電力系統(tǒng)繼電保護線上線下實驗教學探索

鄧 妍， 邰能靈， 胡 炎， 許少倫， 秦雷鳴， 戶傳立

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.西門子電力自動化有限公司，南京 211100）

0 引 言

繼電保護實驗教學是電力系統(tǒng)專業(yè)教學的重要組成部分，其效果直接影響到學生對理論知識的理解和應(yīng)用知識的掌握［1-4］。2022 年春，受疫情影響，為保障教學進度，我校電氣工程實驗教學中心開展了電力系統(tǒng)繼電保護實驗課程的線上教學工作，將電力系統(tǒng)繼電保護實驗從線下教學轉(zhuǎn)化為線上線下教學。改進現(xiàn)有的電力系統(tǒng)繼電保護實驗教學模式，將線下設(shè)備操作與線上虛擬仿真等教學手段相結(jié)合，提高了學生的實踐創(chuàng)新能力，提高教學質(zhì)量［5-6］。

1 實驗教學設(shè)計

實驗課線下教學采用的硬件設(shè)施如下：STS362L線路保護裝置和STS261T 型變壓器保護裝置相配合，在一次模擬線路的基礎(chǔ)上，完成距離保護、變壓器保護和電流保護的實驗教學。實驗平臺為裝置內(nèi)置，將STS362L線路保護裝置和STS261T型變壓器保護裝置內(nèi)置于實驗操作臺面板內(nèi)，見圖1（a）。為讓學生更好地了解目前繼電保護產(chǎn)品和變電站保護知識，實驗教學中心在原有繼電保護教學控制臺基礎(chǔ)上進行了改造，利用原有裝置的直流控制跳閘回路，實現(xiàn)新裝置的跳閘體現(xiàn)，接線見圖1（b）。新裝置含有網(wǎng)絡(luò)和USB接口，可直接連接電腦或者連接網(wǎng)絡(luò)路由器，實現(xiàn)與電腦的連接。

新裝置采用了西門子最新的Siprotec 5 系列保護裝置，既可以讓學生對原有保護裝置跳閘過程加深知識，又可以對新一代的虛擬設(shè)備和遠端配置進行了解。采用虛實結(jié)合教學模式，能夠有效地幫助學生增強自主創(chuàng)新意識。

基于實際最新配置的數(shù)字保護裝置，采用裝置自帶的邏輯仿真軟件，設(shè)計了多層次、多項目的繼電保護保護教學實驗。讓學生在老師的幫助下，提出問題和分析問題，進行團隊合作解決問題［7］。基于保護裝置特點，裝置自帶通用型工具軟件DIGSI5，是為所有Siprotec繼電保護裝置設(shè)計的一套計算機軟件，可以進行各種類型的CFC 邏輯設(shè)計實驗教學、保護故障錄波、保護動作過程模擬和回放實驗等。

2 實驗原理

阻抗繼電器是距離保護裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點到保護安裝點之間的阻抗Zm，并與整定阻抗值整定阻抗Zset進行比較，以確定保護是否應(yīng)該動作。在教學過程中，線上實驗CFC 邏輯圖的編輯和線下實驗二次保護回路動作原理均是基于此原理構(gòu)建。

阻抗繼電器構(gòu)成原理如圖2 所示，輸入端電流和電壓分別取自電流互感器和電壓互感器。方向阻抗繼電器的動作特性圖如圖3 所示，是以整定阻抗Zset為直徑而通過坐標原點的1 個圓，圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為不動作區(qū)。

圖2 阻抗繼電器構(gòu)成原理圖

圖3 方向阻抗繼電器特性圖

當反方向發(fā)生短路時，測量阻抗位于第三象限，繼電器不動作，因此它本身就具有方向性，稱為方向阻抗繼電器。方向阻抗繼電器也可以由幅值比較或相位比較的方式構(gòu)成（見圖4）。

圖4 方向阻抗繼電器的動作特性

當用幅值比較方式時，繼電器能夠啟動的條件如下：

等式兩端均以電流Im相乘，即變?yōu)閮蓚€電壓的幅值的比較，

用相位比較方式的分析如圖4（b）所示，繼電器能夠啟動的條件是270°≥θ≥90°。

3 實驗教學過程

3.1 在MOOC和CANVAS 平臺進行課前預習

本實驗課的授課對象是學習過電氣工程基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)繼電保護等課程，對電力系統(tǒng)繼電保護基本原理有一定的認知的大三學生。因此，課前預習階段，通過在線MOOC 平臺讓學生提前復習并鞏固繼電保護基本原理等知識，采用CANVAS 平臺進行課前和課后所需的課程管理、資料共享、作業(yè)測驗、分組討論、數(shù)據(jù)分析、學習評估等常規(guī)功能［8］，了解裝置的基本原理、了解試驗臺設(shè)備的組成以及各部分的功能等。

3.2 分組實操

因為學校疫情期封閉，實驗軟件大，網(wǎng)上直接下載費時且安裝較復雜，實驗室可安裝軟件且能遠程控制電腦有限，實驗由學生2 ～4 人自行分組，下載向日葵等遠程電腦控制軟件并注冊，輸入遠程登錄碼進行軟件的熟悉和試用，了解西門子Siprotec 5 系列保護裝置原理和設(shè)計方法，使學生清晰地了解如何采用相關(guān)軟件搭建CFC保護設(shè)計的基本步驟，從而加深對保護原理的理解和認識。

