1 引 言
繼電保護是電氣類專業(yè)的重要課程，也是理論性和實踐性很強的專業(yè)課程［1］。作為繼電保護課程不可或缺的部分，實驗得到了本科教學的廣泛重視。以微機形式實現(xiàn)的繼電保護，由于具有靈活性好、穩(wěn)定性優(yōu)、集成度高等優(yōu)點而成為繼電保護的主流，當前電力工程實踐基本都采用微機繼保裝［2］。因此，在本科教學階段，開展微機繼保實驗，對培養(yǎng)學生實驗與理論結(jié)合、實驗與生產(chǎn)實踐結(jié)合的能力以及畢業(yè)后盡快適應(yīng)現(xiàn)場工作，具有現(xiàn)實意義。
但目前高校開設(shè)的微機繼保實驗，尤其是面向本科的教學實驗，普遍存在著實驗課程有待完善等問題。例如:微機繼保除了繼電保護知識外還涉及計算機、網(wǎng)絡(luò)、電子等內(nèi)容，起點要求較高，需考慮多個知識點的融合;微機功能主要以軟件方式實現(xiàn)，較為抽象，需將其直觀化以便初學者接受;微機繼保軟件規(guī)模較大，如何有效地組織實驗教學以滿足不同水平階段的學生，也需在實驗教學中不斷地摸索經(jīng)驗。而實驗平臺建設(shè)滯后于教 學 需 要 則 是 許 多 高 校 普 遍 存 在 的 問 題［3］。正是由于諸多限制，實際的本科微機保護實驗教學中，許多高校只是開設(shè)了部分演示性實驗，或是進行保護定值整定等簡單的實驗，實驗效果與期待的教學目標相比有很大的差距。
因此，需進一步探討本科微機繼保實驗的特點、規(guī)律，增加教學經(jīng)驗，以更好推動本科微機保護實驗教學。文獻［4］中指出當前繼保實驗教學課時偏少、實驗教學內(nèi)容簡單等現(xiàn)狀，初步提出完善實驗體系、設(shè)置獨立的繼電保護實驗課程等建議;文獻［5］中介紹了該校采用 3 個階段實現(xiàn)微機繼保實驗方面取得的經(jīng)驗，具有較強的借鑒意義，但對實驗設(shè)備的要求非常高，主要包括:WJS-11 微機型線路保護教學仿真實驗裝置、測試儀、四方繼保自動化有限公司生產(chǎn)的微機線路保護裝置、南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)的由“單側(cè)電源輻射線路模擬系統(tǒng)”和“微機線路保護屏”構(gòu)成的“微機線路保護模擬系統(tǒng) ”。所需的實驗設(shè)備條件是大多數(shù)高校遠不具備的。即便如此，文獻中還是指出該校實驗過程中存在著學生人數(shù)多、實驗室擁擠、設(shè)備不足等共性問題。許多學校也開發(fā)了各具特色的實驗裝置和平臺以滿足教學和科研等需要 ［6-8］。
由于各高校實驗設(shè)備、課程建設(shè)、師生人員等的差異性，需根據(jù)實際教學實驗情況，因地制宜地開展微機保護實驗。結(jié)合本校開展微機繼保實驗的實際情況，探討面向本科微機繼保實驗的幾個關(guān)鍵問題。
2 實驗形式
當前微機繼保實驗有純軟件模擬方式和微機保護裝置形式兩種基本形式。純軟件模擬方法利用仿真平臺模擬微機保護裝置的工作原理和并在軟件平臺上顯示實驗結(jié)果。文獻［9］提出的虛擬化微機繼保實驗教學平臺只需一臺通用微機就可實現(xiàn)從電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)生成到微機保護軟件模塊的開發(fā)、調(diào)試及整體動作的多種實驗，為微機繼保實驗教學平臺的建設(shè)提供一種思路。但考慮到實驗對象主要是初次接觸該課程的本科生，大多都缺乏相關(guān)概念( 加強學生的直觀認識也是開設(shè)實驗課的初衷之一)，不同于面向有經(jīng)驗的運行人員的實驗培訓或科研實驗，而純軟件模擬方式更趨向于理論課程內(nèi)容，與現(xiàn)場的微機繼保實現(xiàn)模式有很大不同，純軟件模擬方式缺乏保護裝置的硬件結(jié)構(gòu)、微機接線方式等內(nèi)容的直觀展示，不易收到具體直觀的實驗效果。微機繼保裝置已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多廠家和高校還開發(fā)了專門面向教學的微機保護裝置，部分產(chǎn)品性價比已非常高。因此，在條件允許情況下，盡可能采用微機保護裝置形式開展本科教學實驗，有助于收到更好的實驗效果。
