［摘 要］針對(duì)工科專業(yè)課程較抽象、難理解、學(xué)科交叉等特點(diǎn)，文章以繼電保護(hù)課程為例，結(jié)合課程目標(biāo)構(gòu)建 “橫向貫通-縱向銜接”的井字形課程教學(xué)體系，具體闡述基于橫向貫通模式的三段式電流保護(hù)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)策略，提出縱向銜接模式下“復(fù)用為主，差異迭代”的多種電流保護(hù)場(chǎng)景協(xié)同教學(xué)策略，以有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)課程內(nèi)容的理解及掌握應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］繼電保護(hù)；工科專業(yè)課程；保護(hù)原理；教學(xué)體系構(gòu)建

［中圖分類號(hào)］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2024）20-0036-05

工科教育作為培養(yǎng)工程人才的重要途徑，是我國(guó)工程創(chuàng)新的活力源泉，為人工智能、移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了不竭動(dòng)力[1-2]。然而當(dāng)前，工科專業(yè)課程的部分教師在教學(xué)中按照教材章節(jié)照本宣科，教學(xué)內(nèi)容交叉性和融合度不夠，導(dǎo)致學(xué)生未能整體性把握專業(yè)課程體系，出現(xiàn)了學(xué)生學(xué)完課程后卻沒有掌握其框架和重要內(nèi)容等現(xiàn)象。工科專業(yè)課程教學(xué)仍然存在著模式固化、無法滿足學(xué)生能力高質(zhì)量培養(yǎng)以及適應(yīng)工程實(shí)際需要的問題。因此，有必要針對(duì)工科教學(xué)特點(diǎn)，開展多維度對(duì)比與融合的工科專業(yè)課程教學(xué)體系構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生梳理課程脈絡(luò)和內(nèi)在邏輯，挖掘各知識(shí)點(diǎn)相關(guān)性和耦合點(diǎn)，“知其然”并“知其所以然”，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)工科專業(yè)知識(shí)的理解、學(xué)習(xí)和應(yīng)用。

作為電氣工程類專業(yè)的專業(yè)主干課程之一，繼電保護(hù)課程具有較抽象、難理解、學(xué)科交叉等特點(diǎn)，表現(xiàn)為“理論性強(qiáng)、原理多、技術(shù)新、公式復(fù)雜”等具體難點(diǎn)[3-4]，例如短路電流計(jì)算、原理設(shè)計(jì)等均涉及其他電氣專業(yè)課程的基礎(chǔ)知識(shí)。為此，許多高校將繼電保護(hù)課程安排在大四上學(xué)期，但在調(diào)研中仍有不少學(xué)生反映該課程存在知識(shí)點(diǎn)多且難、關(guān)鍵點(diǎn)難以吃透等問題，學(xué)生易出現(xiàn)畏難、不愿學(xué)或者認(rèn)為自己學(xué)不好該課程等負(fù)面情緒[5-6]。長(zhǎng)此以往，學(xué)生不論是在思想上還是在專業(yè)上對(duì)繼電保護(hù)原理的正確認(rèn)識(shí)都存在一定困難，這不利于提升學(xué)生綜合專業(yè)素質(zhì)和實(shí)際操作能力[7-8]。

為此，本文面向工科專業(yè)課程，以繼電保護(hù)課程為例，在遵循現(xiàn)有繼電保護(hù)知識(shí)體系的大前提下，重點(diǎn)提出“橫向貫通-縱向銜接”的井字形繼電保護(hù)課程教學(xué)脈絡(luò)，融合各類保護(hù)原理的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)多類保護(hù)耦合學(xué)習(xí)的銜接機(jī)制，構(gòu)建基于邏輯架構(gòu)的繼電保護(hù)原理知識(shí)教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)核心技術(shù)的理解和應(yīng)用，以達(dá)到優(yōu)化繼電保護(hù)課程教學(xué)模式和提升教學(xué)質(zhì)量的效果。

一、繼電保護(hù)課程概述

（一）繼電保護(hù)課程定位

繼電保護(hù)是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行最基本、最重要、最有效的技術(shù)手段，被稱為電力系統(tǒng)的“安全衛(wèi)士”和“守護(hù)神”。繼電保護(hù)課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)主干課程之一，也是一門理論與實(shí)踐并重的課程，具有科技含量高、技術(shù)更新快等特點(diǎn)[9]，以培養(yǎng)電力系統(tǒng)需要的繼電保護(hù)技術(shù)、管理、建設(shè)、服務(wù)人才為主要目標(biāo)[10]，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)二次部分的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)和檢修的專業(yè)基本技能、靈活運(yùn)用能力和專業(yè)綜合能力。

