基于PSCAD中C语言自定义元件的继电保护案例交互式教学研究

刘益青，李 星，赵义术，潘志远，徐明阳，于春光

（1.济南大学，山东 济南 250022；2.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

0 引言

“电力系统继电保护”系列课程由“继电保护原理”“微机保护”和“继电保护课程设计”组成，教学内容既包括保护原理和整定计算，又涉及保护实现技术和调试等实践环节［1］。由于理论知识抽象、实践技巧多，仅通过讲授学生难以系统掌握，因此亟待开展继电保护课程教学方法的研究［2-3］。

为提升理论学习效果，实验教学是不可或缺的必要手段［4］。传统的继电保护实验教学，建设投资大、升级换代慢［5］。文献［6］提出了半实物仿真教学的方法，一定程度上解决了传统实验教学需要完备物理实验平台的弊端，但是该方法也只适用于验证性实验［7］，难以实施学生深度参与的二次开发实践教学。为摆脱硬件升级的困扰，并增强实验教学的灵活性，有研究提出了基于数字仿真软件的实践教学方法［8］。相比物理实验平台，数字仿真在经济性和灵活性上具有较大优势。MATLAB［9-10］、ATP/EMTP［11-12］、RTDS［13］、PSCAD 等常见仿真软件均已有应用。其中，PSCAD具有简洁、直观的可视化界面和完善的元件库，并提供了灵活的自定义元件支持二次开发，最适合用于继电保护实验教学［14］。目前基于PSCAD的辅助教学手段普遍局限于仿真一次系统的故障情况［15］，至多是通过PSCAD自带的元件库实现简单保护原理［16］，实验教学以验证性为主，学生参与度不高，未能发挥数字仿真的灵活性、交互式优势。可见，当前仍存在案例式教学手段不足，难以充分激发学生探究性学习热情等问题。

本文提出了基于PSCAD软件的案例交互式继电保护教学模式。学生通过PSCAD的C语言自定义元件编制保护软件，深度参与到案例交互式学习过程中，并通过学习效果的反馈，形成闭环。通过实施案例交互式教学模式，能够使学生深入掌握继电保护理论和实现技术，激发学生的创新积极性，提高综合创新能力，为学生将来研究和开发实际保护装置打下基础。

1 案例交互式教学平台及教学方案

案例交互式教学以“学生中心、成果导向、持续改进”的工程教育认证理念为指导，以提高学生的创新能力为目标，解决继电保护教学与工程实践脱节的弊端，提供有挑战度的实践训练环节，调动学生学习积极性。案例交互式教学研究包括教学平台开发和教学方案设计两方面。

1.1 案例交互式教学平台开发

以PSCAD仿真软件中的C语言自定义元件为核心，开发了纯软件环境下的案例交互式教学平台。该教学平台采用分层模块化设计，使不同功能模块之间相互独立，便于维护。案例交互式教学平台的架构如图1所示，图中同时给出了传统的验证式教学平台作为对比。

图1 案例交互式教学平台的架构

案例交互式教学平台由一次系统仿真模型、故障控制、电气量采集与记录和继电保护实现模块四部分构成。“一次系统仿真模型”部分由输电线路、变压器、等值电源和断路器等电网元件组成，用于提供故障仿真数据。“故障控制”部分用于设置一次系统中的故障位置、故障类型和过渡电阻等。“电气量采集与记录”部分利用互感器获取故障电流、电压的二次值，并记录至COMTRADE录波器中。“继电保护实现模块”是核心环节，该模块目前有两类实现方案，其中，方案B已用于传统验证式教学，仅让学生利用PSCAD提供的黑盒继电保护元件搭建保护功能模块，实现保护功能；方案A为本文提出的案例交互式教学方案，要求学生通过自主编制C语言自定义元件实现保护功能。相比于现有方案B，新方案A能够提高学生编程能力并使其掌握继电保护功能实现的底层逻辑，有利于学生获取继电保护开发经验。

1.2 案例交互式教学方案设计

利用案例交互式教学平台，本文开展了以提升学生自主创新能力为核心的教学改革。教学方案设计如图2所示，其中案例交互式教学方案如图2（a）所示，该方案突出案例教学，加大交互式教学比重，以达到学生深度参与的目的，使学生对继电保护的学习深入至技术开发层面。在所设计的案例交互式教学方案中，教师的角色由验证式教学方案中的主导地位变为指导学生自主学习并实施评判的辅助地位。案例交互式教学方案包括3个步骤。

图2 教学方案设计

1）学生在教师的指导下确定实践目标，熟悉案例交互式教学平台，设计继电保护功能。通过师生交互解决继电保护功能设计中的问题。

2）基于PSCAD仿真软件的自定义元件，学生自主编制、调试C程序以实现所设计的保护功能。在调试过程中，教师针对学生出现的编译错误给出调试建议。在实施中通过分组，锻炼学生的协作能力。

3）教师实施过程评价及综合评价。过程评价包括模型调试评价、C语言自定义元件调试评价和保护功能测试效果评价。综合评价包括实践报告评价及答辩效果评价。

验证式教学方案如图2（b）所示，与图1中的方案B相对应。学生调用PSCAD提供的继电保护仿真案例，运行并记录案例运行结果，验证继电保护原理。可见，传统验证式教学方案，仅以学生理解继电保护理论知识为目标，通过调用现有仿真案例验证所学理论知识。

