學(xué)生可自主構(gòu)建的全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)

張紫凡，王智東,2，徐江元，王 玕，陳志峰，張 哲，陳瑞源

（1. 華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；3. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司韶關(guān)卷煙廠，廣東 韶關(guān) 521026；4. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)由于涉及電力系統(tǒng)故障分析、電路理論、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞蓉S富內(nèi)容，是一門難于掌握的課程[1-2]，尤其像三段式過(guò)電流保護(hù)、距離保護(hù)等基礎(chǔ)內(nèi)容較為抽象、知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性多，本科生的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)知識(shí)學(xué)習(xí)往往流于表面，難以深入、系統(tǒng)地掌握繼電保護(hù)知識(shí)的要點(diǎn)[3-4]。

目前的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)主要采用以硬件實(shí)驗(yàn)裝置為主或以電力系統(tǒng)仿真軟件為主兩種方式[5-6]。以硬件實(shí)驗(yàn)裝置為主的本科實(shí)驗(yàn)具有具體形象的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能通常是固定的，難以通過(guò)靈活調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)，靈活實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在各種不同運(yùn)行條件下和差別各異的運(yùn)行環(huán)境中工作。以MATLAB、PSCAD 等仿真軟件為主的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)方法，能夠直觀、靈活地設(shè)置電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的運(yùn)行情況，但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，除了直觀性稍差外，掌握這些軟件需要有一個(gè)漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過(guò)程，在本科電力系統(tǒng)課程有限的課時(shí)學(xué)習(xí)中，難以廣泛應(yīng)用。

1 全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)

考慮硬件實(shí)驗(yàn)裝置的直觀性和電力軟件的靈活性等優(yōu)點(diǎn)，本文結(jié)合繼電保護(hù)課程特點(diǎn)，構(gòu)建以PSCAD仿真軟件為平臺(tái)基礎(chǔ)、硬件實(shí)驗(yàn)裝置為補(bǔ)充的全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)[7-8]。

全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)以搭建本科教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基礎(chǔ)庫(kù)為技術(shù)基礎(chǔ)，將繼電保護(hù)課程內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)以可視化、直觀化、靈活化的方式呈現(xiàn)在仿真平臺(tái)上[9-10]。全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)配備豐富的繼電保護(hù)仿真案例，可為繼電保護(hù)課程教學(xué)以及學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽提供服務(wù)。

全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)思路，由基礎(chǔ)層、中間層、平臺(tái)層和應(yīng)用層四部分組成，如圖1所示。基礎(chǔ)層以PSCAD 電力仿真軟件為核心，同時(shí)包含硬件繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，充分利用現(xiàn)有硬件繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置的直觀性優(yōu)點(diǎn)，降低初學(xué)者學(xué)習(xí)難度，同時(shí)可以與軟件仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，以互補(bǔ)性方式豐富教學(xué)效果。

圖1 全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建

中間層完成搭建本科教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基礎(chǔ)庫(kù)的功能，以直觀、生動(dòng)、可調(diào)的電力系統(tǒng)全景平臺(tái)結(jié)合繼電保護(hù)仿真案例作為平臺(tái)層[11-12]。綜合基礎(chǔ)層、中間層以及平臺(tái)層構(gòu)成全景式繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)的硬件以及軟件基礎(chǔ)，在面向所有學(xué)生的基本繼電保護(hù)課程教學(xué)的同時(shí)，能夠支持學(xué)有余力的學(xué)生參與本科科研和課外創(chuàng)新競(jìng)賽，從而達(dá)到適應(yīng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)以及進(jìn)階學(xué)習(xí)的目的，適用于不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生使用[13]。

全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)的平臺(tái)層中，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真模型的一次以及二次系統(tǒng)中的各個(gè)元件都是可見、可調(diào)的。在平臺(tái)層中配備有豐富的與課程知識(shí)點(diǎn)結(jié)合的繼電保護(hù)教學(xué)案例可供學(xué)生調(diào)用，主要包括三段式過(guò)電流保護(hù)案例、距離保護(hù)案例、縱聯(lián)保護(hù)案例、主設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、母線）保護(hù)案例、重合閘與繼電保護(hù)配合案例。