繼電保護(hù)課程目標(biāo)是使學(xué)生掌握繼電保護(hù)的基本概念、基本理論知識(shí)、基本分析方法和實(shí)驗(yàn)方法，了解微機(jī)繼電保護(hù)的軟硬件結(jié)構(gòu)，掌握各種微機(jī)繼電保護(hù)的常用算法，為學(xué)生畢業(yè)后從事電氣專業(yè)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)和科學(xué)研究工作打下理論及實(shí)踐基礎(chǔ)，是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門就業(yè)關(guān)鍵課程。

繼電保護(hù)課程體系包括電網(wǎng)的電流保護(hù)、輸電線路縱聯(lián)保護(hù)、自動(dòng)重合閘、電力變壓器保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和母線保護(hù)，涉及電力系統(tǒng)分析、電氣設(shè)備、電子技術(shù)、電工學(xué)等多門課程。

（二）新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下繼電保護(hù)課程分析

隨著數(shù)據(jù)采集、信息、通信、計(jì)算處理和現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，原有的繼電保護(hù)裝置從單個(gè)電氣元件構(gòu)成的電磁型保護(hù)裝置，發(fā)展到如今廣泛使用的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，乃至服務(wù)于我國(guó)新型電力系統(tǒng)的智能化繼電保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)裝置[11-13]。同時(shí)，新型電力系統(tǒng)中源、網(wǎng)和荷特性的持續(xù)變化也使得繼電保護(hù)面臨重大挑戰(zhàn)。例如，新能源交直流電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)、整定計(jì)算和優(yōu)化配置更為困難；新一代繼電保護(hù)裝置國(guó)產(chǎn)化后在保護(hù)原理、數(shù)據(jù)交互形式以及動(dòng)作行為等方面將面臨新要求；系統(tǒng)電力電子化程度不斷提升，可能帶來寬頻振蕩、諧波、諧振等事故風(fēng)險(xiǎn)，面臨接入電網(wǎng)后如何安全可靠運(yùn)行的問題[14]。

可以看出，新時(shí)代下新的需求和問題要求繼電保護(hù)課程教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，緊跟“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)建設(shè)步伐，不應(yīng)僅僅關(guān)注大堆概念或公式記憶，而是應(yīng)建立起整體課程體系，讓學(xué)生在理解課程關(guān)鍵原理后掌握電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的核心結(jié)論。應(yīng)通過構(gòu)建合理可行的繼電保護(hù)課程教學(xué)體系，提升繼電保護(hù)課程教學(xué)科學(xué)性和合理性，培養(yǎng)更多基礎(chǔ)扎實(shí)、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)和綜合素質(zhì)優(yōu)的優(yōu)質(zhì)電氣人才[15]。

二、“橫向貫通-縱向銜接”的繼電保護(hù)教學(xué)框架設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)繼電保護(hù)課程教學(xué)模式往往是按照教材章節(jié)講授，重點(diǎn)在于每個(gè)章節(jié)關(guān)鍵點(diǎn)和知識(shí)點(diǎn)的教授，對(duì)章節(jié)之間的聯(lián)系關(guān)注度不夠。對(duì)于學(xué)生來說，繼電保護(hù)課程難度大、知識(shí)點(diǎn)多且容易遺忘和記錯(cuò)，章節(jié)間聯(lián)系的缺失更進(jìn)一步加劇了學(xué)習(xí)困難，導(dǎo)致部分基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生難以適應(yīng)，難以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

為促進(jìn)學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)課程的全方位了解，應(yīng)從繼電保護(hù)源頭出發(fā)開展教學(xué)。繼電保護(hù)是一種參量保護(hù)，其實(shí)現(xiàn)需滿足兩大要求：一是參量在電力系統(tǒng)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下有明顯區(qū)別，這是形成參量保護(hù)的前提；二是參量在系統(tǒng)不同地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)有明顯區(qū)別，這是參量保護(hù)實(shí)現(xiàn)的前提。參量包括電流、電壓、阻抗等多類電力系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)參量差異可將繼電保護(hù)原理分為電流保護(hù)、低壓保護(hù)、阻抗保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)等。

繼電保護(hù)內(nèi)容架構(gòu)如圖1所示。繼電保護(hù)包括三大類環(huán)節(jié)：線路保護(hù)、自動(dòng)重合閘和元件保護(hù)。自動(dòng)重合閘是線路保護(hù)和元件保護(hù)的協(xié)同，每個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)，存在耦合遞進(jìn)關(guān)系，環(huán)環(huán)相扣，如電流保護(hù)、距離保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)均屬于線路保護(hù)范疇，雖然測(cè)量參量并不相同，但研究后者時(shí)往往涉及前者的一些基本原理應(yīng)用，存在遞進(jìn)耦合關(guān)系，在學(xué)習(xí)中應(yīng)當(dāng)重視并加強(qiáng)邏輯關(guān)系梳理和分析。

