建构主义学习观结合Matlab仿真在继电保护教学中的应用

赵义术 战 杰

山东电力高等专科学校 山东 济南 250002

0 引言

当前，高职高专课程正在向工学结合、能力本位方向发展。而继电保护技术已进入了微机保护时代，保护原理用软件实现，因此保护元件的内部动作很难得知。高校中电力系统继电保护课程实验普遍为传统的电磁型、整流型保护实验；而即使配置有微机保护实验的，装置数量也很少，一般只能作为微机保护装置的总体调试，保护内部工作过程不直观，这对于学生掌握微机保护的实现原理是不够的［1］。

为了使学生能直观理解保护原理，并进行相关实验。本文在建构主义建构主义学习观和教学观指导下，开发了基于Matlab/Simulink的继电保护教学仿真软件。该软件对学生学习继电保护原理具有良好的启迪性。

1 建构主义学习观和教学观

建构主义学习观（以下简称建构主义）认为，学生获得新知识的过程，不是通过教师传授得到的，而是通过有意义的学习建构得到的。学习者在一定的情境中，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，在已有知识结构的基础上，将新知识纳入原有的知识体系，对新的信息进行主动地选择、加工、建构，最终丰富了自己的知识结构而赋予其意义。

建构主义教学理论强调以学生为中心，认为学生是认知的主体，是知识意义的主动建构者;教师只对学生的意义建构起帮助和促进作用，并不要求教师直接向学生传授和灌输知识。在建构主义学习环境下，教师和学生的地位、作用和传统教学相比已发生很大的变化。建构主义教学理念强调以学生为中心，强调“情境”对意义建构的重要作用，强调“协作学习”对意义建构的关键作用，强调利用各种信息资源来支持“学”等。建构主义教学理念对教学改革具有重大的指导意义［2-3］。

2 MATLAB/Simulink及其电力系统工具箱

电力系统分析和仿真技术是在电力系统的规划、设计、运行、分析及改造等过程中不可缺少的工具和手段。随着计算机技术和工程技术的发展，电力系统的仿真技术和软件也在不断的更新和完善，现在国内外一些大型电力系统分析软件正向多功能、综合分析的方向发展，如EMTP、EMTDC、PSS/E、PSASP、BPA、Matlab等。考虑到教学课时有限，学生没有仿真软件应用基础，本文选用上手较容易的Matlab作为继电保护课堂教学的仿真辅助手段。

2.1 MATLAB/Simulink［4］

MATLAB是由MathWorks公司开发的一种主要用于数值计算及可视化图形处理的高技术计算语言。它的特点是将数值分析、矩阵计算、图形、图像处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境之中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具。

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合，系统还可以是多采样率的，比如系统的不同部分拥有不同的采样率。

对于建模，Simulink提供了一个图形化的用户界面（GUI），可以用鼠标点击和拖拉模块的图标建模，通过图形界面，可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。这是以前需要用个复杂的由接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，当然也可以定制或者创建用户自己的模块。所有模型是分级的，因此可以通过自上而下或者自下而上的方法建立模型。可以在最高层面上查看一个系统，然后通过双击系统中的各个模块进入到系统的低一级层面以查看模型的更多的细节。这一方法提供了一个了解模型是如何组成以及它的各个部分是如何相互联系的方法。

定义完一个模型以后，就可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB的命令窗口输入命令对它进行仿真。使用Scopes或者其它的显示模块，可以在运行仿真时观察到仿真的结果。另外，还可以在仿真时改变参数并且立即就可看到有什么变化，仿真的结果可以放在MATLAB的工作空间（Workspace）中以待进一步的处理或者可视化。

2.2 电力系统工具箱［4］

电力系统模块集使得工程技术人员可以建立模型来仿真电力系统，该模块集使用Simulink环境，可以通用点击或拖拉来建立模型，不仅可以快速画出电路的拓扑结构，而且电路的分析可以包括其与机械、热、控制及其它学科的相互作用，这是由于仿真的电部分与Simulink的庞大的模型库是相互作用的，Simulink使用MATLAB作为计算引擎。

电力系统工具箱（Powersys）提供了电力传输和拖动中用到的各种子系统模型，它包含了以下的7大类库，含有数十种模块模型。

1）电源—包括交流电流源、交流电压源、直流源、可控电流源、可控电压源等。2）元件—包括断路器、变压器、互感、长线、饱和变压器、串联RLC电路、并联RLC电路、浪涌吸收器等。3）电机—同步电机、异步电机、永磁同步电机、水力涡轮调速机等，另外包括可单独提取这些电机运转参数的各测量分路器。 4）电力电子—闸流管、二极管、GTO、Mosfet、理想开关等。5）测量—电流测量、电压测量等。6）联接—零线、L联接器、T联接器、总线、地线等。 7）其他—控制模块、三相子库、直流电机、定时器等。

3 建构主义结合Matlab仿真在《继电保护》教学中的实际应用

当前教学改革的重点是改变传统的教育模式，以学生为主体，教师为主导，强调在原有知识基础上建构新知识，从“个体式”学习到“社会化”的学习，从“去情境”的学习到“情境化”的学习。基于以上要求，本文以《继电保护》中的阶段式电流保护为例说明Matlab仿真在教学中的实际应用［5］。

