電力系統(tǒng)繼電保護課程教學改革探討*

高 鵬

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

隨著社會的發(fā)展與進步，電力資源的需求逐步上升，日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)實踐都離不開電力的支持。基于電力對于現(xiàn)代生活的重要性，繼電保護在電力系統(tǒng)中的作用逐漸增強。電力系統(tǒng)繼電保護是一門理論和實踐相結(jié)合，并且具有較強的應用性、綜合性的專業(yè)課程。作為電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程之一，它的理論比較抽象，學習難度較大。部分傳統(tǒng)理論課程的學習具有局限性，理論知識更新較慢，時效性不高；而實驗課程往往是理論課程的輔助性教學環(huán)節(jié)，部分學生的知識儲備只是書本上的理論知識。但實際生產(chǎn)過程中繼電保護不能僅限于理論環(huán)節(jié)，更多的是動手實踐，對產(chǎn)生的問題要具有一定的處置經(jīng)驗，有的要經(jīng)過專業(yè)的培訓才允許上崗。因此，在繼電保護教學中，實驗教學環(huán)節(jié)顯得尤為重要。學生通過實驗教學，可以更好地理解理論教學內(nèi)容，掌握必要的工程技術(shù)、測試方法、先進設備和基本研究方法，同時還可以培養(yǎng)學生的實驗技能、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，也為以后相關(guān)方面的工作打下了良好的基礎。這就要求教師在課程的教學設計中，合理優(yōu)化教學內(nèi)容，不斷改進教學方法，緊跟時代步伐，培養(yǎng)出綜合能力強的創(chuàng)新型人才。

一、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護課程教學中存在的問題

（一） 理論環(huán)節(jié)

電力系統(tǒng)繼電保護的理論課程具有一定的針對性，理論分析環(huán)節(jié)很多，計算復雜，而且許多計算方法以及電路搭建需要涉及到其他專業(yè)課程的基礎知識，由于部分學生的相關(guān)專業(yè)基礎知識不扎實，對于繼電保護中的知識理解會有一定的困難，例如保護方式配合上的學習、優(yōu)化以及整定方法的計算。這樣會導致繼電保護的理論基礎不牢固，對后面保護方式由點及面的跨度不能很好地進行運用；再者，教學內(nèi)容是課程的基本組成部分，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電氣設備、線路規(guī)劃日新月異，而有的課程教材的時效性不高，教材版本更新不及時，新的元素較少，學生在運用中很難接觸到新的事物，導致在后續(xù)的實踐中難以很好地處理先進元器件的故障問題。

（二） 實驗環(huán)節(jié)

1.實驗操作繁瑣

常規(guī)的基于模擬保護元件的繼電保護方法，是將所有涉及的保護繼電器用線路連接在一起，即將所有的保護邏輯賦予接線中。所用元器件數(shù)目多、接線形式復雜，較難操作，難以查出線路中的錯誤，不易操作和邏輯修改。同時，繼電器的操作速度快，繼電器數(shù)目多，對于缺乏實驗經(jīng)歷的學生而言，只能通過反復實驗才能觀察出元器件的運作以及參數(shù)變化，這既延長了實驗時間，在一定程度上還會降低設備的使用壽命，使得實驗教學效果不夠理想。

2.設備定型不易改動

從硬件平臺上看，電力系統(tǒng)繼電保護實驗中采用了定型的微機繼電保護裝置，保護程序提前裝好并固化在裝置中，該系統(tǒng)方便可靠、可實現(xiàn)各種保護功能（固定的裝置實現(xiàn)相應的保護），但學生難以介入保護算法的設計和編程，更看不到保護邏輯的執(zhí)行過程，學到的編程方法在實際應用中較難實現(xiàn)，導致部分學生難以對整個保護過程有深刻的理解。

3.接口過少難以優(yōu)化

繼電保護技術(shù)正在向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、綜合化以及智能化的方向發(fā)展，而目前有的實驗平臺裝置沒有預留升級和擴展的接口，對后續(xù)的升級拓展造成一定的困難。

（三） 教學理念

在知識、能力和素質(zhì)的關(guān)系上，部分傳統(tǒng)教學重視知識的傳授，對學生實踐能力的培養(yǎng)不足，特別是在學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面。在教與學的關(guān)系上，強調(diào)教師的主導性，學生的主體性體現(xiàn)不夠。教學過程中，教師向?qū)W生單向傳輸知識，學生被動地學習，其主體性和積極性體現(xiàn)不夠。缺乏主動性和積極性，創(chuàng)新性也就失去了基礎。同時，對學生的要求強調(diào)整體性，對個體的差異性重視不夠，影響學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、改革的必要性

電力系統(tǒng)繼電保護課程具有兩個特點：一是理論性強，二是實踐性強。理論性體現(xiàn)在課程綜合性較高，與其他課程關(guān)聯(lián)度高，高校涉及電力專業(yè)的基礎課程都會涉及數(shù)電、模電、電力系統(tǒng)分析、電機學、PLC、高低壓等設備，基本的計算機技術(shù)是必不可少的。例如，元件保護課程中涉及到的發(fā)電機、變壓器、母線、斷路器、電抗器等內(nèi)容與電機學及電氣設備課程相關(guān)；線路保護與高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)分析（潮流、短路、穩(wěn)定）、計算機應用等課程也有聯(lián)系。