综上所述，案例交互式教学方案改革了继电保护课程教学方法，通过自主编制C语言自定义元件实现继电保护功能，提高了学生的编程能力；通过实施与实际工程开发保护装置类似的教学步骤，提高学生开发实际保护装置的能力，使学生深入掌握继电保护的实现技术。实现了由“教师主导、学生被动”到“学生主导、教师辅助”的转变，在提高学生参与度方面有较大突破。在自主设计实践方案、搭建模型、编制C程序、撰写实践报告和编制答辨PPT等过程中都体现了学生主导的模式。

2 以距离保护为例的案例交互式教学示例

以继电保护学习中的难点“距离保护原理及实现”为例，阐述基于案例交互式教学平台的教学方案设计。

2.1 学生任务设计

距离保护原理复杂、涉及因素多，知识点联系广泛，一直是继电保护教学的难点。距离保护的教学目标是使学生深刻理解距离保护原理，熟练掌握阻抗计算和逻辑判断，但传统的验证式教学方案难以实现此目标。

距离保护由启动、选相、相量及阻抗计算、逻辑判断和延时配合等部分组成，距离保护实现流程如图3所示。考虑编程实现难度和知识点重要程度，图3中虚线框内部分由学生自主设计和编程实现，其余部分由教学平台提供。

图3 教学示例中的距离保护实现流程

在传统的验证式教学方案中，图3中虚线框内部分均通过PSCAD继电保护元件库中的元件实现，包括“FFT相量计算元件”“单相阻抗元件”“相间阻抗元件”和“欧姆圆元件”等。但是这些经过封装的元件，对学生学习而言相当于一个黑匣子，其实现功能的内部结构无法展现，难以激发学生的学习兴趣。而且使用经封装的元件进行实验不涉及继电保护实现技术的知识，不利于学生深入了解距离保护实现技术、提高其编程开发能力。

在案例交互式的教学方案中，学生利用C语言自主设计和编程实现图3中虚线框部分。现场运行的继电保护软件大多用C语言编制，所以为了与工程实践中的保护装置保持一致，采用C语言而不采用PSCAD内核程序使用的FORTRAN语言，这有助于学生更好地掌握工程实践中继电保护的软件架构和算法实现。

综上所述，在案例交互式教学方案中学生任务可概括为：将互感器采集的输电线路电压、电流输入至自定义元件中；编写实现阻抗测量、逻辑配合功能的C语言程序并嵌入自定义元件；输出三段式距离保护动作信号以控制断路器跳闸。此过程与实际保护装置的工作过程完全一致。

2.2 PSCAD中C语言自定义元件的使用

实施案例交互式教学方案的关键是在PSCAD中嵌入学生编写的C语言程序。PSCAD提供了自定义元件，用户可以自行编制C语言代码以实现特定的功能，自定义元件的输入和输出可以直接连接到PSCAD的一次模型中。借助该自定义元件可以实现本文提出的案例交互式教学。

将C代码文件嵌入到PSCAD自定义元件中包括3个关键步骤。首先，创建1个自定义元件并命名。其次，使用PSCAD的Fortran接口函数调用C语言程序，实现C程序文件与PSCAD内核程序之间的数据交换。最后，通过在PSCAD的“Project settings”菜单中“Fortran”属性页，添加被调用C程序文件的相对路径，使用相对路径可解决绝对路径引用导致的跨目录调用编译不通过的问题。通过以上步骤创建“测量阻抗计算”和“故障区域判断逻辑”2个自定义元件。

通过C语言自定义元件完成的编程、调试、修改错误、再改进这一系列过程类似于继电保护装置的开发，提高了学生的参与度，有助于学生更好地掌握工程实践中继电保护的软件架构和算法实现。利用C语言文件实现保护功能，使保护算法实现过程透明，有利于开展二次开发实践教学。在PSCAD自定义元件中嵌入不同的算法可实现不同的保护功能，能发挥数字仿真灵活性的优势。

3 案例交互式教学成效

以距离保护为例实施案例交互式教学，取得了较好的教学效果。在教学过程中，学生通过编写实现相量计算、阻抗测量、保护逻辑判断及延时配合等功能的C语言程序，不但深刻理解了三段式距离保护的原理和整定，掌握了距离保护的实现技术，还锻炼了编程能力、分析问题能力及分析判断各种故障仿真图的思维能力。跟踪实施案例交互式教学的学生后续环节的学习情况，访谈了毕业设计为继电保护题目的学生，普遍反馈完成较顺利；访谈了就业去向为继电保护制造企业的学生，由于熟悉了继电保护的软件结构和算法原理，能较快胜任继电保护装置的研发工作。可见，案例交互式教学方案设计合理，可有效提升继电保护的实践教学效果。

4 结语

利用PSCAD辅助继电保护的实践教学，有经济性和安全性优势，可作为继电保护物理实验的有效补充和拓展。本文提出的基于C语言自定义元件的案例交互式教学方案，由学生自主设计和调试继电保护实现软件，直观展示设计成果，学习效果提升显著，对于激发学习热情、深入掌握继电保护的实现技术、提高C语言编程能力、积累开发经验等方面均起到了积极作用，并且提高了学生观察仿真结果、分析问题和解决问题的能力，该方案除用于辅助继电保护的理论教学外，还可应用到继电保护相关的课程设计、毕业设计等环节中，全面提升实践教学效果。