電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課程之一。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位。本課程主要學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本知識(shí)，課程內(nèi)容包括輸電線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、母線等電力元件和設(shè)備的電流保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)的基本原理和整定計(jì)算原則，自動(dòng)重合閘的原理，微機(jī)繼電保護(hù)的軟件硬件組成和基本原理等。學(xué)習(xí)好本課程，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析和解決電力工程中有關(guān)問題的能力，為從事繼電保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域工作打下理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。

各高校對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的教學(xué)手段和方法作出了研究和探索。孫抗等[1]提出基于成果導(dǎo)向的教學(xué)模式，根據(jù)工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求，建立教學(xué)目標(biāo)，從課堂理論教學(xué)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面基于成果導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。羅繼東等[2]將 CDIO 工程教育理念應(yīng)用于繼電保護(hù)課程教學(xué)，構(gòu)建了人才培養(yǎng)新模式。湯亞芳等[3]建設(shè)了適合于學(xué)生自學(xué)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)系列微課程視頻，利用該微課視頻開展以學(xué)生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式。羅媚媚等[4]利用電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和實(shí)踐教學(xué)基地，開展基于校企聯(lián)合培養(yǎng)的繼電保護(hù)原理課程教學(xué)改革。宋彬彬等[5]在教學(xué)中使用微課和 Matlab/Simulink仿真，探索了面向**工程人才培養(yǎng)的繼電保護(hù)教學(xué)方法。

廣州大學(xué)正在向高水平大學(xué)邁進(jìn)，越來越注重學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。本文介紹廣州大學(xué)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程理論與實(shí)踐并重的教學(xué)改革措施。

一、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的特點(diǎn)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程有兩大特點(diǎn)：1. 理論性強(qiáng)，是一門綜合性課程。涉及電力系統(tǒng)短路計(jì)算、電力系統(tǒng)穩(wěn)定、電路原理、電機(jī)學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理等多門課程的知識(shí)。例如學(xué)習(xí)零序電流保護(hù)時(shí)，要求學(xué)生熟悉電力系統(tǒng)分析中學(xué)過的序分量的概念，并會(huì)用序網(wǎng)絡(luò)計(jì)算短路電流。在學(xué)習(xí)距離保護(hù)的振蕩閉鎖時(shí)，要求掌握振蕩的概念和振蕩發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象，以及振蕩和故障的區(qū)別。在學(xué)習(xí)發(fā)電機(jī)保護(hù)時(shí)，更是要求學(xué)生對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理有深入的理解。2. 實(shí)踐性強(qiáng)。學(xué)習(xí)各種繼電保護(hù)原理的*終目的是為了工程應(yīng)用，這就要求學(xué)生不僅要掌握保護(hù)原理，還要熟悉實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)的硬件和軟件。硬件包括一次和二次回路中的斷路器、各種繼電器、電壓電流互感器等，軟件包括 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、特征量算法、動(dòng)作判據(jù)算法等。

因?yàn)榫邆湟陨蟽蓚€(gè)特點(diǎn)，所以電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的學(xué)習(xí)難度比較大。教師往往在有限的課堂教學(xué)時(shí)間中把大部分精力花在各種繼電保護(hù)原理的講解

上，而學(xué)生的基礎(chǔ)參差不齊，理論教學(xué)效果不好。另外，學(xué)生雖然掌握了繼電保護(hù)原理，但實(shí)驗(yàn)時(shí)看不懂二次回路接線圖和工作原理，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)。開展電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的教學(xué)研究與實(shí)踐是一項(xiàng)迫在眉睫的工作。

二、課程教學(xué)研究與實(shí)踐

（一）線上線下混合教學(xué)

2015 年 4 月，教育部出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》，各高校紛紛響應(yīng)，以立項(xiàng)的方式建設(shè)了一大批在線開放課程。在線開放課程拓展了教學(xué)時(shí)空，增強(qiáng)了教學(xué)吸引力，激發(fā)了學(xué)習(xí)者的、學(xué)習(xí)積極性和自主性，擴(kuò)大了上等教育資源受益面，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、方法、模式和教學(xué)管理體制機(jī)制的改革[6-9]。我們組建了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)在線開放課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，并于 2017 年獲得學(xué)校在線開放課程立項(xiàng)。目前已完成教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)，設(shè)有“課程信息”“課程內(nèi)容”和“討論交流”三大模塊?！罢n程信息”模塊介紹課程的基本情況，包括教師團(tuán)隊(duì)、課程大綱、考核標(biāo)準(zhǔn)和課程公告等?！罢n程內(nèi)容”是核心模塊，按照課程章節(jié)和知識(shí)點(diǎn)劃分，每小節(jié)（知識(shí)點(diǎn)）包含教學(xué)視頻、教學(xué)課件、客觀練習(xí)題、主觀練習(xí)題、例題講解等；此外還有測(cè)驗(yàn)與作業(yè)和線下考試等功能。“討論交流”模塊中按章劃分出若干個(gè)討論版，學(xué)生針對(duì)學(xué)習(xí)中的疑問發(fā)帖提問，教師和其他學(xué)生均可以回帖，針對(duì)問題展開討論，為師生提供了協(xié)同互動(dòng)的交流平臺(tái)。

