電力系統繼電保護教學研究與實踐

王曉剛 張杰 黃漢奇 孟曉波

摘 ?要：針對電力系統繼電保護課程的特點，開展教學研究與實踐，從線上線下混合教學、啟發式教學、開放式實驗和虛擬仿真實驗4個方面對教學方法與手段進行介紹。上述教學方法與手段激發學生的學習興趣，提高學生的理論掌握程度，也使工程實踐能力得到顯著提升。

關鍵詞：電力系統繼電保護;在線開放課程;啟發式教學;開放式實驗;虛擬仿真實驗

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標志碼：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

電力系統繼電保護是電氣工程及其自動化專業的主要專業課程之一。電力系統繼電保護技術是電力系統安全運行的保障，在現代電力系統中占據十分重要的地位。本課程主要學習電力系統繼電保護的基本知識，課程內容包括輸電線路、變壓器、發電機、母線等電力元件和設備的電流保護、距離保護、差動保護的基本原理和整定計算原則，自動重合閘的原理，微機繼電保護的軟件硬件組成和基本原理等。學習好本課程，能夠培養學生分析和解決電力工程中有關問題的能力，為從事繼電保護相關領域工作打下理論及實踐基礎。

各高校對電力系統繼電保護課程的教學手段和方法作出了研究和探索。孫抗等[1]提出基于成果導向的教學模式，根據工程教育認證的畢業要求，建立教學目標，從課堂理論教學、作業、實驗三個方面基于成果導向進行教學設計。羅繼東等[2]將CDIO工程教育理念應用于繼電保護課程教學，構建了人才培養新模式。湯亞芳等[3] 建設了適合于學生自學的電力系統繼電保護系列微課程視頻，利用該微課視頻開展以學生為中心的翻轉課堂教學方式。羅媚媚等[4]利用電網實訓平臺和實踐教學基地，開展基于校企聯合培養的繼電保護原理課程教學改革。宋彬彬等[5]在教學中使用微課和Matlab/Simulink仿真，探索了面向卓越工程人才培養的繼電保護教學方法。

廣州大學正在向高水平大學邁進，越來越注重學生的培養質量。本文介紹廣州大學電力系統繼電保護課程理論與實踐并重的教學改革措施。

一、電力系統繼電保護課程的特點

電力系統繼電保護課程有兩大特點：1. 理論性強，是一門綜合性課程。涉及電力系統短路計算、電力系統穩定、電路原理、電機學和數字信號處理等多門課程的知識。例如學習零序電流保護時，要求學生熟悉電力系統分析中學過的序分量的概念，并會用序網絡計算短路電流。在學習距離保護的振蕩閉鎖時，要求掌握振蕩的概念和振蕩發生時的現象，以及振蕩和故障的區別。在學習發電機保護時，更是要求學生對發電機的結構和工作原理有深入的理解。2. 實踐性強。學習各種繼電保護原理的最終目的是為了工程應用，這就要求學生不僅要掌握保護原理，還要熟悉實現各種保護的硬件和軟件。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轉換、數字濾波、特征量算法、動作判據算法等。

因為具備以上兩個特點，所以電力系統繼電保護課程的學習難度比較大。教師往往在有限的課堂教學時間中把大部分精力花在各種繼電保護原理的講解上，而學生的基礎參差不齊，理論教學效果不好。另外，學生雖然掌握了繼電保護原理，但實驗時看不懂二次回路接線圖和工作原理，理論教學和實踐教學脫節。開展電力系統繼電保護課程的教學研究與實踐是一項迫在眉睫的工作。

二、課程教學研究與實踐

（一）線上線下混合教學

2015年4月，教育部出臺了《關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，以立項的方式建設了一大批在線開放課程。在線開放課程拓展了教學時空，增強了教學吸引力，激發了學習者的學習積極性和自主性，擴大了優質教育資源受益面，促進教學內容、方法、模式和教學管理體制機制的改革[6-9]。

