趙義術(shù) 戰(zhàn) 杰

山東電力高等?？茖W(xué)校 山東 濟(jì)南 250002

0 引言

當(dāng)前，高職高專課程正在向工學(xué)結(jié)合、能力本位方向發(fā)展。而繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時(shí)代，保護(hù)原理用軟件實(shí)現(xiàn)，因此保護(hù)元件的內(nèi)部動(dòng)作很難得知。高校中電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程實(shí)驗(yàn)普遍為傳統(tǒng)的電磁型、整流型保護(hù)實(shí)驗(yàn)；而即使配置有微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)的，裝置數(shù)量也很少，一般只能作為微機(jī)保護(hù)裝置的總體調(diào)試，保護(hù)內(nèi)部工作過程不直觀，這對(duì)于學(xué)生掌握微機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理是不夠的［1］。

為了使學(xué)生能直觀理解保護(hù)原理，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文在建構(gòu)主義建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀和教學(xué)觀指導(dǎo)下，開發(fā)了基于Matlab/Simulink的繼電保護(hù)教學(xué)仿真軟件。該軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)繼電保護(hù)原理具有良好的啟迪性。

1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀和教學(xué)觀

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀（以下簡(jiǎn)稱建構(gòu)主義）認(rèn)為，學(xué)生獲得新知識(shí)的過程，不是通過教師傳授得到的，而是通過有意義的學(xué)習(xí)建構(gòu)得到的。學(xué)習(xí)者在一定的情境中，借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，在已有知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將新知識(shí)納入原有的知識(shí)體系，對(duì)新的信息進(jìn)行主動(dòng)地選擇、加工、建構(gòu)，最終豐富了自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)而賦予其意義。

建構(gòu)主義教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，認(rèn)為學(xué)生是認(rèn)知的主體，是知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者;教師只對(duì)學(xué)生的意義建構(gòu)起幫助和促進(jìn)作用，并不要求教師直接向?qū)W生傳授和灌輸知識(shí)。在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下，教師和學(xué)生的地位、作用和傳統(tǒng)教學(xué)相比已發(fā)生很大的變化。建構(gòu)主義教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)“情境”對(duì)意義建構(gòu)的重要作用，強(qiáng)調(diào)“協(xié)作學(xué)習(xí)”對(duì)意義建構(gòu)的關(guān)鍵作用，強(qiáng)調(diào)利用各種信息資源來支持“學(xué)”等。建構(gòu)主義教學(xué)理念對(duì)教學(xué)改革具有重大的指導(dǎo)意義［2-3］。

2 MATLAB/Simulink及其電力系統(tǒng)工具箱

電力系統(tǒng)分析和仿真技術(shù)是在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、分析及改造等過程中不可缺少的工具和手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的仿真技術(shù)和軟件也在不斷的更新和完善，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外一些大型電力系統(tǒng)分析軟件正向多功能、綜合分析的方向發(fā)展，如EMTP、EMTDC、PSS/E、PSASP、BPA、Matlab等?？紤]到教學(xué)課時(shí)有限，學(xué)生沒有仿真軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，本文選用上手較容易的Matlab作為繼電保護(hù)課堂教學(xué)的仿真輔助手段。

2.1 MATLAB/Simulink［4］

MATLAB是由MathWorks公司開發(fā)的一種主要用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理的高技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言。它的特點(diǎn)是將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、圖形、圖像處理和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)極易使用的交互式環(huán)境之中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程工具。

Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時(shí)間模型，或者是兩者的混合，系統(tǒng)還可以是多采樣率的，比如系統(tǒng)的不同部分擁有不同的采樣率。

對(duì)于建模，Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（GUI），可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖標(biāo)建模，通過圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。這是以前需要用個(gè)復(fù)雜的由接收器、信號(hào)源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫(kù)，當(dāng)然也可以定制或者創(chuàng)建用戶自己的模塊。所有模型是分級(jí)的，因此可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型。可以在最高層面上查看一個(gè)系統(tǒng)，然后通過雙擊系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)入到系統(tǒng)的低一級(jí)層面以查看模型的更多的細(xì)節(jié)。這一方法提供了一個(gè)了解模型是如何組成以及它的各個(gè)部分是如何相互聯(lián)系的方法。

定義完一個(gè)模型以后，就可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB的命令窗口輸入命令對(duì)它進(jìn)行仿真。使用Scopes或者其它的顯示模塊，可以在運(yùn)行仿真時(shí)觀察到仿真的結(jié)果。另外，還可以在仿真時(shí)改變參數(shù)并且立即就可看到有什么變化，仿真的結(jié)果可以放在MATLAB的工作空間（Workspace）中以待進(jìn)一步的處理或者可視化。

