1 引 言
繼電保護(hù)是電氣類專業(yè)的重要課程，也是理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程［1］。作為繼電保護(hù)課程不可或缺的部分，實(shí)驗(yàn)得到了本科教學(xué)的廣泛重視。以微機(jī)形式實(shí)現(xiàn)的繼電保護(hù)，由于具有靈活性好、穩(wěn)定性優(yōu)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)而成為繼電保護(hù)的主流，當(dāng)前電力工程實(shí)踐基本都采用微機(jī)繼保裝［2］。因此，在本科教學(xué)階段，開(kāi)展微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合、實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合的能力以及畢業(yè)后盡快適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工作，具有現(xiàn)實(shí)意義。
但目前高校開(kāi)設(shè)的微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)，尤其是面向本科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，普遍存在著實(shí)驗(yàn)課程有待完善等問(wèn)題。例如:微機(jī)繼保除了繼電保護(hù)知識(shí)外還涉及計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、電子等內(nèi)容，起點(diǎn)要求較高，需考慮多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的融合;微機(jī)功能主要以軟件方式實(shí)現(xiàn)，較為抽象，需將其直觀化以便初學(xué)者接受;微機(jī)繼保軟件規(guī)模較大，如何有效地組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)以滿足不同水平階段的學(xué)生，也需在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷地摸索經(jīng)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)滯后于教 學(xué) 需 要 則 是 許 多 高 校 普 遍 存 在 的 問(wèn) 題［3］。正是由于諸多限制，實(shí)際的本科微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多高校只是開(kāi)設(shè)了部分演示性實(shí)驗(yàn)，或是進(jìn)行保護(hù)定值整定等簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果與期待的教學(xué)目標(biāo)相比有很大的差距。
因此，需進(jìn)一步探討本科微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、規(guī)律，增加教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以更好推動(dòng)本科微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。文獻(xiàn)［4］中指出當(dāng)前繼保實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)偏少、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單等現(xiàn)狀，初步提出完善實(shí)驗(yàn)體系、設(shè)置獨(dú)立的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程等建議;文獻(xiàn)［5］中介紹了該校采用 3 個(gè)階段實(shí)現(xiàn)微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)方面取得的經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的借鑒意義，但對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求非常高，主要包括:WJS-11 微機(jī)型線路保護(hù)教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試儀、四方繼保自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的微機(jī)線路保護(hù)裝置、南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)的由“單側(cè)電源輻射線路模擬系統(tǒng)”和“微機(jī)線路保護(hù)屏”構(gòu)成的“微機(jī)線路保護(hù)模擬系統(tǒng) ”。所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件是大多數(shù)高校遠(yuǎn)不具備的。即便如此，文獻(xiàn)中還是指出該校實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在著學(xué)生人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)室擁擠、設(shè)備不足等共性問(wèn)題。許多學(xué)校也開(kāi)發(fā)了各具特色的實(shí)驗(yàn)裝置和平臺(tái)以滿足教學(xué)和科研等需要 ［6-8］。
由于各高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備、課程建設(shè)、師生人員等的差異性，需根據(jù)實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)情況，因地制宜地開(kāi)展微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)合本校開(kāi)展微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，探討面向本科微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
2 實(shí)驗(yàn)形式
