微机继电保护课程实验教学平台的设计与实践

李永 李芙玲

[摘 要] 文中设计了微机继电保护课程实验教学平台，该平台能够满足微机保护课程的实验课教学要求，能满使深入理解微机保护装置内部电路工作原理，同时还能够满足开设开放性设计性实验的要求，允许学生通过实验平台调试自己编写的微机保护程序，从而能培养学生程序设计开发能力。通过这个实验平台的使用，可以给学生设计开发电力系统智能装备打下一定理论和实践基础。

[关键词] 微机继电保护;实验平台;开放性实验;创新能力

[基金项目] 2019年华北科技学院校内资助项目“电网监控与微机保护实验教学平台研究”（HKJYZD201905）;2019年河北省高等学校科

学技术研究项目“多种信息交叉印证实现配电网单相接地故障点准确定位的研究”（Z2019063）;2017河北省高等教育教学

改革研究与实践项目（河北省教育厅）“基于翻转课堂的计算机类专业Java程序设计课过程性学习评价研究与实践”（2017GJJG252）

[作者简介] 李 永（1972—），男，河北徐水人，工学硕士，华北科技学院副教授，研究方向为电气工程;李芙玲（1974—），女，辽宁盘锦人，

工学硕士，华北科技学院副教授，研究方向为计算机技术。

[中图分类号] G642.423    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）30-0389-02   [收稿日期] 2019-12-18

一、引言

微机保护课程是电气工程自动化专业的一门专业前沿课程，该课程主要讲述微机型继电保护装置的结构、工作原理，重点讲述微机保护算法知识;根据“新工科”培养理念的要求，我们要培养创新型、应用型人才[1]，培养的学生不但要学会在电力系统中正确使用和配置微机继电保护装置，还要能够懂得微机保护装置的实现原理方法，甚至能够设计或改进微机保护装置;因此，该课程的教学要理论与实践结合，要通过课程设计和课程实验等环节使学生深入理解微机继电保护装置中各部分电路的工作原理、工作特点、信号的传递及信号处理过程，培养学生的创新和研发能力;为了达到以上教学目的，我设计了微机保护试验教学平台。

二、微机继电保护实验教学平台的设计

为了满足学生创新能力和设计能力的培养，微机继电保护实验教学平台功能上要能够实现和验证该课程所学的理论知识，结构上要简洁明了，便于学生实验测试;部分电路参数要能够修改，以方便学生理解各电路的特性;按键操作要简洁规范，输出数据要直观，最好能够仿照目前市场上常用微机保护装置的按键和显示功能模块;最后，所设计微机保护装置软件程序要能够方便更新，便于学生验证自己的程序。

（一）实验项目设计

根据微机继电保护课程教学要求及培养学生创新能力的需要，本实验平台设计了三个实验项目：

1.数据采集系统实验：该实验项目的主要目的是让学生深入掌握电压、电流采集电路的构成，理解信号变换、型号放大、滤波、采样保持等功能电路的实现方法和电路特点，通过测量各个关键点的电压波形理解数据采集电路的工作原理，理解电路的设计要点及电路参数计算方法。

2.电流保护实验：该实验项目的目的是让学生理解三段式电流保护的實现原理，电流保护参数的配置及保护调试，理解开关量输入输出回路的工作原理，过电流保护的算法及程序实现方法[2]。

3.距离保护实验：该实验项目是让学生理解三段式距离保护的实现原理，短路距离的测量算法，反方向故障的判断方法，理解距离保护的配置参数及保护测试方法。

4.微机继电保护程序设计实验：该实验室让学生在深入理解实验平台硬件电路功能特性的基础上，根据保护要求设计保护算法、编写程序，将程序烧录到试验台的单片机中，调试运行查看运行效果，通过该实验可以培养学生的程序设计能力。

（二）功能模块设计

为了实现上述的实验项目，本实验平台设计了以下功能模块。

1.电压电流采集模块：该模块功能是实现电压信号和电流信号的采集，电压和电流信号的采集电路基本相同，都包括电压形成电路、信号放大及电压偏移电路、滤波电路、采样保持电路等。

2.周期测量模块：该模块的功能是实现一次系统频率的测量，以便电压、电流的采样计算能够适应系统频率的变化。

3.开关量输入输出模块：开关量输出模块功能是实现保护跳闸，输入模块作用是用于检测外部开关以及一些开关类设备的工作状态，该部分电路的关键是让学生熟悉光耦的使用。

4.按键模块：该部分最好采用常规继电保护装置通用的9按键形式，各个按键的功能设计也要接近实际的微机保护装置。

5.显示模块：采用常规继电保护常用的128*64的液晶显示屏，能够实现图形和文字的显示。

6.单片机模块：该模块做成一个相对独立的模块，做成可插拔更换的，这样便于系统升级，该模块要设计便于烧录程序的程序下载接口，设计中我选用了STM32F103单片机系统板，具有4线SWD烧录接口，借助JLINK仿真器可以很方便的进行程序的调试和下载。

7.电源模块：输入的是220V交流电源，通过电源模块产生试验台需要的+5V电压和-5V电压，满足试验台各个电路的电源需求。

微机继电保护试验台的整体功能模块关系图如下：

三、教学实践

本实验平台已经调试完成，并且开出了创新开放型实验项目，通过这些实验项目，加深了学生对微机继电保护装置的结构及工作过程的理解，也有助于学生掌握微机保护装置设计及调试的方法;下面仅以第一个实验“数据采集系统实验”为例说明该实验平台的实践效果。

在该实验中，要求学生利用双踪示波器测量电压采集电路中采样保持器输出电压和采样脉冲电压的波形，通过观察两个波形间关系理解电压电流信号采样及AD转换的过程。

通過观察记录采样电路中关键位置的波形数据，可以使学生深入理解单片机定时发出采样脉冲，理解数据采集电路的采样和保持状态的转换关系;理解采样保持电路输出电压随输入电压变化的情况;当采样脉冲变为低电平后，采样保持器输出电压保持不变，利用采样保持器这一特性，单片机可以对多路模拟量同时采样，分时转换，从而实现线路阻抗及短路功率的精确计算。

学生通过这些实验，可以测量真实电路中的各处波形，从而，可以更加直观地理解微机保护装置各个电路的工作原理，电流电压等各种信号在微机保护装置中的传输过程。

四、结论

微机保护装置实验平台是依据微机继电保护课程的教学要求而设计的，综合考虑了教学基本要求和学生创新实践能力的培养，该实验平台能满足开设微机继电保护方面开放性、设计性实验的要求，能够培养学生在微机保护装置设计、开发方面的能力，进而帮助学生在电力系统智能设备开发方面打下一定的理论和实践基础。

参考文献

[1]余雷，费树岷.新工科背景下电气工程及其自动化专业人才培养研究[J].电气与电子教学学报，2019（10）.

[2]杨奇逊，黄少锋，微型机继电保护基础（第四版）[M].中国电力出版社，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