基于PSCAD中C語言自定義元件的繼電保護(hù)案例交互式教學(xué)研究

劉益青，李 星，趙義術(shù)，潘志遠(yuǎn)，徐明陽，于春光

（1.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022；2.國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”系列課程由“繼電保護(hù)原理”“微機(jī)保護(hù)”和“繼電保護(hù)課程設(shè)計”組成，教學(xué)內(nèi)容既包括保護(hù)原理和整定計算，又涉及保護(hù)實現(xiàn)技術(shù)和調(diào)試等實踐環(huán)節(jié)［1］。由于理論知識抽象、實踐技巧多，僅通過講授學(xué)生難以系統(tǒng)掌握，因此亟待開展繼電保護(hù)課程教學(xué)方法的研究［2-3］。

為提升理論學(xué)習(xí)效果，實驗教學(xué)是不可或缺的必要手段［4］。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)實驗教學(xué)，建設(shè)投資大、升級換代慢［5］。文獻(xiàn)［6］提出了半實物仿真教學(xué)的方法，一定程度上解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)需要完備物理實驗平臺的弊端，但是該方法也只適用于驗證性實驗［7］，難以實施學(xué)生深度參與的二次開發(fā)實踐教學(xué)。為擺脫硬件升級的困擾，并增強(qiáng)實驗教學(xué)的靈活性，有研究提出了基于數(shù)字仿真軟件的實踐教學(xué)方法［8］。相比物理實驗平臺，數(shù)字仿真在經(jīng)濟(jì)性和靈活性上具有較大優(yōu)勢。MATLAB［9-10］、ATP/EMTP［11-12］、RTDS［13］、PSCAD 等常見仿真軟件均已有應(yīng)用。其中，PSCAD具有簡潔、直觀的可視化界面和完善的元件庫，并提供了靈活的自定義元件支持二次開發(fā)，最適合用于繼電保護(hù)實驗教學(xué)［14］。目前基于PSCAD的輔助教學(xué)手段普遍局限于仿真一次系統(tǒng)的故障情況［15］，至多是通過PSCAD自帶的元件庫實現(xiàn)簡單保護(hù)原理［16］，實驗教學(xué)以驗證性為主，學(xué)生參與度不高，未能發(fā)揮數(shù)字仿真的靈活性、交互式優(yōu)勢?？梢?，當(dāng)前仍存在案例式教學(xué)手段不足，難以充分激發(fā)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)熱情等問題。

本文提出了基于PSCAD軟件的案例交互式繼電保護(hù)教學(xué)模式。學(xué)生通過PSCAD的C語言自定義元件編制保護(hù)軟件，深度參與到案例交互式學(xué)習(xí)過程中，并通過學(xué)習(xí)效果的反饋，形成閉環(huán)。通過實施案例交互式教學(xué)模式，能夠使學(xué)生深入掌握繼電保護(hù)理論和實現(xiàn)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新積極性，提高綜合創(chuàng)新能力，為學(xué)生將來研究和開發(fā)實際保護(hù)裝置打下基礎(chǔ)。

1 案例交互式教學(xué)平臺及教學(xué)方案

案例交互式教學(xué)以“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育認(rèn)證理念為指導(dǎo)，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力為目標(biāo)，解決繼電保護(hù)教學(xué)與工程實踐脫節(jié)的弊端，提供有挑戰(zhàn)度的實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。案例交互式教學(xué)研究包括教學(xué)平臺開發(fā)和教學(xué)方案設(shè)計兩方面。

1.1 案例交互式教學(xué)平臺開發(fā)

以PSCAD仿真軟件中的C語言自定義元件為核心，開發(fā)了純軟件環(huán)境下的案例交互式教學(xué)平臺。該教學(xué)平臺采用分層模塊化設(shè)計，使不同功能模塊之間相互獨立，便于維護(hù)。案例交互式教學(xué)平臺的架構(gòu)如圖1所示，圖中同時給出了傳統(tǒng)的驗證式教學(xué)平臺作為對比。

