摘要：继电保护是电气专业的一门经典主干专业课程，与多门专业课程紧密关联，其教学起点高、内容多。克服传统教学中以老师为主导灌输知识的弊端，突出学生主体作用的积极性，将先进的仿真软件MATLAB引入教学中，让学生置身于相应的情境中，通过问题启发式教学来激发学生自主学习，逐渐建立起对新知识的认知，介绍了短路电流曲线的自主建立和不对称短路零序分量的直观观测两个案例，很好地挖掘了学生潜能，提升了教学质量。
关键词：电力系统继电保护；MATLAB；情境启发式教学
中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）18-0055-02
电力系统继电保护课程是电气工程及其自动化专业的一门重要必修专业课程，是一门理论性和实践性都很强的课程，该门课程之所以受到重视是因为继电保护是电力系统运行的“守护神”，是保证电力系统可靠运行的重要技术措施。继电保护课程的教学质量直接关系到电气专业人才培养的质量，本文将MATLAB仿真技术引入到教学中，开展课程的情境启发式教学，充分调动学生学习的兴趣，让他们能主动思考，以一种学生更易接受和更好理解的方式来进行教学。
一、MATLAB情境下的启发式教学方法
随着计算机技术的快速发展，数字仿真技术在电力系统继电保护中的应用也在不断深化，MATLAB不但具有强大的数学计算和分析功能，还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力，Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的集成环境，利用其图形化的用户界面，可以方便地完成建模、调试和仿真工作。本文利用MATLAB建立相应的仿真模型，将学生置身于相应的情境中，强调学生在自身已掌握的知识体系上，通过老师的启发引导，主动思考，积极思维，建立起对新知识的认知并理解掌握它。MATLAB情境下的这种教学模式强调以学生为中心，是知识获取的主体，老师不是新知识的灌输者，而是引导启发者。在课堂教学中，学生学习的主动性是影响教学质量的关键因素，老师可以通过不断设定一些问题，激发学生探索疑问的动力，激励他们主动求知的欲望。例如，在介绍短路电流曲线时候，可以设定这样一些问题：线路阻抗值的大小对短路电流有何影响？不同短路类型下短路电流曲线如何？系统运行方式对短路电流的影响如何？对于三段式保护，可以提出这样一些问题：线路末端短路速断不能保护到如何解决？后备保护如何设置？本线路II段为什么不能超出下级线路I段保护范围？两个电流能否相等？时限如何配合？中性点接地方式对系统短路电流的影响？等等。限于篇幅，下面以短路电流曲线的自主建立和零序电压观测两个案例来进行介绍，三段式保护内容将另文叙述。
二、案例一：短路电流曲线的自主建立
1.模型的建立
利用MATLAB建立仿真模型如下图1所示。三相电源电压设
为35kV，中性点不接地方式；利用“Three-Phase VI Measurement”
模块构成母线BUS，每段线路的首端母线处设置三相电流观测点，利用Demux模块分别读取三相电流的有效值，并用Display模块显示；在三段线路L11、L21、L31的末端利用Fault模块设置短路故障点，可模拟三相和两相短路；控制相应断路器打开，使得Source2、L12、L22、L32均不接入，则系统处于最小运行方式，反之若Source2、L12、L22、L32均接入，则系统处于最大运行方式。
2.实验数据和波形记录
依据上述仿真模型一，针对不同的系统运行方式、不同的短路位置、不同的故障类型进行了大量仿真实验，采用ode23tb算法，仿真总时长设为1s，t=0.4s时发生短路故障。母线电流值记录在表1中，两相短路时的三个电流值分别对应ABC三相的值，由于三相短路属于对称短路，三相值相同，故只记录一相的值。
表1 案例一的实验数据
系统运行方式最大运行方式最小运行方式稳态
短路发生位置10km处20km处30km处10km处20km处30km处/
系统运行方式最大运行方式最小运行方式稳态
短路类型 f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2) f (3)f (2)/
