电力系统继电保护教学研究与实践

王晓刚 张杰 黄汉奇 孟晓波

摘  要：针对电力系统继电保护课程的特点，开展教学研究与实践，从线上线下混合教学、启发式教学、开放式实验和虚拟仿真实验4个方面对教学方法与手段进行介绍。上述教学方法与手段激发学生的学习兴趣，提高学生的理论掌握程度，也使工程实践能力得到显著提升。

关键词：电力系统继电保护;在线开放课程;启发式教学;开放式实验;虚拟仿真实验

中图分类号：G642      文献标志码：A         文章编号：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

電力系统继电保护是电气工程及其自动化专业的主要专业课程之一。电力系统继电保护技术是电力系统安全运行的保障，在现代电力系统中占据十分重要的地位。本课程主要学习电力系统继电保护的基本知识，课程内容包括输电线路、变压器、发电机、母线等电力元件和设备的电流保护、距离保护、差动保护的基本原理和整定计算原则，自动重合闸的原理，微机继电保护的软件硬件组成和基本原理等。学习好本课程，能够培养学生分析和解决电力工程中有关问题的能力，为从事继电保护相关领域工作打下理论及实践基础。

各高校对电力系统继电保护课程的教学手段和方法作出了研究和探索。孙抗等[1]提出基于成果导向的教学模式，根据工程教育认证的毕业要求，建立教学目标，从课堂理论教学、作业、实验三个方面基于成果导向进行教学设计。罗继东等[2]将CDIO工程教育理念应用于继电保护课程教学，构建了人才培养新模式。汤亚芳等[3] 建设了适合于学生自学的电力系统继电保护系列微课程视频，利用该微课视频开展以学生为中心的翻转课堂教学方式。罗媚媚等[4]利用电网实训平台和实践教学基地，开展基于校企联合培养的继电保护原理课程教学改革。宋彬彬等[5]在教学中使用微课和Matlab/Simulink仿真，探索了面向卓越工程人才培养的继电保护教学方法。

广州大学正在向高水平大学迈进，越来越注重学生的培养质量。本文介绍广州大学电力系统继电保护课程理论与实践并重的教学改革措施。

一、电力系统继电保护课程的特点

电力系统继电保护课程有两大特点：1. 理论性强，是一门综合性课程。涉及电力系统短路计算、电力系统稳定、电路原理、电机学和数字信号处理等多门课程的知识。例如学习零序电流保护时，要求学生熟悉电力系统分析中学过的序分量的概念，并会用序网络计算短路电流。在学习距离保护的振荡闭锁时，要求掌握振荡的概念和振荡发生时的现象，以及振荡和故障的区别。在学习发电机保护时，更是要求学生对发电机的结构和工作原理有深入的理解。2. 实践性强。学习各种继电保护原理的最终目的是为了工程应用，这就要求学生不仅要掌握保护原理，还要熟悉实现各种保护的硬件和软件。硬件包括一次和二次回路中的断路器、各种继电器、电压电流互感器等，软件包括A/D转换、数字滤波、特征量算法、动作判据算法等。

因为具备以上两个特点，所以电力系统继电保护课程的学习难度比较大。教师往往在有限的课堂教学时间中把大部分精力花在各种继电保护原理的讲解上，而学生的基础参差不齐，理论教学效果不好。另外，学生虽然掌握了继电保护原理，但实验时看不懂二次回路接线图和工作原理，理论教学和实践教学脱节。开展电力系统继电保护课程的教学研究与实践是一项迫在眉睫的工作。

二、课程教学研究与实践

（一）线上线下混合教学

2015年4月，教育部出台了《关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》，各高校纷纷响应，以立项的方式建设了一大批在线开放课程。在线开放课程拓展了教学时空，增强了教学吸引力，激发了学习者的学习积极性和自主性，扩大了优质教育资源受益面，促进教学内容、方法、模式和教学管理体制机制的改革[6-9]。

