電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程情境啟發(fā)式教學(xué)研究

摘要：繼電保護(hù)是電氣專業(yè)的一門經(jīng)典主干專業(yè)課程，與多門專業(yè)課程緊密關(guān)聯(lián)，其教學(xué)起點高、內(nèi)容多?？朔鹘y(tǒng)教學(xué)中以老師為主導(dǎo)灌輸知識的弊端，突出學(xué)生主體作用的積極性，將先進(jìn)的仿真軟件MATLAB引入教學(xué)中，讓學(xué)生置身于相應(yīng)的情境中，通過問題啟發(fā)式教學(xué)來激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，逐漸建立起對新知識的認(rèn)知，介紹了短路電流曲線的自主建立和不對稱短路零序分量的直觀觀測兩個案例，很好地挖掘了學(xué)生潛能，提升了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)；MATLAB；情境啟發(fā)式教學(xué)

中圖分類號：G642.421#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）18-0055-02

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要必修專業(yè)課程，是一門理論性和實踐性都很強(qiáng)的課程，該門課程之所以受到重視是因為繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的“守護(hù)神”，是保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要技術(shù)措施。繼電保護(hù)課程的教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到電氣專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，本文將MATLAB仿真技術(shù)引入到教學(xué)中，開展課程的情境啟發(fā)式教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓他們能主動思考，以一種學(xué)生更易接受和更好理解的方式來進(jìn)行教學(xué)。

一、MATLAB情境下的啟發(fā)式教學(xué)方法

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字仿真技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用也在不斷深化，MATLAB不但具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算和分析功能，還具有豐富的可視化圖形表現(xiàn)功能和方便的程序設(shè)計能力，Simulink是MATLAB提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的集成環(huán)境，利用其圖形化的用戶界面，可以方便地完成建模、調(diào)試和仿真工作。本文利用MATLAB建立相應(yīng)的仿真模型，將學(xué)生置身于相應(yīng)的情境中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在自身已掌握的知識體系上，通過老師的啟發(fā)引導(dǎo)，主動思考，積極思維，建立起對新知識的認(rèn)知并理解掌握它。MATLAB情境下的這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，是知識獲取的主體，老師不是新知識的灌輸者，而是引導(dǎo)啟發(fā)者。在課堂教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性是影響教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，老師可以通過不斷設(shè)定一些問題，激發(fā)學(xué)生探索疑問的動力，激勵他們主動求知的欲望。例如，在介紹短路電流曲線時候，可以設(shè)定這樣一些問題：線路阻抗值的大小對短路電流有何影響？不同短路類型下短路電流曲線如何？系統(tǒng)運(yùn)行方式對短路電流的影響如何？對于三段式保護(hù)，可以提出這樣一些問題：線路末端短路速斷不能保護(hù)到如何解決？后備保護(hù)如何設(shè)置？本線路II段為什么不能超出下級線路I段保護(hù)范圍？兩個電流能否相等？時限如何配合？中性點接地方式對系統(tǒng)短路電流的影響？等等。限于篇幅，下面以短路電流曲線的自主建立和零序電壓觀測兩個案例來進(jìn)行介紹，三段式保護(hù)內(nèi)容將另文敘述。

二、案例一：短路電流曲線的自主建立

1.模型的建立

利用MATLAB建立仿真模型如下圖1所示。三相電源電壓設(shè)

為35kV，中性點不接地方式；利用“Three-Phase VI Measurement”

模塊構(gòu)成母線BUS，每段線路的首端母線處設(shè)置三相電流觀測點，利用Demux模塊分別讀取三相電流的有效值，并用Display模塊顯示；在三段線路L11、L21、L31的末端利用Fault模塊設(shè)置短路故障點，可模擬三相和兩相短路；控制相應(yīng)斷路器打開，使得Source2、L12、L22、L32均不接入，則系統(tǒng)處于最小運(yùn)行方式，反之若Source2、L12、L22、L32均接入，則系統(tǒng)處于最大運(yùn)行方式。

2.實驗數(shù)據(jù)和波形記錄

依據(jù)上述仿真模型一，針對不同的系統(tǒng)運(yùn)行方式、不同的短路位置、不同的故障類型進(jìn)行了大量仿真實驗，采用ode23tb算法，仿真總時長設(shè)為1s，t=0.4s時發(fā)生短路故障。母線電流值記錄在表1中，兩相短路時的三個電流值分別對應(yīng)ABC三相的值，由于三相短路屬于對稱短路，三相值相同，故只記錄一相的值。

表1#8194;案例一的實驗數(shù)據(jù)

系統(tǒng)運(yùn)行方式最大運(yùn)行方式最小運(yùn)行方式穩(wěn)態(tài)

