電力系統(tǒng)繼電保護(hù)教學(xué)研究與實(shí)踐

王曉剛 張杰 黃漢奇 孟曉波

摘 ?要：針對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的特點(diǎn)，開展教學(xué)研究與實(shí)踐，從線上線下混合教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、開放式實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)4個方面對教學(xué)方法與手段進(jìn)行介紹。上述教學(xué)方法與手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的理論掌握程度，也使工程實(shí)踐能力得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)繼電保護(hù);在線開放課程;啟發(fā)式教學(xué);開放式實(shí)驗(yàn);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）18-0111-04

Abstract： According to the characteristics of power system relay protection course， the teaching research and practice are carried out. Teaching methods and means include online and offline mixed teaching， heuristic teaching， open experiment and virtual simulation experiment are introduced. These methods and means stimulate interest in learning， improve theoretical mastery and promote engineering practice ability of students.

Keywords： power system relay protection; open online course; heuristic teaching; open experiment; virtual simulation experiment

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是電氣工程及其自動化專業(yè)的主要專業(yè)課程之一。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位。本課程主要學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本知識，課程內(nèi)容包括輸電線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、母線等電力元件和設(shè)備的電流保護(hù)、距離保護(hù)、差動保護(hù)的基本原理和整定計(jì)算原則，自動重合閘的原理，微機(jī)繼電保護(hù)的軟件硬件組成和基本原理等。學(xué)習(xí)好本課程，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析和解決電力工程中有關(guān)問題的能力，為從事繼電保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域工作打下理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。

各高校對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的教學(xué)手段和方法作出了研究和探索。孫抗等[1]提出基于成果導(dǎo)向的教學(xué)模式，根據(jù)工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求，建立教學(xué)目標(biāo)，從課堂理論教學(xué)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)三個方面基于成果導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。羅繼東等[2]將CDIO工程教育理念應(yīng)用于繼電保護(hù)課程教學(xué)，構(gòu)建了人才培養(yǎng)新模式。湯亞芳等[3] 建設(shè)了適合于學(xué)生自學(xué)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)系列微課程視頻，利用該微課視頻開展以學(xué)生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式。羅媚媚等[4]利用電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺和實(shí)踐教學(xué)基地，開展基于校企聯(lián)合培養(yǎng)的繼電保護(hù)原理課程教學(xué)改革。宋彬彬等[5]在教學(xué)中使用微課和Matlab/Simulink仿真，探索了面向卓越工程人才培養(yǎng)的繼電保護(hù)教學(xué)方法。

廣州大學(xué)正在向高水平大學(xué)邁進(jìn)，越來越注重學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。本文介紹廣州大學(xué)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程理論與實(shí)踐并重的教學(xué)改革措施。

一、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的特點(diǎn)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程有兩大特點(diǎn)：1. 理論性強(qiáng)，是一門綜合性課程。涉及電力系統(tǒng)短路計(jì)算、電力系統(tǒng)穩(wěn)定、電路原理、電機(jī)學(xué)和數(shù)字信號處理等多門課程的知識。例如學(xué)習(xí)零序電流保護(hù)時(shí)，要求學(xué)生熟悉電力系統(tǒng)分析中學(xué)過的序分量的概念，并會用序網(wǎng)絡(luò)計(jì)算短路電流。在學(xué)習(xí)距離保護(hù)的振蕩閉鎖時(shí)，要求掌握振蕩的概念和振蕩發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象，以及振蕩和故障的區(qū)別。在學(xué)習(xí)發(fā)電機(jī)保護(hù)時(shí)，更是要求學(xué)生對發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理有深入的理解。2. 實(shí)踐性強(qiáng)。學(xué)習(xí)各種繼電保護(hù)原理的最終目的是為了工程應(yīng)用，這就要求學(xué)生不僅要掌握保護(hù)原理，還要熟悉實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)的硬件和軟件。硬件包括一次和二次回路中的斷路器、各種繼電器、電壓電流互感器等，軟件包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、特征量算法、動作判據(jù)算法等。

因?yàn)榫邆湟陨蟽蓚€特點(diǎn)，所以電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的學(xué)習(xí)難度比較大。教師往往在有限的課堂教學(xué)時(shí)間中把大部分精力花在各種繼電保護(hù)原理的講解上，而學(xué)生的基礎(chǔ)參差不齊，理論教學(xué)效果不好。另外，學(xué)生雖然掌握了繼電保護(hù)原理，但實(shí)驗(yàn)時(shí)看不懂二次回路接線圖和工作原理，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)。開展電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的教學(xué)研究與實(shí)踐是一項(xiàng)迫在眉睫的工作。

二、課程教學(xué)研究與實(shí)踐

（一）線上線下混合教學(xué)