2.2 電力系統(tǒng)工具箱［4］

電力系統(tǒng)模塊集使得工程技術(shù)人員可以建立模型來仿真電力系統(tǒng)，該模塊集使用Simulink環(huán)境，可以通用點(diǎn)擊或拖拉來建立模型，不僅可以快速畫出電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且電路的分析可以包括其與機(jī)械、熱、控制及其它學(xué)科的相互作用，這是由于仿真的電部分與Simulink的龐大的模型庫(kù)是相互作用的，Simulink使用MATLAB作為計(jì)算引擎。

電力系統(tǒng)工具箱（Powersys）提供了電力傳輸和拖動(dòng)中用到的各種子系統(tǒng)模型，它包含了以下的7大類庫(kù)，含有數(shù)十種模塊模型。

1）電源—包括交流電流源、交流電壓源、直流源、可控電流源、可控電壓源等。2）元件—包括斷路器、變壓器、互感、長(zhǎng)線、飽和變壓器、串聯(lián)RLC電路、并聯(lián)RLC電路、浪涌吸收器等。3）電機(jī)—同步電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、水力渦輪調(diào)速機(jī)等，另外包括可單獨(dú)提取這些電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的各測(cè)量分路器。 4）電力電子—閘流管、二極管、GTO、Mosfet、理想開關(guān)等。5）測(cè)量—電流測(cè)量、電壓測(cè)量等。6）聯(lián)接—零線、L聯(lián)接器、T聯(lián)接器、總線、地線等。 7）其他—控制模塊、三相子庫(kù)、直流電機(jī)、定時(shí)器等。

3 建構(gòu)主義結(jié)合Matlab仿真在《繼電保護(hù)》教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)前教學(xué)改革的重點(diǎn)是改變傳統(tǒng)的教育模式，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)在原有知識(shí)基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)，從“個(gè)體式”學(xué)習(xí)到“社會(huì)化”的學(xué)習(xí)，從“去情境”的學(xué)習(xí)到“情境化”的學(xué)習(xí)?；谝陨弦?，本文以《繼電保護(hù)》中的階段式電流保護(hù)為例說明Matlab仿真在教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用［5］。

3.1 在原有知識(shí)基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)

在學(xué)習(xí)繼電保護(hù)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《電路與磁路》、《電機(jī)學(xué)》、《電力系統(tǒng)分析》、《故障分析》等課程。在學(xué)習(xí)了繼電保護(hù)的基礎(chǔ)知識(shí)之后，學(xué)生開始進(jìn)入電流保護(hù)教學(xué)情境。該教學(xué)情境中，首要問題就是短路電流分布曲線（即短路電流的大小與短路點(diǎn)位置、系統(tǒng)運(yùn)行方式、短路類型之間的關(guān)系），由于條件限制高校教師無(wú)法通過現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)來構(gòu)建學(xué)生對(duì)于短路電流分布曲線與各因素之間關(guān)系的新認(rèn)知。傳統(tǒng)的做法是進(jìn)行公式推導(dǎo)分析，在此基礎(chǔ)上建立學(xué)生對(duì)該部分的新認(rèn)知，該傳統(tǒng)教學(xué)方法下老師把學(xué)生看成是“容器”，認(rèn)為只要把“容器”裝滿，學(xué)生把知識(shí)死記下來就完成了教學(xué)任務(wù)，老師和學(xué)生及學(xué)生與學(xué)生之間缺乏交流，重公式和定律而輕發(fā)展過程和實(shí)際應(yīng)用。

在繼電保護(hù)教學(xué)實(shí)踐中通過引入Matlab仿真對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行分析的方法引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中，衍生出“短路電流分布曲線”這一新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。

由《電力系統(tǒng)分析》課程知識(shí)可知，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中任意點(diǎn)發(fā)生三相和兩相短路時(shí)，流過短路點(diǎn)與電源間線路中的短路電流包括短路工頻周期分量、暫態(tài)高頻分量和衰減直流分量，其短路工頻周期分量可用式（1）近似計(jì)算：

式中，EΦ——系統(tǒng)等效電源的相電勢(shì)；

Zd——短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處之間的阻抗；

Zs——保護(hù)安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗；

圖1 電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)式（1）建立如圖1所示的電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)。，在該仿真系統(tǒng)中，可以通過在該故障仿真系統(tǒng)中選擇不同的短路點(diǎn)位置、改變系統(tǒng)阻抗及故障類型的方法來改變式（1）中Zd、Zs、Kφ的對(duì)應(yīng)值，觀察這三種因素的變化對(duì)短路電流大小的影響，從而得出不同條件下的短路電流曲線。學(xué)生通過比較所得的不同條件下的短路電流曲線，可以構(gòu)建“短路電流分布曲線”這一新認(rèn)知。

