电网的“安全卫士”

"煤来自天堂，电来自远方！"随着中国“西电东送、南北互供”能源战略的实施，智能电网和能源互联网建设的稳步推进，以及“八八直”UHV输电工程的投产，中国形成了世界上最大的、电压等级最高的交流/DC互联电网，为中国经济社会发展提供了强大的电力保障。然而，由于UHV电网传输容量大、距离远，对继电保护提出了更高的要求。继电保护是电力系统的第一道安全防线。通过对断路器的快速检测和控制，排除故障设备，达到保护故障电气设备不受损坏和电网非故障部分安全稳定运行的目的。其中，行波保护不受电力系统振荡、过渡电阻、分布电容电流和电流互感器饱和的影响，是超高压输电线路理想的继电保护方法。清华大学电机系董新洲教授带领的项目组经过十余年的基础研究和技术攻关，揭示了行波与停电的依存机理，提出了基于初始行波信息的电力线继电保护的思路和方法，攻克了行波保护的关键技术，实现了多项原创性发明和产业化。该项目成果已广泛应用于不同电压等级的10-10—1000千伏电力线，显著提高了电力系统的安全水平，产生了显著的经济效益和社会效益。他获得了2016年北京科技奖一等奖。行波保护是保护“能源高速公路”的理想选择。美国电气和电子工程师协会(IEEE)继电保护委员会的研究表明，70%的停电是由继电保护引起或加剧的，这从另一个方面说明了继电保护技术的极端重要性。优秀的继电保护技术不仅可以保护故障输电线路、发电机、变压器等电气设备免受损坏，还可以显著提高整个电网的安全性和稳定性。随着电力工业的蓬勃发展，我国越来越多地采用超高压输电技术作为电能的远距离传输方式。超高压输电线路电压等级高，传输距离长，传输容量大，对电网稳定性影响大，故障覆盖范围广。因此，如何保证UHV输电线路的安全运行，成为保证整个电网安全可靠运行亟待解决的科技问题。“电力以光速流经电网。北京使用的电力可能来自内蒙古的电厂或甘肃的风力发电基地。我们不知道源头在哪里。”董新洲说，由于电网面积大，输电线路运行环境恶劣，故障是不可避免的，一旦线路发生故障，必须立即切断。“如果不及时切断，巨大的短路电流将烧毁输电线路本身以及与之相连的发电机和变压器，造成大面积恶性停电，严重影响经济发展和人民生活，甚至造成严重的社会问题。美国和加拿大2003年的停电、印度2012年的停电以及*今年的停电都是例子。”董新洲说道。中国的一次能源和电力负荷反向分布。西部和中部地区“遏制”各种能源资源，势头越来越大。东南沿海地区是一个电力负荷中心，渴望用清洁能源换取可持续发展。它们相距数千公里。超高压输电是必然选择。随着互联电网的扩大，电力系统越来越接近其稳定极限，迫使继电保护在更短的时间内切断各种可能的故障。根据电磁场理论，电能以波的形式传输，当输电线路故障或正常运行时会产生行波。行波保护是利用输电线路故障时产生的故障行波来识别故障并快速排除故障设备的重要保护措施。“行波保护具有超高速性能，不受电力系统振荡、分布电容电流、过渡电阻和电流互感器饱和的影响。是解决超高压输电线路继电保护问题的理想选择，也是输电线路最先进的继电保护技术。”董新洲表示，行波保护原理新颖，技术可行，性能优越，能有效保护超高压长距离输电线路。事实上，家中的保险丝是最早也是最基本的继电保护技术，它通过感觉电流增加和发热来熔断，并通过“断电”来保护家用电器免受损坏和火灾。“继电保护是‘负正能量’，它不能防止故障的发生，但通过快速发现故障并及时排除故障设备，它可以有效防止故障范围的扩大和蔓延以及火灾事故的发生。”董新洲说，故障行波是电力线路特有的故障特征。利用故障行波进行保护可以灵敏地检测各种输电线路故障，并能以毫秒级超高速切断故障线路，是一种理想的超高压线路保护技术。行波保护研究的重大突破据了解，1976年，瑞典ASEA公司开发了世界上第一台行波保护装置，并在500千伏输电线路上进行了试运行。然而，由于未能解决可靠性问题，早期的行波保护研究以失败告终。此后，各国都加强了对行波保护的研究。然而，由于行波保护的结构复杂，技术门槛高，尚未取得实质性突破。"虽然国外的研究起步较早，但并没有真正解决可靠性等挑战."董新洲表示，行波保护面临的最大挑战取决于UHV电网的现场条件。