积木式“继电保护”实验教学方法研究与探索

邓丰强 王智东 杨 玲 关颖聪 梁敏航

(华南理工大学 电力学院， 广州 510641)

继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的，是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。其基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响[1]。

继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。电力系统发生故障后，将出现电流增大、电压降低、电流与电压之间的相位角改变、测量阻抗发生变化等主要特征。不对称短路时，出现相序分量，出现负序和零序电流、电压分量[2-3]。

利用短路故障时电气量的变化，构成各种原理的继电保护。当前“继电保护”实验教学，也是根据电气量的变化情况，设计各种类型的继电保护实验，比如，利用故障时电流增大特点，采用电流继电器实现电流保护功能；采用电压继电器实现低电压常闭接点功能，构成电压保护。

但当前高校开设的“继电保护”实验，主要按照固定的保护类型设置课程，比如三段式电流保护实验，仅利用多个电流继电器组装形成；更有利用单个电流继电器或单个电压继电器实现的简单继电保护实验[4-6]。

由于以特定的“继电保护”实验方式设置课程，学生通常只是按部就班地完成实验课程内容，容易产生固定的思维模式，没有充分体现继电保护灵活的配置方式。

因此，下面将探讨在“继电保护”实验教学中以功能模块为核心，通过引导学生梳理继电器功能，在熟悉各个继电器功能基础上，根据对电力系统异常或故障所体现的电气特征，充分利用电气特征构建所需的保护功能，并调用实验设备的各种保护元件，以搭积木的方式灵活构建所需的功能模块，实现从简单的继电保护实验到综合性继电保护发展。

1 积木式实验方法

1.1 积木式教学

积木有利于学生发挥想象，综合运用多种不同种类的积木共同搭建实物，有利于想象力和创造力的培养[7-9]。积木原理通过提供各种构件，使之按照不同的构想和操作方式，快速实行综合组编和应用[10-12]。

积木式教学适用于多种具体的实践型、应用型专业课程。如“电力系统继电保护实验”“电力电子综合实验”“电力系统综合实验”“单片机原理与应用”等课程。该教学方法一般分为基础教学、积木分解和组合教学三个阶段。基础教学主要对学科的基础知识、基本设备等的教学和技能讲授，如常用的电子仪器使用、电路参数测量、接线、查线的基本方法与技能的训练；积木分解主要向学生阐明该门课程虽然复杂，但可逐级分解，最后为最基本的要素或知识技能，如各功能电路最后可分解为最基本的电子元件三极管、二极管、电阻、电容等，学生掌握了事物可分解性的特征，遇到任何复杂的知识和技能都能根据性能将其划分几个基本的功能电路(或基本部分)；组合教学就是根据教学目的和要求，将若干基础知识或技能、要素组合成功能单元(电路)，再将若干功能单元组合成能满足某种需要的复杂知识技能或电路。

积木式教学的核心就是在教学中引导学生从简单到复杂、从单功能到多功能，积极引导、多加训练，逐步培养学生认识问题、分析问题、解决问题的能力和激发学生创新、创造潜力。

1.2 继电保护模块化

按照各个功能模块梳理平台所能实现的功能，一种是接入可调电源，优点是可以慢慢调节等，灵活性更好；另外一种是根据现有平台的简易一次系统模型进行实验。

继电保护模块化可按保护对象、保护原理、保护所反应故障类型、继电保护实现技术和保护所起的作用等进行分类，如图1所示。

图1 继电保护模块化分类

继电保护模块化分类是进行积木式“继电保护”课程研究的前提和基础，根据模块化分类便可进行积木式设计与实践。

1.3 实现步骤

积木式实验方法步骤为：①了解和掌握实验平台设备的基础信息，如参数、功能和数量等；②分析平台设备所能产生的电气特征；③根据所产生的电气特征选择合适的电气元件；④测试和确保各电气元件能够实现和完成自身的继电保护功能；⑤按照积木式方法将上述各功能元件组合搭建成一个整体性的综合继电保护功能平台。实现步骤流程图如图2所示。

2 积木式继电保护实验构造

华南理工大学面向本科实验教学的继电保护实验室当前拥有8台继电保护实验综合平台，每个实验台有6个电磁式电流继电器(以下统称电流继电器)、2个电磁式电压继电器(以下统称电压继电器)、2个时间继电器、2个信号继电器和2个中间继电器，对上述8个继电保护实验综合平台的所有电磁式电流和电压继电器进行继电器特性实验实测。

