本科全景繼電保護(hù)教學(xué)研究與實(shí)踐

張紫凡，王智東,，王 玕，張 哲，陳志峰，楊 玲，鄧豐強(qiáng)

本科全景繼電保護(hù)教學(xué)研究與實(shí)踐

張紫凡1，王智東1,2，王 玕1，張 哲1，陳志峰1，楊 玲2，鄧豐強(qiáng)2

（1. 華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的組成部分，繼電保護(hù)課程融合了電力系統(tǒng)分析等多學(xué)科內(nèi)容，具有學(xué)科交叉、概念抽象、理論復(fù)雜、不便自學(xué)等特點(diǎn)。該文分析了現(xiàn)有繼電保護(hù)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出了適應(yīng)不同水平學(xué)生的全景繼電保護(hù)教學(xué)模式，并以電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD為基礎(chǔ)開發(fā)了適用于本科階段的全景繼電保護(hù)教學(xué)平臺(tái)。

繼電保護(hù)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；全景教學(xué)

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”是一門融合了電力系統(tǒng)基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)故障分析、模擬與數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的交叉學(xué)科[1-2]，掌握好繼電保護(hù)的原理和技術(shù)，是電氣工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后從事電力專業(yè)工作的基本要求[3]。繼電保護(hù)課程具有概念抽象、理論復(fù)雜、實(shí)踐環(huán)節(jié)多、課堂講授難度大等特點(diǎn)[4-5]，尤其對(duì)于初次接觸繼電保護(hù)課程的本科生來說，對(duì)繼電保護(hù)知識(shí)學(xué)習(xí)普遍感到困難，往往只流于表面，難以深入、系統(tǒng)地掌握繼電保護(hù)知識(shí)的要點(diǎn)。如何在有限的課程時(shí)間內(nèi)，使不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生，在自身電力專業(yè)水平基礎(chǔ)上，都能對(duì)繼電保護(hù)這門課程的知識(shí)有更加深入的理解，是繼電保護(hù)課程教學(xué)的難點(diǎn)之一。

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”還是一門理論性和實(shí)踐性緊密結(jié)合的學(xué)科，在理論學(xué)習(xí)的過程中需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)來加深理解。目前的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備一般趨向于模塊化，多數(shù)實(shí)驗(yàn)是在模塊上直接測試參數(shù)，學(xué)生無需動(dòng)手，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造熱情。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和各種電力專業(yè)高級(jí)應(yīng)用軟件的出現(xiàn)，為“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”的學(xué)習(xí)提供了便利性，但專業(yè)電力軟件通常涉及復(fù)雜的配置、設(shè)置等問題，對(duì)于電力專業(yè)本科生初學(xué)者來說有較大難度[6]。

1 全景繼電保護(hù)教學(xué)模式概述

本文以電力專業(yè)仿真軟件PSCAD為底層支撐，并結(jié)合繼電保護(hù)課程內(nèi)容對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，形成一種全景繼電保護(hù)教學(xué)模式，將抽象、復(fù)雜的繼電保護(hù)知識(shí)，以可視化界面直觀地展示出來，包括繼電保護(hù)裝置的構(gòu)成、功能與動(dòng)作原理等，從而形成對(duì)傳統(tǒng)課堂知識(shí)講授的有益補(bǔ)充和深入擴(kuò)展。

全景繼電保護(hù)教學(xué)在完善繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與形式基礎(chǔ)上，既能提供與課堂學(xué)時(shí)同步的、現(xiàn)成的繼電保護(hù)案例供本科生直接調(diào)用，學(xué)生還可自主構(gòu)建各類繼電保護(hù)應(yīng)用場景。滿足了不同水平學(xué)生的需求，使他們在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間里盡可能多地掌握繼電保護(hù)知識(shí)，對(duì)提高本科繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義[7-8]。

2 以學(xué)生為主體的全景實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

全景繼電保護(hù)教學(xué)以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，秉承以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，針對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程較為抽象、知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的特點(diǎn)，構(gòu)建適用于不同水平本科生的全景教學(xué)模式[9]，旨在加強(qiáng)繼電保護(hù)課程的豐富性和直觀性，調(diào)動(dòng)本科生學(xué)習(xí)積極性，降低課程學(xué)習(xí)難度。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式往往以教師講授為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，缺乏可選擇性，對(duì)不同水平學(xué)生的適應(yīng)性不強(qiáng)，難以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。如圖1所示，按照全景繼電保護(hù)教學(xué)理念，學(xué)生是教學(xué)過程的主體，他們以繼電保護(hù)理論知識(shí)為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，以自主解決問題為導(dǎo)向，并輔以教師指導(dǎo)，培養(yǎng)獨(dú)立思考能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可根據(jù)興趣和自身能力情況，選擇不同的實(shí)驗(yàn)類型（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)）及不同的實(shí)驗(yàn)難度（較低難度、中等難度、較高難度）。

