智能电网背景下继电保护实验课程体系

杨 军，龚庆武，吕艳萍，丁 涛

(武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072)

智能电网是以物理电网为基础，充分利用先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术、控制技术以及新能源技术，把发、输、配、用各环节互联成一个高度智能化的新型网络［1］。作为电力系统安全稳定第一道防线的继电保护，按传统电网进行设计和配置已经不能适应智能电网的发展要求。因此，作为“电力系统继电保护”课程的重要一环，电力系统继电保护实验课程的教学内容、教学模式及教学方法必须进行改革。

1 继电保护实验课程设计需求

智能电网的一个重要特征是数字化。对继电保护而言，其测量手段的数字化，广泛采用电子式互感器和数字接口。电子式互感器的优点是其采用光电转换原理进行测量，体积小，绝缘性能好。对继电保护而言，其最大的优势是传输频带宽，暂态性能好。它不存在电磁式互感器和电容式电压互感器等传统互感器的测量误差和暂态特性，能很好地将电力系统运行状态信号变到二次侧。另外，电子式互感器采用网络接口，通过网络保护装置和智能断路器连接，大大简化了二次回路接线。

信息传输方式的数字化使传统变电站采用的模拟量电缆传输和状态量电缆传输方式，被以光纤为媒介的网络数字传输所代替，原有的101和103等通讯规约也被IEC61850规约所取代。

因此，为了适应智能电网背景下电力系统继电保护装置的改变［2-4］，电力系统继电保护实验课程也必须在课程体系和考核方式等方面进行相应改革和探索［5-7］。

2 继电保护实验课程体系

继电保护实验课程体系如图1所示。

图1 课程体系图

实验课程主要包括如下教学内容。

1)背景理论介绍

前导课程“电力系统继电保护原理”主要介绍智能变电站基本结构，分析智能电网背景下继电保护配置，重点讲解电子互感器原理、合并单元、IEC61850通讯规约中涉及到的电气量信号传输和开关量信号传输模型。例如，对于规约中最重要的采样值传输模型和GOOSE传输模型，用抓包软件抓取SV报文帧和GOOSE报文帧，结合SV报文格式和GOOSE报文格式加以讲解，对比分析信号实际值和报文值，加深对IEC61850规约的理解。

2)数字仿真试验

我们可以利用电磁暂态仿真软件PSCAD，搭建发电机模块、变压器模块、输电线路模块和继电保护模块的模型，建立电力系统继电保护数字仿真试验平台。在此平台上，进行数字滤波、保护算法和整组实验等实验教学。由于该平台为模块化构建，教师可以根据实际情况灵活选取实验内容，有利于提升学生的创新能力。例如，对于距离保护实验，要求学生搭建网络模型、傅立叶算法模块、测量阻抗计算模块、保护计算逻辑、出口模块和重合闸模块等，实现完整的距离保护动作流程。

3)现场试验视频展示

我们遴选典型的继电保护实验，到变电站现场进行保护实验操作视频录制，制作各种继电保护与安全自动装置变电站现场试验视频，包括继电保护测试仪操作、现场安全生产规程和各种保护装置规范化调试过程等，建立电力系统继电保护现场试验视频展示平台。利用该平台，教师可以让学生了解现场实验过程及安全要求，提高实验课程的真实度。例如，在做过电流保护实验之前，播放现场人员做过电流保护的视频，然后让学生自己做过电流保护实验，体会自己操作跟现场人员操作的区别，有助于加深学生对实验的理解。

4)虚拟现实三维仿真试验

我们利用计算机虚拟现实技术，引入继电保护与安全自动装置测试模型，构建电力系统继电保护虚拟现实三维仿真试验平台。基于该平台，教师可以让学生在计算机上体验现场进行各种继电保护装置实验的过程，解析自己实验过程中的每一个步骤，激发学生兴趣，提升实验水平。例如，在虚拟现实三维仿真试验平台上进行重合闸实验时，学生像玩三维游戏一样，运用鼠标进入三维立体仿真空间，一步步设置定值和故障等内容。任何一个步骤发生错误将会得到系统的自动提示和纠正，大大提升学生的学习热情。