3.2 從“個(gè)體式”學(xué)習(xí)到“社會(huì)化”學(xué)習(xí)

社會(huì)性建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)不僅是個(gè)體在與物理環(huán)境的相互作用中建構(gòu)起來的，社會(huì)性的相互作用同樣重要，甚至更加重要。

在學(xué)生建立了“短路電流分布曲線”這一新認(rèn)知后，電流保護(hù)教學(xué)情境進(jìn)入到“階段式電流保護(hù)構(gòu)成”這一步驟。在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)學(xué)生不同的興趣和共同關(guān)心的問題，把學(xué)生分幾組，形成學(xué)習(xí)沙龍，首先到實(shí)驗(yàn)室觀察教師演示的階段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)情況，然后各組完成自己的階段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)學(xué)生都有自己的經(jīng)驗(yàn)世界，不同的學(xué)生可以對(duì)某種問題形成不同的假設(shè)和推論，通過學(xué)生之間的相互溝通和交流，相互爭(zhēng)辯和討論，合作完成階段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)這個(gè)任務(wù)，共同解決問題，從而形成更豐富、更靈活的理解。

3.3 情境性學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)環(huán)境中的情境必須有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的意義建構(gòu)。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生建構(gòu)意義的情境是最重要的環(huán)節(jié)或方面。在完成了階段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)之后，為了進(jìn)一步構(gòu)建學(xué)生對(duì)于階段式電流保護(hù)構(gòu)成原理的認(rèn)知，在電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)結(jié)開發(fā)了相應(yīng)的階段式電流保護(hù)邏輯判別模塊，從而完成學(xué)生對(duì)于電流保護(hù)教學(xué)情境下知識(shí)與能力的構(gòu)建。

圖2 階段式電流保護(hù)邏輯框圖

首先，按圖2所示階段式電流保護(hù)邏輯框圖，根據(jù)微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成原理，利用Simulink工具箱實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理基本算法、保護(hù)元件模塊算法及邏輯出口等模塊。

然后，計(jì)算相應(yīng)的整定值與整定時(shí)間。該部分可由學(xué)生在參加“階段式電流保護(hù)”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分組討論計(jì)算完成，并且構(gòu)建了“階段式電流保護(hù)整定計(jì)算”的認(rèn)知。

最后，在圖1所示的“電流保護(hù)教學(xué)仿真系統(tǒng)”，完善相應(yīng)的保護(hù)邏輯，設(shè)定階段式電流保護(hù)各段定值。通過仿真，可實(shí)時(shí)觀察一次系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)判據(jù)有關(guān)測(cè)量值的變化、保護(hù)各邏輯元件的狀態(tài)、保護(hù)出口信號(hào)狀態(tài)，從而對(duì)保護(hù)的動(dòng)作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，分析保護(hù)內(nèi)部各元件的動(dòng)作是否合理。在此過程中，一方面，學(xué)生可以通過設(shè)置不同的保護(hù)整定值及整定時(shí)間，來觀察不同整定條件下保護(hù)動(dòng)作情況的變化；另一方面，學(xué)生還可以通過改變故障位置及故障類型，來觀察不同故障情況下，階段式電流保護(hù)中各元件動(dòng)作與輸出的情況。

圖3所示為，母線保護(hù)安裝處附近，0.1s時(shí)發(fā)生三相接地故障時(shí)，母線處的三相電壓發(fā)生跌落，三相電流增大為短路電流，階段式保護(hù)中的電流I段在0.203s時(shí)動(dòng)作令斷路器跳閘，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為103ms。

實(shí)踐證明，學(xué)生能夠通過本文中“階段式電流保護(hù)”學(xué)習(xí)情境，較好的掌握“短路電流分布曲線”、“階段式電流保護(hù)構(gòu)成”、“階段式電流保護(hù)整定計(jì)算”等知識(shí)內(nèi)容。

圖3 電流保護(hù)仿真系統(tǒng)的電壓、電流及出口邏輯值

4 結(jié)論

本文在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，采用Matlab仿真技術(shù)，以模塊化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種繼電保護(hù)仿真分析教學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合該系統(tǒng)及建構(gòu)主義學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，完成了“階段式電流保護(hù)”的教學(xué)實(shí)踐。實(shí)踐證明，該方法在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)情境教學(xué)模式中，能發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，滿足繼電保護(hù)教學(xué)的需要。

［1］何瑞文，陳少華.關(guān)于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)課程教學(xué)改革與建設(shè) ［J］. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（03）：20-21.

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