图2 积木式实验方法流程图

2.1 保护功能实现

三段式保护的实现都要和时间继电器、信号继电器、中间继电器配合，才能使各个保护不会越限动作，从而保证选择性，并且保护线路的全长，减少死区。具体如下：

(1)电流继电器与时间继电器、信号继电器以及中间继电器配合可以形成相间电流三段式保护。

(2)电压继电器与时间继电器、信号继电器以及中间继电器配合可以形成相间电压三段式保护。

(3)三个相电流并联的电流输入电流继电器可以形成零序电流保护。

(4)三个相电压并联的电压输入电压继电器可以形成零序电压保护。

(5)因距离保护在接地故障与相间故障分别采用不同的接线方式，接地故障采用带零序补偿的接线方式，加入继电器的电压为相电压UA和电流为IA+K×3I0，其中K=(Z0-Z1)/3Z1。K为零序补偿系数，I0为零序电流，Z0为零序阻抗，Z为正序阻抗。而在相间故障时则采用0°接线方式，加入继电器的电压为相电压，电流为相电流差。如此，可以形成完整的距离保护，在各种故障时都能可靠地切除故障，保证供电的可靠性。

(6)通过三相重合闸，在线路故障跳开继电器时启动重合闸装置对已动作的继电器三相重合闸，若重合于瞬间故障，则能提高供电可靠性，保证线路继续为各端进行供电。若重合于永久性故障，则跳开三相的继电器，且不再重合。

2.2 积木式保护功能构造

显然，通过上述保护功能的实现，本科实验教学的继电保护实验室可以实现上述6种实验和功能，学生可以分析线路和设备产生的特征，选择以上一种或多种保护功能来实现和完成实验，通过积木式的方法将其结合在一起形成一个综合的继电保护系统。积木式保护功能构造如图3所示。

图3 积木式保护功能构造图

3 微机装置实现积木式继电保护功能

微机保护中有三种类型的保护，即线路电压、电流保护、线路阻抗保护和变压器保护。微机装置允许全部使用用户自己编写的程序代替原程序，这个扩展性能更好地提高学生的创造力，使保护的实现不局限于微机的内部程序设定的保护，学生可以通过自己编写的程序对线路进行保护。

概括来说，可实现以下八个方面的功能：

(1)全部使用用户自己编写的程序代替原程序；

(2)使用用户自己编写的幅值计算程序代替原程序中的电压电流幅值计算程序；

(3)使用用户自己编写的程序代替原阻抗保护判定程序中的相关程序；

(4)使用用户自己编写的程序代替原变压器保护判定程序中的相关程序；

(5)使用用户自己编写的程序代替原电流电压保护判定程序中的相关程序；

(6)使用用户自己编写的显示子程序代替原程序中的相关程序；

(7)使用用户自己编写的A/D采样程序代替原程序中的相关程序；

(8)在原程序中增加用户自己编写的部分程序。

以上为微机基本程序的修改、编写，相当于微机保护的“积木”，在此基础上，学生可将以上基本子程序进行组合，自主地选择不同的保护元件来形成不同的保护，然后将各个保护利用积木式的形式结合起来，搭建成一个更为强大的综合性继电保护功能。

从简单到复杂、从容易到较难的程度上分步实现积木式实验教学：

(1)在原程序中加入学生自己编写的部分程序。该步骤对学生的相关知识要求较低，适合于初学者进行实践操作训练。例如，在原程序中加入最简单的一个显示子程序，让保护单元箱只显示某一个字符或一行字符，通过检查保护单元箱上的显示内容就可检验用户自己进行的编程是否正确，形成微机保护的积木要素。

(2)完成某一项程序的替代或基本功能的扩充。例如完成A/D采样程序的替代程序，形成微机保护的积木程序。

(3)根据教学目的和需要，分解微机保护为各积木程序，梳理各积木程序并完善积木程序编写。

(4)组合各积木程序实现综合、强大的微机保护功能。

4 结语

积木式实验教学法激发了学生的学习兴趣，使学生增强了自信心，同时提高了学习积极性。通过小组成员协作完成任务，培养了学生的团队精神。参与教研教改项目的学生普遍反映受益匪浅。

积木式教学方法提高了学生的动手能力以及自主创新、创造的能力，将进一步推进积木式教学的不断发展；后续将继续不断地探索新的积木式教学的方法和思路，努力推进积木式教学的推广和普及。