3 全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

繼電保護(hù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有2個(gè)目標(biāo)[10]：（1）理論驗(yàn)證，使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論有更深的理解和認(rèn)識(shí)；（2）培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新研究能力。

傳統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過親身動(dòng)手和操作來加深對(duì)繼電保護(hù)原理以及裝置結(jié)構(gòu)的了解。但隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的局限性愈發(fā)明顯，一是受實(shí)驗(yàn)器材限制，實(shí)驗(yàn)種類較單一；二是可開發(fā)性不足，無法開展探索研究性實(shí)驗(yàn)[11]。

為了解決這一問題，全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提供豐富的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)案例基礎(chǔ)上，著重加強(qiáng)了研究性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。不僅通過繼電保護(hù)知識(shí)的具體化、案例化，使學(xué)生易于掌握，而且具有“因材施教”功能。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)水平和專業(yè)掌握能力的差異性所構(gòu)建的全景教學(xué)模式，具有良好的適用性。其教學(xué)設(shè)計(jì)分為“調(diào)用仿真案例”“修改仿真案例參數(shù)”“自行搭建仿真案例”“基礎(chǔ)模塊改進(jìn)”4個(gè)部分，滿足不水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，并可應(yīng)用于多種教學(xué)場合。全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

（1）調(diào)用仿真案例。根據(jù)理論課程內(nèi)容，開發(fā)了對(duì)應(yīng)的課程案例，學(xué)生只需直接調(diào)用，便可觀看相應(yīng)的課程內(nèi)容及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基本分析。這是最初步的學(xué)習(xí)方法，適用于所有參與該課程學(xué)習(xí)的學(xué)生。

（2）修改仿真案例參數(shù)。學(xué)生在調(diào)用仿真案例學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，可根據(jù)自身的繼電保護(hù)專業(yè)認(rèn)知，對(duì)案例的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改，比較不同工況下的繼電保護(hù)現(xiàn)象，并應(yīng)用理論知識(shí)對(duì)一次系統(tǒng)狀態(tài)及保護(hù)裝置的動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行分析，加深對(duì)課程知識(shí)的理解。

（3）自行搭建仿真案例。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，可以進(jìn)一步依靠全景教學(xué)系統(tǒng)所提供的集成模塊，進(jìn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)的自行搭建。不僅涉及電力一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的電路搭建，還需要進(jìn)行電路參數(shù)的設(shè)定。這對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)掌握程度要求較高，需要學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容有深入理解，還要熟悉軟件的設(shè)置和調(diào)試，可作為輔助課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的較高層次的教學(xué)活動(dòng)。

（4）基礎(chǔ)模塊改進(jìn)。這是最高的應(yīng)用層次，是深入到全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊的研究和改進(jìn)工作。雖然現(xiàn)有模塊能夠較好地滿足一般的繼電保護(hù)要求，但隨著新技術(shù)、新設(shè)備在新型繼電保護(hù)中的應(yīng)用，就需要自行開發(fā)新的對(duì)應(yīng)模塊。這是更高層次的教學(xué)要求，需要跟蹤學(xué)科發(fā)展，對(duì)繼電保護(hù)特性有更深入的理解。這部分探索性內(nèi)容可為學(xué)生參與本科高水平競賽和科研活動(dòng)提供支撐。

4 全景繼電保護(hù)系統(tǒng)與應(yīng)用

4.1 全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

全景繼電保護(hù)教學(xué)有賴良好的系統(tǒng)支撐。當(dāng)前的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室通常采用實(shí)體設(shè)備，受限于設(shè)備數(shù)量，無法實(shí)現(xiàn)單人操作，學(xué)生需分批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和考核，造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、內(nèi)容單一且不夠深入。全景繼電保護(hù)教學(xué)將專業(yè)仿真軟件與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)保護(hù)平臺(tái)相結(jié)合，充分發(fā)揮專業(yè)仿真軟件的拓展性、可視化等優(yōu)點(diǎn)，解決了目前繼電保護(hù)課程存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備受限問題[12-13]。

如圖3所示，全景繼電保護(hù)平臺(tái)可以呈現(xiàn)一個(gè)包括電源、開關(guān)、母線、線路、變壓器、互感器以及負(fù)荷在內(nèi)的完整的一次系統(tǒng)，可由學(xué)生自主設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自主選擇電源、線路的類型及參數(shù)，自主設(shè)置負(fù)荷特性及大小。有利于學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)形成清晰、完整的認(rèn)識(shí)，同時(shí)具備較高的自主開發(fā)性。全景繼電保護(hù)平臺(tái)還可呈現(xiàn)包括電流保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)等典型的線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、互感器以及測量儀表在內(nèi)的二次系統(tǒng)，用于開展多種類型的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)層次的理解。

