電力系統繼電保護課程情境啟發式教學研究

摘要：繼電保護是電氣專業的一門經典主干專業課程，與多門專業課程緊密關聯，其教學起點高、內容多。克服傳統教學中以老師為主導灌輸知識的弊端，突出學生主體作用的積極性，將先進的仿真軟件MATLAB引入教學中，讓學生置身于相應的情境中，通過問題啟發式教學來激發學生自主學習，逐漸建立起對新知識的認知，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，很好地挖掘了學生潛能，提升了教學質量。

關鍵詞：電力系統繼電保護；MATLAB；情境啟發式教學

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

電力系統繼電保護課程是電氣工程及其自動化專業的一門重要必修專業課程，是一門理論性和實踐性都很強的課程，該門課程之所以受到重視是因為繼電保護是電力系統運行的“守護神”，是保證電力系統可靠運行的重要技術措施。繼電保護課程的教學質量直接關系到電氣專業人才培養的質量，本文將MATLAB仿真技術引入到教學中，開展課程的情境啟發式教學，充分調動學生學習的興趣，讓他們能主動思考，以一種學生更易接受和更好理解的方式來進行教學。

一、MATLAB情境下的啟發式教學方法

隨著計算機技術的快速發展，數字仿真技術在電力系統繼電保護中的應用也在不斷深化，MATLAB不但具有強大的數學計算和分析功能，還具有豐富的可視化圖形表現功能和方便的程序設計能力，Simulink是MATLAB提供的實現動態系統建模和仿真的集成環境，利用其圖形化的用戶界面，可以方便地完成建模、調試和仿真工作。本文利用MATLAB建立相應的仿真模型，將學生置身于相應的情境中，強調學生在自身已掌握的知識體系上，通過老師的啟發引導，主動思考，積極思維，建立起對新知識的認知并理解掌握它。MATLAB情境下的這種教學模式強調以學生為中心，是知識獲取的主體，老師不是新知識的灌輸者，而是引導啟發者。在課堂教學中，學生學習的主動性是影響教學質量的關鍵因素，老師可以通過不斷設定一些問題，激發學生探索疑問的動力，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？系統運行方式對短路電流的影響如何？對于三段式保護，可以提出這樣一些問題：線路末端短路速斷不能保護到如何解決？后備保護如何設置？本線路II段為什么不能超出下級線路I段保護范圍？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行介紹，三段式保護內容將另文敘述。

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

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

模塊構成母線BUS，每段線路的首端母線處設置三相電流觀測點，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模塊設置短路故障點，可模擬三相和兩相短路；控制相應斷路器打開，使得Source2、L12、L22、L32均不接入，則系統處于最小運行方式，反之若Source2、L12、L22、L32均接入，則系統處于最大運行方式。

2.實驗數據和波形記錄

依據上述仿真模型一，針對不同的系統運行方式、不同的短路位置、不同的故障類型進行了大量仿真實驗，采用ode23tb算法，仿真總時長設為1s，t=0.4s時發生短路故障。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;案例一的實驗數據

系統運行方式最大運行方式最小運行方式穩態

短路發生位置10km處20km處30km處10km處20km處30km處/

系統運行方式最大運行方式最小運行方式穩態

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

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

3.結論分析

分析表中實驗數據可以得到如下結論：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系；第三，對比最大和最小運行方式，顯然，同樣的地點發生相同類型的短路，最大運行方式下產生的短路電流要比最小運行方式下的大。

從記錄的波形可以看到：t=0.4s發生短路后，圖2、圖3顯示短路后的電流較之前穩態運行電流要大很多；圖4說明發生短路后，短路點后面的負荷電流為0；同時，從圖2、圖3、圖4還能看到t=0.4s短路瞬間的暫態過程。

依據表1中數據，作出“最大運行方式下三相短路”和“最小運行方式兩相短路”的兩條曲線，如圖5所示。

短路電流曲線是繼電保護課程后續三段式保護原理分析的基礎，在教學過程中，不是直接給定相應的曲線結論，而是通過建立仿真模型，讓學生置身于相應的情境中。通過設置不同的短路情況，主動學習，觀察系統運行方式、短路位置、故障類型等因素對短路電流的影響，自主建立起相應的短路電流曲線，這不僅能激發學生探索的興趣，而且能讓學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模塊中設置t=0.2s時發生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之前系統無故障，三相對稱運行，故u0=0V；t=0.2s時刻，線路L2的A相發生單相接地故障，u0波形顯示出了暫態變化的過程；t=0.2s之后系統不對稱運行，出現了很大的零序電壓分量。

教學過程中，如果僅僅只是用語言去敘述這一現象，學生對于抽象的零序分量很難理解，而通過MATLAB的情境啟發式教學，直觀地顯示出零序電壓故障前后的波形變化，這無疑會給學生留下深刻的印象。同時，在MATLAB情境下的這種教學，以一種更生動的形式展示了教學內容，激發了學生學習的興趣，也再次讓學生深刻領會了繼電保護課程“差異甄別”的核心，即只要能找出正常狀態和故障狀態的“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、結束語

電力系統安全穩定運行離不開繼電保護，因此，繼電保護課程對于電氣專業學生的培養至關重要。本文提出的MATLAB情境下的啟發式教學方法能充分調動學生思維，讓學生能夠更直觀地理解保護的原理，有利于加深學生對于繼電保護知識點的掌握，這對于創新性人才的培養有著重要意義。

參考文獻：

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

[2]許明，高厚磊， 侯梅毅，等.數字仿真技術在繼電保護教學中的應用[J].電力系統保護與控制，2010，38(15):104-109.

（責任編輯：王意琴）