i-B
US126432301/
2284/
17.322171889/
1872/
17.319101685/
1669/
17.313211152/
1135/
16.861108968/
952/
16.9955835/
819/
16.916.8
i-B
US208.4/
8.4/
16.822181922/
1906/
16.919101672/
1655/
16.908.3/
8.3/
16.71108968/
952/
16.7955835/
819/
16.716.7
i-B
US308.3/
8.3/
16.608.3/
8.3/
16.619101788/
1772/
16.608.3/
8.3/
16.608.3/
8.3/
16.6955835/
819/
16.616.6
以最小运行方式、20km处为例，相应母线1、2、3的电流波形记录如图2、图3、图4所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值。
3.结论分析
分析表中实验数据可以得到如下结论：第一，i-BUS1水平电流值比较可以看出，短路位置越靠近电源端，线路阻抗值越小，则短路电流越大，通过PLOT指令就可以作出“短路电流与线路长度的关系曲线”；第二，两相短路电流值较三相短路电流值要略小，两者间满足的大小关系；第三，对比最大和最小运行方式，显然，同样的地点发生相同类型的短路，最大运行方式下产生的短路电流要比最小运行方式下的大。
从记录的波形可以看到：t=0.4s发生短路后，图2、图3显示短路后的电流较之前稳态运行电流要大很多；图4说明发生短路后，短路点后面的负荷电流为0；同时，从图2、图3、图4还能看到t=0.4s短路瞬间的暂态过程。
依据表1中数据，作出“最大运行方式下三相短路”和“最小运行方式两相短路”的两条曲线，如图5所示。
短路电流曲线是继电保护课程后续三段式保护原理分析的基础，在教学过程中，不是直接给定相应的曲线结论，而是通过建立仿真模型，让学生置身于相应的情境中。通过设置不同的短路情况，主动学习，观察系统运行方式、短路位置、故障类型等因素对短路电流的影响，自主建立起相应的短路电流曲线，这不仅能激发学生探索的兴趣，而且能让学生更好地理解并深刻记住这一新知识点。
三、案例二：不对称短路零序分量的直观观测
1.模型的建立
利用sum模块将三个电压测量单元的电压输出相加，Scope显示的即是零序电压分量，在Fault模块中设置t=0.2s时发生A相单相接地故障，仿真模型如图6所示，仿真总时长为0.5s。
2.波形记录和分析
Scope记录的零序电压波形如图7所示，从图7明显可见，t=0.2s之前系统无故障，三相对称运行，故u0=0V；t=0.2s时刻，线路L2的A相发生单相接地故障，u0波形显示出了暂态变化的过程；t=0.2s之后系统不对称运行，出现了很大的零序电压分量。
教学过程中，如果仅仅只是用语言去叙述这一现象，学生对于抽象的零序分量很难理解，而通过MATLAB的情境启发式教学，直观地显示出零序电压故障前后的波形变化，这无疑会给学生留下深刻的印象。同时，在MATLAB情境下的这种教学，以一种更生动的形式展示了教学内容，激发了学生学习的兴趣，也再次让学生深刻领会了继电保护课程“差异甄别”的核心，即只要能找出正常状态和故障状态的“差异”（此处是零序电压的变化），利用这种差异就可以“甄别”出故障。
四、结束语
电力系统安全稳定运行离不开继电保护，因此，继电保护课程对于电气专业学生的培养至关重要。本文提出的MATLAB情境下的启发式教学方法能充分调动学生思维，让学生能够更直观地理解保护的原理，有利于加深学生对于继电保护知识点的掌握，这对于创新性人才的培养有着重要意义。
参考文献：
[1]张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].第2版.北京:中国电力出版社,2012.
[2]许明,高厚磊, 侯梅毅，等.数字仿真技术在继电保护教学中的应用[J].电力系统保护与控制,2010,38(15):104-109.
（责任编辑：王意琴）