学生可自主构建的全景继电保护教学系统

张紫凡，王智东,2，徐江元，王 玕，陈志峰，张 哲，陈瑞源

（1. 华南理工大学 广州学院 电气工程学院，广东 广州 510800；2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；3. 广东中烟工业有限责任公司韶关卷烟厂，广东 韶关 521026；4. 华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642）

电力系统继电保护由于涉及电力系统故障分析、电路理论、网络拓扑等丰富内容，是一门难于掌握的课程[1-2]，尤其像三段式过电流保护、距离保护等基础内容较为抽象、知识点关联性多，本科生的电力系统继电保护知识学习往往流于表面，难以深入、系统地掌握继电保护知识的要点[3-4]。

目前的电力系统继电保护实验主要采用以硬件实验装置为主或以电力系统仿真软件为主两种方式[5-6]。以硬件实验装置为主的本科实验具有具体形象的优点，但实验设备功能通常是固定的，难以通过灵活调整实验设备的参数，灵活实现电力系统在各种不同运行条件下和差别各异的运行环境中工作。以MATLAB、PSCAD 等仿真软件为主的继电保护实验方法，能够直观、灵活地设置电力系统继电保护的运行情况，但对于初学者来说，除了直观性稍差外，掌握这些软件需要有一个渐进的学习过程，在本科电力系统课程有限的课时学习中，难以广泛应用。

1 全景继电保护教学系统

考虑硬件实验装置的直观性和电力软件的灵活性等优点，本文结合继电保护课程特点，构建以PSCAD仿真软件为平台基础、硬件实验装置为补充的全景继电保护教学系统[7-8]。

全景继电保护教学系统以搭建本科教学知识点的电力系统继电保护基础库为技术基础，将继电保护课程内容、知识点以可视化、直观化、灵活化的方式呈现在仿真平台上[9-10]。全景继电保护教学系统配备丰富的继电保护仿真案例，可为继电保护课程教学以及学生创新竞赛提供服务。

全景继电保护教学系统采用分层设计思路，由基础层、中间层、平台层和应用层四部分组成，如图1所示。基础层以PSCAD 电力仿真软件为核心，同时包含硬件继电保护实验装置，充分利用现有硬件继电保护实验装置的直观性优点，降低初学者学习难度，同时可以与软件仿真实验结果做比较，以互补性方式丰富教学效果。

图1 全景继电保护教学系统构建

中间层完成搭建本科教学知识点的电力系统继电保护基础库的功能，以直观、生动、可调的电力系统全景平台结合继电保护仿真案例作为平台层[11-12]。综合基础层、中间层以及平台层构成全景式继电保护教学系统的硬件以及软件基础，在面向所有学生的基本继电保护课程教学的同时，能够支持学有余力的学生参与本科科研和课外创新竞赛，从而达到适应基础学习以及进阶学习的目的，适用于不同学习能力的学生使用[13]。

全景继电保护教学系统的平台层中，电力系统继电保护仿真模型的一次以及二次系统中的各个元件都是可见、可调的。在平台层中配备有丰富的与课程知识点结合的继电保护教学案例可供学生调用，主要包括三段式过电流保护案例、距离保护案例、纵联保护案例、主设备（发电机、变压器、母线）保护案例、重合闸与继电保护配合案例。

在应用层，一方面通过调用现有的仿真案例，全景继电保护教学平台可以为面向所有学生的基本课程教学提供服务；另一方面，全景继电保护教学平台以灵活的操作界面以及可调用的元件库，为学有余力的学生的科研以及创新竞赛提供有力支持。

2 全景课程的设计

本文提出的全景继电保护教学系统，首先满足继电保护基础教学内容，以验证性继电保护仿真实验为主体；接着开放了探索性继电保护仿真实验，供学生进一步进阶提高，实现从简单到复杂逐步深化学习的过程。