3.1 在原有知识基础上建构新知识

在学习继电保护之前，学生已经学习了《电路与磁路》、《电机学》、《电力系统分析》、《故障分析》等课程。在学习了继电保护的基础知识之后，学生开始进入电流保护教学情境。该教学情境中，首要问题就是短路电流分布曲线（即短路电流的大小与短路点位置、系统运行方式、短路类型之间的关系），由于条件限制高校教师无法通过现实系统中的实验来构建学生对于短路电流分布曲线与各因素之间关系的新认知。传统的做法是进行公式推导分析，在此基础上建立学生对该部分的新认知，该传统教学方法下老师把学生看成是“容器”，认为只要把“容器”装满，学生把知识死记下来就完成了教学任务，老师和学生及学生与学生之间缺乏交流，重公式和定律而轻发展过程和实际应用。

在继电保护教学实践中通过引入Matlab仿真对电力系统故障进行分析的方法引导学生从原有的知识经验中，衍生出“短路电流分布曲线”这一新的知识经验。

由《电力系统分析》课程知识可知，当供电网络中任意点发生三相和两相短路时，流过短路点与电源间线路中的短路电流包括短路工频周期分量、暂态高频分量和衰减直流分量，其短路工频周期分量可用式（1）近似计算：

式中，EΦ——系统等效电源的相电势；

Zd——短路点至保护安装处之间的阻抗；

Zs——保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；

图1 电流保护教学仿真系统结构图

根据式（1）建立如图1所示的电流保护教学仿真系统。，在该仿真系统中，可以通过在该故障仿真系统中选择不同的短路点位置、改变系统阻抗及故障类型的方法来改变式（1）中Zd、Zs、Kφ的对应值，观察这三种因素的变化对短路电流大小的影响，从而得出不同条件下的短路电流曲线。学生通过比较所得的不同条件下的短路电流曲线，可以构建“短路电流分布曲线”这一新认知。

3.2 从“个体式”学习到“社会化”学习

社会性建构主义认为，知识不仅是个体在与物理环境的相互作用中建构起来的，社会性的相互作用同样重要，甚至更加重要。

在学生建立了“短路电流分布曲线”这一新认知后，电流保护教学情境进入到“阶段式电流保护构成”这一步骤。在教学实践中，根据学生不同的兴趣和共同关心的问题，把学生分几组，形成学习沙龙，首先到实验室观察教师演示的阶段式电流保护实验情况，然后各组完成自己的阶段式电流保护实验。在实验中，每个学生都有自己的经验世界，不同的学生可以对某种问题形成不同的假设和推论，通过学生之间的相互沟通和交流，相互争辩和讨论，合作完成阶段式电流保护实验这个任务，共同解决问题，从而形成更丰富、更灵活的理解。

3.3 情境性学习

学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构。在教学设计中，创设有利于学生建构意义的情境是最重要的环节或方面。在完成了阶段式电流保护实验之后，为了进一步构建学生对于阶段式电流保护构成原理的认知，在电流保护教学仿真系统结开发了相应的阶段式电流保护逻辑判别模块，从而完成学生对于电流保护教学情境下知识与能力的构建。

图2 阶段式电流保护逻辑框图

首先，按图2所示阶段式电流保护逻辑框图，根据微机保护的构成原理，利用Simulink工具箱实现相应的数据采集、数据处理基本算法、保护元件模块算法及逻辑出口等模块。

然后，计算相应的整定值与整定时间。该部分可由学生在参加“阶段式电流保护”实验的基础上，分组讨论计算完成，并且构建了“阶段式电流保护整定计算”的认知。

最后，在图1所示的“电流保护教学仿真系统”，完善相应的保护逻辑，设定阶段式电流保护各段定值。通过仿真，可实时观察一次系统的运行状态、保护判据有关测量值的变化、保护各逻辑元件的状态、保护出口信号状态，从而对保护的动作过程进行动态跟踪，分析保护内部各元件的动作是否合理。在此过程中，一方面，学生可以通过设置不同的保护整定值及整定时间，来观察不同整定条件下保护动作情况的变化；另一方面，学生还可以通过改变故障位置及故障类型，来观察不同故障情况下，阶段式电流保护中各元件动作与输出的情况。

图3所示为，母线保护安装处附近，0.1s时发生三相接地故障时，母线处的三相电压发生跌落，三相电流增大为短路电流，阶段式保护中的电流I段在0.203s时动作令断路器跳闸，保护动作时间为103ms。

实践证明，学生能够通过本文中“阶段式电流保护”学习情境，较好的掌握“短路电流分布曲线”、“阶段式电流保护构成”、“阶段式电流保护整定计算”等知识内容。

图3 电流保护仿真系统的电压、电流及出口逻辑值

4 结论

本文在建构主义学习理论指导下，采用Matlab仿真技术，以模块化结构，构建了一种继电保护仿真分析教学系统，结合该系统及建构主义学习的教学方法，完成了“阶段式电流保护”的教学实践。实践证明，该方法在电力系统继电保护情境教学模式中，能发挥学生主观能动性，能激发学生的学习积极性，提高教学质量，满足继电保护教学的需要。

［1］何瑞文，陈少华.关于现代电力系统的继电保护课程教学改革与建设 ［J］. 电气电子教学学报，2004，26（03）：20-21.

［2］张建伟.从传统教学观到建构性教学观—兼论现代教育技术的使命 ［J］.教育理论与实践，2001，（09）.

［3］丁邦平.建构主义科学教育观与学生创新能力的培养［J］.教育研究与实验，2002，（01）.

［4］王晶，翁国庆，张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真及应用 ［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

［5］张水平，周学礼.建构主义学习观在《工厂供电》教学改革中的应用 ［J］.科技广场，2007，（10）：205-206.