行波是一种宽带暂态信号，现场使用的电容式分压电压互感器无法传输高频电压，因此无法获得真实的宽带行波董新洲告诉记者，诞生于20世纪70年代的行波保护已经很长时间没有取得成功。主要问题在于故障行波具有易腐性和不可重复性，信息源标定、暂态信号量化和实时算法等问题尚未解决。行波与断层的关系规律和变化机理尚不清楚。与之相关的高速采集和快速处理等关键实现技术亟待突破。“可靠性是行波保护的生命线。行波保护的特点是灵敏度高、速度快，但容易受到雷电和噪声的干扰。抗干扰能力是行波保护成功的关键董新洲说，行波非常敏感，可靠和敏感是天敌，如何平衡两者的关系是关键。针对上述问题，项目组在开发不同电压等级和线路结构的行波保护方法和装置方面取得了重大突破。项目组系统地建立了基于小波变换的故障行波的基本理论、核心算法和关键技术。本发明公开了一种超高压线路行波方向比较式纵向保护。本发明公开了一种配电线路单相接地行波选线保护。针对超高压输电线路无法获得电压行波的问题，突破了电磁暂态电路与电磁场分离分析的瓶颈，创造性地利用低频电压极化宽带电流行波获得故障方向，开创了抗强电磁干扰的行波保护技术，发明了行波方向比较式纵向保护，方向元件退出时间为5毫秒，保护组动作时间为15毫秒，比传统保护快一倍。2011年12月，西北750千伏输电线路“甘(县)-新(义)线”第一套基于极化电流行波方向继电器的行波纵向方向保护成功投入运行，取得了良好的运行效果。此后，项目组进一步开发了基于低频行波的差动保护技术，并于2013年成功投运了江苏电力公司500千伏超高压线路闽郑线，2016年成功投运了百万伏高压输电线路孟茜-天津南。不仅如此，行波保护在配电线路单相接地故障检测中也有独特的作用。我国10-35kV配电网普遍采用中性点非有效接地方式。这种方式的特点是:发生单相接地故障后，线路电压保持对称，用户供电不中断；但是，在接地点会产生高温电弧，在非接地阶段会产生过电压，给电网安全留下巨大隐患。因此，需要可靠的接地故障检测技术。然而，由于中性点未有效接地，接地电流非常微弱且难以检测，已成为困扰电网安全的世界性难题。项目组发现并确认行波与中性点接地方式关系不大。只要故障发生，行波将不可避免地发生。通过检测和比较不同线路上的初始行波，可以可靠、灵敏地检测配电线路的单相接地故障。行波选线技术是行波保护技术在配电线路中的推广和应用，是行波保护对电网安全的又一重大贡献！“虽然行波保护在国外研究得很早，但现在已经被中国超越了。现在外国想跟着我们，我们的国家是一只绵羊。”董新舟自豪地说道。“但是外国非常严厉。迈出第一步很容易。第二步是否坚定至关重要。”尽管取得了成功，董新洲仍有强烈的焦虑感。他告诉记者，一些外国制造商已经开始跟进。如果我们不能坚持研究，及时推广应用，扩大领先优势，我们艰难取得的原有成就和优势很可能被别人超越。尽管国内外的同事已经给了董新洲的团队行波保护的桂冠，但他的脊梁骨仍然“吓人”。国电南京自动化有限公司和北京恒天北斗科技有限公司已将不同电压等级、不同线路结构的行波保护技术在我国电网中广泛应用，成千上万种不同类型的行波保护装置已在我国电力、石化、钢铁、油田和军事领域得到应用，并在保护电力系统安全方面发挥了重要作用。中性点有效接地系统配电线路高阻接地故障检测技术也已被阿尔斯通公司产业化，并在世界许多国家的电网中得到应用。据了解，目前中国两大电网公司(国家电网公司和中国南方电网公司)和五大发电集团已采用本项目的技术保护其电力线路。董新洲告诉记者，采用这种技术可以大大减少因电力线路故障造成的设备损坏，降低电网不稳定的风险，减少电网停电损失，缩短停电时间，缩小停电范围。快速排除故障和有效防止电网不稳定造成的停电可以节省数百亿美元的经济损失。该项目的成果促进了电力科技的进步。将电力系统继电保护的构成基础从工频稳态故障信息扩展到暂态行波信息，解决了电力系统中超高压长距离输电线路保护和配电线路单相接地保护的难题，丰富了电力系统继电保护和故障检测技术的内容。此外，行波保护技术的突破也掀起了行波研究和应用的新高潮，引领了继电保护的发展方向，推动了相关产业的技术升级换代，显著提升了我国继电保护的国际地位和竞争力，增强了智能电网吸收大规模可再生能源的能力，保障了电力乃至国家安全。