《電力系統繼電保護》課程學習需要具備《電路》《電力系統自動化》和《電機學》等專業基礎,一般是在本科高年級時講授。由于其理論性和實踐性較強,一直以來都是學生們認為比較難學的課程之一。2000 年后,國內的繼電保護技術取得了突飛猛進的發展。高壓電網的繼電保護、大型核電機組繼電保護、大型抽水蓄能機組繼電保護等均實現了國產化替代,并且衍生出很多保護新原理。而我們的繼電保護教材內容基本上處于 20 多年前的技術水平,學生很難將課本中學到的專業知識跟當前工程現場使用的保護設備相匹配,不利于學以致用。
此外,教材中的一些過時的保護原理已在實際應用中被淘汰,這些情況都有必要讓學生了解。因此,需要結合工程應用實踐對教學內容進行優化,將繼電保護的*新成果融入課程教學。
同時,電力系統繼電保護是一門應用學科,要求理論和實踐并重,需要研究如何完善教學實踐手段,增加學習的趣味性,提高學生的實踐能力。
容優化和實踐能力提高兩個方面探討繼電保護課程教學改革方案。教學內容優化知識體系改進縱觀國內的繼電保護教材,普遍存在線路保護部分內容偏重,其他設備保護內容過于簡略的情況。以目前被國內高校廣泛采用的國內電力行業“十四五”規劃教材為例,其中線路保護的內容占了一半的篇幅,變壓器保護、發電機保護和母線保護的內容明顯偏少,一些關鍵保護原理未能講透,甚至有一些重要的保護原理未涉及。例如發電機的誤上電保護、過勵磁保護等等。顯然,完全按照教材來教學難以滿足工程應用要求。基于此,課堂教學中要求教師在講授時要結合工程應用情況,對該部分內容進行擴充。同時對線路保護部分的內容進行適當壓縮,使教學內容的構成更加均衡。
對于已被淘汰的繼電保護原理,例如間斷角原理的勵磁涌流判別方法、疊加交流電壓的轉子接地保護等,要基于以上分析,本文將從教學內從教材和教學內容中去除。對于引用國家或行業標準的內容,要關注其標準的修訂情況,及時對引用內容進行調整,避免對學生形成誤導。
貼近工程應用
繼電保護經歷了電磁型、感應型、晶體管型、集成電路型,再到微機型的幾個發展階段。微機型保護裝置將保護功能高度集成,具有強大的計算和邏輯判斷能力、豐富的通信接口能力,以及**的事件記錄和故障錄波功能。繼電保護原理的講解要按照微機保護的理念去介紹,不僅要介紹保護原理,還要介紹 IEC103、IEC61850等通信規約相關知識,便于學生**了解繼電保護裝置的各個環節,貼近工程實際應用。此外,為了加深學生對繼電保護工作原理的理解,在課堂教學中要增加一些現場繼電保護動作案例。教師需要帶領學生一起根據現場保護動作報告和故障錄波數據,進行故障發展過程和保護動作行為的分析,促進學生靈活運用所學的理論知識解決實際問題。
貼近工程應用還有很重要的一方面,需要教師們保持終身學習的態度,跟蹤繼電保護的*新進展,多與繼電保護廠家和用戶保持溝通交流,及時更新教學內容。例如近幾年快速發展的基于 IEC61850 規范的智能變電站技術,教師在授課時就要講清楚智能變電站和常規變電站的差異。
技術前沿拓展
近年來,5G 通信技術開始在繼電保護上應用,光學互感器在繼電保護上取得了良好的應用效果,直流輸電的繼電保護技術日趨成熟。這些新進展應在教學過程中體現出來,讓學生及時了解我們國家在電力系統繼電保護領域取得的新成績,擴寬學生的專業視野,激發學生的學習熱情。
實踐能力培養
繼電保護課程具有較強的實踐性。通過構建繼電保護開發基礎平臺和測試系統,可以為學生創造良好的開發和測試環境,提高學生的實踐能力。
基礎開發平臺和測試系統構建
繼電保護開發基礎平臺采用硬件、軟件分層解耦設計的平臺化設計理念,由繼電保護裝置硬件、嵌入式系統軟件、應用軟件、可視化開發工具組成,如圖 1 所示。
硬件標準化、模塊化、可擴展的同時,系統軟件可支持硬件平臺與應用軟件的標準化接口,實現應用軟件對底層硬件差異的屏蔽。學生只需要在基礎平臺上開發應用功能塊,即可快速完成一臺保護裝置開發。
為驗證學生所開發的保護功能模塊的正確性,需要構建繼電保護測試系統,如圖 2 所示,測試驗證系統由保護裝置、繼電保護測試儀、電腦和若干試驗線構成。
調試電腦通過網線或 USB 線和繼電保護測試儀相連接,用于控制繼電保護測試儀輸出所需的電壓和電流。
利用專用調試工具可以讀取保護裝置內的相關電氣量和事件記錄,監控保護裝置的動作行為。繼電保護測試儀通過多根測試線與保護裝置相連,用于向保護裝置輸入電壓和電流,同時采集保護裝置的動作接點,便于測試保護裝置的動作時間。
應用功能開發實踐
讓學生自己動手進行保護功能開發,不僅使學生深入理解保護原理細節,也實現了學習和實踐相互促進。
保護功能塊基于 C 語言編程,通過開發實踐,使學生熟悉了嵌入式裝置的軟硬件架構,也鍛煉了學生 C 語言編程能力。
學生們采用圖 2 所示繼電保護測試系統對其開發的保護功能進行測試驗證。通過測試環節的鍛煉,不但掌握了繼電保護測試儀的使用方法,也熟悉了相關繼電保護技術規程。
現場參觀教學
學習繼電保護原理是為了更好地用好繼電保護裝置,要真正用好繼電保護裝置還需要了解現場運行規程,現場運行規程是多年運行經驗和教訓的總結。繼電保護課程教學的末期,教師需要安排學生到發電廠或變電站現場參觀學習,了解被保護對象、保護裝置的運行環境,以及現場運行規程內容。此外,通過與現場技術人員的溝通交流,學生也能了解到工程現場的新需求,為將來從事繼電保護科研工作指明方向。
結語
隨著繼電保護技術的快速發展,高校專業課程教學需要與時俱進,關注不同發展階段的行業應用需求,及時更新教學內容和方法。為提升繼電保護課程的實用性和學生的學習能動性,本文探討了面向工程實踐的《電力系統繼電保護》課程教學改革方案。首先,從優化教學內容的角度 , 增加實際工程案例 , 使教學內容更貼近當前電力行業需求;其次,從實踐能力培養的角度,構建繼電保護開發基礎平臺,訓練學生動手開發和測試保護功能模塊的能力。通過教學內容和教學方法的雙向改革,使繼電保護課程教學更具實用性,并可有效調動學生的學習興趣和動手能力。