电力系统继电保护课程教学改革探讨_高鹏.pdf

随着社会的发展与进步，电力资源的需求逐步上升，日常生活以及工业生产实践都离不开电力的支持。基于电力对于现代生活的重要性，继电保护在电力系统中的作用逐渐增强。电力系统继电保护是一门理论和实践相结合，并且具有较强的应用性、综合性的专业课程。作为电气工程及其自动化专业的核心课程之一，它的理论比较抽象，学习难度较大。部分传统理论课程的学习具有局限性，理论知识更新较慢，时效性不高；而实验课程往往是理论课程的辅助性教学环节，部分学生的知识储备只是书本上的理论知识。但实际生产过程中继电保护不能仅限于理论环节，更多的是动手实践，对产生的问题要具有一定的处置经验，有的要经过专业的培训才允许上岗。因此，在继电保护教学中，实验教学环节显得尤为重要。学生通过实验教学，可以更好地理解理论教学内容，掌握必要的工程技术、测试方法、先进设备和基本研究方法，同时还可以培养学生的实验技能、科学素养和创新能力，也为以后相关方面的工作打下了良好的基础。这就要求教师在课程的教学设计中，合理优化教学内容，不断改进教学方法，紧跟时代步伐，培养出综合能力强的创新型人才。一、传统电力系统继电保护课程教学中存在的问题（一）理论环节电力系统继电保护的理论课程具有一定的针对性，理论分析环节很多，计算复杂，而且许多计算方法以及电路搭建需要涉及到其他专业课程的基础知识，由于部分学生的相关专业基础知识不扎实，对于继电保护中的知识理解会有一定的困难，例如保护方式配合上的学习、优化以及整定方法的计算。这样会导致继电保护的理论基础不牢固，对后面保护方式由点及面的跨度不能很好地进行运用；再者，教学内容是课程的基本组成部分，随着现代电力系统的快速发展，电气设备、线路规划日新月异，而有的课程教材的时效性不高，教材版本更新不及时，新的元素较少，学生在运用中很难接触到新的事物，导致在后续电力系统继电保护课程教学改革探讨*高鹏（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林5 4 1 0 0 4）摘要 电力系统继电保护课程是电气工程及其自动化专业的一门核心课程，其教学改革要针对目前存在的不足，对理论环节与实践环节进行相应调整，提升学生独立思考与实践能力，提高教学质量，为学生将来的学习和工作奠定良好的基础。关键词 电力系统；继电保护；教学改革 中图分类号 G434 文献标识码 A 文章编号 1008-7656（2022）06-0082-04*基金项目 桂林电子科技大学校级教学改革“基于图形化可编程的电力系统继电保护实验平台建设”（编号：C21JWM00YX13）收稿日期 2022-10-19第 33 卷第 6 期广西广播电视大学学报Vol.33 No.62022 年 11 月JOURNAL OF GUANGXI OPEN UNIVERSITYNov.202282第 33 卷第 6 期广西广播电视大学学报Vol.33 No.62022 年 11 月JOURNAL OF GUANGXI OPEN UNIVERSITYNov.2022的实践中难以很好地处理先进元器件的故障问题。（二）实验环节1.实验操作繁琐常规的基于模拟保护元件的继电保护方法，是将所有涉及的保护继电器用线路连接在一起，即将所有的保护逻辑赋予接线中。所用元器件数目多、接线形式复杂，较难操作，难以查出线路中的错误，不易操作和逻辑修改。同时，继电器的操作速度快，继电器数目多，对于缺乏实验经历的学生而言，只能通过反复实验才能观察出元器件的运作以及参数变化，这既延长了实验时间，在一定程度上还会降低设备的使用寿命，使得实验教学效果不够理想。2.设备定型不易改动从硬件平台上看，电力系统继电保护实验中采用了定型的微机继电保护装置，保护程序提前装好并固化在装置中，该系统方便可靠、可实现各种保护功能（固定的装置实现相应的保护），但学生难以介入保护算法的设计和编程，更看不到保护逻辑的执行过程，学到的编程方法在实际应用中较难实现，导致部分学生难以对整个保护过程有深刻的理解。