學生可自主構建的全景繼電保護教學系統

張紫凡，王智東,2，徐江元，王 玕，陳志峰，張 哲，陳瑞源

（1. 華南理工大學 廣州學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800；2. 華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；3. 廣東中煙工業有限責任公司韶關卷煙廠，廣東 韶關 521026；4. 華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

電力系統繼電保護由于涉及電力系統故障分析、電路理論、網絡拓撲等豐富內容，是一門難于掌握的課程[1-2]，尤其像三段式過電流保護、距離保護等基礎內容較為抽象、知識點關聯性多，本科生的電力系統繼電保護知識學習往往流于表面，難以深入、系統地掌握繼電保護知識的要點[3-4]。

目前的電力系統繼電保護實驗主要采用以硬件實驗裝置為主或以電力系統仿真軟件為主兩種方式[5-6]。以硬件實驗裝置為主的本科實驗具有具體形象的優點，但實驗設備功能通常是固定的，難以通過靈活調整實驗設備的參數，靈活實現電力系統在各種不同運行條件下和差別各異的運行環境中工作。以MATLAB、PSCAD 等仿真軟件為主的繼電保護實驗方法，能夠直觀、靈活地設置電力系統繼電保護的運行情況，但對于初學者來說，除了直觀性稍差外，掌握這些軟件需要有一個漸進的學習過程，在本科電力系統課程有限的課時學習中，難以廣泛應用。

1 全景繼電保護教學系統

考慮硬件實驗裝置的直觀性和電力軟件的靈活性等優點，本文結合繼電保護課程特點，構建以PSCAD仿真軟件為平臺基礎、硬件實驗裝置為補充的全景繼電保護教學系統[7-8]。

全景繼電保護教學系統以搭建本科教學知識點的電力系統繼電保護基礎庫為技術基礎，將繼電保護課程內容、知識點以可視化、直觀化、靈活化的方式呈現在仿真平臺上[9-10]。全景繼電保護教學系統配備豐富的繼電保護仿真案例，可為繼電保護課程教學以及學生創新競賽提供服務。

全景繼電保護教學系統采用分層設計思路，由基礎層、中間層、平臺層和應用層四部分組成，如圖1所示。基礎層以PSCAD 電力仿真軟件為核心，同時包含硬件繼電保護實驗裝置，充分利用現有硬件繼電保護實驗裝置的直觀性優點，降低初學者學習難度，同時可以與軟件仿真實驗結果做比較，以互補性方式豐富教學效果。

圖1 全景繼電保護教學系統構建

中間層完成搭建本科教學知識點的電力系統繼電保護基礎庫的功能，以直觀、生動、可調的電力系統全景平臺結合繼電保護仿真案例作為平臺層[11-12]。綜合基礎層、中間層以及平臺層構成全景式繼電保護教學系統的硬件以及軟件基礎，在面向所有學生的基本繼電保護課程教學的同時，能夠支持學有余力的學生參與本科科研和課外創新競賽，從而達到適應基礎學習以及進階學習的目的，適用于不同學習能力的學生使用[13]。

全景繼電保護教學系統的平臺層中，電力系統繼電保護仿真模型的一次以及二次系統中的各個元件都是可見、可調的。在平臺層中配備有豐富的與課程知識點結合的繼電保護教學案例可供學生調用，主要包括三段式過電流保護案例、距離保護案例、縱聯保護案例、主設備（發電機、變壓器、母線）保護案例、重合閘與繼電保護配合案例。

在應用層，一方面通過調用現有的仿真案例，全景繼電保護教學平臺可以為面向所有學生的基本課程教學提供服務；另一方面，全景繼電保護教學平臺以靈活的操作界面以及可調用的元件庫，為學有余力的學生的科研以及創新競賽提供有力支持。

2 全景課程的設計

本文提出的全景繼電保護教學系統，首先滿足繼電保護基礎教學內容，以驗證性繼電保護仿真實驗為主體；接著開放了探索性繼電保護仿真實驗，供學生進一步進階提高，實現從簡單到復雜逐步深化學習的過程。

