现代电力系统是高度数字化、信息化和自动化的超大网络结构, 继电保护是其中的一种反事故的自动装置, 它的根本任务是快速、有选择性、可靠地正确反应电网中的各种类型故障及各种异常运行方式, 并动作于断路器跳闸或发信号, 对电网安全稳定运行至关重要。以前的继电保护装置主要以电磁式、晶体管式等模拟式装置为主, 随着计算机技术与通信技术的迅猛发展, 继电保护装置正快速发展为以计算机、网络为基础的数字化装置为主的综合自动化系统。为适应电力系统继电保护的发展, 继电保护教学也应当与时俱进。
1 继电保护原理与技术的发展
继电保护是电气工程及其自动化专业的一门核心课程, 现有的继电保护教材中原理分析是以电磁型或集成电路型结构为基础进行分析, 在讲述继电保护原理及其功能实现时, 需强调模拟量与开关量的获取方法及工频量计算的复杂度。但是计算机技术、数字信号处理 (DSP) 技术、通信技术的发展改变了这种现状, 使得继电保护从传统的工频量模拟式处理全面进入了工频量、暂态量数字式处理时代。
1.1 继电保护技术的数字化
继电保护技术是继电保护原理实现的方法与手段, 近年来伴随计算机与通信技术的发展继电保护技术发展迅速。
首先, 随着计算机技术的发展, 其功能越来越强, 表现在计算的速度越来越快, 存储器的容量越来越大。另外, 近年来大量专用DSP器件投入了应用。这些, 都为继电保护的功能实现提供了技术基础, 并且为复杂的继电保护算法提供了技术条件。
其次, 随着通信技术与通信网络在电力系统的广泛应用以及网络的传输速度、可靠性与安全性的提高, 继电保护装置之间可以快速实现资源共享与信息传送。这为变电所综合自动化提供了通信基础。
最后, 传统的继电保护所取的电压、电流都是通过电缆从电磁式电压、电流互感器传递, 在实现继电保护原理时要强调电流互感器饱和对继电保护装置的影响, 在考虑继电保护原理的实现时需要考虑电流、电压回路断线对保护的影响。但是, 光学和电子式电压、电流互感器的逐步应用, 继电保护与电压、电流互感器的连接采取了光纤通信方式, 替代了电缆连接方式, 并且在保护装置中逐渐取消A/D转换电路。这些都促进了继电保护逻辑简化, 加快了保护网络化的进程。
1.2 继电保护原理的发展
继电保护是一门高度强调原理与技术结合的课程, 由于原理实现的手段 (即继电保护技术) 发生了根本变化, 这必然导致继电保护的原理发生变化。传统的继电保护原理教学只是讲述工频量的继电保护原理, 现在有必要增加暂态量继电保护原理的教学。这主要是由于现在的技术已经基本能够实现暂态量继电保护, 原因有以下三方面。
首先, 光学、电子式互感器频率响应宽、线性度好, 能正确传变暂态分量。
其次, 微机的运算速度足够快, 由于采样频率很高, 运算速度快不会造成数据堆积。并且DSP快速数字信号处理器为暂态量保护的应用创造了条件。
最后, 小波变换技术的成熟应用, 使得离散信号的小波变换Mallt算法为暂态量保护提供了算法基础, 因为小波算法对变化速度很快的信号具有良好的时域、频域和相位分析的能力。
基于上述分析, 继电保护的原理已经从传统单一的工频量保护发展到了工频量保护与暂态量保护共存的局面, 在当前的课堂教学中应着重讲述工频量保护原理, 适当介绍暂态量保护原理。对于继电保护的原理实现, 现在都是依靠计算机来完成, 这样就涉及到微机保护的硬件组成与软件组成, 这些都属于继电保护的技术问题, 在讲课时应以简单形象的语言加以介绍。
2“应用型”本科教育对继电保护教学的要求
2.1 突出继电保护的基本原理
教学内容要以基本原理为主, 针对不同的对象讲述不同教学层次内容。电气工程系各专业毕业生的工作领域主要是在电力行业的运行、检修、设计、继电保护装置的安装与调试维护, 或者是在电力一次设备制造业、电力二次设备制造业等部门。不同的部门对继电保护的掌握程度要求不一样, 比如运行部门需要对继电保护装置运行方式及输出信号能够清楚的知道, 而继电保护的调试则对继电保护的知识要求要高的多, 不仅需要知道装置的保护组成及保护原理, 还需要掌握装置的二次接线与调试方法。尽管不同专业方向对继电保护的教学要求不一样, 不同岗位对继电保护知识的要求不一样, 但是继电保护原理是基础。
因此, 在讲课时要突出讲述继电保护原理, 使得学生只要在电力行业就业, 就知道继电保护的基本原理。
2.2 原理与技术要有机结合
继电保护是一门技术性很强的课程, “三分原理七分技术”说的就是这个意思。继电保护的原理经常是围绕着实现手段来讲, 有时甚至脱离了实现技术就没法讲述某些继电保护原理, 而继电保护技术随着新技术的发展而发生了巨大变化, 如果在教学中要把每种实现方法都讲到, 这既不现实, 也不可能有那么多的时间。因此, 讲课时要以基本原理为主, 适当讲解继电保护的实现技术, 这既让学生掌握了继电保护原理, 又开扩了学生的视野, 并且使得课堂气氛更加活跃。
3 继电保护教学的现状