我们组建了电力系统继电保护在线开放课程教学团队，并于2017年获得学校在线开放课程立项。目前已完成教学网站的建设，设有“课程信息”“课程内容”和“讨论交流”三大模块。“课程信息”模块介绍课程的基本情况，包括教师团队、课程大纲、考核标准和课程公告等。“课程内容”是核心模块，按照课程章节和知识点划分，每小节（知识点）包含教学视频、教学课件、客观练习题、主观练习题、例题讲解等;此外还有测验与作业和线下考试等功能。“讨论交流”模块中按章划分出若干个讨论版，学生针对学习中的疑问发帖提问，教师和其他学生均可以回帖，针对问题展开讨论，为师生提供了协同互动的交流平台。

课程上线运行后，我们设计了线上线下混合教学的模式，包括课前、课堂和课后3个教学环节。1. 课前环节。要求学生在线上通过观看教学视频和做测验掌握知识点，相当于把一部分传统课堂的教学活动前移。2. 课堂环节。由于学生已经在进入课堂前掌握了教学知识点，课堂中仅对重点和难点做再次讲解。剩余的课堂时间用于完成课堂小组讨论、小测验、继电保护工程案例分析和虚拟仿真演示等教学活动，达到巩固基础知识并灵活应用的目的。3. 课后环节。为了检验学习效果，学生课后在线上完成小测验。教师根据学生测验结果和课堂讨论的表现给出该次课的成绩。混合式教学模式如图1所示。

（二）启发式教学

线上教学中，在每节课结束时将本次课的内容加以总结，并针对下次课程内容与本次上课内容的不同进行提问，指出本次上课所提出的继电保护方法的不足，以及针对该不足如何进行改进。这样让学生心存疑问，促使其继续下一部分的学习。例如学习电流保护这一部分时，首先讲解单电源辐射网络的Ⅰ段保护（电流速断保护），然后提出在本线路末段发生故障该怎么办？从而引出Ⅱ段保护（限时电流速断保护）。而如果故障发生在相邻线路首端以外，且相邻线路断路器又拒绝跳闸，那么仅通过前面的保护方法无法进行有效保护又怎么办？这样引入了Ⅲ保护（定时限过流保护）。然后再提出如果是双侧电源网络该如何？这样又引入了方向性保护的知识点。通过这样的启发让学生对电流保护进行逐步深入的学习，从而掌握电流保护相关知识。

图1 混合式教学模式

（三）开放式实验项目

实验是电力系统继电保护课程的重要环节。目前许多高校采用厂家生产的成套设备开展微机继电保护实验教学，设备存在封闭性，对继电保护原理的模拟过于“实验室化”。实验时学生完成简单接线后观察实验现象，对保护原理的理解不透彻，降低了学生的实验兴趣，教师对学生实验成绩的评定也难以做到客观。为此，我们对实验室现有的微机保护装置进行了改造，开发了三段式电流保护开放式实验，并获得学校的示范性实验项目立项。

整个实验系统由教师工作站、继电保护测试仪、微机继电保护装置（自主设计，用嵌入式单片机开发）、模拟断路器、通信模块、学生计算机和单片机下载器组成。整个实验分为三个步骤：1. 实验准备阶段。实验课前须完成预习报告。上课后，学生实验小组在理解微机保护实验原理的基础上，根据教师描述的实验模拟线路的故障特征和参数，在微机继电保护装置上编写数据采集和三段式电流保护算法的程序。2. 正式实验阶段。学生实验小组对微机继电保护装置进行自检操作，包括硬件连接和软件测试，确保装置可以完成实验功能。若自检存在问题，则检查排除;若自检无误，继保装置单元就通过以太网向教师工作站发送“READY”就绪信号，表示装置已经成功完成自检，可以进行下一步实验。教师确认收到“READY”信号后，通过教师工作站操纵继电保护测试仪发出故障电压电流信号，该故障信号持续一定时间T1（根据故障类型和继电保护测试仪输出特性综合设置）。然后，微机继电保护装置实时测量故障信号，识别故障后，发送相应动作控制指令至模拟断路器，并且将实验测量结果和动作结果通过以太网上报给教师工作站。教师工作站接收到实验数据后，进行数据展示，并展开实验评价。实验小组得到实验成绩P1，这是由保护动作的正确性、保护动作的快速性和故障测量的准确性三个方面确定的。3. 实验分析与总结阶段。学生实验小组根据实验过程完成实验报告。教师根据预习报告、实验操作情况和实验报告确定成绩P2。根据实验成绩P1和P2得到总成绩P。