2.1 驗證性繼電保護仿真實驗設計

在以繼電保護知識學習為目的的實驗課程設計中，以仿真案例為基礎，促使學生以專業知識作為理論依據來開展實驗步驟以及分析仿真結果。以理論指導實驗，再以實驗結果驗證理論知識，形成閉環的學習過程，以達到更好的教學效果。

學生開展實驗的第一個步驟是調用平臺層的繼電保護教學案例，獲得所需要的繼電保護仿真模型。繼而分析仿真案例的一次以及二次系統結構，根據整定原則計算并設置繼電保護設備的參數，完成仿真模型的整定配置。

第二個步驟是設計不同的仿真條件，如不同的故障位置、故障類型、故障時間以及不同的系統運行方式等條件，并在各個仿真條件下，進行仿真計算。

第三個步驟是觀察實驗現象，并對仿真結果進行理論分析。若得到的實驗結果與第一步中的整定計算相一致，則完成實驗；若不一致，則說明某實驗環節有問題。促使學生自主運用理論知識來分析原因并解決問題，如問題得不到有效解決，則輔以教師指導來更正錯誤環節，并完成實驗。仿真實驗流程如圖2所示。

實驗流程設計始終以理論知識的學習與應用為基礎，以學生自主解決問題為導向，以教師指導為輔助，以期在達成良好教學效果的同時，培養學生的獨立思考能力。

2.2 探索性繼電保護仿真實驗設計

學生可自主構建的全景繼電保護教學系統在提供輔助教學功能的基礎上，還可為繼電保護的探索性研究提供一個良好的實驗平臺，使學有余力的學生有進一步的探索空間。

該系統支持與繼電保護相關的多種類型的探索性研究，如繼電保護設備的優化設計、不同應用場景下繼電保護功能的研究、分布式能源接入對繼電保護的影響分析、繼電保護裝置誤動作原因分析等多個方面。

第一個步驟是根據研究目標自主設計所需要的實驗模型，包括選定繼電保護類型、設計一次系統拓撲圖、設計二次系統結構及功能、設計仿真條件、對所需要的實驗數據做初步的預計。

第二個步驟是根據模型設計在仿真平臺建立實驗模型。在模型的建立過程中，可在全景繼電保護教學系統自帶的元件庫中調用元件模型。如果元件庫中沒有需要的元件模型，則可應用FORTRAN 編譯語言在仿真平臺自主創建所需的元件模型。新模型創建后可保存在元件庫中，方便下次調用。

第三個步驟是自主設計仿真條件并運行模型，運行成功則可得到所需要的實驗數據，運行不成功則需要經過自主思考或者教師指導更正模型。仿真實驗流程如圖3 所示。

在探索性繼電保護實驗的設計中，在確保實驗可操作的前提下，賦予了學生在實驗過程中充分的自由度。學生的自主性體現在實驗模型設計環節、元件模型創建環節、模型搭建環節、仿真條件設計環節，以及遇到問題的自主思考環節，貫穿于整個實驗流程中。

圖2 驗證性繼電保護仿真實驗流程圖

圖3 探索性繼電保護仿真實驗流程圖

3 全景繼電保護教學系統的元件庫

在全景繼電保護教學系統中，學生可以在實驗平臺的元件庫中選擇系統元件來構建繼電保護仿真實驗模型。元件庫作為全景繼電保護教學系統的基礎，主要包括電力系統元件庫和繼電保護元件庫，在涵蓋電力系統主要的一次元件以及二次元件的基礎上，還具備較強的拓展性，在繼電保護教學過程中可不斷添加新的元件模型。

3.1 電力系統元件庫

一次系統元件庫如圖4 所示。系統元件庫的結構根據實際電力系統結構，由電源、輸配電系統以及負荷三部分組成。

元件庫的電源部分包括火電廠、水電廠、系統等效電源等主要的電源類型。在此基礎上，充分考慮新能源的發展趨勢，引入了風電場、光伏發電等清潔電源的發電元件模型。

輸配電系統以線路、開關、變壓器為主要內容。為充分考慮仿真實驗的針對性、仿真研究的側重性、元件選擇的靈活性，線路模型配備了分布參數的架空線元件、電纜線路元件、集中參數的派型等值線路元件。變壓器的元件類型有三相變壓器、單相變壓器、三繞組以及雙繞組變壓器、自耦變壓器。為貼近實際變壓器的運行特點，可通過設置變壓器的參數觀察勵磁涌流現象。