3 實驗信號源
由上位機、繼保測試儀和微機繼保裝置組成的繼保實驗系統(tǒng)是經(jīng)典的實驗方式之一［10］，其中，繼保測試儀提供整個實驗系統(tǒng)的信號源，可模擬各種運行方式下的故障現(xiàn)象，為微機保護實驗裝置提供所需的開關(guān)量信號和電壓、電流等模擬量信號。采用繼保測試儀作為微機保護實驗的信號源是常用的方法，能較好地生成所需的信號，也與電力工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試方式一致。
但在面向本科的教學實驗中，需考慮下面實際問題:① 盡管繼保測試儀設(shè)計上日趨智能化，但畢竟要花時間去掌握和熟悉其操作，相當于還要多學習一套設(shè)備，在有限的課時內(nèi)難以很好掌握，而且依靠繼保測
試儀實現(xiàn)的故障等狀況對初學者而言稍顯抽象。②
當前一臺繼保測試儀普遍只供一臺微機保護裝置使用，而且每臺測試儀還需配備一臺電腦。繼保測試儀的價格普遍不菲，若每臺微機保護裝置都配備相對應(yīng)的繼保測試儀和電腦，則實驗設(shè)備建設(shè)的費用將非常巨大，尤其是現(xiàn)在學生人數(shù)較多而經(jīng)費有限的情況下，實驗平臺建設(shè)難度較大。
考慮到上述的實際困難，本校微機繼保平臺采用一、二次系統(tǒng)有機結(jié)合方式，通過一次系統(tǒng)模型產(chǎn)生信號供給二次系統(tǒng)使用。一次系統(tǒng)模型為單端電源通過變壓器經(jīng)輸電線路送到負荷，并配有對應(yīng)的斷路器、電流和電壓互感器，其中斷路器帶操作回路和燈光信號指示，并配有對應(yīng)的光字牌和音響，能有效提示實驗場景。一次系統(tǒng)模型由調(diào)壓器、開關(guān)、電阻器、調(diào)相器、模擬電流和電壓互感器等實際設(shè)備構(gòu)成，大部分設(shè)備通過合理布線，固定在實驗臺的內(nèi)部。因此，一次系統(tǒng)模型只在實驗臺初次投入應(yīng)用時需要接線和調(diào)試等操作，避免了接線復(fù)雜、維護困難等問題。實驗臺屏面只顯示該模擬系統(tǒng)的示意圖和相關(guān)的儀表等，電流互感器和電壓互感器的連接線固定到屏面的測試孔 ，以便學生將其接線到微機保護裝置中。由于配備了較多設(shè)備，該實驗臺體積和重量較大，但考慮主要面向本科教學實驗，設(shè)備都固定在專門實驗室，移動性較差并不影響平臺的使用效率。
一次系統(tǒng)模型主要的模擬方式介紹如下:①電源模擬。市電根據(jù)所需電壓通過調(diào)壓器作為系統(tǒng)電源輸出;②短路模擬。通過可調(diào)電阻實現(xiàn)短路電阻的變化，并與系統(tǒng)電源( 由調(diào)壓器控制) 實現(xiàn)短路電流幅值的變化;③距離保護等用到電壓或電流矢量的相位關(guān)系，通過調(diào)相器根據(jù)需要靈活實現(xiàn);④變壓器差動模擬是難點，設(shè)定一個短路點選擇開關(guān)，當選擇變壓器短路時，通過切換短路點選擇開關(guān)使其中一側(cè)的電流互感器短接，從而形成差動電流。
相對于繼保測試儀產(chǎn)生的信號，本平臺依靠一次系統(tǒng)模型產(chǎn)生的信號雖較為粗糙，但已經(jīng)能夠滿足本科實驗的基本要求。以后的實驗發(fā)展需考慮進一步完善一次系統(tǒng)模型，主要包括:在當前單電源單回路的基礎(chǔ)上發(fā)展含多端電源多回路的一次系統(tǒng)模型;電機繼電保護是繼電保護的重要內(nèi)容，但電機是旋轉(zhuǎn)元件，其保護特性也很復(fù)雜，如何高效地引入本科實驗，也是需要進一步探討的內(nèi)容。