以線路保護(hù)為例，橫向貫通側(cè)重于從原理、整定、裝置、評(píng)價(jià)四個(gè)維度進(jìn)行特定保護(hù)原理的知識(shí)邏輯梳理，縱向銜接則側(cè)重于保護(hù)原理之間的知識(shí)邏輯（如圖3所示）。例如：

在保護(hù)整定維度：?jiǎn)蝹?cè)電源網(wǎng)絡(luò)的三段式電流保護(hù)是線路保護(hù)的基礎(chǔ)，后續(xù)場(chǎng)景進(jìn)行保護(hù)整定時(shí)均需在三段式電流保護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行銜接與修正，增加方向判斷或信號(hào)協(xié)同判斷等邏輯約束，由此提出了適用于雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)的方向式電流保護(hù)和面向縱聯(lián)保護(hù)的方向比較式縱聯(lián)保護(hù)。

在保護(hù)裝置維度：保護(hù)裝置總體包括測(cè)量比較、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三部分，當(dāng)出現(xiàn)新的邏輯約束時(shí)，將在三部分保護(hù)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的裝置拓展，如方向元件、發(fā)信裝置、振蕩閉鎖元件等。

在適用電壓維度：距離保護(hù)和電流保護(hù)屬于一側(cè)電氣量保護(hù)，適用電壓等級(jí)為100 kV及其以下，而縱聯(lián)保護(hù)則為經(jīng)通信的兩側(cè)電氣量協(xié)同的保護(hù)，具有更高速動(dòng)性和可靠性，適用于220 kV及其以上。

三、以電流保護(hù)為例的“橫向貫通-縱向銜接”教學(xué)方案設(shè)計(jì)

（一）橫向貫通模式下電流保護(hù)教學(xué)設(shè)計(jì)

電流保護(hù)是反應(yīng)于電流增大而動(dòng)作的保護(hù)，選取基礎(chǔ)電流保護(hù)類型“單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路電流的電流保護(hù)”進(jìn)行層次化教學(xué)介紹，強(qiáng)化“參量分析—保護(hù)原理—保護(hù)實(shí)現(xiàn)—性能評(píng)價(jià)”四大邏輯步驟。

步驟1：參量分析。參量分析是保護(hù)實(shí)現(xiàn)的前提，故障發(fā)生后將帶來電流、電壓、阻抗等參量快速且大幅度的變化，且參量的變化情況與故障發(fā)生位置、故障類型等因素均具有強(qiáng)相關(guān)性，因此應(yīng)對(duì)故障后電流、電壓、阻抗等參量變化趨勢(shì)進(jìn)行建模、量化及總結(jié)，此時(shí)重點(diǎn)進(jìn)行短路電流曲線形狀介紹和公式教學(xué)。

步驟2：保護(hù)原理。以三段式電流保護(hù)為例，采用極值理念（最大、最小短路電流等）進(jìn)行Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段電流保護(hù)的工作原理分析，分別從動(dòng)作值整定、動(dòng)作時(shí)限和靈敏度校驗(yàn)三個(gè)維度建立細(xì)分的知識(shí)點(diǎn)（見表1），包括但不限于保護(hù)范圍、校驗(yàn)基準(zhǔn)、校驗(yàn)公式、比較基準(zhǔn)、整定公式等。教學(xué)過程中尤其要重視三段保護(hù)之間的邏輯與迭代關(guān)系，如：“Ⅱ段保護(hù)是由于Ⅰ段保護(hù)無法實(shí)現(xiàn)全線路保護(hù)而構(gòu)建的，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)分別是什么？Ⅲ段保護(hù)構(gòu)建的目的又是什么？”只有通過不斷梳理強(qiáng)化三段式電流保護(hù)之間的內(nèi)部原理和協(xié)同關(guān)系，將“面向核心知識(shí)點(diǎn)的局部觀”和“面向保護(hù)原理整體的全局觀”同步呈現(xiàn)在學(xué)生面前，才能讓三段式電流保護(hù)知識(shí)體系更加具有立體感，促進(jìn)學(xué)生對(duì)三段式電流保護(hù)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。