3.接口过少难以优化继电保护技术正在向数字化、网络化、综合化以及智能化的方向发展，而目前有的实验平台装置没有预留升级和扩展的接口，对后续的升级拓展造成一定的困难。（三）教学理念在知识、能力和素质的关系上，部分传统教学重视知识的传授，对学生实践能力的培养不足，特别是在学生的创新能力的培养方面。在教与学的关系上，强调教师的主导性，学生的主体性体现不够。教学过程中，教师向学生单向传输知识，学生被动地学习，其主体性和积极性体现不够。缺乏主动性和积极性，创新性也就失去了基础。同时，对学生的要求强调整体性，对个体的差异性重视不够，影响学生创新能力的培养。二、改革的必要性电力系统继电保护课程具有两个特点：一是理论性强，二是实践性强。理论性体现在课程综合性较高，与其他课程关联度高，高校涉及电力专业的基础课程都会涉及数电、模电、电力系统分析、电机学、P L C、高低压等设备，基本的计算机技术是必不可少的。例如，元件保护课程中涉及到的发电机、变压器、母线、断路器、电抗器等内容与电机学及电气设备课程相关；线路保护与高电压技术、电力系统分析（潮流、短路、稳定）、计算机应用等课程也有联系。因此，课程学习不仅仅有是原理上的理解，更需要对设备的了解，有很强的实践性。学习继电保护课程的目标就是在实际生产中的应用，仅仅靠理论基础是不够的，还需要掌握设备的继保衔接、线路的故障选线知识以及异常状态下的快速应变能力，实际生产中不能只考虑理想化的故障问题，更要关注非理想状态下的隐患，而这些都是难以从书本中获得，需要从实践中去发现、去处理、去学习。在授课教学中，部分教师往往会把保护原理作为重点，而部分学生对单一原理的学习积极性不高，教学效果就不尽如人意；而实验中的接线图结构复杂，所学的理论知识运用较为困难。因此，开展理论与实践相互融合的教学方法特别关键。应通过教学验证所学继电保护理论的正确性，加深学生对基本原理、基本概念的理解，增强感性认识，进一步促进理论学习，进而使学生熟悉继电保护装置的基本结构，掌握必要的工程技术、测试方法、先进设备和基本研究方法，同时培养学生的实验技能、科学素养和创新能力。三、改革的策略在教学过程中，应树立现代实验教学理念，与同类院校进行沟通，取长补短，更新教学内容，寻求适合学校学生的教学方法，构建科学合理的教学体系，要符合培养目标的要求。（一）理论环节1.线上线下同步授课随着计算机和网络技术的快速发展，课程教学不局限于面对面的班级授课，还可以引入到线上。2 0 1 5 年，教育部出台了 关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见 ，各高校纷纷响应，建设了一大批在线开放课程 1。利用网络平台的 M O O C教学，多利用动画、动态图以及可视化的方式将难点简单化，将模型简易化，高校可以建立自己的教学 M O O C，也可推荐学生学习其他学校平台开设的课程。三峡大学电气与新能83源学院也提出建立开放网络教室，购买在线学习资源的改革思路 2。其将整个教学课程分为课前、课中和课后，学生在线上提前观看教学视频，进行预习测验，对课程内容有一定的了解。由于电力系统继电保护课程所涉及的其他课程知识点较多，提前预习让学生有充分的时间去阅读查找课程的相关资料，有助于深入理解，并且动画的效果可以把传统教学变得生动，让学生在观看动画的同时更容易理解动作方式，增强了学生的学习兴趣。线下授课则将章节重难点反复强化联系，使学生对继电保护思路的基本要求（即可靠性、选择性、快速性、灵敏性）有新的认识。2.教学内容及时更新自“双碳”目标提出以来，电力系统结构日益更新，每一根线路、每一个器件都在被优化的考虑范围，教材上的内容是不够的，需要教师和学生多看多学，教师要将前沿知识融入课堂教学环节，可以结合当前建设的“特高压直流输电”“微电网并网运行”3 等项目，给予学生一定的背景知识，对热门项目的普遍问题，让学生思考，增加课堂讨论，这对学生后续的学习有一定的帮助。