本科全景繼電保護教學研究與實踐

張紫凡，王智東,，王 玕，張 哲，陳志峰，楊 玲，鄧豐強

本科全景繼電保護教學研究與實踐

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2

（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）

繼電保護是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行必不可少的組成部分，繼電保護課程融合了電力系統(tǒng)分析等多學科內(nèi)容，具有學科交叉、概念抽象、理論復雜、不便自學等特點。該文分析了現(xiàn)有繼電保護實踐教學中存在的問題，提出了適應不同水平學生的全景繼電保護教學模式，并以電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD為基礎開發(fā)了適用于本科階段的全景繼電保護教學平臺。

繼電保護；實驗平臺；全景教學

“電力系統(tǒng)繼電保護”是一門融合了電力系統(tǒng)基礎、電力系統(tǒng)故障分析、模擬與數(shù)字電子技術、計算機技術和通信技術的交叉學科[1-2]，掌握好繼電保護的原理和技術，是電氣工程專業(yè)學生畢業(yè)后從事電力專業(yè)工作的基本要求[3]。繼電保護課程具有概念抽象、理論復雜、實踐環(huán)節(jié)多、課堂講授難度大等特點[4-5]，尤其對于初次接觸繼電保護課程的本科生來說，對繼電保護知識學習普遍感到困難，往往只流于表面，難以深入、系統(tǒng)地掌握繼電保護知識的要點。如何在有限的課程時間內(nèi)，使不同學習能力的學生，在自身電力專業(yè)水平基礎上，都能對繼電保護這門課程的知識有更加深入的理解，是繼電保護課程教學的難點之一。

“電力系統(tǒng)繼電保護”還是一門理論性和實踐性緊密結合的學科，在理論學習的過程中需要結合實驗來加深理解。目前的硬件實驗平臺設備一般趨向于模塊化，多數(shù)實驗是在模塊上直接測試參數(shù)，學生無需動手，難以激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造熱情。隨著計算機技術的迅速發(fā)展和各種電力專業(yè)高級應用軟件的出現(xiàn)，為“電力系統(tǒng)繼電保護”的學習提供了便利性，但專業(yè)電力軟件通常涉及復雜的配置、設置等問題，對于電力專業(yè)本科生初學者來說有較大難度[6]。

1 全景繼電保護教學模式概述

本文以電力專業(yè)仿真軟件PSCAD為底層支撐，并結合繼電保護課程內(nèi)容對其進行二次開發(fā)，形成一種全景繼電保護教學模式，將抽象、復雜的繼電保護知識，以可視化界面直觀地展示出來，包括繼電保護裝置的構成、功能與動作原理等，從而形成對傳統(tǒng)課堂知識講授的有益補充和深入擴展。

全景繼電保護教學在完善繼電保護實驗課程內(nèi)容與形式基礎上，既能提供與課堂學時同步的、現(xiàn)成的繼電保護案例供本科生直接調(diào)用，學生還可自主構建各類繼電保護應用場景。滿足了不同水平學生的需求，使他們在有限的實驗教學時間里盡可能多地掌握繼電保護知識，對提高本科繼電保護實驗教學具有重要意義[7-8]。

2 以學生為主體的全景實驗教學理念

全景繼電保護教學以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標，秉承以學生為主體的教學理念，針對電力系統(tǒng)繼電保護課程較為抽象、知識點關聯(lián)性強的特點，構建適用于不同水平本科生的全景教學模式[9]，旨在加強繼電保護課程的豐富性和直觀性，調(diào)動本科生學習積極性，降低課程學習難度。

傳統(tǒng)實驗教學模式往往以教師講授為主，實驗內(nèi)容單一，缺乏可選擇性，對不同水平學生的適應性不強，難以充分調(diào)動學生學習的主動性。如圖1所示，按照全景繼電保護教學理念，學生是教學過程的主體，他們以繼電保護理論知識為實驗依據(jù)，以自主解決問題為導向，并輔以教師指導，培養(yǎng)獨立思考能力。在實驗過程中，學生可根據(jù)興趣和自身能力情況，選擇不同的實驗類型（驗證性實驗、探索性實驗）及不同的實驗難度（較低難度、中等難度、較高難度）。

3 全景繼電保護實驗教學設計思路

繼電保護課程的實驗教學有2個目標[10]：（1）理論驗證，使學生對所學理論有更深的理解和認識；（2）培養(yǎng)學生的實際動手能力和創(chuàng)新研究能力。

傳統(tǒng)繼電保護實驗過程中，學生通過親身動手和操作來加深對繼電保護原理以及裝置結構的了解。但隨著相關技術發(fā)展，傳統(tǒng)實驗方法的局限性愈發(fā)明顯，一是受實驗器材限制，實驗種類較單一；二是可開發(fā)性不足，無法開展探索研究性實驗[11]。

為了解決這一問題，全景繼電保護實驗教學在提供豐富的基礎實驗案例基礎上，著重加強了研究性實驗和探索性實驗內(nèi)容。不僅通過繼電保護知識的具體化、案例化，使學生易于掌握，而且具有“因材施教”功能。根據(jù)學生學習水平和專業(yè)掌握能力的差異性所構建的全景教學模式，具有良好的適用性。其教學設計分為“調(diào)用仿真案例”“修改仿真案例參數(shù)”“自行搭建仿真案例”“基礎模塊改進”4個部分，滿足不水平學生的學習需求，并可應用于多種教學場合。全景繼電保護實驗教學設計思路如圖2所示。

圖2 全景繼電保護實驗教學設計思路

（1）調(diào)用仿真案例。根據(jù)理論課程內(nèi)容，開發(fā)了對應的課程案例，學生只需直接調(diào)用，便可觀看相應的課程內(nèi)容及對實驗現(xiàn)象的基本分析。這是最初步的學習方法，適用于所有參與該課程學習的學生。