2015年4月，教育部出臺了《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》，各高校紛紛響應(yīng)，以立項(xiàng)的方式建設(shè)了一大批在線開放課程。在線開放課程拓展了教學(xué)時(shí)空，增強(qiáng)了教學(xué)吸引力，激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性和自主性，擴(kuò)大了優(yōu)質(zhì)教育資源受益面，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、方法、模式和教學(xué)管理體制機(jī)制的改革[6-9]。

我們組建了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)在線開放課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，并于2017年獲得學(xué)校在線開放課程立項(xiàng)。目前已完成教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)，設(shè)有“課程信息”“課程內(nèi)容”和“討論交流”三大模塊?！罢n程信息”模塊介紹課程的基本情況，包括教師團(tuán)隊(duì)、課程大綱、考核標(biāo)準(zhǔn)和課程公告等?！罢n程內(nèi)容”是核心模塊，按照課程章節(jié)和知識點(diǎn)劃分，每小節(jié)（知識點(diǎn)）包含教學(xué)視頻、教學(xué)課件、客觀練習(xí)題、主觀練習(xí)題、例題講解等;此外還有測驗(yàn)與作業(yè)和線下考試等功能?！坝懻摻涣鳌蹦K中按章劃分出若干個討論版，學(xué)生針對學(xué)習(xí)中的疑問發(fā)帖提問，教師和其他學(xué)生均可以回帖，針對問題展開討論，為師生提供了協(xié)同互動的交流平臺。

課程上線運(yùn)行后，我們設(shè)計(jì)了線上線下混合教學(xué)的模式，包括課前、課堂和課后3個教學(xué)環(huán)節(jié)。1. 課前環(huán)節(jié)。要求學(xué)生在線上通過觀看教學(xué)視頻和做測驗(yàn)掌握知識點(diǎn)，相當(dāng)于把一部分傳統(tǒng)課堂的教學(xué)活動前移。2. 課堂環(huán)節(jié)。由于學(xué)生已經(jīng)在進(jìn)入課堂前掌握了教學(xué)知識點(diǎn)，課堂中僅對重點(diǎn)和難點(diǎn)做再次講解。剩余的課堂時(shí)間用于完成課堂小組討論、小測驗(yàn)、繼電保護(hù)工程案例分析和虛擬仿真演示等教學(xué)活動，達(dá)到鞏固基礎(chǔ)知識并靈活應(yīng)用的目的。3. 課后環(huán)節(jié)。為了檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，學(xué)生課后在線上完成小測驗(yàn)。教師根據(jù)學(xué)生測驗(yàn)結(jié)果和課堂討論的表現(xiàn)給出該次課的成績?；旌鲜浇虒W(xué)模式如圖1所示。

（二）啟發(fā)式教學(xué)

線上教學(xué)中，在每節(jié)課結(jié)束時(shí)將本次課的內(nèi)容加以總結(jié)，并針對下次課程內(nèi)容與本次上課內(nèi)容的不同進(jìn)行提問，指出本次上課所提出的繼電保護(hù)方法的不足，以及針對該不足如何進(jìn)行改進(jìn)。這樣讓學(xué)生心存疑問，促使其繼續(xù)下一部分的學(xué)習(xí)。例如學(xué)習(xí)電流保護(hù)這一部分時(shí)，首先講解單電源輻射網(wǎng)絡(luò)的Ⅰ段保護(hù)（電流速斷保護(hù)），然后提出在本線路末段發(fā)生故障該怎么辦？從而引出Ⅱ段保護(hù)（限時(shí)電流速斷保護(hù)）。而如果故障發(fā)生在相鄰線路首端以外，且相鄰線路斷路器又拒絕跳閘，那么僅通過前面的保護(hù)方法無法進(jìn)行有效保護(hù)又怎么辦？這樣引入了Ⅲ保護(hù)（定時(shí)限過流保護(hù)）。然后再提出如果是雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)該如何？這樣又引入了方向性保護(hù)的知識點(diǎn)。通過這樣的啟發(fā)讓學(xué)生對電流保護(hù)進(jìn)行逐步深入的學(xué)習(xí)，從而掌握電流保護(hù)相關(guān)知識。

圖1 混合式教學(xué)模式

（三）開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的重要環(huán)節(jié)。目前許多高校采用廠家生產(chǎn)的成套設(shè)備開展微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)備存在封閉性，對繼電保護(hù)原理的模擬過于“實(shí)驗(yàn)室化”。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生完成簡單接線后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對保護(hù)原理的理解不透徹，降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評定也難以做到客觀。為此，我們對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行了改造，開發(fā)了三段式電流保護(hù)開放式實(shí)驗(yàn)，并獲得學(xué)校的示范性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)。