我們組建了電力系統繼電保護在線開放課程教學團隊，并于2017年獲得學校在線開放課程立項。目前已完成教學網站的建設，設有“課程信息”“課程內容”和“討論交流”三大模塊。“課程信息”模塊介紹課程的基本情況，包括教師團隊、課程大綱、考核標準和課程公告等。“課程內容”是核心模塊，按照課程章節和知識點劃分，每小節（知識點）包含教學視頻、教學課件、客觀練習題、主觀練習題、例題講解等;此外還有測驗與作業和線下考試等功能。“討論交流”模塊中按章劃分出若干個討論版，學生針對學習中的疑問發帖提問，教師和其他學生均可以回帖，針對問題展開討論，為師生提供了協同互動的交流平臺。

課程上線運行后，我們設計了線上線下混合教學的模式，包括課前、課堂和課后3個教學環節。1. 課前環節。要求學生在線上通過觀看教學視頻和做測驗掌握知識點，相當于把一部分傳統課堂的教學活動前移。2. 課堂環節。由于學生已經在進入課堂前掌握了教學知識點，課堂中僅對重點和難點做再次講解。剩余的課堂時間用于完成課堂小組討論、小測驗、繼電保護工程案例分析和虛擬仿真演示等教學活動，達到鞏固基礎知識并靈活應用的目的。3. 課后環節。為了檢驗學習效果，學生課后在線上完成小測驗。教師根據學生測驗結果和課堂討論的表現給出該次課的成績。混合式教學模式如圖1所示。

（二）啟發式教學

線上教學中，在每節課結束時將本次課的內容加以總結，并針對下次課程內容與本次上課內容的不同進行提問，指出本次上課所提出的繼電保護方法的不足，以及針對該不足如何進行改進。這樣讓學生心存疑問，促使其繼續下一部分的學習。例如學習電流保護這一部分時，首先講解單電源輻射網絡的Ⅰ段保護（電流速斷保護），然后提出在本線路末段發生故障該怎么辦？從而引出Ⅱ段保護（限時電流速斷保護）。而如果故障發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方法無法進行有效保護又怎么辦？這樣引入了Ⅲ保護（定時限過流保護）。然后再提出如果是雙側電源網絡該如何？這樣又引入了方向性保護的知識點。通過這樣的啟發讓學生對電流保護進行逐步深入的學習，從而掌握電流保護相關知識。

圖1 混合式教學模式

（三）開放式實驗項目

實驗是電力系統繼電保護課程的重要環節。目前許多高校采用廠家生產的成套設備開展微機繼電保護實驗教學，設備存在封閉性，對繼電保護原理的模擬過于“實驗室化”。實驗時學生完成簡單接線后觀察實驗現象，對保護原理的理解不透徹，降低了學生的實驗興趣，教師對學生實驗成績的評定也難以做到客觀。為此，我們對實驗室現有的微機保護裝置進行了改造，開發了三段式電流保護開放式實驗，并獲得學校的示范性實驗項目立項。

整個實驗系統由教師工作站、繼電保護測試儀、微機繼電保護裝置（自主設計，用嵌入式單片機開發）、模擬斷路器、通信模塊、學生計算機和單片機下載器組成。整個實驗分為三個步驟：1. 實驗準備階段。實驗課前須完成預習報告。上課后，學生實驗小組在理解微機保護實驗原理的基礎上，根據教師描述的實驗模擬線路的故障特征和參數，在微機繼電保護裝置上編寫數據采集和三段式電流保護算法的程序。2. 正式實驗階段。學生實驗小組對微機繼電保護裝置進行自檢操作，包括硬件連接和軟件測試，確保裝置可以完成實驗功能。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向教師工作站發送“READY”就緒信號，表示裝置已經成功完成自檢，可以進行下一步實驗。教師確認收到“READY”信號后，通過教師工作站操縱繼電保護測試儀發出故障電壓電流信號，該故障信號持續一定時間T1（根據故障類型和繼電保護測試儀輸出特性綜合設置）。然后，微機繼電保護裝置實時測量故障信號，識別故障后，發送相應動作控制指令至模擬斷路器，并且將實驗測量結果和動作結果通過以太網上報給教師工作站。教師工作站接收到實驗數據后，進行數據展示，并展開實驗評價。實驗小組得到實驗成績P1，這是由保護動作的正確性、保護動作的快速性和故障測量的準確性三個方面確定的。3. 實驗分析與總結階段。學生實驗小組根據實驗過程完成實驗報告。教師根據預習報告、實驗操作情況和實驗報告確定成績P2。根據實驗成績P1和P2得到總成績P。