在應(yīng)用層，一方面通過(guò)調(diào)用現(xiàn)有的仿真案例，全景繼電保護(hù)教學(xué)平臺(tái)可以為面向所有學(xué)生的基本課程教學(xué)提供服務(wù)；另一方面，全景繼電保護(hù)教學(xué)平臺(tái)以靈活的操作界面以及可調(diào)用的元件庫(kù)，為學(xué)有余力的學(xué)生的科研以及創(chuàng)新競(jìng)賽提供有力支持。

2 全景課程的設(shè)計(jì)

本文提出的全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)，首先滿足繼電保護(hù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，以驗(yàn)證性繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)為主體；接著開放了探索性繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)階提高，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐步深化學(xué)習(xí)的過(guò)程。

2.1 驗(yàn)證性繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在以繼電保護(hù)知識(shí)學(xué)習(xí)為目的的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)中，以仿真案例為基礎(chǔ)，促使學(xué)生以專業(yè)知識(shí)作為理論依據(jù)來(lái)開展實(shí)驗(yàn)步驟以及分析仿真結(jié)果。以理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，再以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論知識(shí)，形成閉環(huán)的學(xué)習(xí)過(guò)程，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)步驟是調(diào)用平臺(tái)層的繼電保護(hù)教學(xué)案例，獲得所需要的繼電保護(hù)仿真模型。繼而分析仿真案例的一次以及二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)整定原則計(jì)算并設(shè)置繼電保護(hù)設(shè)備的參數(shù)，完成仿真模型的整定配置。

第二個(gè)步驟是設(shè)計(jì)不同的仿真條件，如不同的故障位置、故障類型、故障時(shí)間以及不同的系統(tǒng)運(yùn)行方式等條件，并在各個(gè)仿真條件下，進(jìn)行仿真計(jì)算。

第三個(gè)步驟是觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析。若得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第一步中的整定計(jì)算相一致，則完成實(shí)驗(yàn)；若不一致，則說(shuō)明某實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有問(wèn)題。促使學(xué)生自主運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)分析原因并解決問(wèn)題，如問(wèn)題得不到有效解決，則輔以教師指導(dǎo)來(lái)更正錯(cuò)誤環(huán)節(jié)，并完成實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)始終以理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用為基礎(chǔ)，以學(xué)生自主解決問(wèn)題為導(dǎo)向，以教師指導(dǎo)為輔助，以期在達(dá)成良好教學(xué)效果的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

2.2 探索性繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

學(xué)生可自主構(gòu)建的全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)在提供輔助教學(xué)功能的基礎(chǔ)上，還可為繼電保護(hù)的探索性研究提供一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)有余力的學(xué)生有進(jìn)一步的探索空間。

該系統(tǒng)支持與繼電保護(hù)相關(guān)的多種類型的探索性研究，如繼電保護(hù)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、不同應(yīng)用場(chǎng)景下繼電保護(hù)功能的研究、分布式能源接入對(duì)繼電保護(hù)的影響分析、繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作原因分析等多個(gè)方面。

第一個(gè)步驟是根據(jù)研究目標(biāo)自主設(shè)計(jì)所需要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟx定繼電保護(hù)類型、設(shè)計(jì)一次系統(tǒng)拓?fù)鋱D、設(shè)計(jì)二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能、設(shè)計(jì)仿真條件、對(duì)所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做初步的預(yù)計(jì)。

第二個(gè)步驟是根據(jù)模型設(shè)計(jì)在仿真平臺(tái)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在模型的建立過(guò)程中，可在全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)自帶的元件庫(kù)中調(diào)用元件模型。如果元件庫(kù)中沒(méi)有需要的元件模型，則可應(yīng)用FORTRAN 編譯語(yǔ)言在仿真平臺(tái)自主創(chuàng)建所需的元件模型。新模型創(chuàng)建后可保存在元件庫(kù)中，方便下次調(diào)用。

