應(yīng)用型本科高校電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實驗教學(xué)的研究

朱 珠

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高等教育在辦學(xué)形式上也呈現(xiàn)出多樣化。與傳統(tǒng)的普通院校不同，應(yīng)用型本科高校更加重視學(xué)生的應(yīng)用和實踐能力，旨在培養(yǎng)出合格的一線應(yīng)用型人才，以服務(wù)地方和區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由于安徽經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和能源、電力的緊缺，社會對電氣工程專業(yè)的學(xué)生有較大的需求[1]。而對于電氣工程專業(yè)的學(xué)生而言，應(yīng)用和實踐能力主要體現(xiàn)在對常用的電氣一次和二次設(shè)備的安裝、調(diào)試、運行和維護(hù)上。

為保障電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)(以下簡稱繼電保護(hù)）技術(shù)的任務(wù)有兩點：一是在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能自動、迅速、有選擇性的切除故障，使非故障部分快速恢復(fù)供電。二是在電力系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，能動作于發(fā)出報警信號。經(jīng)過近一百年的發(fā)展，繼電保護(hù)技術(shù)中各種類型保護(hù)的理論原理已基本形成，但保護(hù)的實現(xiàn)手段卻不斷的更新。

作為電氣工程專業(yè)學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，繼電保護(hù)課程基于電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)分析、電力工程基礎(chǔ)等課程之上，涉及電力電子、通信、計算機(jī)等成為交叉學(xué)科。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)下國內(nèi)應(yīng)用型本科高校一般開設(shè)50-60個學(xué)時的繼電保護(hù)課程，其中近20%的學(xué)時屬于實驗環(huán)節(jié)。

目前，我國電力行業(yè)的繼電保護(hù)技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入微機(jī)保護(hù)時代[2]。微機(jī)保護(hù)的廣泛使用，使保護(hù)性能得到提高，調(diào)試維護(hù)變得方便。但同時對電力工程師要求也有了很大提高，需要其在掌握繼電保護(hù)基本原理的基礎(chǔ)之上，還要熟知變電站自動化系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，包括先進(jìn)的設(shè)備本身，以及設(shè)備間的通信組網(wǎng)等。為培養(yǎng)出合格的電力工程師，應(yīng)用型本科高校需要更加重視繼電保護(hù)課程的實驗環(huán)節(jié)。而現(xiàn)有的實驗環(huán)節(jié)應(yīng)用性不夠、變電站綜合一體化思想也缺乏，所以需要在原有的實驗教學(xué)基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，具體措施如下。

一、加強(qiáng)識讀電氣圖能力的訓(xùn)練

現(xiàn)有的繼電保護(hù)實驗大多屬于驗證性實驗，基本依靠實驗保護(hù)臺完成。THLWX/B-1型號實驗臺模擬了簡單的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并引出網(wǎng)絡(luò)中各重要結(jié)點方便學(xué)生接線，同時配有傳統(tǒng)型微機(jī)保護(hù)裝置。實驗時，學(xué)生首先按照課本中給出的公式，計算出實驗中保護(hù)所需的整定值。然后對照實驗原理圖進(jìn)行接線。最后向微機(jī)保護(hù)裝置中輸入整定值去校驗保護(hù)的靈敏度并加以分析。

通過這樣的實驗過程，雖然可以加深學(xué)生對保護(hù)原理的理解，但是對其今后成為一名合格的電力工程師所需的能力培養(yǎng)卻有不足。比如實驗中，為了模擬不同類型的短路故障而動手操作的接線部分實際中并不需要。相反，繼電保護(hù)如何作用于跳閘的過程卻因裝置本身動作時間極短而往往在實驗教學(xué)中被忽略。為了解決這個問題，可以在實驗中加入讀圖能力的訓(xùn)練。

作為一名合格的電力工程師，會識讀電氣圖是其基本的能力。在實驗中，可以讓學(xué)生對照實物去閱讀說明書中相應(yīng)保護(hù)的原理接線圖和展開圖并給予講解。為了訓(xùn)練他們的識圖能力，可以給予學(xué)生試講電氣圖的機(jī)會并試著讓他們對照實物手繪電氣圖，從而做到舉一反三。這樣可以充分鍛煉學(xué)生識讀電氣圖的能力，為他們今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。當(dāng)然除了改進(jìn)現(xiàn)有的驗證性實驗外，還可以開發(fā)一些設(shè)計性和綜合性的實驗項目。

二、開發(fā)設(shè)計性和綜合性實驗項目

對于繼電保護(hù)的設(shè)計性和綜合性實驗項目，課題方向較多，內(nèi)容也較廣。一般由指導(dǎo)老師提出實驗的目的和實驗的內(nèi)容，并為學(xué)生提供相應(yīng)的實驗設(shè)備。然后可以直接給學(xué)生提供相關(guān)的資料，也可以鼓勵學(xué)生通過廣泛閱讀去收集相關(guān)資料。學(xué)生通過閱讀有關(guān)書籍和文獻(xiàn)后，深入理解整個實驗的理論基礎(chǔ)和注意事項，并在此基礎(chǔ)之上提出實驗要求、條件、步驟等具體的方案。再與指導(dǎo)老師討論后，確定最終的實驗方案。然后學(xué)生在實驗室里實踐自己的方案，最終完成整個實驗。最后，以書面的形式完整論述整個實驗的過程。通過實踐這樣的設(shè)計性和綜合性的實驗項目，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性被充分調(diào)動；同時發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的邏輯思維能力被培養(yǎng)[3]；最后用語言簡練準(zhǔn)確的還原實驗過程的能力也被訓(xùn)練。

