微機繼電保護課程實驗教學平臺的設計與實踐

李永 李芙玲

[摘 要] 文中設計了微機繼電保護課程實驗教學平臺，該平臺能夠滿足微機保護課程的實驗課教學要求，能滿使深入理解微機保護裝置內(nèi)部電路工作原理，同時還能夠滿足開設開放性設計性實驗的要求，允許學生通過實驗平臺調(diào)試自己編寫的微機保護程序，從而能培養(yǎng)學生程序設計開發(fā)能力。通過這個實驗平臺的使用，可以給學生設計開發(fā)電力系統(tǒng)智能裝備打下一定理論和實踐基礎。

[關鍵詞] 微機繼電保護;實驗平臺;開放性實驗;創(chuàng)新能力

[基金項目] 2019年華北科技學院校內(nèi)資助項目“電網(wǎng)監(jiān)控與微機保護實驗教學平臺研究”（HKJYZD201905）;2019年河北省高等學校科

學技術研究項目“多種信息交叉印證實現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障點準確定位的研究”（Z2019063）;2017河北省高等教育教學

改革研究與實踐項目（河北省教育廳）“基于翻轉課堂的計算機類專業(yè)Java程序設計課過程性學習評價研究與實踐”（2017GJJG252）

[作者簡介] 李 永（1972—），男，河北徐水人，工學碩士，華北科技學院副教授，研究方向為電氣工程;李芙玲（1974—），女，遼寧盤錦人，

工學碩士，華北科技學院副教授，研究方向為計算機技術。

[中圖分類號] G642.423? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）30-0389-02? ?[收稿日期] 2019-12-18

一、引言

微機保護課程是電氣工程自動化專業(yè)的一門專業(yè)前沿課程，該課程主要講述微機型繼電保護裝置的結構、工作原理，重點講述微機保護算法知識;根據(jù)“新工科”培養(yǎng)理念的要求，我們要培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型人才[1]，培養(yǎng)的學生不但要學會在電力系統(tǒng)中正確使用和配置微機繼電保護裝置，還要能夠懂得微機保護裝置的實現(xiàn)原理方法，甚至能夠設計或改進微機保護裝置;因此，該課程的教學要理論與實踐結合，要通過課程設計和課程實驗等環(huán)節(jié)使學生深入理解微機繼電保護裝置中各部分電路的工作原理、工作特點、信號的傳遞及信號處理過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和研發(fā)能力;為了達到以上教學目的，我設計了微機保護試驗教學平臺。

二、微機繼電保護實驗教學平臺的設計

為了滿足學生創(chuàng)新能力和設計能力的培養(yǎng)，微機繼電保護實驗教學平臺功能上要能夠實現(xiàn)和驗證該課程所學的理論知識，結構上要簡潔明了，便于學生實驗測試;部分電路參數(shù)要能夠修改，以方便學生理解各電路的特性;按鍵操作要簡潔規(guī)范，輸出數(shù)據(jù)要直觀，最好能夠仿照目前市場上常用微機保護裝置的按鍵和顯示功能模塊;最后，所設計微機保護裝置軟件程序要能夠方便更新，便于學生驗證自己的程序。

（一）實驗項目設計

根據(jù)微機繼電保護課程教學要求及培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的需要，本實驗平臺設計了三個實驗項目：

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗：該實驗項目的主要目的是讓學生深入掌握電壓、電流采集電路的構成，理解信號變換、型號放大、濾波、采樣保持等功能電路的實現(xiàn)方法和電路特點，通過測量各個關鍵點的電壓波形理解數(shù)據(jù)采集電路的工作原理，理解電路的設計要點及電路參數(shù)計算方法。

2.電流保護實驗：該實驗項目的目的是讓學生理解三段式電流保護的實現(xiàn)原理，電流保護參數(shù)的配置及保護調(diào)試，理解開關量輸入輸出回路的工作原理，過電流保護的算法及程序實現(xiàn)方法[2]。

3.距離保護實驗：該實驗項目是讓學生理解三段式距離保護的實現(xiàn)原理，短路距離的測量算法，反方向故障的判斷方法，理解距離保護的配置參數(shù)及保護測試方法。

4.微機繼電保護程序設計實驗：該實驗室讓學生在深入理解實驗平臺硬件電路功能特性的基礎上，根據(jù)保護要求設計保護算法、編寫程序，將程序燒錄到試驗臺的單片機中，調(diào)試運行查看運行效果，通過該實驗可以培養(yǎng)學生的程序設計能力。