3.3 虛擬仿真實驗進行CFC邏輯搭建

（1）DIGSI5 界面。DIGSI5 公共界面中包含了項目樹、編輯器、庫以及屬性框，如圖5 所示。可以根據(jù)實際操作來調(diào)整這些界面。在此過程中，學生需熟悉軟件，DIGSI5 軟件右側(cè)的Libraies中，Type下拉菜單中含有CFC邏輯塊，CFC邏輯塊包含比較、邊沿檢測、持續(xù)性、觸發(fā)器等14 個邏輯運算模塊，可以直接拖動模塊進入項目的Charts頁面，自由組合，實現(xiàn)多種繼電保護邏輯。

圖5 DIGSI5軟件界面顯示

（2）CFC邏輯搭建。根據(jù)方向性距離保護原理，學生搭建好的A相方向性距離保護邏輯如圖6 所示。

圖6 采用DIGSI5軟件編輯CFC單相方向距離保護邏輯圖

3.4 線下一、二次回路接線并錄波

（1）設(shè)計實際方向距離保護電路，進行故障錄波。采用原有的實驗臺一次回路，二次回路與新裝置相連。學生需查閱裝置樣本，熟悉保護裝置的輸入輸出端子圖，才能正確連線。

（2）配置相應(yīng)的輸入輸出到裝置。先設(shè)置好電流電壓互感器的二次側(cè)值，再設(shè)置好阻抗定值、角度定值，并進行裝置輸出跳閘節(jié)點及燈的顯示的配置（見圖7），采用網(wǎng)絡(luò)或者USB接口與將電腦和裝置進行連接，經(jīng)過調(diào)試和編譯，就可以將編譯好的CFC 邏輯下載到裝置。

圖7 裝置輸出跳閘節(jié)點及燈的配置圖

（3）利用實驗臺的一、二次回路實現(xiàn)單相短路，并調(diào)出故障錄波信息。學生在線下實驗臺上搭建好一、二次回路后，可以通過實驗臺實現(xiàn)單相短路，裝置能實際記錄距離保護所有日志內(nèi)容和故障錄波信息，并自動同步保存到所連接的離線裝置。可以將所有的信息條目保存為在表格中直接編輯的文件，Siprotec5 系列配套軟件可調(diào)用此文件進行波形分析（見圖8）。

圖8 裝置故障錄波信息調(diào)用示意圖

（4）將故障錄波文件導入保護裝置，實現(xiàn)保護過程的回放，如圖9 所示。

圖9 保護過程回放示意圖

3.5 實驗結(jié)果與特色

學生完成了線上和線下的學習與實踐之后，在時間和空間角度擴充和完善了現(xiàn)有的距離保護實驗，對距離保護的基本原理、繼電保護裝置的一系列操作和應(yīng)用有了更全面的了解，取得了良好的實驗教學效果，具體特色如下：

（1）與傳統(tǒng)虛擬仿真實驗相比，傳統(tǒng)虛擬仿真是對實際一、二次回路進行模擬，此仿真課程為繼電保護裝置的仿真，模擬的為實際的裝置保護邏輯、保護動作故障錄波等，能加深學生對保護裝置原理的理解。

（2）學生通過線上線下相結(jié)合實驗，能夠直觀觀察到實驗室某些難于觀察到的實驗現(xiàn)象，加深對重難點理論知識的理解。受測量儀器和實驗條件影響，有些實驗現(xiàn)象難于觀察、實驗數(shù)據(jù)難于連續(xù)采集，會使學生感覺理解困難［9］。比如故障錄波裝置能記錄電力系統(tǒng)故障前后各種電氣量的變化情況，對于判斷故障情況有非常大幫助，由于實驗場地等限制學生可能無法實際接觸到設(shè)備，而西門子新一代的保護裝置自帶故障錄波功能，可以直觀顯示線路故障時裝置跳閘過程，由此就可以提高學生的感性認識，幫助理解和學習。

（3）在此實驗課的基礎(chǔ)上，可及時引導學生進行思考，比如利用CFC 設(shè)計三相三段式距離保護邏輯，并實際搭建方向性距離保護較為復雜的一、二次線路等，從不同的角度啟發(fā)學生進行創(chuàng)新。

4 結(jié) 語

電力系統(tǒng)繼電保護線上線下實驗緊跟現(xiàn)代的電力系統(tǒng)繼電保護發(fā)展趨勢，將前沿的設(shè)備轉(zhuǎn)化為本科生實驗教學資源，考慮學生知識層次與理解能力，結(jié)合實驗室實際情況，將線上線下實驗教學相結(jié)合，有效地解決了當前疫情防控要求下電力系統(tǒng)繼電保護教學實驗課程時間、空間和資金受限的問題。通過讓學生完成相關(guān)邏輯模塊的搭建，并將搭建的保護運用于實際保護裝置，并能重現(xiàn)裝置的保護動作過程，讓學生產(chǎn)生學習的濃厚興趣，從而提高學生分析問題和獨立解決問題能力，有自己主動學習的獲得感［10-12］。