電力系統繼電保護課程教學改革探討*

高 鵬

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

隨著社會的發展與進步，電力資源的需求逐步上升，日常生活以及工業生產實踐都離不開電力的支持?；陔娏τ诂F代生活的重要性，繼電保護在電力系統中的作用逐漸增強。電力系統繼電保護是一門理論和實踐相結合，并且具有較強的應用性、綜合性的專業課程。作為電氣工程及其自動化專業的核心課程之一，它的理論比較抽象，學習難度較大。部分傳統理論課程的學習具有局限性，理論知識更新較慢，時效性不高；而實驗課程往往是理論課程的輔助性教學環節，部分學生的知識儲備只是書本上的理論知識。但實際生產過程中繼電保護不能僅限于理論環節，更多的是動手實踐，對產生的問題要具有一定的處置經驗，有的要經過專業的培訓才允許上崗。因此，在繼電保護教學中，實驗教學環節顯得尤為重要。學生通過實驗教學，可以更好地理解理論教學內容，掌握必要的工程技術、測試方法、先進設備和基本研究方法，同時還可以培養學生的實驗技能、科學素養和創新能力，也為以后相關方面的工作打下了良好的基礎。這就要求教師在課程的教學設計中，合理優化教學內容，不斷改進教學方法，緊跟時代步伐，培養出綜合能力強的創新型人才。

一、傳統電力系統繼電保護課程教學中存在的問題

（一） 理論環節

電力系統繼電保護的理論課程具有一定的針對性，理論分析環節很多，計算復雜，而且許多計算方法以及電路搭建需要涉及到其他專業課程的基礎知識，由于部分學生的相關專業基礎知識不扎實，對于繼電保護中的知識理解會有一定的困難，例如保護方式配合上的學習、優化以及整定方法的計算。這樣會導致繼電保護的理論基礎不牢固，對后面保護方式由點及面的跨度不能很好地進行運用；再者，教學內容是課程的基本組成部分，隨著現代電力系統的快速發展，電氣設備、線路規劃日新月異，而有的課程教材的時效性不高，教材版本更新不及時，新的元素較少，學生在運用中很難接觸到新的事物，導致在后續的實踐中難以很好地處理先進元器件的故障問題。

（二） 實驗環節

1.實驗操作繁瑣

常規的基于模擬保護元件的繼電保護方法，是將所有涉及的保護繼電器用線路連接在一起，即將所有的保護邏輯賦予接線中。所用元器件數目多、接線形式復雜，較難操作，難以查出線路中的錯誤，不易操作和邏輯修改。同時，繼電器的操作速度快，繼電器數目多，對于缺乏實驗經歷的學生而言，只能通過反復實驗才能觀察出元器件的運作以及參數變化，這既延長了實驗時間，在一定程度上還會降低設備的使用壽命，使得實驗教學效果不夠理想。

2.設備定型不易改動

從硬件平臺上看，電力系統繼電保護實驗中采用了定型的微機繼電保護裝置，保護程序提前裝好并固化在裝置中，該系統方便可靠、可實現各種保護功能（固定的裝置實現相應的保護），但學生難以介入保護算法的設計和編程，更看不到保護邏輯的執行過程，學到的編程方法在實際應用中較難實現，導致部分學生難以對整個保護過程有深刻的理解。

3.接口過少難以優化

繼電保護技術正在向數字化、網絡化、綜合化以及智能化的方向發展，而目前有的實驗平臺裝置沒有預留升級和擴展的接口，對后續的升級拓展造成一定的困難。

（三） 教學理念

在知識、能力和素質的關系上，部分傳統教學重視知識的傳授，對學生實踐能力的培養不足，特別是在學生的創新能力的培養方面。在教與學的關系上，強調教師的主導性，學生的主體性體現不夠。教學過程中，教師向學生單向傳輸知識，學生被動地學習，其主體性和積極性體現不夠。缺乏主動性和積極性，創新性也就失去了基礎。同時，對學生的要求強調整體性，對個體的差異性重視不夠，影響學生創新能力的培養。