2.1 验证性继电保护仿真实验设计

在以继电保护知识学习为目的的实验课程设计中，以仿真案例为基础，促使学生以专业知识作为理论依据来开展实验步骤以及分析仿真结果。以理论指导实验，再以实验结果验证理论知识，形成闭环的学习过程，以达到更好的教学效果。

学生开展实验的第一个步骤是调用平台层的继电保护教学案例，获得所需要的继电保护仿真模型。继而分析仿真案例的一次以及二次系统结构，根据整定原则计算并设置继电保护设备的参数，完成仿真模型的整定配置。

第二个步骤是设计不同的仿真条件，如不同的故障位置、故障类型、故障时间以及不同的系统运行方式等条件，并在各个仿真条件下，进行仿真计算。

第三个步骤是观察实验现象，并对仿真结果进行理论分析。若得到的实验结果与第一步中的整定计算相一致，则完成实验；若不一致，则说明某实验环节有问题。促使学生自主运用理论知识来分析原因并解决问题，如问题得不到有效解决，则辅以教师指导来更正错误环节，并完成实验。仿真实验流程如图2所示。

实验流程设计始终以理论知识的学习与应用为基础，以学生自主解决问题为导向，以教师指导为辅助，以期在达成良好教学效果的同时，培养学生的独立思考能力。

2.2 探索性继电保护仿真实验设计

学生可自主构建的全景继电保护教学系统在提供辅助教学功能的基础上，还可为继电保护的探索性研究提供一个良好的实验平台，使学有余力的学生有进一步的探索空间。

该系统支持与继电保护相关的多种类型的探索性研究，如继电保护设备的优化设计、不同应用场景下继电保护功能的研究、分布式能源接入对继电保护的影响分析、继电保护装置误动作原因分析等多个方面。

第一个步骤是根据研究目标自主设计所需要的实验模型，包括选定继电保护类型、设计一次系统拓扑图、设计二次系统结构及功能、设计仿真条件、对所需要的实验数据做初步的预计。

第二个步骤是根据模型设计在仿真平台建立实验模型。在模型的建立过程中，可在全景继电保护教学系统自带的元件库中调用元件模型。如果元件库中没有需要的元件模型，则可应用FORTRAN 编译语言在仿真平台自主创建所需的元件模型。新模型创建后可保存在元件库中，方便下次调用。

第三个步骤是自主设计仿真条件并运行模型，运行成功则可得到所需要的实验数据，运行不成功则需要经过自主思考或者教师指导更正模型。仿真实验流程如图3 所示。

在探索性继电保护实验的设计中，在确保实验可操作的前提下，赋予了学生在实验过程中充分的自由度。学生的自主性体现在实验模型设计环节、元件模型创建环节、模型搭建环节、仿真条件设计环节，以及遇到问题的自主思考环节，贯穿于整个实验流程中。

图2 验证性继电保护仿真实验流程图

图3 探索性继电保护仿真实验流程图

3 全景继电保护教学系统的元件库

在全景继电保护教学系统中，学生可以在实验平台的元件库中选择系统元件来构建继电保护仿真实验模型。元件库作为全景继电保护教学系统的基础，主要包括电力系统元件库和继电保护元件库，在涵盖电力系统主要的一次元件以及二次元件的基础上，还具备较强的拓展性，在继电保护教学过程中可不断添加新的元件模型。

3.1 电力系统元件库

一次系统元件库如图4 所示。系统元件库的结构根据实际电力系统结构，由电源、输配电系统以及负荷三部分组成。

元件库的电源部分包括火电厂、水电厂、系统等效电源等主要的电源类型。在此基础上，充分考虑新能源的发展趋势，引入了风电场、光伏发电等清洁电源的发电元件模型。

输配电系统以线路、开关、变压器为主要内容。为充分考虑仿真实验的针对性、仿真研究的侧重性、元件选择的灵活性，线路模型配备了分布参数的架空线元件、电缆线路元件、集中参数的派型等值线路元件。变压器的元件类型有三相变压器、单相变压器、三绕组以及双绕组变压器、自耦变压器。为贴近实际变压器的运行特点，可通过设置变压器的参数观察励磁涌流现象。