步驟3：保護(hù)實(shí)現(xiàn)。主要是從繼電保護(hù)裝置測(cè)量比較、邏輯判斷和執(zhí)行輸出全過程進(jìn)行構(gòu)建，屬于保護(hù)原理落地環(huán)節(jié)。該部分是繼電保護(hù)裝置基礎(chǔ)，后續(xù)很多保護(hù)類型將在其基礎(chǔ)上進(jìn)行元件或約束疊加，應(yīng)著重進(jìn)行該部分教學(xué)。

步驟4：性能評(píng)價(jià)。從繼電保護(hù)選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性對(duì)三段式電流保護(hù)原理進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出與包括電壓等級(jí)、短路類型等在內(nèi)相適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)相關(guān)評(píng)價(jià)體系，便于與其他保護(hù)類型進(jìn)行比較。

（二）縱向銜接模式下電流保護(hù)教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、短路類型和中性點(diǎn)接地方式等差異，設(shè)計(jì)電流保護(hù)內(nèi)容框架（如圖4所示），各類電流保護(hù)原理在論述時(shí)既有相通之處，也有明顯差異點(diǎn)。

在教學(xué)過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在了解基本電流保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，分析各類電流保護(hù)原理的構(gòu)建和迭代進(jìn)程，強(qiáng)化“復(fù)用為主，差異迭代”的思維理念：對(duì)于新問題，首先考慮能不能采用老辦法解決；如果老辦法無法解決，是否能在老辦法基礎(chǔ)上引入新的概念、條件或約束，盡可能地在統(tǒng)一的電流保護(hù)體系下解決新問題。這一思維的應(yīng)用將極大提升學(xué)生對(duì)各類復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)的體系化掌握能力。

這里選取步驟2——電流保護(hù)具體原理研究進(jìn)行教學(xué)分析（如圖5所示）。

單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路的電流保護(hù)是電流保護(hù)的核心與基礎(chǔ)，具體由Ⅰ段電流速斷保護(hù)、Ⅱ段限時(shí)電流保護(hù)和Ⅲ段定時(shí)限過電流保護(hù)組成，可從保護(hù)范圍、動(dòng)作速度、判斷標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)維度對(duì)三段電流保護(hù)進(jìn)行對(duì)比及遞進(jìn)。

應(yīng)用在雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流或功率判別存在方向問題，因此在三段式電流保護(hù)原理基礎(chǔ)上疊加方向元件，以應(yīng)對(duì)雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)帶來的電流或功率流向正負(fù)問題，也可以稱為方向性電流保護(hù)。此外，同時(shí)考慮分支系數(shù)對(duì)三段式電流保護(hù)的影響，對(duì)涉及的公式進(jìn)行更新。

結(jié)合圖4來看，對(duì)于（2）來說，需要在（1）基礎(chǔ)上增加方向功率元件，與保護(hù)工作原理相對(duì)應(yīng)。（1）和（2）的重點(diǎn)是考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異，（3）和（4）則側(cè)重于解決接地短路問題，其中，考慮到接地故障導(dǎo)致的零序電流故障特征更加明顯，將零序分量測(cè)量作為新增知識(shí)點(diǎn)，引入（1）和（2）中的知識(shí)點(diǎn)形成三段式零序保護(hù)原理和方向式零序保護(hù)原理，以解決中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)接地短路保護(hù)問題。

四、結(jié)語

在工科專業(yè)課程教學(xué)中，將多而復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)零散地展現(xiàn)在學(xué)生面前，而不幫助學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)—線—面體系性梳理，可能導(dǎo)致學(xué)生短期接受但長(zhǎng)期易忘、難以應(yīng)用的實(shí)際問題。電氣工程類專業(yè)繼電保護(hù)課程的教學(xué)也是如此，零散、不成體系的教學(xué)容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)各類差異性繼電保護(hù)知識(shí)理解混亂甚至錯(cuò)記，不利于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的充分理解和吸收。

本文基于繼電保護(hù)課程教學(xué)需求，構(gòu)建了“橫向貫通-縱向銜接”的繼電保護(hù)課程教學(xué)體系，以電流保護(hù)教學(xué)為例構(gòu)建繼電保護(hù)課程知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)架構(gòu)及層次化教學(xué)方案，解決了繼電保護(hù)課程知識(shí)點(diǎn)抽象、難理解等問題，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和專業(yè)能力的提升，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)課程教學(xué)改革的持續(xù)接力，使學(xué)生獲得了較高的學(xué)習(xí)效率和較好的學(xué)習(xí)效果，可為工科專業(yè)教學(xué)提供可行思路和途徑。

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[15］ 饒超平.基于成果導(dǎo)向的繼電保護(hù)課程教學(xué)實(shí)踐[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（10）：210-211.

［責(zé)任編輯：周侯辰］