学生也可以提出新的见解并与教师加强交流，也可以将自己的感受和教师、同学进行分享，集思广益，共同探讨更好的学习方法，更深刻地理解保护机理。同时，教师要做好学生的引导，结合具体工程案例，良好衔接课程目标，并且要培养学生独立思考和团结协作的能力。教师在注重学生创新能力培养的同时也要让学生明白团队的重要性，实际生产中需要团队成员的共同努力，团结协作，为以后的实际工作奠定基础。（二）实验环节1.增加实践权重，产学研融合教学电力系统继电保护课程的实践性较强，教材上的理论知识虽然可以调动学生的学习积极性，却难以在实践上同步培养。因此，高校应加强与当地电力企业的合作，共同研究出适合培养学生实践能力的教学方法，制订适宜的教学计划，增加实践环节在整个教学环节上的权重比例。高校要通过与企业构建在线实践课堂，多选取实际生产案例进行举例实验，让学生深入了解具体的岗位与工作方式，将理论上的保护原理可视化、可操控化，将其与课本上的重难点联系起来，融会贯通，加深理解；也可以安排学生在线下去企业生产线实习，在真实工作环境下学习如何解决继电保护的故障问题，与企业工作人员共同探讨，在实际的生产线上提高学生的实践能力，企业也可按学校的培养方式对学生定期进行工作评估，学校对于企业反馈的工作问题在课堂和实验室中进行模拟试验，形成有效的正反馈路径，增强学生实践的能力，提高学校的教学质量。电力系统继电保护课程改变了以往单一理论教学的方式，应将理论教学作为基础，将工程实践作为依托 4。目前许多高校采用产学研融合教学的模式，在这一模式下可以加强学生实践能力的培养，激发学生的求知欲，培养学习兴趣，有利于加强学生、学校与电力企业之间的合作。同时也要加强师资队伍的建设，提升教学质量，培养更多的优秀人才。在课程考核中也要着重考虑实验分数的权重占比，重视过程性考核，给予实验环节更多的分值，要将各个操作环节各赋分值，建立完善的课程达标度评价机制，课程结束时进行综合考量；适当增加操作环节分数，适时进行阶段测评，在实践操作时，让学生进一步思考和理解知识点，这也是对学生专业能力的一种提升。2.开放式实验项目本课程共包含四个实验板块，从输电线路电流电压保护实验、三段式电流保护实验、线路保护与自动重合闸实验到变压器差动保护实验，逐渐深入，与教材上的理论知识讲解顺序相互对应，每一章均详细地为学生指明了实验目的、实验原理、实验内容，通过合理的设计，证实已有的理论。而目前部分电力系统继电保护实验平台处于封闭化状态，并且所用程序已提前编好并输入到设备中，学生难以从外部介入程序，也难以将所学知识运用其中；装置封闭化也导致保护过程可视化程度降低，学生很难直观观察到整个保护过程以及各项保护参数，给学生对保护原理的理解带来了一定困难。基于此，桂林电子科技大学加强了实验中心的硬件及软件建设，评定并构建了基于图形化数字可编程继电保护实验教学平台，如下页图 1 所示。将基于可编程继电保护装置应用于继电保护的教学实验中，实现在线图形化保护逻辑编程、实时监控被测电量、保护逻辑的执行过程，为实验室资源的高效利用提供条件。平高鹏/著电力系统继电保护课程教学改革探讨84第 33 卷第 6 期广西广播电视大学学报Vol.33 No.62022 年 11 月JOURNAL OF GUANGXI OPEN UNIVERSITYNov.2022图 1基于图形化数字可编程继电保护实验教学平台图台内采用了可编程继电保护装置与图形化人机交互组成保护的硬件系统，方便后续的观察与程序输入；以保护元件图形组成继电保护逻辑，在线编程，将保护控制要求输入到可编程继电保护装置中；采用模拟负载及故障产生装置构建设定的故障现象，产生故障源信号；最后将故障源信号引入可编程继电保护装置，监测故障源信号的特征量、测试保护逻辑动作执行过程和执行结果。将图形化数字可编程继电保护装置用于继电保护的实验教学系统中，实现了继电器保护 逻辑的在线图形化设计、编程和可视测试；软件和实际装置的结合增加了保护算法执行过程的透明性和可操作性；组态监控实时动态显示检测电量的变化和保护逻辑动作过程，克服了传统继电保护元件接线复杂的问题，又能解决现有微机保