鄧 妍， 邰能靈， 胡 炎， 許少倫， 秦雷鳴， 戶傳立

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.西門子電力自動化有限公司，南京 211100）

0 引 言

繼電保護實驗教學是電力系統(tǒng)專業(yè)教學的重要組成部分，其效果直接影響到學生對理論知識的理解和應用知識的掌握［1-4］。2022 年春，受疫情影響，為保障教學進度，我校電氣工程實驗教學中心開展了電力系統(tǒng)繼電保護實驗課程的線上教學工作，將電力系統(tǒng)繼電保護實驗從線下教學轉化為線上線下教學。改進現(xiàn)有的電力系統(tǒng)繼電保護實驗教學模式，將線下設備操作與線上虛擬仿真等教學手段相結合，提高了學生的實踐創(chuàng)新能力，提高教學質量［5-6］。

1 實驗教學設計

實驗課線下教學采用的硬件設施如下：STS362L線路保護裝置和STS261T 型變壓器保護裝置相配合，在一次模擬線路的基礎上，完成距離保護、變壓器保護和電流保護的實驗教學。實驗平臺為裝置內置，將STS362L線路保護裝置和STS261T型變壓器保護裝置內置于實驗操作臺面板內，見圖1（a）。為讓學生更好地了解目前繼電保護產(chǎn)品和變電站保護知識，實驗教學中心在原有繼電保護教學控制臺基礎上進行了改造，利用原有裝置的直流控制跳閘回路，實現(xiàn)新裝置的跳閘體現(xiàn)，接線見圖1（b）。新裝置含有網(wǎng)絡和USB接口，可直接連接電腦或者連接網(wǎng)絡路由器，實現(xiàn)與電腦的連接。

新裝置采用了西門子最新的Siprotec 5 系列保護裝置，既可以讓學生對原有保護裝置跳閘過程加深知識，又可以對新一代的虛擬設備和遠端配置進行了解。采用虛實結合教學模式，能夠有效地幫助學生增強自主創(chuàng)新意識。

基于實際最新配置的數(shù)字保護裝置，采用裝置自帶的邏輯仿真軟件，設計了多層次、多項目的繼電保護保護教學實驗。讓學生在老師的幫助下，提出問題和分析問題，進行團隊合作解決問題［7］。基于保護裝置特點，裝置自帶通用型工具軟件DIGSI5，是為所有Siprotec繼電保護裝置設計的一套計算機軟件，可以進行各種類型的CFC 邏輯設計實驗教學、保護故障錄波、保護動作過程模擬和回放實驗等。

2 實驗原理

阻抗繼電器是距離保護裝置的核心元件，其主要作用是測量短路點到保護安裝點之間的阻抗Zm，并與整定阻抗值整定阻抗Zset進行比較，以確定保護是否應該動作。在教學過程中，線上實驗CFC 邏輯圖的編輯和線下實驗二次保護回路動作原理均是基于此原理構建。

阻抗繼電器構成原理如圖2 所示，輸入端電流和電壓分別取自電流互感器和電壓互感器。方向阻抗繼電器的動作特性圖如圖3 所示，是以整定阻抗Zset為直徑而通過坐標原點的1 個圓，圓內為動作區(qū)，圓外為不動作區(qū)。

圖2 阻抗繼電器構成原理圖

圖3 方向阻抗繼電器特性圖

當反方向發(fā)生短路時，測量阻抗位于第三象限，繼電器不動作，因此它本身就具有方向性，稱為方向阻抗繼電器。方向阻抗繼電器也可以由幅值比較或相位比較的方式構成（見圖4）。

圖4 方向阻抗繼電器的動作特性

當用幅值比較方式時，繼電器能夠啟動的條件如下：

等式兩端均以電流Im相乘，即變?yōu)閮蓚€電壓的幅值的比較，

用相位比較方式的分析如圖4（b）所示，繼電器能夠啟動的條件是270°≥θ≥90°。

3 實驗教學過程

3.1 在MOOC和CANVAS 平臺進行課前預習

本實驗課的授課對象是學習過電氣工程基礎、電力系統(tǒng)繼電保護等課程，對電力系統(tǒng)繼電保護基本原理有一定的認知的大三學生。因此，課前預習階段，通過在線MOOC 平臺讓學生提前復習并鞏固繼電保護基本原理等知識，采用CANVAS 平臺進行課前和課后所需的課程管理、資料共享、作業(yè)測驗、分組討論、數(shù)據(jù)分析、學習評估等常規(guī)功能［8］，了解裝置的基本原理、了解試驗臺設備的組成以及各部分的功能等。

3.2 分組實操

因為學校疫情期封閉，實驗軟件大，網(wǎng)上直接下載費時且安裝較復雜，實驗室可安裝軟件且能遠程控制電腦有限，實驗由學生2 ～4 人自行分組，下載向日葵等遠程電腦控制軟件并注冊，輸入遠程登錄碼進行軟件的熟悉和試用，了解西門子Siprotec 5 系列保護裝置原理和設計方法，使學生清晰地了解如何采用相關軟件搭建CFC保護設計的基本步驟，從而加深對保護原理的理解和認識。