4.2 全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

如圖4所示，整個(gè)界面包含了“一次系統(tǒng)電路”“二次系統(tǒng)電路”“模型參數(shù)設(shè)置”及“仿真波形輸出”4個(gè)部分。“一次系統(tǒng)電路”可供學(xué)生設(shè)計(jì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種電壓等級(jí)、線路類型及長度、電源以及變壓器類型的選擇。“二次系統(tǒng)電路”包括信號(hào)采集、過電流繼電器、邏輯輸出等環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能的主要部分。“模型參數(shù)設(shè)置”包括故障類型設(shè)置及各元件參數(shù)設(shè)置功能。“仿真波形輸出”是將多個(gè)監(jiān)測量的變化以波形形式輸出，通過波形變化理解模型的動(dòng)作過程，便于學(xué)生分析問題和解決問題。

圖3 全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖4 適應(yīng)不同學(xué)生水平的全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，充分考慮了學(xué)生不同的學(xué)習(xí)水平，以及課程教學(xué)、研究創(chuàng)新等不同教學(xué)活動(dòng)所需的學(xué)習(xí)深度，為學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)進(jìn)行了有針對(duì)性的設(shè)計(jì)[14-15]。全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的4個(gè)界面區(qū)域均可由學(xué)生自主設(shè)計(jì)及修改。通過選擇不同功能、不同難度的區(qū)域開展實(shí)驗(yàn)，可滿足學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和探索學(xué)習(xí)等不同階段的學(xué)習(xí)需求。在知識(shí)學(xué)習(xí)階段，可應(yīng)用于繼電保護(hù)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在探索學(xué)習(xí)階段，可應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及學(xué)生競賽及科研等活動(dòng)。

學(xué)生在課堂理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，可根據(jù)自身學(xué)習(xí)能力，有選擇地采用全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供的現(xiàn)有案例，甚至自主構(gòu)建繼電保護(hù)運(yùn)行情境、設(shè)計(jì)邏輯環(huán)節(jié)，深化繼電保護(hù)學(xué)習(xí)。全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生自主解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，培養(yǎng)學(xué)生自主思考能力。在全景繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，始終貫穿了案例與理論知識(shí)相互驗(yàn)證的內(nèi)容，力求達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)語

針對(duì)繼電保護(hù)課程較抽象、難理解、學(xué)科交叉等特點(diǎn)，本文將先進(jìn)的電力專業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā)后，引入到繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程中，構(gòu)建了全景繼電保護(hù)教學(xué)平臺(tái)。全景繼電保護(hù)教學(xué)通過把握繼電保護(hù)學(xué)科技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)，將抽象問題具體化、實(shí)例化，便于學(xué)生理解，并在此基礎(chǔ)上滿足不同學(xué)習(xí)能力學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

全景繼電保護(hù)教學(xué)中，將傳統(tǒng)的經(jīng)典理論教學(xué)與先進(jìn)的電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD相結(jié)合，并經(jīng)過二次開發(fā)，以可視化、直觀化的全景教學(xué)模式，解決了繼電保護(hù)知識(shí)點(diǎn)抽象、難理解等問題。

全景繼電保護(hù)教學(xué)，將原先無差別、無自主選擇的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣和能力自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模式，滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提高了教學(xué)效果。繼電保護(hù)全景教學(xué)模式，有利于拓寬學(xué)生專業(yè)視角，培養(yǎng)學(xué)生工程仿真思維；有利于學(xué)有余力的學(xué)生發(fā)展專業(yè)科研能力，為日后進(jìn)一步深造及從事科研工作奠定基礎(chǔ)。

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Study and practice on teaching of full-scenario relay protection for undergraduate students

ZHANG Zifan1, WANG Zhidong1,2, WANG Gan1, ZHANG Zhe1, CHEN Zhifeng1, YANG Ling2, DENG Fengqiang2

(1. School of Electrical Engineering, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800, China; 2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Relay protection is an indispensable part of the safe and stable operation of power system. The Relay Protection course combines many disciplines such as power system analysis, etc., which has the characteristics of interdisciplinary, abstract concept, complex theory and inconvenient self-learning. This paper analyses the existing problems in the practical teaching of relay protection, puts forward the teaching mode of panoramic relay protection for students of different levels and develops a teaching platform of panoramic relay protection for undergraduate students based on the electromagnetic transient simulation software PSCAD.

relay protection; simulation experimental platform; full-scenario teaching

TM206；G642.4

A

1002-4956(2019)10-0204-04

2019-02-18

廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(55-JY180303)；華南理工大學(xué)廣州學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（55-YG80004）；華南理工大學(xué)廣州學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目（55JY1803001）

張紫凡（1987—），女，河北石家莊，碩士，講師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方向的教學(xué)與研究工作。E-mail: zzf3345@qq.com

王智東（1980—），男，廣東海豐，博士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事智能電網(wǎng)的教學(xué)與研究工作。E-mail: zdwang@scut.edu.cn