5)动态模拟实验

我们在动模实验室中利用实际发电机、变压器、输电线路、负载、电子互感器、数字式继电保护装置以及网络报文分析仪，建立继电保护动态模拟实验平台。基于该平台，开放电流保护、距离保护和纵联保护等典型保护实验，提高学生实际动手能力。

3 继电保护实验课程教学方式

继电保护实验课程教学采用如图1所示的多维立体化和闭环反馈化的教学方式。

1)多维立体化

教师利用视频展示、数字仿真、虚拟现实三维仿真和现场实验等多种维度于一体开展实验教学。立体化展示实验内容，有利于深化学生对实验内容的感性理解。通过二维到三维和虚拟到实际等多种实验手段，学生将熟练掌握各种实验内容。

2)闭环反馈化

该实验课程提供了多种实验效果反馈手段，学生可以根据反馈结果反思并改进实验过程，形成闭环教学模式。例如，在数字仿真实验中，PSCAD软件平台可以随时反馈实验过程中出现的问题。学生如果在虚拟现实三维仿真实验中进行了错误操作，仿真平台将马上报错并提示正确操作步骤。因此，这些闭环反馈大大提升学生学习效率，无须教师干预，为提高学生的自学能力提供保障。

4 继电保护实验课程考核方法

本课程为专业课的实验课程，包括理论和实际操作等方面，其考试方式采用闭卷、实验报告和实际操作等综合考核模式。以下是评分要求:

(1)了解智能变电站构成，清楚理解智能继电保护装置与传统继电保护装置的区别，掌握IEC61850通讯规约。

(2)熟练掌握电力系统继电保护主要保护的实验过程，包括实验准备、仿真工具、数据处理和结果分析等内容。

(3)能够独立完成电力系统继电保护的动态模拟实验操作(电流保护、距离保护或纵联保护中完成一个即可)。

(4)学生应具备独立解决实验过程中出现问题的能力。

5 结语

电力系统继电保护技术是电网运行控制的核心，对于电网安全稳定运行具有重要意义。随着智能电网的出现，传统电力系统继电保护装置发生了重大变化，因此继电保护实验课程也必须革新以适应智能电网发展的需要。本文分析了智能电网背景下电力系统继电保护实验课程的改革需求，构建了新的电力系统继电保护实验课程体系和教学内容，提出了多维立体化、闭环反馈化的实验课教学模式，介绍了继电保护实验课程考核方法和标准。该实验课程的改革是对于视频展示、三维虚拟现实仿真、数字仿真、课堂指导、实验操作等多种手段相融合的综合实验教学新思路的积极探索，能够实现课堂教学、仿真实验和物理实验之间的无缝连接，有利于进一步提高电力系统继电保护实验课程教学质量，对于“电力系统继电保护”等电力系统主干课程的教学工作发挥了促进作用。

［1］ 何大愚 .关于未来智能电网的特征［J］.北京:中国电力，2012，2:55-58.

［2］ 王思华，赵峰.综合自动化背景下的继电保护课程教学改革研究［J］.北京:中国电力教育，2012，3:90-92.

［3］ 唐国雄.关于“电力系统继电保护”课程教学改革的思考［J］.北京:中国电力教育，2011，12:175-176.

［4］ 申惠琪，朱永强.“新能源与分布式发电技术”课程的教材建设［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(5):118-120.

［5］ 肖仕武，刘建辉，王增平.基于PSCAD软件平台的电力继电保护实验［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(5):81-83.

［6］ 曾洪涛，曹禹，曾兵，郭江.基于虚拟现实技术的水电厂检修教学平台［J］.南京:电气电子教学学报，2009，31(4):73-75.

［7］ 贺利.应用实例提高“电工电子学”课程的教学效果［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(5):106-108.