3.3 虛擬仿真實驗進行CFC邏輯搭建

（1）DIGSI5 界面。DIGSI5 公共界面中包含了項目樹、編輯器、庫以及屬性框，如圖5 所示?？梢愿鶕?jù)實際操作來調整這些界面。在此過程中，學生需熟悉軟件，DIGSI5 軟件右側的Libraies中，Type下拉菜單中含有CFC邏輯塊，CFC邏輯塊包含比較、邊沿檢測、持續(xù)性、觸發(fā)器等14 個邏輯運算模塊，可以直接拖動模塊進入項目的Charts頁面，自由組合，實現(xiàn)多種繼電保護邏輯。

圖5 DIGSI5軟件界面顯示

（2）CFC邏輯搭建。根據(jù)方向性距離保護原理，學生搭建好的A相方向性距離保護邏輯如圖6 所示。

圖6 采用DIGSI5軟件編輯CFC單相方向距離保護邏輯圖

3.4 線下一、二次回路接線并錄波

（1）設計實際方向距離保護電路，進行故障錄波。采用原有的實驗臺一次回路，二次回路與新裝置相連。學生需查閱裝置樣本，熟悉保護裝置的輸入輸出端子圖，才能正確連線。

（2）配置相應的輸入輸出到裝置。先設置好電流電壓互感器的二次側值，再設置好阻抗定值、角度定值，并進行裝置輸出跳閘節(jié)點及燈的顯示的配置（見圖7），采用網(wǎng)絡或者USB接口與將電腦和裝置進行連接，經(jīng)過調試和編譯，就可以將編譯好的CFC 邏輯下載到裝置。

圖7 裝置輸出跳閘節(jié)點及燈的配置圖

（3）利用實驗臺的一、二次回路實現(xiàn)單相短路，并調出故障錄波信息。學生在線下實驗臺上搭建好一、二次回路后，可以通過實驗臺實現(xiàn)單相短路，裝置能實際記錄距離保護所有日志內容和故障錄波信息，并自動同步保存到所連接的離線裝置?？梢詫⑺械男畔l目保存為在表格中直接編輯的文件，Siprotec5 系列配套軟件可調用此文件進行波形分析（見圖8）。

圖8 裝置故障錄波信息調用示意圖

（4）將故障錄波文件導入保護裝置，實現(xiàn)保護過程的回放，如圖9 所示。

圖9 保護過程回放示意圖

3.5 實驗結果與特色

學生完成了線上和線下的學習與實踐之后，在時間和空間角度擴充和完善了現(xiàn)有的距離保護實驗，對距離保護的基本原理、繼電保護裝置的一系列操作和應用有了更全面的了解，取得了良好的實驗教學效果，具體特色如下：

（1）與傳統(tǒng)虛擬仿真實驗相比，傳統(tǒng)虛擬仿真是對實際一、二次回路進行模擬，此仿真課程為繼電保護裝置的仿真，模擬的為實際的裝置保護邏輯、保護動作故障錄波等，能加深學生對保護裝置原理的理解。

（2）學生通過線上線下相結合實驗，能夠直觀觀察到實驗室某些難于觀察到的實驗現(xiàn)象，加深對重難點理論知識的理解。受測量儀器和實驗條件影響，有些實驗現(xiàn)象難于觀察、實驗數(shù)據(jù)難于連續(xù)采集，會使學生感覺理解困難［9］。比如故障錄波裝置能記錄電力系統(tǒng)故障前后各種電氣量的變化情況，對于判斷故障情況有非常大幫助，由于實驗場地等限制學生可能無法實際接觸到設備，而西門子新一代的保護裝置自帶故障錄波功能，可以直觀顯示線路故障時裝置跳閘過程，由此就可以提高學生的感性認識，幫助理解和學習。

（3）在此實驗課的基礎上，可及時引導學生進行思考，比如利用CFC 設計三相三段式距離保護邏輯，并實際搭建方向性距離保護較為復雜的一、二次線路等，從不同的角度啟發(fā)學生進行創(chuàng)新。

4 結 語

電力系統(tǒng)繼電保護線上線下實驗緊跟現(xiàn)代的電力系統(tǒng)繼電保護發(fā)展趨勢，將前沿的設備轉化為本科生實驗教學資源，考慮學生知識層次與理解能力，結合實驗室實際情況，將線上線下實驗教學相結合，有效地解決了當前疫情防控要求下電力系統(tǒng)繼電保護教學實驗課程時間、空間和資金受限的問題。通過讓學生完成相關邏輯模塊的搭建，并將搭建的保護運用于實際保護裝置，并能重現(xiàn)裝置的保護動作過程，讓學生產(chǎn)生學習的濃厚興趣，從而提高學生分析問題和獨立解決問題能力，有自己主動學習的獲得感［10-12］。