圖1 案例交互式教學(xué)平臺的架構(gòu)

案例交互式教學(xué)平臺由一次系統(tǒng)仿真模型、故障控制、電氣量采集與記錄和繼電保護(hù)實現(xiàn)模塊四部分構(gòu)成?！耙淮蜗到y(tǒng)仿真模型”部分由輸電線路、變壓器、等值電源和斷路器等電網(wǎng)元件組成，用于提供故障仿真數(shù)據(jù)?！肮收峡刂啤辈糠钟糜谠O(shè)置一次系統(tǒng)中的故障位置、故障類型和過渡電阻等?！半姎饬坎杉c記錄”部分利用互感器獲取故障電流、電壓的二次值，并記錄至COMTRADE錄波器中?！袄^電保護(hù)實現(xiàn)模塊”是核心環(huán)節(jié)，該模塊目前有兩類實現(xiàn)方案，其中，方案B已用于傳統(tǒng)驗證式教學(xué)，僅讓學(xué)生利用PSCAD提供的黑盒繼電保護(hù)元件搭建保護(hù)功能模塊，實現(xiàn)保護(hù)功能；方案A為本文提出的案例交互式教學(xué)方案，要求學(xué)生通過自主編制C語言自定義元件實現(xiàn)保護(hù)功能。相比于現(xiàn)有方案B，新方案A能夠提高學(xué)生編程能力并使其掌握繼電保護(hù)功能實現(xiàn)的底層邏輯，有利于學(xué)生獲取繼電保護(hù)開發(fā)經(jīng)驗。

1.2 案例交互式教學(xué)方案設(shè)計

利用案例交互式教學(xué)平臺，本文開展了以提升學(xué)生自主創(chuàng)新能力為核心的教學(xué)改革。教學(xué)方案設(shè)計如圖2所示，其中案例交互式教學(xué)方案如圖2（a）所示，該方案突出案例教學(xué)，加大交互式教學(xué)比重，以達(dá)到學(xué)生深度參與的目的，使學(xué)生對繼電保護(hù)的學(xué)習(xí)深入至技術(shù)開發(fā)層面。在所設(shè)計的案例交互式教學(xué)方案中，教師的角色由驗證式教學(xué)方案中的主導(dǎo)地位變?yōu)橹笇?dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并實施評判的輔助地位。案例交互式教學(xué)方案包括3個步驟。

圖2 教學(xué)方案設(shè)計

1）學(xué)生在教師的指導(dǎo)下確定實踐目標(biāo)，熟悉案例交互式教學(xué)平臺，設(shè)計繼電保護(hù)功能。通過師生交互解決繼電保護(hù)功能設(shè)計中的問題。

2）基于PSCAD仿真軟件的自定義元件，學(xué)生自主編制、調(diào)試C程序以實現(xiàn)所設(shè)計的保護(hù)功能。在調(diào)試過程中，教師針對學(xué)生出現(xiàn)的編譯錯誤給出調(diào)試建議。在實施中通過分組，鍛煉學(xué)生的協(xié)作能力。

3）教師實施過程評價及綜合評價。過程評價包括模型調(diào)試評價、C語言自定義元件調(diào)試評價和保護(hù)功能測試效果評價。綜合評價包括實踐報告評價及答辯效果評價。

驗證式教學(xué)方案如圖2（b）所示，與圖1中的方案B相對應(yīng)。學(xué)生調(diào)用PSCAD提供的繼電保護(hù)仿真案例，運行并記錄案例運行結(jié)果，驗證繼電保護(hù)原理。可見，傳統(tǒng)驗證式教學(xué)方案，僅以學(xué)生理解繼電保護(hù)理論知識為目標(biāo)，通過調(diào)用現(xiàn)有仿真案例驗證所學(xué)理論知識。

