电力系统继电保护线上线下实验教学探索

邓 妍， 邰能灵， 胡 炎， 许少伦， 秦雷鸣， 户传立

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.西门子电力自动化有限公司，南京 211100）

0 引 言

继电保护实验教学是电力系统专业教学的重要组成部分，其效果直接影响到学生对理论知识的理解和应用知识的掌握［1-4］。2022 年春，受疫情影响，为保障教学进度，我校电气工程实验教学中心开展了电力系统继电保护实验课程的线上教学工作，将电力系统继电保护实验从线下教学转化为线上线下教学。改进现有的电力系统继电保护实验教学模式，将线下设备操作与线上虚拟仿真等教学手段相结合，提高了学生的实践创新能力，提高教学质量［5-6］。

1 实验教学设计

实验课线下教学采用的硬件设施如下：STS362L线路保护装置和STS261T 型变压器保护装置相配合，在一次模拟线路的基础上，完成距离保护、变压器保护和电流保护的实验教学。实验平台为装置内置，将STS362L线路保护装置和STS261T型变压器保护装置内置于实验操作台面板内，见图1（a）。为让学生更好地了解目前继电保护产品和变电站保护知识，实验教学中心在原有继电保护教学控制台基础上进行了改造，利用原有装置的直流控制跳闸回路，实现新装置的跳闸体现，接线见图1（b）。新装置含有网络和USB接口，可直接连接电脑或者连接网络路由器，实现与电脑的连接。

新装置采用了西门子最新的Siprotec 5 系列保护装置，既可以让学生对原有保护装置跳闸过程加深知识，又可以对新一代的虚拟设备和远端配置进行了解。采用虚实结合教学模式，能够有效地帮助学生增强自主创新意识。

基于实际最新配置的数字保护装置，采用装置自带的逻辑仿真软件，设计了多层次、多项目的继电保护保护教学实验。让学生在老师的帮助下，提出问题和分析问题，进行团队合作解决问题［7］。基于保护装置特点，装置自带通用型工具软件DIGSI5，是为所有Siprotec继电保护装置设计的一套计算机软件，可以进行各种类型的CFC 逻辑设计实验教学、保护故障录波、保护动作过程模拟和回放实验等。

2 实验原理

阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，其主要作用是测量短路点到保护安装点之间的阻抗Zm，并与整定阻抗值整定阻抗Zset进行比较，以确定保护是否应该动作。在教学过程中，线上实验CFC 逻辑图的编辑和线下实验二次保护回路动作原理均是基于此原理构建。

阻抗继电器构成原理如图2 所示，输入端电流和电压分别取自电流互感器和电压互感器。方向阻抗继电器的动作特性图如图3 所示，是以整定阻抗Zset为直径而通过坐标原点的1 个圆，圆内为动作区，圆外为不动作区。

图2 阻抗继电器构成原理图

图3 方向阻抗继电器特性图

当反方向发生短路时，测量阻抗位于第三象限，继电器不动作，因此它本身就具有方向性，称为方向阻抗继电器。方向阻抗继电器也可以由幅值比较或相位比较的方式构成（见图4）。

图4 方向阻抗继电器的动作特性

当用幅值比较方式时，继电器能够启动的条件如下：

等式两端均以电流Im相乘，即变为两个电压的幅值的比较，

用相位比较方式的分析如图4（b）所示，继电器能够启动的条件是270°≥θ≥90°。

3 实验教学过程

3.1 在MOOC和CANVAS 平台进行课前预习

本实验课的授课对象是学习过电气工程基础、电力系统继电保护等课程，对电力系统继电保护基本原理有一定的认知的大三学生。因此，课前预习阶段，通过在线MOOC 平台让学生提前复习并巩固继电保护基本原理等知识，采用CANVAS 平台进行课前和课后所需的课程管理、资料共享、作业测验、分组讨论、数据分析、学习评估等常规功能［8］，了解装置的基本原理、了解试验台设备的组成以及各部分的功能等。

3.2 分组实操

因为学校疫情期封闭，实验软件大，网上直接下载费时且安装较复杂，实验室可安装软件且能远程控制电脑有限，实验由学生2 ～4 人自行分组，下载向日葵等远程电脑控制软件并注册，输入远程登录码进行软件的熟悉和试用，了解西门子Siprotec 5 系列保护装置原理和设计方法，使学生清晰地了解如何采用相关软件搭建CFC保护设计的基本步骤，从而加深对保护原理的理解和认识。

