項目驅(qū)動學習在電力系統(tǒng)繼電保護的應用

《電力系統(tǒng)繼電保護》課程作為電氣類的主干專業(yè)課程[1]，其理論和實踐同等重要。而傳統(tǒng)的教學模式是循序漸進地進行課程的理論教學，運用以“教室-課本-黑板-多媒體”為主的教學方法，后進行考試測試。在此過程中，教師是主體，*忽略了對學生實踐能力的培養(yǎng)，這使得課程教學與工程實踐產(chǎn)生了嚴重脫離[2]，不能滿足工程應用型人才的培養(yǎng)目標。

1CDIO工程教育模式

高等工科學校培養(yǎng)的目標是應用型高級專業(yè)技術人才，其不僅要求理論基礎扎實，還要求具備很強的工程實踐能力，專業(yè)綜合素質(zhì)要高。我國從2005年引入了CDIO工程教育模式，與其他工程教育模式相比，CDIO具有*性、全面性和性，四個英文字母分別代表構思、設計、實施和運行四個部分。目前，我國很多高校都已開展了基于CDIO的教學改革[3]，取得了顯著成效。隨著科學技術的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)繼電保護技術不斷更新，繼電保護產(chǎn)品越來越趨近于微機化、一體化、網(wǎng)絡化和小型化，這使得繼電保護的應用現(xiàn)狀與高校人才的培養(yǎng)現(xiàn)狀之間存在著巨大的差距。在《電力系統(tǒng)繼電保護》的教學實踐中引入CDIO工程教育模式，從根本上改革課程的教學內(nèi)容和教學方法，以期課程的教學效果，培養(yǎng)符合中國產(chǎn)業(yè)升級需求的“工程師”。

2課程教學內(nèi)容的改革

由于國內(nèi)的一次電網(wǎng)相對國外的要薄弱些[4]，所以就需要相對完備的保護系統(tǒng)?！峨娏ο到y(tǒng)繼電保護》課程在構建教學內(nèi)容時，首先應該滿足發(fā)達繼電保護的行業(yè)性要求，再加上繼電保護的通用性，引入了CDIO模式后，將形成一套既能滿足國內(nèi)行業(yè)需求又能與接軌的內(nèi)容體系?！峨娏ο到y(tǒng)繼電保護》課程教學的目標，是為今后從事電力系統(tǒng)的繼電保護、二次回路、自動裝置相關工作，包括“設計、安裝、檢驗、調(diào)試、運行、維護、管理”等工作培養(yǎng)高級應用型人才。從此出發(fā)，教學內(nèi)容改革的思路是“專業(yè)定位分析→工作任務分析→能力要求分析→項目化教學內(nèi)容”。根據(jù)學生將來所面向崗位，以及崗位所要求的能力，將理論與工程應用相結合，構建了五個學習型的項目：①各種繼電器的檢驗與調(diào)試，②繼電保護與自動裝置相配合，③微機線路保護的運行監(jiān)視及常見故障處理，④微機變壓器保護的運行監(jiān)視及常見故障處理，⑤保護系統(tǒng)設計。

3主動式項目驅(qū)動學習方法的應用

采用主動式項目驅(qū)動學習方法，教學主體將從教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，教學方法由傳統(tǒng)的集中式改為小組分散式，教學過程從課堂教學轉(zhuǎn)向具體項目的CDIO實現(xiàn)，教學目標從專業(yè)知識學習到學生系統(tǒng)工程能力的培養(yǎng)。項目驅(qū)動學習方法將圍繞著課程的教學項目，分階段進行教學。對于每個教學項目可以按照CDIO的四個過程進行分解，過程如圖1所示。具體的實施步驟如下：1）“繼電保護的目的”，是保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。學生只有掌握了一次系統(tǒng)的運行和故障特性，才能設定出合理的二次保護方案。從此出發(fā)，首先讓學生理解繼電保護的根本，然后在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時引導學生去發(fā)現(xiàn)問題，后學生才能完成主動的“構思”過程。2）“繼電保護的方法”，是思考和解決保護配置問題。學生只有熟悉了基本保護方法，才能分析系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，并組織出對應的策略來解決問題，完成主體的“設計”和“實現(xiàn)”過程。3）“典型完備的保護方案”，是系統(tǒng)的應用實例。來自企業(yè)中配置成熟的保護案例，可為學生提供不同的解決方案，使學生能在配置保護時形成系統(tǒng)的概念，完成終的“運作”過程。可見，整個課程的教學內(nèi)容都是以項目為載體，讓學生的能力訓練帶動知識學習，將理論與實踐進行有機的結合。通過項目化的教學，不但可以培養(yǎng)學生懂原理、能讀圖、熟計算、會安裝調(diào)試等專業(yè)技能，同時也可以培養(yǎng)學生相互協(xié)作的專業(yè)素養(yǎng)。

