微機(jī)繼電保護(hù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李永 李芙玲

[摘 要] 文中設(shè)計(jì)了微機(jī)繼電保護(hù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，該平臺能夠滿足微機(jī)保護(hù)課程的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)要求，能滿使深入理解微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部電路工作原理，同時還能夠滿足開設(shè)開放性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求，允許學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)平臺調(diào)試自己編寫的微機(jī)保護(hù)程序，從而能培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)開發(fā)能力。通過這個實(shí)驗(yàn)平臺的使用，可以給學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)電力系統(tǒng)智能裝備打下一定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 微機(jī)繼電保護(hù);實(shí)驗(yàn)平臺;開放性實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新能力

[基金項(xiàng)目] 2019年華北科技學(xué)院校內(nèi)資助項(xiàng)目“電網(wǎng)監(jiān)控與微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺研究”（HKJYZD201905）;2019年河北省高等學(xué)?？?/p>

學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“多種信息交叉印證實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障點(diǎn)準(zhǔn)確定位的研究”（Z2019063）;2017河北省高等教育教學(xué)

改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（河北省教育廳）“基于翻轉(zhuǎn)課堂的計(jì)算機(jī)類專業(yè)Java程序設(shè)計(jì)課過程性學(xué)習(xí)評價研究與實(shí)踐”（2017GJJG252）

[作者簡介] 李 永（1972—），男，河北徐水人，工學(xué)碩士，華北科技學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姎夤こ?李芙玲（1974—），女，遼寧盤錦人，

工學(xué)碩士，華北科技學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)。

[中圖分類號] G642.423? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）30-0389-02? ?[收稿日期] 2019-12-18

一、引言

微機(jī)保護(hù)課程是電氣工程自動化專業(yè)的一門專業(yè)前沿課程，該課程主要講述微機(jī)型繼電保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理，重點(diǎn)講述微機(jī)保護(hù)算法知識;根據(jù)“新工科”培養(yǎng)理念的要求，我們要培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才[1]，培養(yǎng)的學(xué)生不但要學(xué)會在電力系統(tǒng)中正確使用和配置微機(jī)繼電保護(hù)裝置，還要能夠懂得微機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)原理方法，甚至能夠設(shè)計(jì)或改進(jìn)微機(jī)保護(hù)裝置;因此，該課程的教學(xué)要理論與實(shí)踐結(jié)合，要通過課程設(shè)計(jì)和課程實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)使學(xué)生深入理解微機(jī)繼電保護(hù)裝置中各部分電路的工作原理、工作特點(diǎn)、信號的傳遞及信號處理過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和研發(fā)能力;為了達(dá)到以上教學(xué)目的，我設(shè)計(jì)了微機(jī)保護(hù)試驗(yàn)教學(xué)平臺。

二、微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)

為了滿足學(xué)生創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺功能上要能夠?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證該課程所學(xué)的理論知識，結(jié)構(gòu)上要簡潔明了，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)測試;部分電路參數(shù)要能夠修改，以方便學(xué)生理解各電路的特性;按鍵操作要簡潔規(guī)范，輸出數(shù)據(jù)要直觀，最好能夠仿照目前市場上常用微機(jī)保護(hù)裝置的按鍵和顯示功能模塊;最后，所設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)裝置軟件程序要能夠方便更新，便于學(xué)生驗(yàn)證自己的程序。

（一）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

根據(jù)微機(jī)繼電保護(hù)課程教學(xué)要求及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的需要，本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)了三個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要目的是讓學(xué)生深入掌握電壓、電流采集電路的構(gòu)成，理解信號變換、型號放大、濾波、采樣保持等功能電路的實(shí)現(xiàn)方法和電路特點(diǎn)，通過測量各個關(guān)鍵點(diǎn)的電壓波形理解數(shù)據(jù)采集電路的工作原理，理解電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及電路參數(shù)計(jì)算方法。

2.電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的是讓學(xué)生理解三段式電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理，電流保護(hù)參數(shù)的配置及保護(hù)調(diào)試，理解開關(guān)量輸入輸出回路的工作原理，過電流保護(hù)的算法及程序?qū)崿F(xiàn)方法[2]。

3.距離保護(hù)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是讓學(xué)生理解三段式距離保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理，短路距離的測量算法，反方向故障的判斷方法，理解距離保護(hù)的配置參數(shù)及保護(hù)測試方法。

4.微機(jī)繼電保護(hù)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生在深入理解實(shí)驗(yàn)平臺硬件電路功能特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)保護(hù)要求設(shè)計(jì)保護(hù)算法、編寫程序，將程序燒錄到試驗(yàn)臺的單片機(jī)中，調(diào)試運(yùn)行查看運(yùn)行效果，通過該實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力。