因此，課程學習不僅僅有是原理上的理解，更需要對設備的了解，有很強的實踐性。學習繼電保護課程的目標就是在實際生產(chǎn)中的應用，僅僅靠理論基礎是不夠的，還需要掌握設備的繼保銜接、線路的故障選線知識以及異常狀態(tài)下的快速應變能力，實際生產(chǎn)中不能只考慮理想化的故障問題，更要關(guān)注非理想狀態(tài)下的隱患，而這些都是難以從書本中獲得，需要從實踐中去發(fā)現(xiàn)、去處理、去學習。在授課教學中，部分教師往往會把保護原理作為重點，而部分學生對單一原理的學習積極性不高，教學效果就不盡如人意；而實驗中的接線圖結(jié)構(gòu)復雜，所學的理論知識運用較為困難。因此，開展理論與實踐相互融合的教學方法特別關(guān)鍵。應通過教學驗證所學繼電保護理論的正確性，加深學生對基本原理、基本概念的理解，增強感性認識，進一步促進理論學習，進而使學生熟悉繼電保護裝置的基本結(jié)構(gòu)，掌握必要的工程技術(shù)、測試方法、先進設備和基本研究方法，同時培養(yǎng)學生的實驗技能、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

三、改革的策略

在教學過程中，應樹立現(xiàn)代實驗教學理念，與同類院校進行溝通，取長補短，更新教學內(nèi)容，尋求適合學校學生的教學方法，構(gòu)建科學合理的教學體系，要符合培養(yǎng)目標的要求。

（一） 理論環(huán)節(jié)

1.線上線下同步授課

隨著計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，課程教學不局限于面對面的班級授課，還可以引入到線上。2015 年，教育部出臺了《關(guān)于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》，各高校紛紛響應，建設了一大批在線開放課程[1]。利用網(wǎng)絡平臺的MOOC 教學，多利用動畫、動態(tài)圖以及可視化的方式將難點簡單化，將模型簡易化，高校可以建立自己的教學MOOC，也可推薦學生學習其他學校平臺開設的課程。三峽大學電氣與新能源學院也提出建立開放網(wǎng)絡教室，購買在線學習資源的改革思路[2]。其將整個教學課程分為課前、課中和課后，學生在線上提前觀看教學視頻，進行預習測驗，對課程內(nèi)容有一定的了解。由于電力系統(tǒng)繼電保護課程所涉及的其他課程知識點較多，提前預習讓學生有充分的時間去閱讀查找課程的相關(guān)資料，有助于深入理解，并且動畫的效果可以把傳統(tǒng)教學變得生動，讓學生在觀看動畫的同時更容易理解動作方式，增強了學生的學習興趣。線下授課則將章節(jié)重難點反復強化聯(lián)系，使學生對繼電保護思路的基本要求 （即可靠性、選擇性、快速性、靈敏性） 有新的認識。

2.教學內(nèi)容及時更新

自“雙碳”目標提出以來，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益更新，每一根線路、每一個器件都在被優(yōu)化的考慮范圍，教材上的內(nèi)容是不夠的，需要教師和學生多看多學，教師要將前沿知識融入課堂教學環(huán)節(jié)，可以結(jié)合當前建設的“特高壓直流輸電”“微電網(wǎng)并網(wǎng)運行”[3]等項目，給予學生一定的背景知識，對熱門項目的普遍問題，讓學生思考，增加課堂討論，這對學生后續(xù)的學習有一定的幫助。學生也可以提出新的見解并與教師加強交流，也可以將自己的感受和教師、同學進行分享，集思廣益，共同探討更好的學習方法，更深刻地理解保護機理。同時，教師要做好學生的引導，結(jié)合具體工程案例，良好銜接課程目標，并且要培養(yǎng)學生獨立思考和團結(jié)協(xié)作的能力。教師在注重學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的同時也要讓學生明白團隊的重要性，實際生產(chǎn)中需要團隊成員的共同努力，團結(jié)協(xié)作，為以后的實際工作奠定基礎。

（二） 實驗環(huán)節(jié)