二、改革的必要性

電力系統繼電保護課程具有兩個特點：一是理論性強，二是實踐性強。理論性體現在課程綜合性較高，與其他課程關聯度高，高校涉及電力專業的基礎課程都會涉及數電、模電、電力系統分析、電機學、PLC、高低壓等設備，基本的計算機技術是必不可少的。例如，元件保護課程中涉及到的發電機、變壓器、母線、斷路器、電抗器等內容與電機學及電氣設備課程相關；線路保護與高電壓技術、電力系統分析（潮流、短路、穩定）、計算機應用等課程也有聯系。

因此，課程學習不僅僅有是原理上的理解，更需要對設備的了解，有很強的實踐性。學習繼電保護課程的目標就是在實際生產中的應用，僅僅靠理論基礎是不夠的，還需要掌握設備的繼保銜接、線路的故障選線知識以及異常狀態下的快速應變能力，實際生產中不能只考慮理想化的故障問題，更要關注非理想狀態下的隱患，而這些都是難以從書本中獲得，需要從實踐中去發現、去處理、去學習。在授課教學中，部分教師往往會把保護原理作為重點，而部分學生對單一原理的學習積極性不高，教學效果就不盡如人意；而實驗中的接線圖結構復雜，所學的理論知識運用較為困難。因此，開展理論與實踐相互融合的教學方法特別關鍵。應通過教學驗證所學繼電保護理論的正確性，加深學生對基本原理、基本概念的理解，增強感性認識，進一步促進理論學習，進而使學生熟悉繼電保護裝置的基本結構，掌握必要的工程技術、測試方法、先進設備和基本研究方法，同時培養學生的實驗技能、科學素養和創新能力。

三、改革的策略

在教學過程中，應樹立現代實驗教學理念，與同類院校進行溝通，取長補短，更新教學內容，尋求適合學校學生的教學方法，構建科學合理的教學體系，要符合培養目標的要求。

（一） 理論環節

1.線上線下同步授課

隨著計算機和網絡技術的快速發展，課程教學不局限于面對面的班級授課，還可以引入到線上。2015 年，教育部出臺了《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》，各高校紛紛響應，建設了一大批在線開放課程[1]。利用網絡平臺的MOOC 教學，多利用動畫、動態圖以及可視化的方式將難點簡單化，將模型簡易化，高?？梢越⒆约旱慕虒WMOOC，也可推薦學生學習其他學校平臺開設的課程。三峽大學電氣與新能源學院也提出建立開放網絡教室，購買在線學習資源的改革思路[2]。其將整個教學課程分為課前、課中和課后，學生在線上提前觀看教學視頻，進行預習測驗，對課程內容有一定的了解。由于電力系統繼電保護課程所涉及的其他課程知識點較多，提前預習讓學生有充分的時間去閱讀查找課程的相關資料，有助于深入理解，并且動畫的效果可以把傳統教學變得生動，讓學生在觀看動畫的同時更容易理解動作方式，增強了學生的學習興趣。線下授課則將章節重難點反復強化聯系，使學生對繼電保護思路的基本要求 （即可靠性、選擇性、快速性、靈敏性） 有新的認識。

2.教學內容及時更新

自“雙碳”目標提出以來，電力系統結構日益更新，每一根線路、每一個器件都在被優化的考慮范圍，教材上的內容是不夠的，需要教師和學生多看多學，教師要將前沿知識融入課堂教學環節，可以結合當前建設的“特高壓直流輸電”“微電網并網運行”[3]等項目，給予學生一定的背景知識，對熱門項目的普遍問題，讓學生思考，增加課堂討論，這對學生后續的學習有一定的幫助。學生也可以提出新的見解并與教師加強交流，也可以將自己的感受和教師、同學進行分享，集思廣益，共同探討更好的學習方法，更深刻地理解保護機理。同時，教師要做好學生的引導，結合具體工程案例，良好銜接課程目標，并且要培養學生獨立思考和團結協作的能力。教師在注重學生創新能力培養的同時也要讓學生明白團隊的重要性，實際生產中需要團隊成員的共同努力，團結協作，為以后的實際工作奠定基礎。