綜上所述，案例交互式教學(xué)方案改革了繼電保護(hù)課程教學(xué)方法，通過自主編制C語言自定義元件實現(xiàn)繼電保護(hù)功能，提高了學(xué)生的編程能力；通過實施與實際工程開發(fā)保護(hù)裝置類似的教學(xué)步驟，提高學(xué)生開發(fā)實際保護(hù)裝置的能力，使學(xué)生深入掌握繼電保護(hù)的實現(xiàn)技術(shù)。實現(xiàn)了由“教師主導(dǎo)、學(xué)生被動”到“學(xué)生主導(dǎo)、教師輔助”的轉(zhuǎn)變，在提高學(xué)生參與度方面有較大突破。在自主設(shè)計實踐方案、搭建模型、編制C程序、撰寫實踐報告和編制答辨PPT等過程中都體現(xiàn)了學(xué)生主導(dǎo)的模式。

2 以距離保護(hù)為例的案例交互式教學(xué)示例

以繼電保護(hù)學(xué)習(xí)中的難點“距離保護(hù)原理及實現(xiàn)”為例，闡述基于案例交互式教學(xué)平臺的教學(xué)方案設(shè)計。

2.1 學(xué)生任務(wù)設(shè)計

距離保護(hù)原理復(fù)雜、涉及因素多，知識點聯(lián)系廣泛，一直是繼電保護(hù)教學(xué)的難點。距離保護(hù)的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生深刻理解距離保護(hù)原理，熟練掌握阻抗計算和邏輯判斷，但傳統(tǒng)的驗證式教學(xué)方案難以實現(xiàn)此目標(biāo)。

距離保護(hù)由啟動、選相、相量及阻抗計算、邏輯判斷和延時配合等部分組成，距離保護(hù)實現(xiàn)流程如圖3所示。考慮編程實現(xiàn)難度和知識點重要程度，圖3中虛線框內(nèi)部分由學(xué)生自主設(shè)計和編程實現(xiàn)，其余部分由教學(xué)平臺提供。

圖3 教學(xué)示例中的距離保護(hù)實現(xiàn)流程

在傳統(tǒng)的驗證式教學(xué)方案中，圖3中虛線框內(nèi)部分均通過PSCAD繼電保護(hù)元件庫中的元件實現(xiàn)，包括“FFT相量計算元件”“單相阻抗元件”“相間阻抗元件”和“歐姆圓元件”等。但是這些經(jīng)過封裝的元件，對學(xué)生學(xué)習(xí)而言相當(dāng)于一個黑匣子，其實現(xiàn)功能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法展現(xiàn)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而且使用經(jīng)封裝的元件進(jìn)行實驗不涉及繼電保護(hù)實現(xiàn)技術(shù)的知識，不利于學(xué)生深入了解距離保護(hù)實現(xiàn)技術(shù)、提高其編程開發(fā)能力。

在案例交互式的教學(xué)方案中，學(xué)生利用C語言自主設(shè)計和編程實現(xiàn)圖3中虛線框部分?，F(xiàn)場運行的繼電保護(hù)軟件大多用C語言編制，所以為了與工程實踐中的保護(hù)裝置保持一致，采用C語言而不采用PSCAD內(nèi)核程序使用的FORTRAN語言，這有助于學(xué)生更好地掌握工程實踐中繼電保護(hù)的軟件架構(gòu)和算法實現(xiàn)。

綜上所述，在案例交互式教學(xué)方案中學(xué)生任務(wù)可概括為：將互感器采集的輸電線路電壓、電流輸入至自定義元件中；編寫實現(xiàn)阻抗測量、邏輯配合功能的C語言程序并嵌入自定義元件；輸出三段式距離保護(hù)動作信號以控制斷路器跳閘。此過程與實際保護(hù)裝置的工作過程完全一致。