當(dāng)前微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)有純軟件模擬方式和微機(jī)保護(hù)裝置形式兩種基本形式。純軟件模擬方法利用仿真平臺(tái)模擬微機(jī)保護(hù)裝置的工作原理和并在軟件平臺(tái)上顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)［9］提出的虛擬化微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)只需一臺(tái)通用微機(jī)就可實(shí)現(xiàn)從電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)生成到微機(jī)保護(hù)軟件模塊的開(kāi)發(fā)、調(diào)試及整體動(dòng)作的多種實(shí)驗(yàn)，為微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)提供一種思路。但考慮到實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要是初次接觸該課程的本科生，大多都缺乏相關(guān)概念( 加強(qiáng)學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)也是開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課的初衷之一)，不同于面向有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)或科研實(shí)驗(yàn)，而純軟件模擬方式更趨向于理論課程內(nèi)容，與現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)繼保實(shí)現(xiàn)模式有很大不同，純軟件模擬方式缺乏保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)、微機(jī)接線方式等內(nèi)容的直觀展示，不易收到具體直觀的實(shí)驗(yàn)效果。微機(jī)繼保裝置已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多廠家和高校還開(kāi)發(fā)了專門面向教學(xué)的微機(jī)保護(hù)裝置，部分產(chǎn)品性價(jià)比已非常高。因此，在條件允許情況下，盡可能采用微機(jī)保護(hù)裝置形式開(kāi)展本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，有助于收到更好的實(shí)驗(yàn)效果。
3 實(shí)驗(yàn)信號(hào)源
由上位機(jī)、繼保測(cè)試儀和微機(jī)繼保裝置組成的繼保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)方式之一［10］，其中，繼保測(cè)試儀提供整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)源，可模擬各種運(yùn)行方式下的故障現(xiàn)象，為微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置提供所需的開(kāi)關(guān)量信號(hào)和電壓、電流等模擬量信號(hào)。采用繼保測(cè)試儀作為微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源是常用的方法，能較好地生成所需的信號(hào)，也與電力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方式一致。
但在面向本科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需考慮下面實(shí)際問(wèn)題:① 盡管繼保測(cè)試儀設(shè)計(jì)上日趨智能化，但畢竟要花時(shí)間去掌握和熟悉其操作，相當(dāng)于還要多學(xué)習(xí)一套設(shè)備，在有限的課時(shí)內(nèi)難以很好掌握，而且依靠繼保測(cè)
試儀實(shí)現(xiàn)的故障等狀況對(duì)初學(xué)者而言稍顯抽象。②
當(dāng)前一臺(tái)繼保測(cè)試儀普遍只供一臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置使用，而且每臺(tái)測(cè)試儀還需配備一臺(tái)電腦。繼保測(cè)試儀的價(jià)格普遍不菲，若每臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置都配備相對(duì)應(yīng)的繼保測(cè)試儀和電腦，則實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)的費(fèi)用將非常巨大，尤其是現(xiàn)在學(xué)生人數(shù)較多而經(jīng)費(fèi)有限的情況下，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)難度較大。
考慮到上述的實(shí)際困難，本校微機(jī)繼保平臺(tái)采用一、二次系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合方式，通過(guò)一次系統(tǒng)模型產(chǎn)生信號(hào)供給二次系統(tǒng)使用。一次系統(tǒng)模型為單端電源通過(guò)變壓器經(jīng)輸電線路送到負(fù)荷，并配有對(duì)應(yīng)的斷路器、電流和電壓互感器，其中斷路器帶操作回路和燈光信號(hào)指示，并配有對(duì)應(yīng)的光字牌和音響，能有效提示實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。一次系統(tǒng)模型由調(diào)壓器、開(kāi)關(guān)、電阻器、調(diào)相器、模擬電流和電壓互感器等實(shí)際設(shè)備構(gòu)成，大部分設(shè)備通過(guò)合理布線，固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的內(nèi)部。因此，一次系統(tǒng)模型只在實(shí)驗(yàn)臺(tái)初次投入應(yīng)用時(shí)需要接線和調(diào)試等操作，避免了接線復(fù)雜、維護(hù)困難等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)臺(tái)屏面只顯示該模擬系統(tǒng)的示意圖和相關(guān)的儀表等，電流互感器和電壓互感器的連接線固定到屏面的測(cè)試孔 ，以便學(xué)生將其接線到微機(jī)保護(hù)裝置中。由于配備了較多設(shè)備，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)體積和重量較大，但考慮主要面向本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)備都固定在專門實(shí)驗(yàn)室，移動(dòng)性較差并不影響平臺(tái)的使用效率。
一次系統(tǒng)模型主要的模擬方式介紹如下:①電源模擬。市電根據(jù)所需電壓通過(guò)調(diào)壓器作為系統(tǒng)電源輸出;②短路模擬。通過(guò)可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)短路電阻的變化，并與系統(tǒng)電源( 由調(diào)壓器控制) 實(shí)現(xiàn)短路電流幅值的變化;③距離保護(hù)等用到電壓或電流矢量的相位關(guān)系，通過(guò)調(diào)相器根據(jù)需要靈活實(shí)現(xiàn);④變壓器差動(dòng)模擬是難點(diǎn)，設(shè)定一個(gè)短路點(diǎn)選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)選擇變壓器短路時(shí)，通過(guò)切換短路點(diǎn)選擇開(kāi)關(guān)使其中一側(cè)的電流互感器短接，從而形成差動(dòng)電流。
相對(duì)于繼保測(cè)試儀產(chǎn)生的信號(hào)，本平臺(tái)依靠一次系統(tǒng)模型產(chǎn)生的信號(hào)雖較為粗糙，但已經(jīng)能夠滿足本科實(shí)驗(yàn)的基本要求。以后的實(shí)驗(yàn)發(fā)展需考慮進(jìn)一步完善一次系統(tǒng)模型，主要包括:在當(dāng)前單電源單回路的基礎(chǔ)上發(fā)展含多端電源多回路的一次系統(tǒng)模型;電機(jī)繼電保護(hù)是繼電保護(hù)的重要內(nèi)容，但電機(jī)是旋轉(zhuǎn)元件，其保護(hù)特性也很復(fù)雜，如何高效地引入本科實(shí)驗(yàn)，也是需要進(jìn)一步探討的內(nèi)容。