负荷部分主要包括系统等值负载、电动机类旋转负载以及可控负载三种类型。通过对负荷类型的选择可分别模拟不同的仿真场景。

图4 一次系统元件库

图5 二次系统元件库

3.2 二次系统元件库

作为电力系统继电保护仿真实验的核心元件，继电器、测量元件以及信号处理等元件组成的保护元件库如图5 所示。继电器元件涵盖多种继电器类型，包括过电流继电器、阻抗继电器、功率方向继电器、比率差动继电器、反时限过电流继电器、时间继电器，保证了继电保护实验的多样性以及灵活性。

继电器并不能直接从一次系统中得到所需的信号，需要电流互感器、电压互感器以及包括电流表、电压表、功率表、频率表、万用表等多种类型的测量仪表，为不同类型的继电器提供所需的输入信号。对于阻抗继电器则需要将测量得到的电压与电流信号进行进一步的运算，将其转化为阻抗信号。因此在二次系统元件中还需要信号处理元件，如相序转换器、快速傅里叶变换、接地以及相间阻抗计算元件，可实现多种信号处理的功能。

此外，逻辑运算元件包括典型的与门、或门、非门、移位寄存器以及JK 触发器，基本满足了继电保护装置中逻辑运算的需求。

4 学生自主构建探索性继电保护案例

学生在电力系统理论知识学习的基础上，可自主构建对应的电力系统模型，并观察现象、分析原因。学生在开拓性仿真实验中，既能调用平台所提供的现有模型和案例进行改造设计及进一步的功能开发，又可以根据需求自主设计并构建模型。

全景继电保护教学系统中输电线路距离保护仿真模型如图6 所示，包括两个建模区域以及为建模工作提供服务的“功能区”和“信息区”。建模区域分别为“一次系统及信号输出”和“二次系统及信号输出”，功能区中的“继电保护案例库”和“元件库”可实现系统自备教学案例及设备模型调用，“自主创建元件”可根据建模需求自主创建封装元件。学生通过“仿真时长设置”，可根据实验需求自主决定仿真时长及仿真计算精度。信息区中的“模型运行信息”和“信号节点查找”可协助学生在建模过程中查找并改正模型错误。

以双侧电源高压输电线路的距离保护为例，该模型中一次系统部分中的主要元件有系统电源、输电线路、断路器、测量仪表等元件，二次系统中主要元件为两个自定义的封装元件，实现了信号转换功能、测量阻抗计算、故障区域判断以及断路器控制信号输出功能。模型中的网络拓扑结构及其一次元件和二次元件的参数均可由学生自主设置，极大地增加了仿真实验的开放性。

在实验中，学生首先要根据研究目标并参考实际电网自主设计系统结构及参数，如电压等级选择、主电路拓扑结构设计、线路长度、负荷类型等，然后根据课题需要设计并建立二次系统结构，进行整定计算并设置二次系统参数，如继电器的保护范围、动作值、动作延时等。在模型搭建完成后，可根据课题需要设置实验条件进行仿真研究。

图6 全景继电保护教学系统中输电线路距离保护仿真模型图

5 结语

本文针对继电保护课程较抽象、难理解等特点，提出一种以电力系统专业仿真软件PSCAD 为基础的、可自主构建的全景继电保护教学系统。在实验环节的设计方面，始终以学生为教学活动的主体，鼓励学生独立思考解决问题，培养学生的工程思维能力。在全景继电保护教学系统设计上，针对操作平台、教学案例、元件库等多个方面的设计都遵循灵活、开放的原则，以增强学生的自主操作性为目的。

通过仿真平台的软硬件建设，实现继电保护经典仿真案例的构建，以满足基础教学的需要，同时设计推出了拓展性实验的仿真案例以及实验流程，为学有余力的学生发展专业的科研能力提供有力支持。全景式继电保护教学系统可在满足不同层次学生的学习需求的同时，有效地提高教学效率。