（二）功能模塊設計

為了實現(xiàn)上述的實驗項目，本實驗平臺設計了以下功能模塊。

1.電壓電流采集模塊：該模塊功能是實現(xiàn)電壓信號和電流信號的采集，電壓和電流信號的采集電路基本相同，都包括電壓形成電路、信號放大及電壓偏移電路、濾波電路、采樣保持電路等。

2.周期測量模塊：該模塊的功能是實現(xiàn)一次系統(tǒng)頻率的測量，以便電壓、電流的采樣計算能夠適應系統(tǒng)頻率的變化。

3.開關量輸入輸出模塊：開關量輸出模塊功能是實現(xiàn)保護跳閘，輸入模塊作用是用于檢測外部開關以及一些開關類設備的工作狀態(tài)，該部分電路的關鍵是讓學生熟悉光耦的使用。

4.按鍵模塊：該部分最好采用常規(guī)繼電保護裝置通用的9按鍵形式，各個按鍵的功能設計也要接近實際的微機保護裝置。

5.顯示模塊：采用常規(guī)繼電保護常用的128*64的液晶顯示屏，能夠實現(xiàn)圖形和文字的顯示。

6.單片機模塊：該模塊做成一個相對獨立的模塊，做成可插拔更換的，這樣便于系統(tǒng)升級，該模塊要設計便于燒錄程序的程序下載接口，設計中我選用了STM32F103單片機系統(tǒng)板，具有4線SWD燒錄接口，借助JLINK仿真器可以很方便的進行程序的調(diào)試和下載。

7.電源模塊：輸入的是220V交流電源，通過電源模塊產(chǎn)生試驗臺需要的+5V電壓和-5V電壓，滿足試驗臺各個電路的電源需求。

微機繼電保護試驗臺的整體功能模塊關系圖如下：

三、教學實踐

本實驗平臺已經(jīng)調(diào)試完成，并且開出了創(chuàng)新開放型實驗項目，通過這些實驗項目，加深了學生對微機繼電保護裝置的結構及工作過程的理解，也有助于學生掌握微機保護裝置設計及調(diào)試的方法;下面僅以第一個實驗“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗”為例說明該實驗平臺的實踐效果。

在該實驗中，要求學生利用雙蹤示波器測量電壓采集電路中采樣保持器輸出電壓和采樣脈沖電壓的波形，通過觀察兩個波形間關系理解電壓電流信號采樣及AD轉換的過程。

通過觀察記錄采樣電路中關鍵位置的波形數(shù)據(jù)，可以使學生深入理解單片機定時發(fā)出采樣脈沖，理解數(shù)據(jù)采集電路的采樣和保持狀態(tài)的轉換關系;理解采樣保持電路輸出電壓隨輸入電壓變化的情況;當采樣脈沖變?yōu)榈碗娖胶螅蓸颖３制鬏敵鲭妷罕３植蛔儯貌蓸颖３制鬟@一特性，單片機可以對多路模擬量同時采樣，分時轉換，從而實現(xiàn)線路阻抗及短路功率的精確計算。

學生通過這些實驗，可以測量真實電路中的各處波形，從而，可以更加直觀地理解微機保護裝置各個電路的工作原理，電流電壓等各種信號在微機保護裝置中的傳輸過程。

四、結論

微機保護裝置實驗平臺是依據(jù)微機繼電保護課程的教學要求而設計的，綜合考慮了教學基本要求和學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，該實驗平臺能滿足開設微機繼電保護方面開放性、設計性實驗的要求，能夠培養(yǎng)學生在微機保護裝置設計、開發(fā)方面的能力，進而幫助學生在電力系統(tǒng)智能設備開發(fā)方面打下一定的理論和實踐基礎。

參考文獻

[1]余雷，費樹岷.新工科背景下電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)研究[J].電氣與電子教學學報，2019（10）.

[2]楊奇遜，黃少鋒，微型機繼電保護基礎（第四版）[M].中國電力出版社，2013.

Design and Practice of Experimental Teaching Platform for Microcomputer Relay Protection Course

LI Yonga，Li Fu-lingb

（a.Key Laboratory of Mine Equipment Safety Monitoring in Hebei，b.Computer Institute，North China Institute of Science and Technology，Langfang，Hebei 065201，China）

Abstract：This paper designs the experimental teaching platform for the course on Microcomputer Relay Protection，which can meet the requirements of the experimental teaching of the course，fully understand the working principle of the internal circuit of the microcomputer protection device，meet the requirements of opening design experiment，and allow students to debug their own microcomputer protection program through the experimental platform，so as to cultivate students' ability of program design and development.Through the use of this experimental platform，it can lay a theoretical and practical foundation for students to design and develop intelligent equipment of power system.

Key words：Microcomputer Relay Protection;experimental platform;open experiment;innovation ability