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面向工程能力提升的《电力系统继电保护原理》教学案例设计

信息来源: 发布日期:2023-11-20


四川大学高等教育教学改革工程(第十期)

研究项目

                  

 

项目名称

面向工程能力提升的《电力系统继电保护原理》教学案例设计

 

负责人

张姝

1.项目拟解决的问题和工作目标

《电力系统继电保护》课程是电气工程及其自动化专业的核心课程,是兼具理论性和实践性的专业课程,它的理论比较抽象,学习难度较大。学好该课程对培养电气专业技能型、应用型、创新性人才有着十分重要的意义。

(1) 项目拟解决的问题:

① 教材未涉及现场的故障波形和保护动作跳闸过程,学生难以真实感受各种复杂工况下继保的作用。教学中会给学生讲解理论典型的故障类型,但是生产过程中情况远比理论要复杂,比如雷电闪络、绝缘击穿、树障、动物触线等等均是现场保护跳闸的主要原因,甚至还有短时间多元件故障的复杂案例,相比于理论的接地短路其具有明显的故障发展形成过程。学生由于在课程中没有了解这类复杂的故障波形,难以判定保护的动作情况。其核心在于教材中对故障的阐述较为理想情况,缺乏对现场故障实测波形和保护逻辑动作的分析

② 教材涉及的线路拓扑与工程应用有差距,学生难以将知识点应用于现场生产整定计算。元件的保护整定计算是课程的核心,但是目前采用的教材均是通过单个元件的整定、现场拓扑的简化来讲解和考核知识点。不同元件之间的配合,如何集成在一个整体的继电保护二次系统中没有涉及。而往往学生在实习参观变电站时会出现难以读懂变电站二次回路图纸,看不懂保护设计的问题。其核心在于教材内容是以知识点为出发点,忽略了继保技术在工程应用的整体性。

③ 教学过程中重在理论计算,学生不熟悉现场继电保护系统的实际运行和故障查找。继电保护技术由于装置更新快,实际工程系统中包括整定、通信、软件等多方面的应用。课程中只要求学生对原理进行验证,但是对继电保护系统的调式、继电保护故障查找才是现场运行主要关注的重点,学生表现出对装置应用不熟悉不掌握的情况。其核心在于教材没有涉及保护装置及系统的介绍,学生仅通过实验课时接触到的装置问题较少,缺乏对现场装置和系统的应用型分析。

 

(2) 项目工作目标:

本项目主要通过工程案例让学生更好地理解教学内容,除了掌握基本的理论知识,掌握必要的工程技术、先进设备、测试方法和基本研究方法,同时可以培养学生的工程素养、实验技能和创新能力。主要有:

通过在教学中加入工程故障的实例分析,提升学生对现场复杂工况故障的分析能力。

通过在教学中加入变电站的实际拓扑整定,提升学生对继电保护原理的工程化应用能力。

通过在教学中加入可视化的保护逻辑过程建模,提升学生对继电保护动作过程的认识。

 

 

3. 项目的改革思路和举措(项目研究与实践的主要思路、具体措施、创新点等)

《电力系统继电保护》课程目标需要从传统的掌握知识转向应用能力的培养,为学生尽快成为未来合格工程做准备。因此,在面向工程能力提升的课题教学中,在筑牢基础理论知识的前提下,应尽可能地体现工程应用,尽可能地体现与工程实践相结合,授课内容尽可能地添加“工程元素”。

1)思路与创新

第一,基础理论知识点模型化、可视化方法授课。电力系统继电保护”课程理论抽象性很高,难度高,由于学生没有接触过实际工程,很难建立起感性认识,一些抽象思维能力较弱的同学学了本课程很长时间,还没建立起基本概念。针对这一问题,本项目提出将抽象性强的理性知识点通过可视化手段,建立起感性认知,所见即所得,印象深刻。适度引进专业软件辅助教学,形象化阐述抽象思维问题。例如,Matlab/Simulink建立起线路短路故障的“电流故障特征”工程模型,通过比较,了解在电网正常运行和故障情况下这些电流故障特征的不同表现。

第二,课程知识点讲解与工程应用实例紧密结合。“电力系统继电保护”既是一门高度抽象的理论性课程,同时又是具有强实践性的课程,它的每个知识点在电气工程实践中都有直接对应关系。基于此,本项目提出了引入电力工程中实际的拓扑图和故障实例,展示相关知识的实际用途以及如何应用,强化知识的理解与掌握,并且可以更好地培养应用能力。例如,距离保护是《电力系统继电保护》这门课程的一个重点和难点,对于理解继电保护的基本任务、继电保护的四个基本要求以及基本原理应用分析方法等知识点起着非常重要的作用,同时距离保护在110kV以上电网中有着重要而广泛的应用。在讲授课程相关知识时,引入了如图3所示的某地区110kV电网的距离保护实际工程保护配置进行阐述。

3 某地区110kV电网距离保护配置图

第三,解读相关工程规范,提前体会工程要求。本课程有一个很大的特点就是,每个知识的工程应用都有国家的规程规范,或电力行业的规程规范,对相关业务要求有明确的约束规定。可以在教学过程中对相关规程规范进行适当解读,培养学生结合工程应用场合的规程规范应用课程知识的能力。比如GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的4.8.1条规定“对于220~500kV电压的母线,应装设有选择性地切除故障的母线保护”;4.8.2条规定“对于发电厂和变压器的35110kV电压的母线,在三种情况下,应装设专用的母线保护”;4.8.3条规定“发电厂和变压器的3~10kV分段母线及并列运行的双母线,一般可由发电机和变压器的后备保护实现对母线的保护”。

2)具体措施

第一,通过查阅南网、国网电力公司分布的《继电保护案例分析汇编》、《继电保护国家标准》等材料,搜及相关的故障案例和规程规范。形成线路、变压器、母线、断路器、发电机、复杂故障等对应的主要案例分析模块;形成与课程体系相关的规程说明文档;

第二,通过对部分章节采用Matlab/Simulink数字物理混合仿真系统等进行仿真建模,以达到深入掌握相关知识并培养其能力的目的。本项目根据循序渐进的原则开展“单侧电源的三段式电流保护专题”和“双侧电源的电网距离保护专题研究”。通过学生分组研讨,动手建模在仿真平台上实现保护过程。

第三,通过视频、PPT、实操等模式让学生增加对实验装置的熟悉的过程,在教学环节中增加实验装置纠错查找等环节,通过让学生自己设置保护故障等方式,建议不掌握继电保护装置的现场运行。

第四,可以邀请电力公司生计部相关工程人员、南瑞继保公司装置研发人员进课堂开展工程化的继电保护案例讲座,通过真实的故障过程处置、装置研发过程,提高学生对继电保护工程化的认识和感受。

 

 

 

 

 

 

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