1 引 言

繼電保護(hù)是電氣類專業(yè)的重要課程，也是理論性和實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程［1］。作為繼電保護(hù)課程不可或缺的部分，實驗得到了本科教學(xué)的廣泛重視。以微機(jī)形式實現(xiàn)的繼電保護(hù)，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(hù)的主流，當(dāng)前電力工程實踐基本都采用微機(jī)繼保裝［2］。因此，在本科教學(xué)階段，開展微機(jī)繼保實驗，對培養(yǎng)學(xué)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(jī)繼保實驗，尤其是面向本科的教學(xué)實驗，普遍存在著實驗課程有待完善等問題。例如:微機(jī)繼保除了繼電保護(hù)知識外還涉及計算機(jī)、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(jī)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(xué)者接受;微機(jī)繼保軟件規(guī)模較大，如何有效地組織實驗教學(xué)以滿足不同水平階段的學(xué)生，也需在實驗教學(xué)中不斷地摸索經(jīng)驗。而實驗平臺建設(shè)滯后于教 學(xué) 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(jī)保護(hù)實驗教學(xué)中，許多高校只是開設(shè)了部分演示性實驗，或是進(jìn)行保護(hù)定值整定等簡單的實驗，實驗效果與期待的教學(xué)目標(biāo)相比有很大的差距。

因此，需進(jìn)一步探討本科微機(jī)繼保實驗的特點、規(guī)律，增加教學(xué)經(jīng)驗，以更好推動本科微機(jī)保護(hù)實驗教學(xué)。文獻(xiàn)［4］中指出當(dāng)前繼保實驗教學(xué)課時偏少、實驗教學(xué)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(hù)實驗課程等建議;文獻(xiàn)［5］中介紹了該校采用 3 個階段實現(xiàn)微機(jī)繼保實驗方面取得的經(jīng)驗，具有較強(qiáng)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(jī)型線路保護(hù)教學(xué)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(jī)線路保護(hù)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(jī)線路保護(hù)屏”構(gòu)成的“微機(jī)線路保護(hù)模擬系統(tǒng) ”。所需的實驗設(shè)備條件是大多數(shù)高校遠(yuǎn)不具備的。即便如此，文獻(xiàn)中還是指出該校實驗過程中存在著學(xué)生人數(shù)多、實驗室擁擠、設(shè)備不足等共性問題。許多學(xué)校也開發(fā)了各具特色的實驗裝置和平臺以滿足教學(xué)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(xué)實驗情況，因地制宜地開展微機(jī)保護(hù)實驗。結(jié)合本校開展微機(jī)繼保實驗的實際情況，探討面向本科微機(jī)繼保實驗的幾個關(guān)鍵問題。

2 實驗形式

當(dāng)前微機(jī)繼保實驗有純軟件模擬方式和微機(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)裝置的工作原理和并在軟件平臺上顯示實驗結(jié)果。文獻(xiàn)［9］提出的虛擬化微機(jī)繼保實驗教學(xué)平臺只需一臺通用微機(jī)就可實現(xiàn)從電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)生成到微機(jī)保護(hù)軟件模塊的開發(fā)、調(diào)試及整體動作的多種實驗，為微機(jī)繼保實驗教學(xué)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(qiáng)學(xué)生的直觀認(rèn)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(xùn)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(jī)繼保實現(xiàn)模式有很大不同，純軟件模擬方式缺乏保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)、微機(jī)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(jī)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(xué)的微機(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)裝置形式開展本科教學(xué)實驗，有助于收到更好的實驗效果。

3 實驗信號源

由上位機(jī)、繼保測試儀和微機(jī)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(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)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(xué)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(dāng)于還要多學(xué)習(xí)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(xué)者而言稍顯抽象。②