该实验系统有以下优点：1. 将电力系统现场常用的微机继电保护装置和模拟断路器应用于实验教学，实验操作更接近工程实际;2. 实验具有开放性，自主设计的微机继电保护装置将硬件和软件向学生开放，能够加深学生对保护原理的理解，将课堂所学的抽象知识转化为具体实践，激发学生的主动性和创造性;3. 一台继电保护测试仪可以向多台微机继电保护装置发送电压电流故障信号，节省传统多台成套实验设备的投资。

开放性实验项目颠覆了继电保护实验教学的思路，大大提升了学生的兴趣，学生实验热情高涨，教学效果十分突出。在三段式电流保护开放式实验项目开发的基础上，我们总结出开放式实验的教学模式，如图2所示。

（四）虚拟仿真实验

虽然上述开放性实验在一定程度上弥补了传统电力系统继电保护实验教学的不足，但是开发一个实验项目需要较高的成本，难以覆盖全部实验项目。虚拟仿真实验弥补了这方面的不足[10]。广州大学与上海静一信息科技有限公司合作，将虚拟仿真实验资源引入实验教学，能够更为紧密地将理论知识衔接起来。虚拟仿真平台包括一个足以支撑继电保护实验所需要的各种一次元器件和二次元器件，能够在平台上非常自由地使用这些元器件搭建各种继电保护的一次回路和二次回路，完成各种电力系统的继电保护实验。以“三相一次自动重合闸”为例，虚拟仿真环境如图3所示。

除了基本的继电器原理实验、三段式电流保护实验、距离保护实验、纵联保护实验、自动重合闸实验之外，还开发了物理平台无法完成的较复杂电力系统继电保护实验：110 kV多母线辐射型电力系统虚拟仿真实验。该实验结合工程教育理念，以成果为导向，开展案例式教学。该虚拟仿真实验可作为课内综合性实验，也可作为课程的大作业。教师将学生分成小组，组员分工明确，自行查阅文献、计算各整定值、设计实验方案、完成实验操作、撰写报告。最后教师点评实验并指导学生开展小组讨论。

虚拟仿真实验是传统教学手段的重要延伸与拓展，学生可以随时随地进行在线实验，克服了固定时间地点开展实验的困难。虚拟仿真实验具有线上线下融合式学习的内涵，大幅度提升学生对继电保护原理的理解和掌握程度，提高了学生学习的兴趣。

三、结束语

电力系统继电保护课程的特点使教育改革势在必行，广州大学在线上线下混合教学、启发式教学、开放式实验和虚拟仿真实验等方面开展了教学研究与实践。结果表明，这些教学方法和手段使学生在教学过程中占据主导地位，成为学习的主人，学习兴趣得到很大的提高。学习过程中理论和实践并重，学生解决继电保护工程实践问题的能力大大增强。改革措施符合新工科建设和工程教育认证理念。

参考文献：

[1]孙抗，杜少通，李晓明，等.基于成果导向的继电保护课程教学[J].高教学刊，2019（19）：92-94.

[2]罗继东，王宪磊，刘媛杰.CDIO工程教育理念在“电力系统继电保护”课程中的应用[J].江苏科技信息，2019（32）：78-80.

[3]湯亚芳.基于微课的《继电保护原理》课程翻转课堂的建设与实施[J].教育教学论坛，2018（29）：143-144.

[4]罗媚媚，王晓芳，刘白杨.基于校企联合培养模式下“继电保护原理”课程教学改革[J].教育现代化，2017，4（46）：79-80.

[5]宋彬彬，杨红静，摄小雪，等.面向卓越工程人才培养的继电保护教学方法探索[J].教育现代化，2018，5（45）：18-19.

[6]孙立功，周立鹏，栗素娟.基于在线开放课程的电工学混合课堂教学模式改革[J].教育教学论坛，2018（44）：121-122.

[7]陈颖，屈紫懿，鲁冠军.基于在线开放课程的混合式教学模式探索[J].重庆电力高等专科学校学报，2019，24（4）：40-42.

[8]王竹立.在线开放课程：内涵、模式、设计与建设[J].远程教育杂志，2018，36（4）：69-78.

[9]徐鹤.在线开放课程建设方案研究[J].高教学刊，2016（5）：109-110.

[10]赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：90-93.