（二） 實驗環節

1.增加實踐權重，產學研融合教學

電力系統繼電保護課程的實踐性較強，教材上的理論知識雖然可以調動學生的學習積極性，卻難以在實踐上同步培養。因此，高校應加強與當地電力企業的合作，共同研究出適合培養學生實踐能力的教學方法，制訂適宜的教學計劃，增加實踐環節在整個教學環節上的權重比例。高校要通過與企業構建在線實踐課堂，多選取實際生產案例進行舉例實驗，讓學生深入了解具體的崗位與工作方式，將理論上的保護原理可視化、可操控化，將其與課本上的重難點聯系起來，融會貫通，加深理解；也可以安排學生在線下去企業生產線實習，在真實工作環境下學習如何解決繼電保護的故障問題，與企業工作人員共同探討，在實際的生產線上提高學生的實踐能力，企業也可按學校的培養方式對學生定期進行工作評估，學校對于企業反饋的工作問題在課堂和實驗室中進行模擬試驗，形成有效的正反饋路徑，增強學生實踐的能力，提高學校的教學質量。電力系統繼電保護課程改變了以往單一理論教學的方式，應將理論教學作為基礎，將工程實踐作為依托[4]。目前許多高校采用產學研融合教學的模式，在這一模式下可以加強學生實踐能力的培養，激發學生的求知欲，培養學習興趣，有利于加強學生、學校與電力企業之間的合作。同時也要加強師資隊伍的建設，提升教學質量，培養更多的優秀人才。

在課程考核中也要著重考慮實驗分數的權重占比，重視過程性考核，給予實驗環節更多的分值，要將各個操作環節各賦分值，建立完善的課程達標度評價機制， 課程結束時進行綜合考量；適當增加操作環節分數，適時進行階段測評，在實踐操作時，讓學生進一步思考和理解知識點，這也是對學生專業能力的一種提升。

2.開放式實驗項目

本課程共包含四個實驗板塊，從輸電線路電流電壓保護實驗、三段式電流保護實驗、線路保護與自動重合閘實驗到變壓器差動保護實驗，逐漸深入，與教材上的理論知識講解順序相互對應，每一章均詳細地為學生指明了實驗目的、實驗原理、實驗內容，通過合理的設計，證實已有的理論。而目前部分電力系統繼電保護實驗平臺處于封閉化狀態，并且所用程序已提前編好并輸入到設備中，學生難以從外部介入程序，也難以將所學知識運用其中；裝置封閉化也導致保護過程可視化程度降低，學生很難直觀觀察到整個保護過程以及各項保護參數，給學生對保護原理的理解帶來了一定困難?；诖?，桂林電子科技大學加強了實驗中心的硬件及軟件建設，評定并構建了基于圖形化數字可編程繼電保護實驗教學平臺，如下頁圖1 所示。將基于可編程繼電保護裝置應用于繼電保護的教學實驗中，實現在線圖形化保護邏輯編程、實時監控被測電量、保護邏輯的執行過程，為實驗室資源的高效利用提供條件。平臺內采用了可編程繼電保護裝置與圖形化人機交互組成保護的硬件系統，方便后續的觀察與程序輸入；以保護元件圖形組成繼電保護邏輯，在線編程，將保護控制要求輸入到可編程繼電保護裝置中；采用模擬負載及故障產生裝置構建設定的故障現象，產生故障源信號；最后將故障源信號引入可編程繼電保護裝置，監測故障源信號的特征量、測試保護邏輯動作執行過程和執行結果。

圖1 基于圖形化數字可編程繼電保護實驗教學平臺圖

將圖形化數字可編程繼電保護裝置用于繼電保護的實驗教學系統中，實現了繼電器保護邏輯的在線圖形化設計、編程和可視測試；軟件和實際裝置的結合增加了保護算法執行過程的透明性和可操作性；組態監控實時動態顯示檢測電量的變化和保護邏輯動作過程，克服了傳統繼電保護元件接線復雜的問題，又能解決現有微機保護裝置保護程序難以介入的問題。學生能夠在線快速進行相關實驗邏輯的圖形化編程，并開發新的保護算法，在平臺上直觀地感受整個保護過程，實時觀察并記錄過程數據參數，便于隨時檢查，既實現了相關保護實驗又能夠培養學生的創新精神。

四、結語

隨著電力系統的飛速發展，繼電保護的作用與日俱增，這要求學校和教師共同努力，不斷完善教學內容，針對學生的薄弱環節提供相應幫助；堅持實踐與教學相結合，提高學生的動手能力，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，促進產學研深度融合，不斷探索新的教學方法，合理規劃教學計劃，讓學生打下扎實的理論基礎和實踐能力，更好地培養應用型創新人才，切實解決工作實際中產生的繼電保護問題。