建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀結(jié)合Matlab仿真在繼電保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用

趙義術(shù) 戰(zhàn) 杰

山東電力高等?？茖W(xué)校 山東 濟(jì)南 250002

0 引言

當(dāng)前，高職高專課程正在向工學(xué)結(jié)合、能力本位方向發(fā)展。而繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時代，保護(hù)原理用軟件實現(xiàn)，因此保護(hù)元件的內(nèi)部動作很難得知。高校中電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程實驗普遍為傳統(tǒng)的電磁型、整流型保護(hù)實驗；而即使配置有微機(jī)保護(hù)實驗的，裝置數(shù)量也很少，一般只能作為微機(jī)保護(hù)裝置的總體調(diào)試，保護(hù)內(nèi)部工作過程不直觀，這對于學(xué)生掌握微機(jī)保護(hù)的實現(xiàn)原理是不夠的［1］。

為了使學(xué)生能直觀理解保護(hù)原理，并進(jìn)行相關(guān)實驗。本文在建構(gòu)主義建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀和教學(xué)觀指導(dǎo)下，開發(fā)了基于Matlab/Simulink的繼電保護(hù)教學(xué)仿真軟件。該軟件對學(xué)生學(xué)習(xí)繼電保護(hù)原理具有良好的啟迪性。

1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀和教學(xué)觀

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀（以下簡稱建構(gòu)主義）認(rèn)為，學(xué)生獲得新知識的過程，不是通過教師傳授得到的，而是通過有意義的學(xué)習(xí)建構(gòu)得到的。學(xué)習(xí)者在一定的情境中，借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，在已有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將新知識納入原有的知識體系，對新的信息進(jìn)行主動地選擇、加工、建構(gòu)，最終豐富了自己的知識結(jié)構(gòu)而賦予其意義。

建構(gòu)主義教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，認(rèn)為學(xué)生是認(rèn)知的主體，是知識意義的主動建構(gòu)者;教師只對學(xué)生的意義建構(gòu)起幫助和促進(jìn)作用，并不要求教師直接向?qū)W生傳授和灌輸知識。在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下，教師和學(xué)生的地位、作用和傳統(tǒng)教學(xué)相比已發(fā)生很大的變化。建構(gòu)主義教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)“情境”對意義建構(gòu)的重要作用，強(qiáng)調(diào)“協(xié)作學(xué)習(xí)”對意義建構(gòu)的關(guān)鍵作用，強(qiáng)調(diào)利用各種信息資源來支持“學(xué)”等。建構(gòu)主義教學(xué)理念對教學(xué)改革具有重大的指導(dǎo)意義［2-3］。

2 MATLAB/Simulink及其電力系統(tǒng)工具箱

電力系統(tǒng)分析和仿真技術(shù)是在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、運行、分析及改造等過程中不可缺少的工具和手段。隨著計算機(jī)技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的仿真技術(shù)和軟件也在不斷的更新和完善，現(xiàn)在國內(nèi)外一些大型電力系統(tǒng)分析軟件正向多功能、綜合分析的方向發(fā)展，如EMTP、EMTDC、PSS/E、PSASP、BPA、Matlab等?？紤]到教學(xué)課時有限，學(xué)生沒有仿真軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，本文選用上手較容易的Matlab作為繼電保護(hù)課堂教學(xué)的仿真輔助手段。

2.1 MATLAB/Simulink［4］

MATLAB是由MathWorks公司開發(fā)的一種主要用于數(shù)值計算及可視化圖形處理的高技術(shù)計算語言。它的特點是將數(shù)值分析、矩陣計算、圖形、圖像處理和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個極易使用的交互式環(huán)境之中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程工具。

Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合，系統(tǒng)還可以是多采樣率的，比如系統(tǒng)的不同部分擁有不同的采樣率。

對于建模，Simulink提供了一個圖形化的用戶界面（GUI），可以用鼠標(biāo)點擊和拖拉模塊的圖標(biāo)建模，通過圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。這是以前需要用個復(fù)雜的由接收器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫，當(dāng)然也可以定制或者創(chuàng)建用戶自己的模塊。所有模型是分級的，因此可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型。可以在最高層面上查看一個系統(tǒng)，然后通過雙擊系統(tǒng)中的各個模塊進(jìn)入到系統(tǒng)的低一級層面以查看模型的更多的細(xì)節(jié)。這一方法提供了一個了解模型是如何組成以及它的各個部分是如何相互聯(lián)系的方法。

定義完一個模型以后，就可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB的命令窗口輸入命令對它進(jìn)行仿真。使用Scopes或者其它的顯示模塊，可以在運行仿真時觀察到仿真的結(jié)果。另外，還可以在仿真時改變參數(shù)并且立即就可看到有什么變化，仿真的結(jié)果可以放在MATLAB的工作空間（Workspace）中以待進(jìn)一步的處理或者可視化。