短路發(fā)生位置10km處20km處30km處10km處20km處30km處/

系統(tǒng)運(yùn)行方式最大運(yùn)行方式最小運(yùn)行方式穩(wěn)態(tài)

短路類型 f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2)/

i-B

US126432301/

2284/

17.322171889/

1872/

17.319101685/

1669/

17.313211152/

1135/

16.861108968/

952/

16.9955835/

819/

16.916.8

i-B

US208.4/

8.4/

16.822181922/

1906/

16.919101672/

1655/

16.908.3/

8.3/

16.71108968/

952/

16.7955835/

819/

16.716.7

i-B

US308.3/

8.3/

16.608.3/

8.3/

16.619101788/

1772/

16.608.3/

8.3/

16.608.3/

8.3/

16.6955835/

819/

16.616.6

以最小運(yùn)行方式、20km處為例，相應(yīng)母線1、2、3的電流波形記錄如圖2、圖3、圖4所示，圖中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示電流幅值。

3.結(jié)論分析

分析表中實驗數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：第一，i-BUS1水平電流值比較可以看出，短路位置越靠近電源端，線路阻抗值越小，則短路電流越大，通過PLOT指令就可以作出“短路電流與線路長度的關(guān)系曲線”；第二，兩相短路電流值較三相短路電流值要略小，兩者間滿足的大小關(guān)系；第三，對比最大和最小運(yùn)行方式，顯然，同樣的地點發(fā)生相同類型的短路，最大運(yùn)行方式下產(chǎn)生的短路電流要比最小運(yùn)行方式下的大。

從記錄的波形可以看到：t=0.4s發(fā)生短路后，圖2、圖3顯示短路后的電流較之前穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流要大很多；圖4說明發(fā)生短路后，短路點后面的負(fù)荷電流為0；同時，從圖2、圖3、圖4還能看到t=0.4s短路瞬間的暫態(tài)過程。

依據(jù)表1中數(shù)據(jù)，作出“最大運(yùn)行方式下三相短路”和“最小運(yùn)行方式兩相短路”的兩條曲線，如圖5所示。

短路電流曲線是繼電保護(hù)課程后續(xù)三段式保護(hù)原理分析的基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中，不是直接給定相應(yīng)的曲線結(jié)論，而是通過建立仿真模型，讓學(xué)生置身于相應(yīng)的情境中。通過設(shè)置不同的短路情況，主動學(xué)習(xí)，觀察系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路位置、故障類型等因素對短路電流的影響，自主建立起相應(yīng)的短路電流曲線，這不僅能激發(fā)學(xué)生探索的興趣，而且能讓學(xué)生更好地理解并深刻記住這一新知識點。

三、案例二：不對稱短路零序分量的直觀觀測

1.模型的建立

利用sum模塊將三個電壓測量單元的電壓輸出相加，Scope顯示的即是零序電壓分量，在Fault模塊中設(shè)置t=0.2s時發(fā)生A相單相接地故障，仿真模型如圖6所示，仿真總時長為0.5s。

2.波形記錄和分析

Scope記錄的零序電壓波形如圖7所示，從圖7明顯可見，t=0.2s之前系統(tǒng)無故障，三相對稱運(yùn)行，故u0=0V；t=0.2s時刻，線路L2的A相發(fā)生單相接地故障，u0波形顯示出了暫態(tài)變化的過程；t=0.2s之后系統(tǒng)不對稱運(yùn)行，出現(xiàn)了很大的零序電壓分量。

教學(xué)過程中，如果僅僅只是用語言去敘述這一現(xiàn)象，學(xué)生對于抽象的零序分量很難理解，而通過MATLAB的情境啟發(fā)式教學(xué)，直觀地顯示出零序電壓故障前后的波形變化，這無疑會給學(xué)生留下深刻的印象。同時，在MATLAB情境下的這種教學(xué)，以一種更生動的形式展示了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也再次讓學(xué)生深刻領(lǐng)會了繼電保護(hù)課程“差異甄別”的核心，即只要能找出正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的“差異”（此處是零序電壓的變化），利用這種差異就可以“甄別”出故障。

四、結(jié)束語

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開繼電保護(hù)，因此，繼電保護(hù)課程對于電氣專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)至關(guān)重要。本文提出的MATLAB情境下的啟發(fā)式教學(xué)方法能充分調(diào)動學(xué)生思維，讓學(xué)生能夠更直觀地理解保護(hù)的原理，有利于加深學(xué)生對于繼電保護(hù)知識點的掌握，這對于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].第2版.北京:中國電力出版社，2012.

[2]許明，高厚磊， 侯梅毅，等.數(shù)字仿真技術(shù)在繼電保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(15):104-109.

（責(zé)任編輯：王意琴）