第三個(gè)步驟是自主設(shè)計(jì)仿真條件并運(yùn)行模型，運(yùn)行成功則可得到所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行不成功則需要經(jīng)過(guò)自主思考或者教師指導(dǎo)更正模型。仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖3 所示。

在探索性繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，在確保實(shí)驗(yàn)可操作的前提下，賦予了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中充分的自由度。學(xué)生的自主性體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、元件模型創(chuàng)建環(huán)節(jié)、模型搭建環(huán)節(jié)、仿真條件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以及遇到問(wèn)題的自主思考環(huán)節(jié)，貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中。

圖2 驗(yàn)證性繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)流程圖

圖3 探索性繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)流程圖

3 全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)的元件庫(kù)

在全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的元件庫(kù)中選擇系統(tǒng)元件來(lái)構(gòu)建繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ?kù)作為全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括電力系統(tǒng)元件庫(kù)和繼電保護(hù)元件庫(kù)，在涵蓋電力系統(tǒng)主要的一次元件以及二次元件的基礎(chǔ)上，還具備較強(qiáng)的拓展性，在繼電保護(hù)教學(xué)過(guò)程中可不斷添加新的元件模型。

3.1 電力系統(tǒng)元件庫(kù)

一次系統(tǒng)元件庫(kù)如圖4 所示。系統(tǒng)元件庫(kù)的結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由電源、輸配電系統(tǒng)以及負(fù)荷三部分組成。

元件庫(kù)的電源部分包括火電廠、水電廠、系統(tǒng)等效電源等主要的電源類型。在此基礎(chǔ)上，充分考慮新能源的發(fā)展趨勢(shì)，引入了風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電等清潔電源的發(fā)電元件模型。

輸配電系統(tǒng)以線路、開關(guān)、變壓器為主要內(nèi)容。為充分考慮仿真實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性、仿真研究的側(cè)重性、元件選擇的靈活性，線路模型配備了分布參數(shù)的架空線元件、電纜線路元件、集中參數(shù)的派型等值線路元件。變壓器的元件類型有三相變壓器、單相變壓器、三繞組以及雙繞組變壓器、自耦變壓器。為貼近實(shí)際變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)，可通過(guò)設(shè)置變壓器的參數(shù)觀察勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。

負(fù)荷部分主要包括系統(tǒng)等值負(fù)載、電動(dòng)機(jī)類旋轉(zhuǎn)負(fù)載以及可控負(fù)載三種類型。通過(guò)對(duì)負(fù)荷類型的選擇可分別模擬不同的仿真場(chǎng)景。

圖4 一次系統(tǒng)元件庫(kù)

圖5 二次系統(tǒng)元件庫(kù)

3.2 二次系統(tǒng)元件庫(kù)

作為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)的核心元件，繼電器、測(cè)量元件以及信號(hào)處理等元件組成的保護(hù)元件庫(kù)如圖5 所示。繼電器元件涵蓋多種繼電器類型，包括過(guò)電流繼電器、阻抗繼電器、功率方向繼電器、比率差動(dòng)繼電器、反時(shí)限過(guò)電流繼電器、時(shí)間繼電器，保證了繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)的多樣性以及靈活性。

繼電器并不能直接從一次系統(tǒng)中得到所需的信號(hào)，需要電流互感器、電壓互感器以及包括電流表、電壓表、功率表、頻率表、萬(wàn)用表等多種類型的測(cè)量?jī)x表，為不同類型的繼電器提供所需的輸入信號(hào)。對(duì)于阻抗繼電器則需要將測(cè)量得到的電壓與電流信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算，將其轉(zhuǎn)化為阻抗信號(hào)。因此在二次系統(tǒng)元件中還需要信號(hào)處理元件，如相序轉(zhuǎn)換器、快速傅里葉變換、接地以及相間阻抗計(jì)算元件，可實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理的功能。