4 微機平臺
微機平臺是微機繼保實驗的直接載體。微機平臺主要由工控機、集中控制臺、打印機、和多臺微機保護裝置組成，工控機和微機保護裝置通過 RS-485 總線進行通信。其中，微機保護裝置數(shù)量可以根據(jù)學生人數(shù)和實驗室規(guī)模靈活配置，本校繼電保護實驗室配備 5臺微機保護裝置。
工控機不僅可以監(jiān)控整個實驗過程，而且可以實現(xiàn)對每臺微機保護裝置的定值整定、程序的修改和下載等功能。
在微機保護正常運行情況下，工控機運行監(jiān)控管理軟件，實現(xiàn)“四遙”和潮流動態(tài)顯示等簡單的 SCADA功能，可以實時觀察實驗進行情況。圖 1 中，1、2、5 號微機正進行變壓器差動保護實驗，所以主要顯示變壓器雙端電流值;3、4 號微機正進行線路阻抗保護實驗，因而主要顯示三相電壓、電流值。
定值整定是微機繼保實驗必需涉及的環(huán)節(jié)。當前微機繼保裝置普遍只有“↑”“↓”“←”“→”“確認”“取消”和“復(fù)位”7 個按鍵，輸入較為麻煩，而且保護定值內(nèi)容較多，即使微機繼保裝置采用大液晶，也需要多頁顯示，而實驗用的微機裝置很多還在使用 LED 管形式的簡單顯示，在微機繼保裝置中按鍵輸入定值并顯示很繁瑣，占用較多的課程時間。因此，設(shè)計了在工控機中進行定值整定的功能，其界面如圖 2 所示。實驗過程中，學生可以通過鍵盤和鼠標很快地在工控機中輸入課前算好的定值，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡鋵?yīng)的微機保護裝置中，避免了在微機裝置中進行不熟悉的定值輸入等操作，從而節(jié)省了課堂時間，而把重點放在原理的理解和驗證上。
微機繼保裝置已經(jīng)固化了電流電壓保護、距離保護和變壓器保護等程序，只需將一次系統(tǒng)模型的信號引入微機裝置，開機后即可以完成經(jīng)典的微機繼保實驗，主要包括:三段式電流保護實驗、多邊形阻抗保護實驗、變壓器差動實驗、重合閘等。
本微機平臺上可以方便實現(xiàn)多種微機保護實驗，上述功能滿足一般的驗證性和設(shè)計性實驗教學。但在要求更高的場合，比如學生研究項目( SRP) 或微機繼保綜合性實驗等，則需學生深入到原理的軟件實現(xiàn)、具體編程等工作中，本微機平臺具有良好的開放性和方便性，工控機中集結(jié)了針對微機裝置軟件開發(fā)的編程和下載程序，見圖 3。不同水平階段或不同學習階段的的學生，可以根據(jù)自己的能力，編寫不同難度的程序(可實現(xiàn)從指示燈運行等簡單的程序到復(fù)雜的整個微機保護程序)，并通過 RS-485 總線下載到保護試驗臺中的微機保護裝置中，微機保護裝置提供一片存儲空間，用以運行用戶自行編寫的程序。從而實現(xiàn)對原理的理解、軟件實現(xiàn)到驗證循序漸進的學習過程。
5 考核內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)“重理論考試，輕實驗”的想法，將實驗成績納入繼電保護課程的成績中，占 10% 的權(quán)重。實驗過程中加強考核制度，課前檢查學生的實驗報告預(yù)習內(nèi)容，實驗結(jié)束后以簽到方式檢查人數(shù)。對課程內(nèi)容和形式做了嘗試，由于課時的限制和考慮學生實際接受能力，選擇經(jīng)典的實驗項目作為必需完成的項目，同時也鼓勵學生根據(jù)自己的理解設(shè)計實驗，當學生在教學實驗時間內(nèi)無法完成實驗時，還可以申請在開放性實驗時間繼續(xù)完成，并將學生自行設(shè)計的實驗納入學生的成績考核中。
6 結(jié) 語
由于諸多因素的限制，如何在本科生中深入開展微機繼保實驗，是電氣類專業(yè)普遍面臨的難題。本文結(jié)合我校開展微機繼保實驗的教學實踐，探討了部分關(guān)鍵問題，更進一步的舉措還有待在教學實驗中不斷積累經(jīng)驗并逐步完善。