課程上線運(yùn)行后，我們?cè)O(shè)計(jì)了線上線下混合教學(xué)的模式，包括課前、課堂和課后 3 個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。1. 課前環(huán)節(jié)。要求學(xué)生在線上通過觀看教學(xué)視頻和做測(cè)驗(yàn)掌握知識(shí)點(diǎn)，相當(dāng)于把一部分傳統(tǒng)課堂的教學(xué)活動(dòng)前移。2. 課堂環(huán)節(jié)。由于學(xué)生已經(jīng)在進(jìn)入課堂前掌握了教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，課堂中僅對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)做再次講解。剩余的課堂時(shí)間用于完成課堂小組討論、小測(cè)驗(yàn)、繼電保護(hù)工程案例分析和虛擬仿真演示等教學(xué)活動(dòng)，達(dá)到鞏固基礎(chǔ)知識(shí)并靈活應(yīng)用的目的。3. 課后環(huán)節(jié)。為了檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，學(xué)生課后在線上完成小測(cè)驗(yàn)。教師根據(jù)學(xué)生測(cè)驗(yàn)結(jié)果和課堂討論的表現(xiàn)給出該次課的成績。混合式教學(xué)模式如圖1 所示。

（二）啟發(fā)式教學(xué)

線上教學(xué)中，在每節(jié)課結(jié)束時(shí)將本次課的內(nèi)容加以總結(jié)，并針對(duì)下次課程內(nèi)容與本次上課內(nèi)容的不同進(jìn)行提問，指出本次上課所提出的繼電保護(hù)方法的不足，以及針對(duì)該不足如何進(jìn)行改進(jìn)。這樣讓學(xué)生心存疑問，促使其繼續(xù)下一部分的學(xué)習(xí)。例如學(xué)習(xí)電流保護(hù)這一部分時(shí)，首先講解單電源輻射網(wǎng)絡(luò)的Ⅰ段保護(hù)（電流速斷保護(hù)），然后提出在本線路末段發(fā)生故障該怎么辦？從而引出Ⅱ段保護(hù)（限時(shí)電流速斷保護(hù)）。而如果故障發(fā)生在相鄰線路首端以外，且相鄰線路斷路器又拒絕跳閘，那么僅通過前面的保護(hù)方法無法進(jìn)行有效保護(hù)又怎么辦？這樣引入了Ⅲ保護(hù)（定時(shí)限過流保護(hù)）。然后再提出如果是雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)該如何？這樣又引入了方向性保護(hù)的知識(shí)點(diǎn)。通過這樣的啟發(fā)讓學(xué)生對(duì)電流保護(hù)進(jìn)行逐步深入的學(xué)習(xí)，從而掌握電流保護(hù)相關(guān)知識(shí)。

（三）開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的重要環(huán)節(jié)。目前許多高校采用廠家生產(chǎn)的成套設(shè)備開展微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)備存在封閉性，對(duì)繼電保護(hù)原理的模擬過于“實(shí)驗(yàn)室化”。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生完成簡單接線后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)保護(hù)原理的理解不透徹，降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評(píng)定也難以做到客觀。為此，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行了改造，開發(fā)了三段式電流保護(hù)開放式實(shí)驗(yàn)，并獲得學(xué)校的示范性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由教師工作站、繼電保護(hù)測(cè)試儀、微機(jī)繼電保護(hù)裝置（自主設(shè)計(jì)，用嵌入式單片機(jī)開發(fā)）、模擬斷路器、通信模塊、學(xué)生計(jì)算機(jī)和單片機(jī)下載器組成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)步驟：1. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。實(shí)驗(yàn)課前須完成預(yù)習(xí)報(bào)告。上課后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組在理解微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)教師描述的實(shí)驗(yàn)?zāi)M線路的故障特征和參數(shù)，在微機(jī)繼電保護(hù)裝置上編寫數(shù)據(jù)采集和三段式電流保護(hù)算法的程序。2. 正式實(shí)驗(yàn)階段。學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行自檢操作，包括硬件連接和軟件測(cè)試，確保裝置可以完成實(shí)驗(yàn)功能。若自檢存在問題，則檢查排除；若自檢無誤，繼保裝置單元就通過以太網(wǎng)向教師工作站發(fā)送“READY”就緒信號(hào)，表示裝置已經(jīng)成功完成自檢，可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。教師確認(rèn)收到“READY”信號(hào)后，通過教師工作站操縱繼電保護(hù)