此外，邏輯運(yùn)算元件包括典型的與門、或門、非門、移位寄存器以及JK 觸發(fā)器，基本滿足了繼電保護(hù)裝置中邏輯運(yùn)算的需求。

4 學(xué)生自主構(gòu)建探索性繼電保護(hù)案例

學(xué)生在電力系統(tǒng)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，可自主構(gòu)建對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)模型，并觀察現(xiàn)象、分析原因。學(xué)生在開拓性仿真實(shí)驗(yàn)中，既能調(diào)用平臺(tái)所提供的現(xiàn)有模型和案例進(jìn)行改造設(shè)計(jì)及進(jìn)一步的功能開發(fā)，又可以根據(jù)需求自主設(shè)計(jì)并構(gòu)建模型。

全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)中輸電線路距離保護(hù)仿真模型如圖6 所示，包括兩個(gè)建模區(qū)域以及為建模工作提供服務(wù)的“功能區(qū)”和“信息區(qū)”。建模區(qū)域分別為“一次系統(tǒng)及信號(hào)輸出”和“二次系統(tǒng)及信號(hào)輸出”，功能區(qū)中的“繼電保護(hù)案例庫(kù)”和“元件庫(kù)”可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自備教學(xué)案例及設(shè)備模型調(diào)用，“自主創(chuàng)建元件”可根據(jù)建模需求自主創(chuàng)建封裝元件。學(xué)生通過(guò)“仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置”，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自主決定仿真時(shí)長(zhǎng)及仿真計(jì)算精度。信息區(qū)中的“模型運(yùn)行信息”和“信號(hào)節(jié)點(diǎn)查找”可協(xié)助學(xué)生在建模過(guò)程中查找并改正模型錯(cuò)誤。

以雙側(cè)電源高壓輸電線路的距離保護(hù)為例，該模型中一次系統(tǒng)部分中的主要元件有系統(tǒng)電源、輸電線路、斷路器、測(cè)量?jī)x表等元件，二次系統(tǒng)中主要元件為兩個(gè)自定義的封裝元件，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)轉(zhuǎn)換功能、測(cè)量阻抗計(jì)算、故障區(qū)域判斷以及斷路器控制信號(hào)輸出功能。模型中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其一次元件和二次元件的參數(shù)均可由學(xué)生自主設(shè)置，極大地增加了仿真實(shí)驗(yàn)的開放性。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先要根據(jù)研究目標(biāo)并參考實(shí)際電網(wǎng)自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，如電壓等級(jí)選擇、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線路長(zhǎng)度、負(fù)荷類型等，然后根據(jù)課題需要設(shè)計(jì)并建立二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整定計(jì)算并設(shè)置二次系統(tǒng)參數(shù)，如繼電器的保護(hù)范圍、動(dòng)作值、動(dòng)作延時(shí)等。在模型搭建完成后，可根據(jù)課題需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行仿真研究。

圖6 全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)中輸電線路距離保護(hù)仿真模型圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)繼電保護(hù)課程較抽象、難理解等特點(diǎn)，提出一種以電力系統(tǒng)專業(yè)仿真軟件PSCAD 為基礎(chǔ)的、可自主構(gòu)建的全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方面，始終以學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)的主體，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。在全景繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，針對(duì)操作平臺(tái)、教學(xué)案例、元件庫(kù)等多個(gè)方面的設(shè)計(jì)都遵循靈活、開放的原則，以增強(qiáng)學(xué)生的自主操作性為目的。

通過(guò)仿真平臺(tái)的軟硬件建設(shè)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)經(jīng)典仿真案例的構(gòu)建，以滿足基礎(chǔ)教學(xué)的需要，同時(shí)設(shè)計(jì)推出了拓展性實(shí)驗(yàn)的仿真案例以及實(shí)驗(yàn)流程，為學(xué)有余力的學(xué)生發(fā)展專業(yè)的科研能力提供有力支持。全景式繼電保護(hù)教學(xué)系統(tǒng)可在滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求的同時(shí)，有效地提高教學(xué)效率。