2.2 電力系統(tǒng)工具箱［4］

電力系統(tǒng)模塊集使得工程技術(shù)人員可以建立模型來仿真電力系統(tǒng)，該模塊集使用Simulink環(huán)境，可以通用點擊或拖拉來建立模型，不僅可以快速畫出電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且電路的分析可以包括其與機(jī)械、熱、控制及其它學(xué)科的相互作用，這是由于仿真的電部分與Simulink的龐大的模型庫是相互作用的，Simulink使用MATLAB作為計算引擎。

電力系統(tǒng)工具箱（Powersys）提供了電力傳輸和拖動中用到的各種子系統(tǒng)模型，它包含了以下的7大類庫，含有數(shù)十種模塊模型。

1）電源—包括交流電流源、交流電壓源、直流源、可控電流源、可控電壓源等。2）元件—包括斷路器、變壓器、互感、長線、飽和變壓器、串聯(lián)RLC電路、并聯(lián)RLC電路、浪涌吸收器等。3）電機(jī)—同步電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、水力渦輪調(diào)速機(jī)等，另外包括可單獨提取這些電機(jī)運轉(zhuǎn)參數(shù)的各測量分路器。 4）電力電子—閘流管、二極管、GTO、Mosfet、理想開關(guān)等。5）測量—電流測量、電壓測量等。6）聯(lián)接—零線、L聯(lián)接器、T聯(lián)接器、總線、地線等。 7）其他—控制模塊、三相子庫、直流電機(jī)、定時器等。

3 建構(gòu)主義結(jié)合Matlab仿真在《繼電保護(hù)》教學(xué)中的實際應(yīng)用

當(dāng)前教學(xué)改革的重點是改變傳統(tǒng)的教育模式，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)在原有知識基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識，從“個體式”學(xué)習(xí)到“社會化”的學(xué)習(xí)，從“去情境”的學(xué)習(xí)到“情境化”的學(xué)習(xí)?；谝陨弦?，本文以《繼電保護(hù)》中的階段式電流保護(hù)為例說明Matlab仿真在教學(xué)中的實際應(yīng)用［5］。

3.1 在原有知識基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識

在學(xué)習(xí)繼電保護(hù)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《電路與磁路》、《電機(jī)學(xué)》、《電力系統(tǒng)分析》、《故障分析》等課程。在學(xué)習(xí)了繼電保護(hù)的基礎(chǔ)知識之后，學(xué)生開始進(jìn)入電流保護(hù)教學(xué)情境。該教學(xué)情境中，首要問題就是短路電流分布曲線（即短路電流的大小與短路點位置、系統(tǒng)運行方式、短路類型之間的關(guān)系），由于條件限制高校教師無法通過現(xiàn)實系統(tǒng)中的實驗來構(gòu)建學(xué)生對于短路電流分布曲線與各因素之間關(guān)系的新認(rèn)知。傳統(tǒng)的做法是進(jìn)行公式推導(dǎo)分析，在此基礎(chǔ)上建立學(xué)生對該部分的新認(rèn)知，該傳統(tǒng)教學(xué)方法下老師把學(xué)生看成是“容器”，認(rèn)為只要把“容器”裝滿，學(xué)生把知識死記下來就完成了教學(xué)任務(wù)，老師和學(xué)生及學(xué)生與學(xué)生之間缺乏交流，重公式和定律而輕發(fā)展過程和實際應(yīng)用。

在繼電保護(hù)教學(xué)實踐中通過引入Matlab仿真對電力系統(tǒng)故障進(jìn)行分析的方法引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識經(jīng)驗中，衍生出“短路電流分布曲線”這一新的知識經(jīng)驗。

由《電力系統(tǒng)分析》課程知識可知，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中任意點發(fā)生三相和兩相短路時，流過短路點與電源間線路中的短路電流包括短路工頻周期分量、暫態(tài)高頻分量和衰減直流分量，其短路工頻周期分量可用式（1）近似計算：

式中，EΦ——系統(tǒng)等效電源的相電勢；

Zd——短路點至保護(hù)安裝處之間的阻抗；

Zs——保護(hù)安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗；

圖1 電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)式（1）建立如圖1所示的電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)。，在該仿真系統(tǒng)中，可以通過在該故障仿真系統(tǒng)中選擇不同的短路點位置、改變系統(tǒng)阻抗及故障類型的方法來改變式（1）中Zd、Zs、Kφ的對應(yīng)值，觀察這三種因素的變化對短路電流大小的影響，從而得出不同條件下的短路電流曲線。學(xué)生通過比較所得的不同條件下的短路電流曲線，可以構(gòu)建“短路電流分布曲線”這一新認(rèn)知。

3.2 從“個體式”學(xué)習(xí)到“社會化”學(xué)習(xí)