3.3 虚拟仿真实验进行CFC逻辑搭建

（1）DIGSI5 界面。DIGSI5 公共界面中包含了项目树、编辑器、库以及属性框，如图5 所示。可以根据实际操作来调整这些界面。在此过程中，学生需熟悉软件，DIGSI5 软件右侧的Libraies中，Type下拉菜单中含有CFC逻辑块，CFC逻辑块包含比较、边沿检测、持续性、触发器等14 个逻辑运算模块，可以直接拖动模块进入项目的Charts页面，自由组合，实现多种继电保护逻辑。

图5 DIGSI5软件界面显示

（2）CFC逻辑搭建。根据方向性距离保护原理，学生搭建好的A相方向性距离保护逻辑如图6 所示。

图6 采用DIGSI5软件编辑CFC单相方向距离保护逻辑图

3.4 线下一、二次回路接线并录波

（1）设计实际方向距离保护电路，进行故障录波。采用原有的实验台一次回路，二次回路与新装置相连。学生需查阅装置样本，熟悉保护装置的输入输出端子图，才能正确连线。

（2）配置相应的输入输出到装置。先设置好电流电压互感器的二次侧值，再设置好阻抗定值、角度定值，并进行装置输出跳闸节点及灯的显示的配置（见图7），采用网络或者USB接口与将电脑和装置进行连接，经过调试和编译，就可以将编译好的CFC 逻辑下载到装置。

图7 装置输出跳闸节点及灯的配置图

（3）利用实验台的一、二次回路实现单相短路，并调出故障录波信息。学生在线下实验台上搭建好一、二次回路后，可以通过实验台实现单相短路，装置能实际记录距离保护所有日志内容和故障录波信息，并自动同步保存到所连接的离线装置。可以将所有的信息条目保存为在表格中直接编辑的文件，Siprotec5 系列配套软件可调用此文件进行波形分析（见图8）。

图8 装置故障录波信息调用示意图

（4）将故障录波文件导入保护装置，实现保护过程的回放，如图9 所示。

图9 保护过程回放示意图

3.5 实验结果与特色

学生完成了线上和线下的学习与实践之后，在时间和空间角度扩充和完善了现有的距离保护实验，对距离保护的基本原理、继电保护装置的一系列操作和应用有了更全面的了解，取得了良好的实验教学效果，具体特色如下：

（1）与传统虚拟仿真实验相比，传统虚拟仿真是对实际一、二次回路进行模拟，此仿真课程为继电保护装置的仿真，模拟的为实际的装置保护逻辑、保护动作故障录波等，能加深学生对保护装置原理的理解。

（2）学生通过线上线下相结合实验，能够直观观察到实验室某些难于观察到的实验现象，加深对重难点理论知识的理解。受测量仪器和实验条件影响，有些实验现象难于观察、实验数据难于连续采集，会使学生感觉理解困难［9］。比如故障录波装置能记录电力系统故障前后各种电气量的变化情况，对于判断故障情况有非常大帮助，由于实验场地等限制学生可能无法实际接触到设备，而西门子新一代的保护装置自带故障录波功能，可以直观显示线路故障时装置跳闸过程，由此就可以提高学生的感性认识，帮助理解和学习。

（3）在此实验课的基础上，可及时引导学生进行思考，比如利用CFC 设计三相三段式距离保护逻辑，并实际搭建方向性距离保护较为复杂的一、二次线路等，从不同的角度启发学生进行创新。

4 结 语

电力系统继电保护线上线下实验紧跟现代的电力系统继电保护发展趋势，将前沿的设备转化为本科生实验教学资源，考虑学生知识层次与理解能力，结合实验室实际情况，将线上线下实验教学相结合，有效地解决了当前疫情防控要求下电力系统继电保护教学实验课程时间、空间和资金受限的问题。通过让学生完成相关逻辑模块的搭建，并将搭建的保护运用于实际保护装置，并能重现装置的保护动作过程，让学生产生学习的浓厚兴趣，从而提高学生分析问题和独立解决问题能力，有自己主动学习的获得感［10-12］。