2.2 PSCAD中C語言自定義元件的使用

實施案例交互式教學(xué)方案的關(guān)鍵是在PSCAD中嵌入學(xué)生編寫的C語言程序。PSCAD提供了自定義元件，用戶可以自行編制C語言代碼以實現(xiàn)特定的功能，自定義元件的輸入和輸出可以直接連接到PSCAD的一次模型中。借助該自定義元件可以實現(xiàn)本文提出的案例交互式教學(xué)。

將C代碼文件嵌入到PSCAD自定義元件中包括3個關(guān)鍵步驟。首先，創(chuàng)建1個自定義元件并命名。其次，使用PSCAD的Fortran接口函數(shù)調(diào)用C語言程序，實現(xiàn)C程序文件與PSCAD內(nèi)核程序之間的數(shù)據(jù)交換。最后，通過在PSCAD的“Project settings”菜單中“Fortran”屬性頁，添加被調(diào)用C程序文件的相對路徑，使用相對路徑可解決絕對路徑引用導(dǎo)致的跨目錄調(diào)用編譯不通過的問題。通過以上步驟創(chuàng)建“測量阻抗計算”和“故障區(qū)域判斷邏輯”2個自定義元件。

通過C語言自定義元件完成的編程、調(diào)試、修改錯誤、再改進(jìn)這一系列過程類似于繼電保護(hù)裝置的開發(fā)，提高了學(xué)生的參與度，有助于學(xué)生更好地掌握工程實踐中繼電保護(hù)的軟件架構(gòu)和算法實現(xiàn)。利用C語言文件實現(xiàn)保護(hù)功能，使保護(hù)算法實現(xiàn)過程透明，有利于開展二次開發(fā)實踐教學(xué)。在PSCAD自定義元件中嵌入不同的算法可實現(xiàn)不同的保護(hù)功能，能發(fā)揮數(shù)字仿真靈活性的優(yōu)勢。

3 案例交互式教學(xué)成效

以距離保護(hù)為例實施案例交互式教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，學(xué)生通過編寫實現(xiàn)相量計算、阻抗測量、保護(hù)邏輯判斷及延時配合等功能的C語言程序，不但深刻理解了三段式距離保護(hù)的原理和整定，掌握了距離保護(hù)的實現(xiàn)技術(shù)，還鍛煉了編程能力、分析問題能力及分析判斷各種故障仿真圖的思維能力。跟蹤實施案例交互式教學(xué)的學(xué)生后續(xù)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況，訪談了畢業(yè)設(shè)計為繼電保護(hù)題目的學(xué)生，普遍反饋完成較順利；訪談了就業(yè)去向為繼電保護(hù)制造企業(yè)的學(xué)生，由于熟悉了繼電保護(hù)的軟件結(jié)構(gòu)和算法原理，能較快勝任繼電保護(hù)裝置的研發(fā)工作?？梢姡咐换ナ浇虒W(xué)方案設(shè)計合理，可有效提升繼電保護(hù)的實踐教學(xué)效果。

4 結(jié)語

利用PSCAD輔助繼電保護(hù)的實踐教學(xué)，有經(jīng)濟(jì)性和安全性優(yōu)勢，可作為繼電保護(hù)物理實驗的有效補(bǔ)充和拓展。本文提出的基于C語言自定義元件的案例交互式教學(xué)方案，由學(xué)生自主設(shè)計和調(diào)試?yán)^電保護(hù)實現(xiàn)軟件，直觀展示設(shè)計成果，學(xué)習(xí)效果提升顯著，對于激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、深入掌握繼電保護(hù)的實現(xiàn)技術(shù)、提高C語言編程能力、積累開發(fā)經(jīng)驗等方面均起到了積極作用，并且提高了學(xué)生觀察仿真結(jié)果、分析問題和解決問題的能力，該方案除用于輔助繼電保護(hù)的理論教學(xué)外，還可應(yīng)用到繼電保護(hù)相關(guān)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)中，全面提升實踐教學(xué)效果。