社會性建構(gòu)主義認(rèn)為，知識不僅是個體在與物理環(huán)境的相互作用中建構(gòu)起來的，社會性的相互作用同樣重要，甚至更加重要。

在學(xué)生建立了“短路電流分布曲線”這一新認(rèn)知后，電流保護(hù)教學(xué)情境進(jìn)入到“階段式電流保護(hù)構(gòu)成”這一步驟。在教學(xué)實踐中，根據(jù)學(xué)生不同的興趣和共同關(guān)心的問題，把學(xué)生分幾組，形成學(xué)習(xí)沙龍，首先到實驗室觀察教師演示的階段式電流保護(hù)實驗情況，然后各組完成自己的階段式電流保護(hù)實驗。在實驗中，每個學(xué)生都有自己的經(jīng)驗世界，不同的學(xué)生可以對某種問題形成不同的假設(shè)和推論，通過學(xué)生之間的相互溝通和交流，相互爭辯和討論，合作完成階段式電流保護(hù)實驗這個任務(wù)，共同解決問題，從而形成更豐富、更靈活的理解。

3.3 情境性學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)環(huán)境中的情境必須有利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的意義建構(gòu)。在教學(xué)設(shè)計中，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生建構(gòu)意義的情境是最重要的環(huán)節(jié)或方面。在完成了階段式電流保護(hù)實驗之后，為了進(jìn)一步構(gòu)建學(xué)生對于階段式電流保護(hù)構(gòu)成原理的認(rèn)知，在電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)結(jié)開發(fā)了相應(yīng)的階段式電流保護(hù)邏輯判別模塊，從而完成學(xué)生對于電流保護(hù)教學(xué)情境下知識與能力的構(gòu)建。

圖2 階段式電流保護(hù)邏輯框圖

首先，按圖2所示階段式電流保護(hù)邏輯框圖，根據(jù)微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成原理，利用Simulink工具箱實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理基本算法、保護(hù)元件模塊算法及邏輯出口等模塊。

然后，計算相應(yīng)的整定值與整定時間。該部分可由學(xué)生在參加“階段式電流保護(hù)”實驗的基礎(chǔ)上，分組討論計算完成，并且構(gòu)建了“階段式電流保護(hù)整定計算”的認(rèn)知。

最后，在圖1所示的“電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)”，完善相應(yīng)的保護(hù)邏輯，設(shè)定階段式電流保護(hù)各段定值。通過仿真，可實時觀察一次系統(tǒng)的運行狀態(tài)、保護(hù)判據(jù)有關(guān)測量值的變化、保護(hù)各邏輯元件的狀態(tài)、保護(hù)出口信號狀態(tài)，從而對保護(hù)的動作過程進(jìn)行動態(tài)跟蹤，分析保護(hù)內(nèi)部各元件的動作是否合理。在此過程中，一方面，學(xué)生可以通過設(shè)置不同的保護(hù)整定值及整定時間，來觀察不同整定條件下保護(hù)動作情況的變化；另一方面，學(xué)生還可以通過改變故障位置及故障類型，來觀察不同故障情況下，階段式電流保護(hù)中各元件動作與輸出的情況。

圖3所示為，母線保護(hù)安裝處附近，0.1s時發(fā)生三相接地故障時，母線處的三相電壓發(fā)生跌落，三相電流增大為短路電流，階段式保護(hù)中的電流I段在0.203s時動作令斷路器跳閘，保護(hù)動作時間為103ms。

實踐證明，學(xué)生能夠通過本文中“階段式電流保護(hù)”學(xué)習(xí)情境，較好的掌握“短路電流分布曲線”、“階段式電流保護(hù)構(gòu)成”、“階段式電流保護(hù)整定計算”等知識內(nèi)容。

圖3 電流保護(hù)仿真系統(tǒng)的電壓、電流及出口邏輯值

4 結(jié)論

本文在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，采用Matlab仿真技術(shù)，以模塊化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種繼電保護(hù)仿真分析教學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合該系統(tǒng)及建構(gòu)主義學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，完成了“階段式電流保護(hù)”的教學(xué)實踐。實踐證明，該方法在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)情境教學(xué)模式中，能發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，滿足繼電保護(hù)教學(xué)的需要。

［1］何瑞文，陳少華.關(guān)于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)課程教學(xué)改革與建設(shè) ［J］. 電氣電子教學(xué)學(xué)報，2004，26（03）：20-21.

［2］張建偉.從傳統(tǒng)教學(xué)觀到建構(gòu)性教學(xué)觀—兼論現(xiàn)代教育技術(shù)的使命 ［J］.教育理論與實踐，2001，（09）.

［3］丁邦平.建構(gòu)主義科學(xué)教育觀與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.教育研究與實驗，2002，（01）.

［4］王晶，翁國慶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真及應(yīng)用 ［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［5］張水平，周學(xué)禮.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀在《工廠供電》教學(xué)改革中的應(yīng)用 ［J］.科技廣場，2007，（10）：205-206.