測(cè)試儀發(fā)出故障電壓電流信號(hào)，該故障信號(hào)持續(xù)一定時(shí)間 T（1 根據(jù)故障類型和繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出特性綜合設(shè)置）。然后，微機(jī)繼電保護(hù)裝置實(shí)時(shí)測(cè)量故障信號(hào)，識(shí)別故障后，發(fā)送相應(yīng)動(dòng)作控制指令至模擬斷路器，并且將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和動(dòng)作結(jié)果通過以太網(wǎng)上報(bào)給教師工作站。教師工作站接收到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，并展開實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)小組得到實(shí)驗(yàn)成績 P1，這是由保護(hù)動(dòng)作的正確性、保護(hù)動(dòng)作的快速性和故障測(cè)量的準(zhǔn)確性三個(gè)方面確定的。3. 實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)階段。學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定成績 P2。根據(jù)實(shí)驗(yàn)成績 P1 和P2 得到總成績 P。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 將電力系統(tǒng)現(xiàn)場常用的微機(jī)繼電保護(hù)裝置和模擬斷路器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)操作更接近工程實(shí)際；2. 實(shí)驗(yàn)具有開放性，自主設(shè)計(jì)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置將硬件和軟件向?qū)W生開放，能夠加深學(xué)生對(duì)保護(hù)原理的理解，將課堂所學(xué)的抽象知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性；3. 一臺(tái)繼電保護(hù)測(cè)試儀可以向多臺(tái)微機(jī)繼電保護(hù)裝置發(fā)送電壓電流故障信號(hào)，節(jié)省傳統(tǒng)多臺(tái)成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資。

開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目顛覆了繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路，大大提升了學(xué)生的興趣，學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情高漲，教學(xué)效果十分突出。在三段式電流保護(hù)開放式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開

發(fā)的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)出開放式實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。

（四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

雖然上述開放性實(shí)驗(yàn)在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，但是開發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要較高的成本，難以覆蓋全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了這方面的不足[10]。廣州大學(xué)與上海靜一信息科技有限公司合作，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠更為緊密地將理論知識(shí)銜接起來。虛擬仿真平臺(tái)包括一個(gè)足以支撐繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)所需要的各種一次元器件和二次元器件，能夠在平臺(tái)上非常自由地使用這些元器件搭建各種繼電保護(hù)的一次回路和二次回路，完成各種電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。以“三相一次自動(dòng)重合閘”為例，虛擬仿真環(huán)境如圖 3 所示。

除了基本的繼電器原理實(shí)驗(yàn)、三段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)、距離保護(hù)實(shí)驗(yàn)、縱聯(lián)保護(hù)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)重合閘實(shí)驗(yàn)之外，還開發(fā)了物理平臺(tái)無法完成的較復(fù)雜電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)：110 kV 多母線輻射型電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)合工程教育理念，以成果為導(dǎo)向，開展案例式教學(xué)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可作為課內(nèi)綜合性實(shí)驗(yàn)，也可作為課程的大作業(yè)。教師將學(xué)生分成小組，組員分工明確，自行查閱文獻(xiàn)、計(jì)算各整定值、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、撰寫報(bào)告。*后教師點(diǎn)評(píng)實(shí)驗(yàn)并指導(dǎo)學(xué)生開展小組討論。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)教學(xué)手段的重要延伸與拓展，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，克服了固定時(shí)間地點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)的困難。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有線上線下融合式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵，大幅度提升學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)原理的理解和掌握程度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

三、結(jié)束語

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的特點(diǎn)使教育改革勢(shì)在必行，廣州大學(xué)在線上線下混合教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、開放式實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等方面開展了教學(xué)研究與實(shí)踐。結(jié)果表明，這些教學(xué)方法和手段使學(xué)生在教學(xué)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，成為學(xué)習(xí)的主人，學(xué)習(xí)興趣得到很大的提高。學(xué)習(xí)過程中理論和實(shí)踐并重，學(xué)生解決繼電保護(hù)工程實(shí)踐問題的能力大大增強(qiáng)。改革措施符合新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證理念。