該實驗系統有以下優點：1. 將電力系統現場常用的微機繼電保護裝置和模擬斷路器應用于實驗教學，實驗操作更接近工程實際;2. 實驗具有開放性，自主設計的微機繼電保護裝置將硬件和軟件向學生開放，能夠加深學生對保護原理的理解，將課堂所學的抽象知識轉化為具體實踐，激發學生的主動性和創造性;3. 一臺繼電保護測試儀可以向多臺微機繼電保護裝置發送電壓電流故障信號，節省傳統多臺成套實驗設備的投資。

開放性實驗項目顛覆了繼電保護實驗教學的思路，大大提升了學生的興趣，學生實驗熱情高漲，教學效果十分突出。在三段式電流保護開放式實驗項目開發的基礎上，我們總結出開放式實驗的教學模式，如圖2所示。

（四）虛擬仿真實驗

雖然上述開放性實驗在一定程度上彌補了傳統電力系統繼電保護實驗教學的不足，但是開發一個實驗項目需要較高的成本，難以覆蓋全部實驗項目。虛擬仿真實驗彌補了這方面的不足[10]。廣州大學與上海靜一信息科技有限公司合作，將虛擬仿真實驗資源引入實驗教學，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實驗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的一次回路和二次回路，完成各種電力系統的繼電保護實驗。以“三相一次自動重合閘”為例，虛擬仿真環境如圖3所示。

除了基本的繼電器原理實驗、三段式電流保護實驗、距離保護實驗、縱聯保護實驗、自動重合閘實驗之外，還開發了物理平臺無法完成的較復雜電力系統繼電保護實驗：110 kV多母線輻射型電力系統虛擬仿真實驗。該實驗結合工程教育理念，以成果為導向，開展案例式教學。該虛擬仿真實驗可作為課內綜合性實驗，也可作為課程的大作業。教師將學生分成小組，組員分工明確，自行查閱文獻、計算各整定值、設計實驗方案、完成實驗操作、撰寫報告。最后教師點評實驗并指導學生開展小組討論。

虛擬仿真實驗是傳統教學手段的重要延伸與拓展，學生可以隨時隨地進行在線實驗，克服了固定時間地點開展實驗的困難。虛擬仿真實驗具有線上線下融合式學習的內涵，大幅度提升學生對繼電保護原理的理解和掌握程度，提高了學生學習的興趣。

三、結束語

電力系統繼電保護課程的特點使教育改革勢在必行，廣州大學在線上線下混合教學、啟發式教學、開放式實驗和虛擬仿真實驗等方面開展了教學研究與實踐。結果表明，這些教學方法和手段使學生在教學過程中占據主導地位，成為學習的主人，學習興趣得到很大的提高。學習過程中理論和實踐并重，學生解決繼電保護工程實踐問題的能力大大增強。改革措施符合新工科建設和工程教育認證理念。

參考文獻：

[1]孫抗，杜少通，李曉明，等.基于成果導向的繼電保護課程教學[J].高教學刊，2019（19）：92-94.

[2]羅繼東，王憲磊，劉媛杰.CDIO工程教育理念在“電力系統繼電保護”課程中的應用[J].江蘇科技信息，2019（32）：78-80.

[3]湯亞芳.基于微課的《繼電保護原理》課程翻轉課堂的建設與實施[J].教育教學論壇，2018（29）：143-144.

[4]羅媚媚，王曉芳，劉白楊.基于校企聯合培養模式下“繼電保護原理”課程教學改革[J].教育現代化，2017，4（46）：79-80.

[5]宋彬彬，楊紅靜，攝小雪，等.面向卓越工程人才培養的繼電保護教學方法探索[J].教育現代化，2018，5（45）：18-19.

[6]孫立功，周立鵬，栗素娟.基于在線開放課程的電工學混合課堂教學模式改革[J].教育教學論壇，2018（44）：121-122.

[7]陳穎，屈紫懿，魯冠軍.基于在線開放課程的混合式教學模式探索[J].重慶電力高等專科學校學報，2019，24（4）：40-42.

[8]王竹立.在線開放課程：內涵、模式、設計與建設[J].遠程教育雜志，2018，36（4）：69-78.

[9]徐鶴.在線開放課程建設方案研究[J].高教學刊，2016（5）：109-110.

[10]趙銘超，孫澄宇.虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（4）：90-93.