術亟須突破。

“可靠性是行波保護的命脈。行波保護的特點是靈敏、快速，與之相對的就是易受雷電、噪聲的干擾，抗干擾能力是行波保護能否成功的關鍵。”董新洲說，行波很靈敏，可靠和靈敏是天敵，如何平衡二者之間的關系是關鍵。

針對上述問題，項目團隊針對不同電壓等級和線路結構的行波保護方法與保護裝置研制開展工作，取得了重大突破。

項目團隊系統性地創建了基于小波變換的故障行波基礎理論、核心算法與關鍵技術;發明了超特高壓線路行波方向比較式縱聯保護;發明了配電線路單相接地行波選線保護。

針對超特高壓線路無法獲取電壓行波難題，突破電磁暫態電路和電磁場割裂分析的瓶頸，創造性利用低頻電壓對寬頻電流行波進行極化以獲取故障方向，首創行波保護抗強電磁干擾技術，發明了行波方向比較式縱聯保護，方向元件出口時間5ms，保護整組動作時間15ms，比傳統保護快1倍。

首套基于極化電流行波方向繼電器的行波縱聯方向保護于2011年12月，成功投運西北750kV輸電線路“乾(縣)—信(義)線”，并取得了良好的運行效果。之后，項目團隊進一步開發出了基于低頻行波的差動保護技術，并于2013年成功投運江蘇省電力公司500kV超高壓線路珉—政線，2016年投運蒙西—天津南百萬伏特高壓輸電線路。

不僅如此，行波保護在配電線路單相接地故障檢測方面同樣具有獨特效果。我國10—35kV配電網普遍采用中性點非有效接地方式運行，這種方式的特點是：發生了單相接地故障后，線電壓保持對稱，可以不中斷對用戶供電;但是接地點會產生高溫電弧、非接地相會產生過電壓，給電網安全留下巨大隱患，因此需要可靠的接地故障檢測技術。但是，由于中性點非有效接地，接地電流非常微弱，難以檢測，成為困擾電網安全的世界性難題。