4基于ETAP的項目驅(qū)動學習法

4.1ETAP仿真軟件

在《電力系統(tǒng)繼電保護》課程講授時，傳統(tǒng)的板書和多媒體講授有時難以把問題具體描述清楚，學生難以對電力系統(tǒng)有整體的認識，教學效果一般。如果將可視化的電力系統(tǒng)綜合分析計算仿真軟件引入到教學過程中，學生通過圖形界面能夠直觀地反映電力系統(tǒng)運行情況，會對電力系統(tǒng)概念有更深的理解。ETAP軟件作為一款電力系統(tǒng)綜合分析計算軟件，功能強大，具有建模直觀、圖形界面友好、運行方式多樣等優(yōu)點，完*夠滿足本科教學的使用需求。2018年華東交通大學電氣與自動化學院通過與ETAP中國公司合作，建立了ETAP電力系統(tǒng)仿真聯(lián)合實驗室，獲得了該軟件的教學使用權。借此機遇，將ETAP軟件引入《電力系統(tǒng)繼電保護》教學中具有重要意義，它不僅可以激發(fā)學生的研究興趣，還可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高他們解決實際工程問題的能力，這和CDIO工程教育模式的目標不約而同。

4.2模型的建立與分析計算

圖2簡單的電力系統(tǒng)模型在深入學習繼電保護各部分原理之前，可以先引導學生完成學習型項目二。在ETAP仿真環(huán)境中構建電力系統(tǒng)模型，可以根據(jù)學生的學習情況由淺入深，由簡單到復雜。圖2為ETAP的單線圖編輯模式界面，左側(cè)為的編輯面板，右側(cè)為電力系統(tǒng)元件庫。首先，通過鼠標左鍵選中所需的電力元件，并直接拖到編輯面板中；然后，用線條連接所有元件；后，正確輸入每個元件的特性參數(shù)[5]，這樣完成了一個含有保護裝置的簡單輻射型電力系統(tǒng)建模過程。在此模型基礎之上，學生就可以很容易的進行潮流計算和短路分析等。

4.3保護設置及分析

以往保護定值*靠手工計算，手工繪制時限曲線(Time-CurrentCurve,TCC)[6]，不僅耗時長，而且效率低，一般很難獲取系統(tǒng)側(cè)大和小運行方式下的短路容量。利用ETAP中的繼電保護配合模塊，選擇任意支路，都可以快速生成TCC曲線，校驗也很方便。在繼電保護配合的模塊中，只要選擇所需的支路及繼電器，此時界面右側(cè)分析工具條中出現(xiàn)了新按鈕生成STAR視圖，上述模型的TCC曲線如圖3(a)所示。在繼電保護配合模塊中，還可以仿真出故障時開關的動作時間和順序，直觀明了。電動機短路故障插入時，軟件自動做出短路計算，并按順序在單線圖上顯示相應的斷路器動作，如圖3(b)所示。充分利用ETAP聯(lián)合仿真實驗室，學生可以很方便地進行繼電保護的仿真實現(xiàn)，將獲得的經(jīng)驗運用在項目的實現(xiàn)和運作中，檢驗保護設計的終成果5結語以提高學生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新意識作為課程教學改革的目標，從教學內(nèi)容的融合、更新，傳統(tǒng)教學方法與項目學習法的取長補短，提高教學質(zhì)量。通過在《電力系統(tǒng)繼電保護》教學實踐中引入CDIO工程教育模式，提出了主動式項目驅(qū)動學習方法，以期課程教學效果，這將成為電氣專業(yè)教學質(zhì)量系統(tǒng)工程的重要部分。將ETAP軟件與主動式項目驅(qū)動學習方法相結合，應用于《電力系統(tǒng)繼電保護》課程的教學改革中，不僅使抽象的電力系統(tǒng)變得可視化，而且使得學生對電力系統(tǒng)的計算分析更加簡便。教師在構建項目過程中能不斷提升教師的個人能力，學生通過主動式項目驅(qū)動學習，能激發(fā)學生的積極性和主動性，使學生的創(chuàng)新精神和實踐能力得到了很好的培養(yǎng)，為我國產(chǎn)業(yè)升級培養(yǎng)工程型和創(chuàng)新型的“工程師”。