整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由教師工作站、繼電保護(hù)測試儀、微機(jī)繼電保護(hù)裝置（自主設(shè)計(jì)，用嵌入式單片機(jī)開發(fā)）、模擬斷路器、通信模塊、學(xué)生計(jì)算機(jī)和單片機(jī)下載器組成。整個實(shí)驗(yàn)分為三個步驟：1. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。實(shí)驗(yàn)課前須完成預(yù)習(xí)報(bào)告。上課后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組在理解微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)教師描述的實(shí)驗(yàn)?zāi)M線路的故障特征和參數(shù)，在微機(jī)繼電保護(hù)裝置上編寫數(shù)據(jù)采集和三段式電流保護(hù)算法的程序。2. 正式實(shí)驗(yàn)階段。學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組對微機(jī)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行自檢操作，包括硬件連接和軟件測試，確保裝置可以完成實(shí)驗(yàn)功能。若自檢存在問題，則檢查排除;若自檢無誤，繼保裝置單元就通過以太網(wǎng)向教師工作站發(fā)送“READY”就緒信號，表示裝置已經(jīng)成功完成自檢，可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。教師確認(rèn)收到“READY”信號后，通過教師工作站操縱繼電保護(hù)測試儀發(fā)出故障電壓電流信號，該故障信號持續(xù)一定時(shí)間T1（根據(jù)故障類型和繼電保護(hù)測試儀輸出特性綜合設(shè)置）。然后，微機(jī)繼電保護(hù)裝置實(shí)時(shí)測量故障信號，識別故障后，發(fā)送相應(yīng)動作控制指令至模擬斷路器，并且將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和動作結(jié)果通過以太網(wǎng)上報(bào)給教師工作站。教師工作站接收到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，并展開實(shí)驗(yàn)評價(jià)。實(shí)驗(yàn)小組得到實(shí)驗(yàn)成績P1，這是由保護(hù)動作的正確性、保護(hù)動作的快速性和故障測量的準(zhǔn)確性三個方面確定的。3. 實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)階段。學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定成績P2。根據(jù)實(shí)驗(yàn)成績P1和P2得到總成績P。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 將電力系統(tǒng)現(xiàn)場常用的微機(jī)繼電保護(hù)裝置和模擬斷路器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)操作更接近工程實(shí)際;2. 實(shí)驗(yàn)具有開放性，自主設(shè)計(jì)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置將硬件和軟件向?qū)W生開放，能夠加深學(xué)生對保護(hù)原理的理解，將課堂所學(xué)的抽象知識轉(zhuǎn)化為具體實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性;3. 一臺繼電保護(hù)測試儀可以向多臺微機(jī)繼電保護(hù)裝置發(fā)送電壓電流故障信號，節(jié)省傳統(tǒng)多臺成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資。

開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目顛覆了繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路，大大提升了學(xué)生的興趣，學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情高漲，教學(xué)效果十分突出。在三段式電流保護(hù)開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)出開放式實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，如圖2所示。

（四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

雖然上述開放性實(shí)驗(yàn)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，但是開發(fā)一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要較高的成本，難以覆蓋全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了這方面的不足[10]。廣州大學(xué)與上海靜一信息科技有限公司合作，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠更為緊密地將理論知識銜接起來。虛擬仿真平臺包括一個足以支撐繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)所需要的各種一次元器件和二次元器件，能夠在平臺上非常自由地使用這些元器件搭建各種繼電保護(hù)的一次回路和二次回路，完成各種電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。以“三相一次自動重合閘”為例，虛擬仿真環(huán)境如圖3所示。

除了基本的繼電器原理實(shí)驗(yàn)、三段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)、距離保護(hù)實(shí)驗(yàn)、縱聯(lián)保護(hù)實(shí)驗(yàn)、自動重合閘實(shí)驗(yàn)之外，還開發(fā)了物理平臺無法完成的較復(fù)雜電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)：110 kV多母線輻射型電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)合工程教育理念，以成果為導(dǎo)向，開展案例式教學(xué)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可作為課內(nèi)綜合性實(shí)驗(yàn)，也可作為課程的大作業(yè)。教師將學(xué)生分成小組，組員分工明確，自行查閱文獻(xiàn)、計(jì)算各整定值、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、撰寫報(bào)告。最后教師點(diǎn)評實(shí)驗(yàn)并指導(dǎo)學(xué)生開展小組討論。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)教學(xué)手段的重要延伸與拓展，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，克服了固定時(shí)間地點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)的困難。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有線上線下融合式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵，大幅度提升學(xué)生對繼電保護(hù)原理的理解和掌握程度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

三、結(jié)束語

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的特點(diǎn)使教育改革勢在必行，廣州大學(xué)在線上線下混合教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、開放式實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等方面開展了教學(xué)研究與實(shí)踐。結(jié)果表明，這些教學(xué)方法和手段使學(xué)生在教學(xué)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，成為學(xué)習(xí)的主人，學(xué)習(xí)興趣得到很大的提高。學(xué)習(xí)過程中理論和實(shí)踐并重，學(xué)生解決繼電保護(hù)工程實(shí)踐問題的能力大大增強(qiáng)。改革措施符合新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證理念。

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