（2）修改仿真案例參數(shù)。學生在調(diào)用仿真案例學習基礎上，可根據(jù)自身的繼電保護專業(yè)認知，對案例的參數(shù)進行適當修改，比較不同工況下的繼電保護現(xiàn)象，并應用理論知識對一次系統(tǒng)狀態(tài)及保護裝置的動作狀態(tài)進行分析，加深對課程知識的理解。

（3）自行搭建仿真案例。對于學有余力的學生，可以進一步依靠全景教學系統(tǒng)所提供的集成模塊，進行繼電保護系統(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，還需要進行電路參數(shù)的設定。這對學生專業(yè)知識掌握程度要求較高，需要學生對課程內(nèi)容有深入理解，還要熟悉軟件的設置和調(diào)試，可作為輔助課程設計和畢業(yè)設計的較高層次的教學活動。

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

4 全景繼電保護系統(tǒng)與應用

4.1 全景繼電保護實驗平臺

全景繼電保護教學有賴良好的系統(tǒng)支撐。當前的繼電保護實驗室通常采用實體設備，受限于設備數(shù)量，無法實現(xiàn)單人操作，學生需分批進行實驗和考核，造成實驗時間短、內(nèi)容單一且不夠深入。全景繼電保護教學將專業(yè)仿真軟件與傳統(tǒng)實驗保護平臺相結合，充分發(fā)揮專業(yè)仿真軟件的拓展性、可視化等優(yōu)點，解決了目前繼電保護課程存在的實驗設備受限問題[12-13]。

如圖3所示，全景繼電保護平臺可以呈現(xiàn)一個包括電源、開關、母線、線路、變壓器、互感器以及負荷在內(nèi)的完整的一次系統(tǒng)，可由學生自主設計拓撲結構，自主選擇電源、線路的類型及參數(shù)，自主設置負荷特性及大小。有利于學生對電力系統(tǒng)形成清晰、完整的認識，同時具備較高的自主開發(fā)性。全景繼電保護平臺還可呈現(xiàn)包括電流保護、距離保護、差動保護等典型的線路保護、變壓器保護、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實驗，加深學生對系統(tǒng)層次的理解。

4.2 全景繼電保護實驗平臺界面

如圖4所示，整個界面包含了“一次系統(tǒng)電路”“二次系統(tǒng)電路”“模型參數(shù)設置”及“仿真波形輸出”4個部分?！耙淮蜗到y(tǒng)電路”可供學生設計主電路拓撲結構，實現(xiàn)多種電壓等級、線路類型及長度、電源以及變壓器類型的選擇?！岸蜗到y(tǒng)電路”包括信號采集、過電流繼電器、邏輯輸出等環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)繼電保護功能的主要部分?！澳Ｐ蛥?shù)設置”包括故障類型設置及各元件參數(shù)設置功能?！胺抡娌ㄐ屋敵觥笔菍⒍鄠€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作過程，便于學生分析問題和解決問題。

圖3 全景繼電保護實驗平臺設計

圖4 適應不同學生水平的全景繼電保護實驗平臺界面

全景繼電保護實驗平臺的開發(fā)，充分考慮了學生不同的學習水平，以及課程教學、研究創(chuàng)新等不同教學活動所需的學習深度，為學生各階段的學習進行了有針對性的設計[14-15]。全景繼電保護實驗平臺的4個界面區(qū)域均可由學生自主設計及修改。通過選擇不同功能、不同難度的區(qū)域開展實驗，可滿足學生知識學習和探索學習等不同階段的學習需求。在知識學習階段，可應用于繼電保護課程教學和實驗教學，在探索學習階段，可應用于課程設計、畢業(yè)設計以及學生競賽及科研等活動。

學生在課堂理論學習基礎上，可根據(jù)自身學習能力，有選擇地采用全景繼電保護實驗教學提供的現(xiàn)有案例，甚至自主構建繼電保護運行情境、設計邏輯環(huán)節(jié)，深化繼電保護學習。全景繼電保護實驗教學，鼓勵學生自主解決實驗中遇到的問題，培養(yǎng)學生自主思考能力。在全景繼電保護實驗教學中，始終貫穿了案例與理論知識相互驗證的內(nèi)容，力求達到更好的學習效果。

5 結語

針對繼電保護課程較抽象、難理解、學科交叉等特點，本文將先進的電力專業(yè)軟件進行二次開發(fā)后，引入到繼電保護實驗課程中，構建了全景繼電保護教學平臺。全景繼電保護教學通過把握繼電保護學科技術的關鍵特點，將抽象問題具體化、實例化，便于學生理解，并在此基礎上滿足不同學習能力學生的學習需求。

全景繼電保護教學中，將傳統(tǒng)的經(jīng)典理論教學與先進的電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD相結合，并經(jīng)過二次開發(fā)，以可視化、直觀化的全景教學模式，解決了繼電保護知識點抽象、難理解等問題。

全景繼電保護教學，將原先無差別、無自主選擇的教學模式，轉變?yōu)閷W生根據(jù)個人興趣和能力自主選擇實驗項目模式，滿足了不同層次學生的學習需求，提高了教學效果。繼電保護全景教學模式，有利于拓寬學生專業(yè)視角，培養(yǎng)學生工程仿真思維；有利于學有余力的學生發(fā)展專業(yè)科研能力，為日后進一步深造及從事科研工作奠定基礎。

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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改革項目(55-JY180303)；華南理工大學廣州學院校級項目（55-YG80004）；華南理工大學廣州學院校級教改項目（55JY1803001）

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

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