4 微機(jī)平臺(tái)
微機(jī)平臺(tái)是微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)的直接載體。微機(jī)平臺(tái)主要由工控機(jī)、集中控制臺(tái)、打印機(jī)、和多臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置組成，工控機(jī)和微機(jī)保護(hù)裝置通過(guò) RS-485 總線進(jìn)行通信。其中，微機(jī)保護(hù)裝置數(shù)量可以根據(jù)學(xué)生人數(shù)和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模靈活配置，本校繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室配備 5臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置。
工控機(jī)不僅可以監(jiān)控整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置的定值整定、程序的修改和下載等功能。
在微機(jī)保護(hù)正常運(yùn)行情況下，工控機(jī)運(yùn)行監(jiān)控管理軟件，實(shí)現(xiàn)“四遙”和潮流動(dòng)態(tài)顯示等簡(jiǎn)單的 SCADA功能，可以實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情況。圖 1 中，1、2、5 號(hào)微機(jī)正進(jìn)行變壓器差動(dòng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)，所以主要顯示變壓器雙端電流值;3、4 號(hào)微機(jī)正進(jìn)行線路阻抗保護(hù)實(shí)驗(yàn)，因而主要顯示三相電壓、電流值。
定值整定是微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)必需涉及的環(huán)節(jié)。當(dāng)前微機(jī)繼保裝置普遍只有“↑”“↓”“←”“→”“確認(rèn)”“取消”和“復(fù)位”7 個(gè)按鍵，輸入較為麻煩，而且保護(hù)定值內(nèi)容較多，即使微機(jī)繼保裝置采用大液晶，也需要多頁(yè)顯示，而實(shí)驗(yàn)用的微機(jī)裝置很多還在使用 LED 管形式的簡(jiǎn)單顯示，在微機(jī)繼保裝置中按鍵輸入定值并顯示很繁瑣，占用較多的課程時(shí)間。因此，設(shè)計(jì)了在工控機(jī)中進(jìn)行定值整定的功能，其界面如圖 2 所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)很快地在工控機(jī)中輸入課前算好的定值，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡鋵?duì)應(yīng)的微機(jī)保護(hù)裝置中，避免了在微機(jī)裝置中進(jìn)行不熟悉的定值輸入等操作，從而節(jié)省了課堂時(shí)間，而把重點(diǎn)放在原理的理解和驗(yàn)證上。
微機(jī)繼保裝置已經(jīng)固化了電流電壓保護(hù)、距離保護(hù)和變壓器保護(hù)等程序，只需將一次系統(tǒng)模型的信號(hào)引入微機(jī)裝置，開(kāi)機(jī)后即可以完成經(jīng)典的微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)，主要包括:三段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)、多邊形阻抗保護(hù)實(shí)驗(yàn)、變壓器差動(dòng)實(shí)驗(yàn)、重合閘等。
本微機(jī)平臺(tái)上可以方便實(shí)現(xiàn)多種微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)，上述功能滿足一般的驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但在要求更高的場(chǎng)合，比如學(xué)生研究項(xiàng)目( SRP) 或微機(jī)繼保綜合性實(shí)驗(yàn)等，則需學(xué)生深入到原理的軟件實(shí)現(xiàn)、具體編程等工作中，本微機(jī)平臺(tái)具有良好的開(kāi)放性和方便性，工控機(jī)中集結(jié)了針對(duì)微機(jī)裝置軟件開(kāi)發(fā)的編程和下載程序，見(jiàn)圖 3。不同水平階段或不同學(xué)習(xí)階段的的學(xué)生，可以根據(jù)自己的能力，編寫不同難度的程序(可實(shí)現(xiàn)從指示燈運(yùn)行等簡(jiǎn)單的程序到復(fù)雜的整個(gè)微機(jī)保護(hù)程序)，并通過(guò) RS-485 總線下載到保護(hù)試驗(yàn)臺(tái)中的微機(jī)保護(hù)裝置中，微機(jī)保護(hù)裝置提供一片存儲(chǔ)空間，用以運(yùn)行用戶自行編寫的程序。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原理的理解、軟件實(shí)現(xiàn)到驗(yàn)證循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過(guò)程。
5 考核內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)“重理論考試，輕實(shí)驗(yàn)”的想法，將實(shí)驗(yàn)成績(jī)納入繼電保護(hù)課程的成績(jī)中，占 10% 的權(quán)重。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加強(qiáng)考核制度，課前檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告預(yù)習(xí)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后以簽到方式檢查人數(shù)。對(duì)課程內(nèi)容和形式做了嘗試，由于課時(shí)的限制和考慮學(xué)生實(shí)際接受能力，選擇經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為必需完成的項(xiàng)目，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的理解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，還可以申請(qǐng)?jiān)陂_(kāi)放性實(shí)驗(yàn)時(shí)間繼續(xù)完成，并將學(xué)生自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)納入學(xué)生的成績(jī)考核中。
6 結(jié) 語(yǔ)
由于諸多因素的限制，如何在本科生中深入開(kāi)展微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)，是電氣類專業(yè)普遍面臨的難題。本文結(jié)合我校開(kāi)展微機(jī)繼保實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐，探討了部分關(guān)鍵問(wèn)題，更進(jìn)一步的舉措還有待在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)并逐步完善。
