應用型本科高校電力系統繼電保護實驗教學的研究

朱 珠

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

隨著我國社會經濟的高速發展，高等教育在辦學形式上也呈現出多樣化。與傳統的普通院校不同，應用型本科高校更加重視學生的應用和實踐能力，旨在培養出合格的一線應用型人才，以服務地方和區域的社會經濟發展。由于安徽經濟的飛速發展和能源、電力的緊缺，社會對電氣工程專業的學生有較大的需求[1]。而對于電氣工程專業的學生而言，應用和實踐能力主要體現在對常用的電氣一次和二次設備的安裝、調試、運行和維護上。

為保障電力系統安全、可靠、穩定運行，電力系統繼電保護(以下簡稱繼電保護）技術的任務有兩點：一是在電力系統出現故障時，能自動、迅速、有選擇性的切除故障，使非故障部分快速恢復供電。二是在電力系統出現不正常運行狀態時，能動作于發出報警信號。經過近一百年的發展，繼電保護技術中各種類型保護的理論原理已基本形成，但保護的實現手段卻不斷的更新。

作為電氣工程專業學生的一門重要的專業課，繼電保護課程基于電機學、電力系統分析、電力工程基礎等課程之上，涉及電力電子、通信、計算機等成為交叉學科。據統計，當下國內應用型本科高校一般開設50-60個學時的繼電保護課程，其中近20%的學時屬于實驗環節。

目前，我國電力行業的繼電保護技術已經全面進入微機保護時代[2]。微機保護的廣泛使用，使保護性能得到提高，調試維護變得方便。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基本原理的基礎之上，還要熟知變電站自動化系統的各個環節，包括先進的設備本身，以及設備間的通信組網等。為培養出合格的電力工程師，應用型本科高校需要更加重視繼電保護課程的實驗環節。而現有的實驗環節應用性不夠、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基礎之上進行改進優化，具體措施如下。

一、加強識讀電氣圖能力的訓練

現有的繼電保護實驗大多屬于驗證性實驗，基本依靠實驗保護臺完成。THLWX/B-1型號實驗臺模擬了簡單的電力系統網絡參數，并引出網絡中各重要結點方便學生接線，同時配有傳統型微機保護裝置。實驗時，學生首先按照課本中給出的公式，計算出實驗中保護所需的整定值。然后對照實驗原理圖進行接線。最后向微機保護裝置中輸入整定值去校驗保護的靈敏度并加以分析。

通過這樣的實驗過程，雖然可以加深學生對保護原理的理解，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，可以讓學生對照實物去閱讀說明書中相應保護的原理接線圖和展開圖并給予講解。為了訓練他們的識圖能力，可以給予學生試講電氣圖的機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生識讀電氣圖的能力，為他們今后的工作打下良好的基礎。當然除了改進現有的驗證性實驗外，還可以開發一些設計性和綜合性的實驗項目。

二、開發設計性和綜合性實驗項目

對于繼電保護的設計性和綜合性實驗項目，課題方向較多，內容也較廣。一般由指導老師提出實驗的目的和實驗的內容，并為學生提供相應的實驗設備。然后可以直接給學生提供相關的資料，也可以鼓勵學生通過廣泛閱讀去收集相關資料。學生通過閱讀有關書籍和文獻后，深入理解整個實驗的理論基礎和注意事項，并在此基礎之上提出實驗要求、條件、步驟等具體的方案。再與指導老師討論后，確定最終的實驗方案。然后學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。通過實踐這樣的設計性和綜合性的實驗項目，學生學習的積極性、主動性被充分調動；同時發現、分析、解決問題的邏輯思維能力被培養[3]；最后用語言簡練準確的還原實驗過程的能力也被訓練。

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

圖2 通訊系統圖（部分）

三、系統講授先進的測試儀器

110kV智能變電站實驗室是個綜合的自動化系統，其中二次設備包括交換機對時柜，保護柜，智能采集柜，電源柜，無功補償柜等等。有限的學時使教學過程沒有辦法做到面面俱到。而與繼電保護技術密切相關的測試儀在實驗教學中必須系統地進行講授。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生器，依據測試軟件的要求，產生線路上各相的電壓/電流波形，輸出至所連接的繼電保護裝置相應端口[4]。與傳統保護測試儀不同，繼保之星輸出的是光數字信號。其通過光以太網接口，發送符合IEC 61850協議（國家電網擬定的變電站內開放式通信系統標準協議，即IEC 61850標準協議）的數據幀到保護裝置中，每一幀包含有電壓/電流的采樣信息。

軟件平臺由C++開發，運行在中文Windows XP上。軟件平臺運行后顯示主界面，用戶根據測試項目的需要選擇對應的試驗模塊進行實驗，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確的與對應的繼電保護裝置通過光纖連接起來。說到光纖，它將成為繼電保護信號傳遞通道的主角。光纖通道具有可靠性高、傳輸容量大、衰減損耗低等優點，但在實驗室操作時需要格外細心，因為光纖頭是極易損壞的。其中體現的嚴謹細致也是應用型高校培養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才能升華這門課的實驗教學環節。

四、構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智能電氣設備間的信息共享和互相操作，見圖2。

繼電保護作為變電站系統內的中間環節需要上傳信息給主控臺，下達信息給斷路器?？梢娫趯嶒灲虒W中，需要學生在掌握單一保護的基礎之上，理解工業現場中各保護之間如何溝通，保護與上下級之間如何通訊等。電力工業中繼電保護離不開通信，而這一思想在課堂教學中很少被提及。通過實驗教學環節先幫助學生建立一個通訊系統的完整框架，再深入講解局部的知識點，包括GOOSE網、SV網和IEC 61850標準等等。最終使學生構建變電站綜合一體化思想，從而更快地適應今后的電力工作。

綜上所述，繼電保護課程的實驗教學是課堂教學的補充和延伸，是電力工程實踐的重要環節。而目前應用型本科高校的繼電保護實驗教學過程與人才培養模式存在一定的差異。為培養出合格的電力工程師，因此對實驗教學環節提出了四個方面的改進措施，依次是加強識讀電氣圖能力的訓練，開發設計性和綜合性實驗項目，系統講授先進的測試儀器以及構建變電站綜合一體化思想，從而對增強學生工程實踐能力起到一定的促進作用。

[1]梁振鋒.電力系統繼電保護原理課程教學改革研究[J].電力系統及其自動化學報,2007,(4).

[2]賀家李,宋從矩.高等學校教材 電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社,1994.

[3]劉美玲.醫學生物化學實驗教學改革的研究與實踐[J].學園,2013,(17).

[4]王弘越.應用DSP與數字功率放大技術的繼電保護測試儀系統設計[D].廣州：中山大學碩士學位論文,2005.