當(dāng)前一臺繼保測試儀普遍只供一臺微機(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)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(xué)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(jī)繼保平臺采用一、二次系統(tǒng)有機(jī)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(fù)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(hù)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(xué)生將其接線到微機(jī)保護(hù)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(xué)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(hù)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(dāng)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(jìn)一步完善一次系統(tǒng)模型，主要包括:在當(dāng)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(jī)繼電保護(hù)是繼電保護(hù)的重要內(nèi)容，但電機(jī)是旋轉(zhuǎn)元件，其保護(hù)特性也很復(fù)雜，如何高效地引入本科實驗，也是需要進(jìn)一步探討的內(nèi)容。

4 微機(jī)平臺

微機(jī)平臺是微機(jī)繼保實驗的直接載體。微機(jī)平臺主要由工控機(jī)、集中控制臺、打印機(jī)、和多臺微機(jī)保護(hù)裝置組成，工控機(jī)和微機(jī)保護(hù)裝置通過 RS-485 總線進(jìn)行通信。其中，微機(jī)保護(hù)裝置數(shù)量可以根據(jù)學(xué)生人數(shù)和實驗室規(guī)模靈活配置，本校繼電保護(hù)實驗室配備 5臺微機(jī)保護(hù)裝置。

工控機(jī)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(jī)保護(hù)裝置的定值整定、程序的修改和下載等功能。

在微機(jī)保護(hù)正常運行情況下，工控機(jī)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(jìn)行情況。圖 1 中，1、2、5 號微機(jī)正進(jìn)行變壓器差動保護(hù)實驗，所以主要顯示變壓器雙端電流值;3、4 號微機(jī)正進(jìn)行線路阻抗保護(hù)實驗，因而主要顯示三相電壓、電流值。

定值整定是微機(jī)繼保實驗必需涉及的環(huán)節(jié)。當(dāng)前微機(jī)繼保裝置普遍只有“↑”“↓”“←”“→”“確認(rèn)”“取消”和“復(fù)位”7 個按鍵，輸入較為麻煩，而且保護(hù)定值內(nèi)容較多，即使微機(jī)繼保裝置采用大液晶，也需要多頁顯示，而實驗用的微機(jī)裝置很多還在使用 LED 管形式的簡單顯示，在微機(jī)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(jī)中進(jìn)行定值整定的功能，其界面如圖 2 所示。實驗過程中，學(xué)生可以通過鍵盤和鼠標(biāo)很快地在工控機(jī)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(jī)保護(hù)裝置中，避免了在微機(jī)裝置中進(jìn)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(jī)繼保裝置已經(jīng)固化了電流電壓保護(hù)、距離保護(hù)和變壓器保護(hù)等程序，只需將一次系統(tǒng)模型的信號引入微機(jī)裝置，開機(jī)后即可以完成經(jīng)典的微機(jī)繼保實驗，主要包括:三段式電流保護(hù)實驗、多邊形阻抗保護(hù)實驗、變壓器差動實驗、重合閘等。

本微機(jī)平臺上可以方便實現(xiàn)多種微機(jī)保護(hù)實驗，上述功能滿足一般的驗證性和設(shè)計性實驗教學(xué)。但在要求更高的場合，比如學(xué)生研究項目( SRP) 或微機(jī)繼保綜合性實驗等，則需學(xué)生深入到原理的軟件實現(xiàn)、具體編程等工作中，本微機(jī)平臺具有良好的開放性和方便性，工控機(jī)中集結(jié)了針對微機(jī)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(xué)習(xí)階段的的學(xué)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(jī)保護(hù)程序)，并通過 RS-485 總線下載到保護(hù)試驗臺中的微機(jī)保護(hù)裝置中，微機(jī)保護(hù)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(jìn)的學(xué)習(xí)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(hù)課程的成績中，占 10% 的權(quán)重。實驗過程中加強(qiáng)考核制度，課前檢查學(xué)生的實驗報告預(yù)習(xí)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(xué)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(xué)生根據(jù)自己的理解設(shè)計實驗，當(dāng)學(xué)生在教學(xué)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(xué)生自行設(shè)計的實驗納入學(xué)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(jī)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(jī)繼保實驗的教學(xué)實踐，探討了部分關(guān)鍵問題，更進(jìn)一步的舉措還有待在教學(xué)實驗中不斷積累經(jīng)驗并逐步完善。