1.增加實踐權(quán)重，產(chǎn)學研融合教學

電力系統(tǒng)繼電保護課程的實踐性較強，教材上的理論知識雖然可以調(diào)動學生的學習積極性，卻難以在實踐上同步培養(yǎng)。因此，高校應加強與當?shù)仉娏ζ髽I(yè)的合作，共同研究出適合培養(yǎng)學生實踐能力的教學方法，制訂適宜的教學計劃，增加實踐環(huán)節(jié)在整個教學環(huán)節(jié)上的權(quán)重比例。高校要通過與企業(yè)構(gòu)建在線實踐課堂，多選取實際生產(chǎn)案例進行舉例實驗，讓學生深入了解具體的崗位與工作方式，將理論上的保護原理可視化、可操控化，將其與課本上的重難點聯(lián)系起來，融會貫通，加深理解；也可以安排學生在線下去企業(yè)生產(chǎn)線實習，在真實工作環(huán)境下學習如何解決繼電保護的故障問題，與企業(yè)工作人員共同探討，在實際的生產(chǎn)線上提高學生的實踐能力，企業(yè)也可按學校的培養(yǎng)方式對學生定期進行工作評估，學校對于企業(yè)反饋的工作問題在課堂和實驗室中進行模擬試驗，形成有效的正反饋路徑，增強學生實踐的能力，提高學校的教學質(zhì)量。電力系統(tǒng)繼電保護課程改變了以往單一理論教學的方式，應將理論教學作為基礎，將工程實踐作為依托[4]。目前許多高校采用產(chǎn)學研融合教學的模式，在這一模式下可以加強學生實踐能力的培養(yǎng)，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)學習興趣，有利于加強學生、學校與電力企業(yè)之間的合作。同時也要加強師資隊伍的建設，提升教學質(zhì)量，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才。

在課程考核中也要著重考慮實驗分數(shù)的權(quán)重占比，重視過程性考核，給予實驗環(huán)節(jié)更多的分值，要將各個操作環(huán)節(jié)各賦分值，建立完善的課程達標度評價機制， 課程結(jié)束時進行綜合考量；適當增加操作環(huán)節(jié)分數(shù)，適時進行階段測評，在實踐操作時，讓學生進一步思考和理解知識點，這也是對學生專業(yè)能力的一種提升。

2.開放式實驗項目

本課程共包含四個實驗板塊，從輸電線路電流電壓保護實驗、三段式電流保護實驗、線路保護與自動重合閘實驗到變壓器差動保護實驗，逐漸深入，與教材上的理論知識講解順序相互對應，每一章均詳細地為學生指明了實驗目的、實驗原理、實驗內(nèi)容，通過合理的設計，證實已有的理論。而目前部分電力系統(tǒng)繼電保護實驗平臺處于封閉化狀態(tài)，并且所用程序已提前編好并輸入到設備中，學生難以從外部介入程序，也難以將所學知識運用其中；裝置封閉化也導致保護過程可視化程度降低，學生很難直觀觀察到整個保護過程以及各項保護參數(shù)，給學生對保護原理的理解帶來了一定困難。基于此，桂林電子科技大學加強了實驗中心的硬件及軟件建設，評定并構(gòu)建了基于圖形化數(shù)字可編程繼電保護實驗教學平臺，如下頁圖1 所示。將基于可編程繼電保護裝置應用于繼電保護的教學實驗中，實現(xiàn)在線圖形化保護邏輯編程、實時監(jiān)控被測電量、保護邏輯的執(zhí)行過程，為實驗室資源的高效利用提供條件。平臺內(nèi)采用了可編程繼電保護裝置與圖形化人機交互組成保護的硬件系統(tǒng)，方便后續(xù)的觀察與程序輸入；以保護元件圖形組成繼電保護邏輯，在線編程，將保護控制要求輸入到可編程繼電保護裝置中；采用模擬負載及故障產(chǎn)生裝置構(gòu)建設定的故障現(xiàn)象，產(chǎn)生故障源信號；最后將故障源信號引入可編程繼電保護裝置，監(jiān)測故障源信號的特征量、測試保護邏輯動作執(zhí)行過程和執(zhí)行結(jié)果。

圖1 基于圖形化數(shù)字可編程繼電保護實驗教學平臺圖

將圖形化數(shù)字可編程繼電保護裝置用于繼電保護的實驗教學系統(tǒng)中，實現(xiàn)了繼電器保護邏輯的在線圖形化設計、編程和可視測試；軟件和實際裝置的結(jié)合增加了保護算法執(zhí)行過程的透明性和可操作性；組態(tài)監(jiān)控實時動態(tài)顯示檢測電量的變化和保護邏輯動作過程，克服了傳統(tǒng)繼電保護元件接線復雜的問題，又能解決現(xiàn)有微機保護裝置保護程序難以介入的問題。學生能夠在線快速進行相關(guān)實驗邏輯的圖形化編程，并開發(fā)新的保護算法，在平臺上直觀地感受整個保護過程，實時觀察并記錄過程數(shù)據(jù)參數(shù)，便于隨時檢查，既實現(xiàn)了相關(guān)保護實驗又能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

四、結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，繼電保護的作用與日俱增，這要求學校和教師共同努力，不斷完善教學內(nèi)容，針對學生的薄弱環(huán)節(jié)提供相應幫助；堅持實踐與教學相結(jié)合，提高學生的動手能力，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，促進產(chǎn)學研深度融合，不斷探索新的教學方法，合理規(guī)劃教學計劃，讓學生打下扎實的理論基礎和實踐能力，更好地培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才，切實解決工作實際中產(chǎn)生的繼電保護問題。