（二）功能模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)了以下功能模塊。

1.電壓電流采集模塊：該模塊功能是實(shí)現(xiàn)電壓信號和電流信號的采集，電壓和電流信號的采集電路基本相同，都包括電壓形成電路、信號放大及電壓偏移電路、濾波電路、采樣保持電路等。

2.周期測量模塊：該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)頻率的測量，以便電壓、電流的采樣計(jì)算能夠適應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。

3.開關(guān)量輸入輸出模塊：開關(guān)量輸出模塊功能是實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳閘，輸入模塊作用是用于檢測外部開關(guān)以及一些開關(guān)類設(shè)備的工作狀態(tài)，該部分電路的關(guān)鍵是讓學(xué)生熟悉光耦的使用。

4.按鍵模塊：該部分最好采用常規(guī)繼電保護(hù)裝置通用的9按鍵形式，各個按鍵的功能設(shè)計(jì)也要接近實(shí)際的微機(jī)保護(hù)裝置。

5.顯示模塊：采用常規(guī)繼電保護(hù)常用的128*64的液晶顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形和文字的顯示。

6.單片機(jī)模塊：該模塊做成一個相對獨(dú)立的模塊，做成可插拔更換的，這樣便于系統(tǒng)升級，該模塊要設(shè)計(jì)便于燒錄程序的程序下載接口，設(shè)計(jì)中我選用了STM32F103單片機(jī)系統(tǒng)板，具有4線SWD燒錄接口，借助JLINK仿真器可以很方便的進(jìn)行程序的調(diào)試和下載。

7.電源模塊：輸入的是220V交流電源，通過電源模塊產(chǎn)生試驗(yàn)臺需要的+5V電壓和-5V電壓，滿足試驗(yàn)臺各個電路的電源需求。

微機(jī)繼電保護(hù)試驗(yàn)臺的整體功能模塊關(guān)系圖如下：

三、教學(xué)實(shí)踐

本實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)調(diào)試完成，并且開出了創(chuàng)新開放型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深了學(xué)生對微機(jī)繼電保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)及工作過程的理解，也有助于學(xué)生掌握微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)及調(diào)試的方法;下面僅以第一個實(shí)驗(yàn)“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”為例說明該實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)踐效果。

在該實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生利用雙蹤示波器測量電壓采集電路中采樣保持器輸出電壓和采樣脈沖電壓的波形，通過觀察兩個波形間關(guān)系理解電壓電流信號采樣及AD轉(zhuǎn)換的過程。

通過觀察記錄采樣電路中關(guān)鍵位置的波形數(shù)據(jù)，可以使學(xué)生深入理解單片機(jī)定時發(fā)出采樣脈沖，理解數(shù)據(jù)采集電路的采樣和保持狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系;理解采樣保持電路輸出電壓隨輸入電壓變化的情況;當(dāng)采樣脈沖變?yōu)榈碗娖胶?，采樣保持器輸出電壓保持不變，利用采樣保持器這一特性，單片機(jī)可以對多路模擬量同時采樣，分時轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)線路阻抗及短路功率的精確計(jì)算。

學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)，可以測量真實(shí)電路中的各處波形，從而，可以更加直觀地理解微機(jī)保護(hù)裝置各個電路的工作原理，電流電壓等各種信號在微機(jī)保護(hù)裝置中的傳輸過程。

四、結(jié)論

微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)平臺是依據(jù)微機(jī)繼電保護(hù)課程的教學(xué)要求而設(shè)計(jì)的，綜合考慮了教學(xué)基本要求和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，該實(shí)驗(yàn)平臺能滿足開設(shè)微機(jī)繼電保護(hù)方面開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求，能夠培養(yǎng)學(xué)生在微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)、開發(fā)方面的能力，進(jìn)而幫助學(xué)生在電力系統(tǒng)智能設(shè)備開發(fā)方面打下一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]余雷，費(fèi)樹岷.新工科背景下電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)研究[J].電氣與電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2019（10）.

[2]楊奇遜，黃少鋒，微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)（第四版）[M].中國電力出版社，2013.

Design and Practice of Experimental Teaching Platform for Microcomputer Relay Protection Course

LI Yonga，Li Fu-lingb

（a.Key Laboratory of Mine Equipment Safety Monitoring in Hebei，b.Computer Institute，North China Institute of Science and Technology，Langfang，Hebei 065201，China）

Abstract：This paper designs the experimental teaching platform for the course on Microcomputer Relay Protection，which can meet the requirements of the experimental teaching of the course，fully understand the working principle of the internal circuit of the microcomputer protection device，meet the requirements of opening design experiment，and allow students to debug their own microcomputer protection program through the experimental platform，so as to cultivate students' ability of program design and development.Through the use of this experimental platform，it can lay a theoretical and practical foundation for students to design and develop intelligent equipment of power system.

Key words：Microcomputer Relay Protection;experimental platform;open experiment;innovation ability