比如針對110kV智能變電站實驗室中DTI-806S型綜合智能單元設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試、開入/開出系統(tǒng)的測試；針對WXH-813B/G型微機(jī)線路保護(hù)單元設(shè)計距離保護(hù)圓特性或多邊形特性測試；針對WBH-815B/G2型變壓器保護(hù)單元設(shè)計比例制動邊界的搜索等等。在開展這些設(shè)計性和綜合性實驗時，所用的實驗設(shè)備很多，值得一提的是繼電保護(hù)測試儀。在目前工業(yè)現(xiàn)場中，它被廣泛用于檢測微機(jī)保護(hù)裝置性能，調(diào)試現(xiàn)場整定值以及日后維護(hù)保護(hù)裝置。為培養(yǎng)電氣工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力，必然需要其對繼電保護(hù)測試儀不陌生。

圖2 通訊系統(tǒng)圖（部分）

三、系統(tǒng)講授先進(jìn)的測試儀器

110kV智能變電站實驗室是個綜合的自動化系統(tǒng)，其中二次設(shè)備包括交換機(jī)對時柜，保護(hù)柜，智能采集柜，電源柜，無功補(bǔ)償柜等等。有限的學(xué)時使教學(xué)過程沒有辦法做到面面俱到。而與繼電保護(hù)技術(shù)密切相關(guān)的測試儀在實驗教學(xué)中必須系統(tǒng)地進(jìn)行講授。目前實驗室中所用的是繼保之星6000系列的繼電保護(hù)測試儀。它由軟件和硬件組成。硬件部分本身類似于一個電力信號發(fā)生器，依據(jù)測試軟件的要求，產(chǎn)生線路上各相的電壓/電流波形，輸出至所連接的繼電保護(hù)裝置相應(yīng)端口[4]。與傳統(tǒng)保護(hù)測試儀不同，繼保之星輸出的是光數(shù)字信號。其通過光以太網(wǎng)接口，發(fā)送符合IEC 61850協(xié)議（國家電網(wǎng)擬定的變電站內(nèi)開放式通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議）的數(shù)據(jù)幀到保護(hù)裝置中，每一幀包含有電壓/電流的采樣信息。

軟件平臺由C++開發(fā)，運行在中文Windows XP上。軟件平臺運行后顯示主界面，用戶根據(jù)測試項目的需要選擇對應(yīng)的試驗?zāi)K進(jìn)行實驗，見圖1。

圖1 測試主界面

在熟悉了繼保測試儀硬件和軟件后，實驗中還要能將其準(zhǔn)確的與對應(yīng)的繼電保護(hù)裝置通過光纖連接起來。說到光纖，它將成為繼電保護(hù)信號傳遞通道的主角。光纖通道具有可靠性高、傳輸容量大、衰減損耗低等優(yōu)點，但在實驗室操作時需要格外細(xì)心，因為光纖頭是極易損壞的。其中體現(xiàn)的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致也是應(yīng)用型高校培養(yǎng)一名合格電力工程師所必須的。除上述三點之外，在變電站自動化大背景下去理解繼電保護(hù)才能升華這門課的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。

四、構(gòu)建變電站綜合一體化思想

110kV智能變電站實驗室分層分布式實現(xiàn)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互相操作，見圖2。

繼電保護(hù)作為變電站系統(tǒng)內(nèi)的中間環(huán)節(jié)需要上傳信息給主控臺，下達(dá)信息給斷路器?？梢娫趯嶒灲虒W(xué)中，需要學(xué)生在掌握單一保護(hù)的基礎(chǔ)之上，理解工業(yè)現(xiàn)場中各保護(hù)之間如何溝通，保護(hù)與上下級之間如何通訊等。電力工業(yè)中繼電保護(hù)離不開通信，而這一思想在課堂教學(xué)中很少被提及。通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)先幫助學(xué)生建立一個通訊系統(tǒng)的完整框架，再深入講解局部的知識點，包括GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)和IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)等等。最終使學(xué)生構(gòu)建變電站綜合一體化思想，從而更快地適應(yīng)今后的電力工作。

綜上所述，繼電保護(hù)課程的實驗教學(xué)是課堂教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，是電力工程實踐的重要環(huán)節(jié)。而目前應(yīng)用型本科高校的繼電保護(hù)實驗教學(xué)過程與人才培養(yǎng)模式存在一定的差異。為培養(yǎng)出合格的電力工程師，因此對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)提出了四個方面的改進(jìn)措施，依次是加強(qiáng)識讀電氣圖能力的訓(xùn)練，開發(fā)設(shè)計性和綜合性實驗項目，系統(tǒng)講授先進(jìn)的測試儀器以及構(gòu)建變電站綜合一體化思想，從而對增強(qiáng)學(xué)生工程實踐能力起到一定的促進(jìn)作用。

[1]梁振鋒.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程教學(xué)改革研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2007,(4).

[2]賀家李,宋從矩.高等學(xué)校教材 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社,1994.

[3]劉美玲.醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實驗教學(xué)改革的研究與實踐[J].學(xué)園,2013,(17).

[4]王弘越.應(yīng)用DSP與數(shù)字功率放大技術(shù)的繼電保護(hù)測試儀系統(tǒng)設(shè)計[D].廣州：中山大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.