負荷部分主要包括系統等值負載、電動機類旋轉負載以及可控負載三種類型。通過對負荷類型的選擇可分別模擬不同的仿真場景。

圖4 一次系統元件庫

圖5 二次系統元件庫

3.2 二次系統元件庫

作為電力系統繼電保護仿真實驗的核心元件，繼電器、測量元件以及信號處理等元件組成的保護元件庫如圖5 所示。繼電器元件涵蓋多種繼電器類型，包括過電流繼電器、阻抗繼電器、功率方向繼電器、比率差動繼電器、反時限過電流繼電器、時間繼電器，保證了繼電保護實驗的多樣性以及靈活性。

繼電器并不能直接從一次系統中得到所需的信號，需要電流互感器、電壓互感器以及包括電流表、電壓表、功率表、頻率表、萬用表等多種類型的測量儀表，為不同類型的繼電器提供所需的輸入信號。對于阻抗繼電器則需要將測量得到的電壓與電流信號進行進一步的運算，將其轉化為阻抗信號。因此在二次系統元件中還需要信號處理元件，如相序轉換器、快速傅里葉變換、接地以及相間阻抗計算元件，可實現多種信號處理的功能。

此外，邏輯運算元件包括典型的與門、或門、非門、移位寄存器以及JK 觸發器，基本滿足了繼電保護裝置中邏輯運算的需求。

4 學生自主構建探索性繼電保護案例

學生在電力系統理論知識學習的基礎上，可自主構建對應的電力系統模型，并觀察現象、分析原因。學生在開拓性仿真實驗中，既能調用平臺所提供的現有模型和案例進行改造設計及進一步的功能開發，又可以根據需求自主設計并構建模型。

全景繼電保護教學系統中輸電線路距離保護仿真模型如圖6 所示，包括兩個建模區域以及為建模工作提供服務的“功能區”和“信息區”。建模區域分別為“一次系統及信號輸出”和“二次系統及信號輸出”，功能區中的“繼電保護案例庫”和“元件庫”可實現系統自備教學案例及設備模型調用，“自主創建元件”可根據建模需求自主創建封裝元件。學生通過“仿真時長設置”，可根據實驗需求自主決定仿真時長及仿真計算精度。信息區中的“模型運行信息”和“信號節點查找”可協助學生在建模過程中查找并改正模型錯誤。

以雙側電源高壓輸電線路的距離保護為例，該模型中一次系統部分中的主要元件有系統電源、輸電線路、斷路器、測量儀表等元件，二次系統中主要元件為兩個自定義的封裝元件，實現了信號轉換功能、測量阻抗計算、故障區域判斷以及斷路器控制信號輸出功能。模型中的網絡拓撲結構及其一次元件和二次元件的參數均可由學生自主設置，極大地增加了仿真實驗的開放性。

在實驗中，學生首先要根據研究目標并參考實際電網自主設計系統結構及參數，如電壓等級選擇、主電路拓撲結構設計、線路長度、負荷類型等，然后根據課題需要設計并建立二次系統結構，進行整定計算并設置二次系統參數，如繼電器的保護范圍、動作值、動作延時等。在模型搭建完成后，可根據課題需要設置實驗條件進行仿真研究。

圖6 全景繼電保護教學系統中輸電線路距離保護仿真模型圖

5 結語

本文針對繼電保護課程較抽象、難理解等特點，提出一種以電力系統專業仿真軟件PSCAD 為基礎的、可自主構建的全景繼電保護教學系統。在實驗環節的設計方面，始終以學生為教學活動的主體，鼓勵學生獨立思考解決問題，培養學生的工程思維能力。在全景繼電保護教學系統設計上，針對操作平臺、教學案例、元件庫等多個方面的設計都遵循靈活、開放的原則，以增強學生的自主操作性為目的。

通過仿真平臺的軟硬件建設，實現繼電保護經典仿真案例的構建，以滿足基礎教學的需要，同時設計推出了拓展性實驗的仿真案例以及實驗流程，為學有余力的學生發展專業的科研能力提供有力支持。全景式繼電保護教學系統可在滿足不同層次學生的學習需求的同時，有效地提高教學效率。