首先, 教材内容不能适应生产实际需要, 教学内容没有体现层次性。目前, 大部分继电保护教材中涉及的技术为传统的模拟式继电器或继电保护装置, 与现在的数字化继电保护差距甚远。教材内容严重滞后于生产实践导致课堂教学内容与教材内容差异较大, 学生课后复习时发现找来的保护资料与教材内容大相径庭, 这会削弱他们的学习积极性。另外, 不同的专业方向 (如电力系统及其自动化方向与继电保护方向) 对继电保护的要求应该是不一样的, 但是, 在教学中经常是用同一本教材, 讲授内容也一样, 这样就影响了因材施教, 没有体现专业方向特色。
其次, 教学方法与教学手段单一。以往的教学方法单调, 重在“注入”、“填鸭”, 教师向学生单向地传授理论知识, 学生由于缺乏学习主动性, 对于知识的理解和掌握不够深入, 久而久之导致学习兴趣降低, 严重挫伤了学生的学习积极性, 制约了学生的创新思维。
另外, 由于许多学校专业课学时都在减少, 导致实验、实践环节不充分, 这都影响了教学效果。
4 继电保护教学改革
继电保护是依据“差异”, 实现“区分”。也就是说继电保护依据被保护元件“故障、不正常、正常状态”时的电气量, 来判断被保护元件是否发生故障或不正常运行, 从而决定是跳闸还是告警。
拿一条输电线路来说, 正常运行时, 电流、电压都在正常值附近波动, 并且电压、电流基本三相对称;线路发生故障 (各种短路) 时, 电流幅值很大、电压低于额定值, 并且电流有很大的突变, 不对称短路时会出现负序分量或零序分量 (接地故障) ;电流、电压略微超过额定值, 只是属于不正常运行。
根据继电保护课程的上述特点与继电保护技术的发展, 在教学中可以通过以下几个方面来提高课堂教学效果。
4.1 继电保护教学内容的取舍与层次化教学
首先内容安排要新旧兼顾, 要突出继电保护的基本原理、成熟技术和应用广泛的保护逻辑框图。
其次, 课堂讲授时要力求内容的层次化, 讲课时应当贯彻“故障分析→基本原理→整定→实现技术→相关知识”的层次化讲课思路, 引导学生形成继电保护思想。这样就可以作到多学时、少学时专业授课内容的层次化。少学时的选讲前几个知识层次, 也可选讲某些章的所有知识层次, 而多学时的可以讲解所有的知识层次, 这样就可以作到根据学时数决定讲授内容的深度、广度, 让学生能够系统的理解继电保护原理。
以线路差动保护的内容来说, 如图1所示, 首先根据故障分析与基尔霍夫电流定律分析在被保护元件内部故障、外部故障、正常运行时的各侧电气量特点, 根据这种区别就形成了差动保护的基本原理。然后讲到整定, 引入不平衡电流的概念。接下来讲述差动保护的实现, 要考虑纵联保护的通道问题, 以及提高灵敏度与抗不平衡电流的措施——带制动特性的差动方程。接下来讲解特殊问题, 讲清电流回路断线与互感器饱和的影响, 并且强调线路差动保护实现的难点在于数据同步, 并对微机差动保护算法进行简单讲解。对于相关知识, 则找一典型应用的保护厂家原理框图加以分析说明。
有了这样的层次化的知识安排, 就可以达到既有利于教学, 作到多学时与少学时的结合, 也可以作到理论与实际的结合, 并且可以提高学生学习的积极性。
4.2 丰富教学方法与手段
要突破传统的单向传授教学模式, 培养学生的分析问题能力与解决问题能力。继电保护原理部分内容的逻辑性很强, 很适合采用启发式教学在课堂教学中启发学生的思维。通过把各类型的保护按故障量检测、保护逻辑过程、执行这样的逻辑顺序来引入一连串的问题, 引导学生在探讨和思索中学习。
在教学过程中, 适时提出一些经过精心准备的问题, 如“电流保护I段能否保护线路全长?”鼓励学生回答并讨论, 再引导出下一个问题, 如“灵敏度不满足要求, 应该怎么办?”在学习完电流保护时可以提出诸如“为何不采用单独的电压保护来反应输电线路故障”等拓展学生思维的问题, 在不断的启发中培养学生的独立思考能力与创新思维能力;而在实践环节中, 应注重锻炼学生的动手能力, 而且对实验的结果和现象, 要求每一个学生都能回答“为什么?”做到知其然并知其所以然。
继电保护教学手段要改变以往的单一的黑板教学, 应以板书与多媒体教学相结合。多媒体教学在较短的时间里传递的信息量很大, 学生主动参与的程度很深, 效率高, 收获多, 课程教学思路简洁清晰, 内容也能保证完整性。例如可将继电器、保护屏用数码照相机进行实物拍摄, 利用Photoshop进行图像加工后形成图像库。在教学时从不同方位、不同角度观察和说明各种继电器基本结构、继电保护装置具体构成、设备排列位置和接线方式。这样既增加了学生的感性认识, 也提高了学习的兴趣。
5 结语
电力系统的高速发展和计算机技术的进步, 继电保护不再单纯依据工频量来判断故障, 继电保护技术的数字化, 都对继电保护教学提出了新的要求。把握继电保护的发展趋势, 紧密结合现场的生产实际, 继电保护教学通过积极改革教学内容、教学手段和教学方法, 为电力系统培养应用能力强的继电保护技术人才。
摘要：借助于计算机技术与通信技术的发展, 继电保护技术从以继电器为基础的模拟式继电保护装置迅速发展到以微机、网络为基础的数字化继电保护系统。为了满足本科教育与继电保护现场生产的要求, 在继电保护的教学中采用层次化方法组织教学内容, 利用启发式教学方法开发学生的能力, 综合利用多媒体教学手段提高课堂教学效果, 对于学生掌握继电保护原理及技术大有裨益。
关键词：继电保护,数字化,次化,启发式教学