电气工程及其自动化专业本科三年级《电力系统继电保护原理与新技术》教学设计

电气工程及其自动化专业本科三年级《电力系统继电保护原理与新技术》教学设计

  本教学设计面向电气工程及其自动化专业本科三年级学生，旨在深度构建其电力系统继电保护领域的核心知识体系与前沿技术视野。课程定位为专业核心课，学生在前期已系统完成《电路原理》、《电机学》、《电力系统分析》等先修课程的学习，具备了必要的理论基础。本设计遵循“成果导向教育”（OBE）理念与“工程教育认证”标准，以复杂工程问题解决能力培养为核心，通过理论深化、虚拟仿真、案例分析及项目式学习（PBL）的深度融合，引导学生从被动接受知识转向主动探究与创新应用。教学全过程贯穿“安全性、选择性、速动性、可靠性”四大保护基本要求，并着力融入智能电网、广域保护、基于人工智能的故障诊断等前沿技术，培养学生的系统思维、工程伦理与跨学科解决实际问题的能力。

一、课程基本信息与学情分析

课程名称为《电力系统继电保护原理与新技术》，总计64学时，其中理论授课48学时，虚拟仿真与项目实践16学时，学分设定为4学分。授课对象为电气工程及其自动化专业大三学生，年龄约在20至21岁之间，正处于专业能力形成与发展的关键期。

学情分析表明，该阶段学生具备以下特征与需求：在知识基础上，学生已掌握稳态与暂态电力系统的基本模型、对称与不对称故障的分析计算方法，但对如何快速、准确识别并隔离故障这一核心工程问题缺乏系统性认知。在认知能力上，学生抽象逻辑思维趋于成熟，能够处理多变量、非线性的复杂问题，但对保护装置硬件构成、软件逻辑及其与一次系统的实时交互理解较为抽象。在学习动机方面，学生对能够直接保障电力系统安全运行的“隐形卫士”——继电保护装置抱有浓厚兴趣，渴望了解其内部工作原理及在真实电网中的应用，但对传统教材中相对割裂的原理叙述与公式推导感到枯燥，亟待通过可视化、交互式和项目化的教学手段激发深层学习动力。在技能短板方面，学生普遍缺乏将保护原理转化为具体装置定值计算、逻辑配置及整组测试的工程实践能力，对保护系统与通信、计算机技术的融合认知不足。因此，本教学设计将直面这些学情特点，以“原理-技术-工程-前沿”为主线，重构教学内容与方法。

二、教学目标

基于布鲁姆教育目标分类学，结合工程教育认证的毕业要求，制定如下三维教学目标：

1.知识与技能目标：

1.理解层面：能够准确阐述电力系统继电保护的作用、基本要求（四性）及其相互关系；能说明各类保护继电器（电流、电压、阻抗、差动等）的基本工作原理、构造特点及主要技术参数。

2.分析层面：能够熟练运用相量图、复数运算等方法，分析不同系统运行方式、故障类型下，各种保护测量量的变化规律；能够独立完成阶段式电流保护、距离保护各段保护范围的整定计算，并评估其配合关系与灵敏度。

3.综合应用层面：能够针对一个简化的输电线路或变压器保护对象，完成保护配置方案的初步设计，包括保护方式选择、原理图绘制、定值计算清单编制；能够在MATLAB/Simulink、RT-LAB或专用保护仿真软件中搭建模型，验证保护逻辑的正确性，并分析典型故障下的动作行为。

4.技能操作层面：掌握使用继电保护测试仪对模拟保护装置进行基本功能测试和定值校验的流程与方法；能初步识读微机保护装置的硬件框图与软件流程图。

2.过程与方法目标：

1.通过项目式学习（PBL），经历“问题定义-信息搜集-方案设计-仿真验证-报告撰写”的完整工程问题解决流程。

2.掌握利用虚拟仿真技术进行保护系统建模、故障注入与动作行为分析的研究方法。

3.学会以小组协作形式，进行技术方案的讨论、分工与整合，培养团队协作与沟通能力。

4.培养通过学术数据库、行业标准（如DL/T标准）、设备制造商技术文档等多种渠道获取和甄别专业信息的能力。

3.情感、态度与价值观目标：

1.深刻认识继电保护在保障电网安全、社会稳定和国民经济运行中的极端重要性，树立严谨求实、一丝不苟的工程态度和强烈的职业责任感。

2.理解保护装置的“误动”与“拒动”可能造成的严重后果，初步建立工程风险意识与安全伦理观念。

3.激发对继电保护技术从电磁型到微机型，再到智能化发展的探索兴趣，培养跟踪技术前沿、终身学习的意识。

4.在小组项目合作中，学会尊重他人观点，包容技术分歧，培养诚信、合作的工程团队精神。

三、教学重点与难点

教学重点：

1.继电保护的基本原理与要求：“四性”的内涵、矛盾与协调原则，这是贯穿整个课程设计与评价的纲领。

2.阶段式电流保护与距离保护：作为输电线路最基础、应用最广泛的保护方式，其工作原理、整定计算原则、配合方法是学生必须牢固掌握的基石。

3.纵联差动保护原理：作为实现全线速动的主保护，其理想与实际情况下的动作特性分析，是理解保护原理深刻性的关键。

4.变压器与发电机的主要保护方式：针对重要主设备的特殊保护原理，如变压器的差动保护、瓦斯保护，发电机的失磁保护、定子接地保护等。

5.微机保护的硬件体系与软件算法：了解数据采集系统、数字滤波、故障特征量算法（如傅里叶算法、采样值差动算法），是连接传统原理与现代技术的桥梁。

教学难点：

1.距离保护的阻抗继电器动作特性分析：特别是多边形、苹果形等复杂特性在复平面上的分析，以及系统振荡、过渡电阻对距离保护的影响机理。

2.纵联差动保护的不平衡电流与制动特性：理解区外故障时产生不平衡电流的原因，以及如何通过引入制动量来防止误动，建立制动特性的概念。

3.变压器励磁涌流识别与差动保护闭锁：理解励磁涌流的产生机理、特征，以及二次谐波制动、波形识别等闭锁原理的工程实现思路。

4.保护系统的配置与协调配合：如何从系统整体角度，为一个变电站或一条线路设计合理的主保护、后备保护方案，并实现上下级保护在时间和灵敏度上的精确配合。

5.新技术原理的理解：如广域保护系统的信息架构与决策逻辑，基于行波原理的故障测距，以及人工智能算法在故障类型识别、定值自适应调整中的应用初探。

四、教学策略与方法

为有效达成教学目标，攻克重难点，本课程采用多元混合式教学策略：

1.“概念-模型-仿真”递进式理论教学：对每个核心保护原理，首先通过动画、工程事故案例视频引入概念，建立直观印象；其次用数学模型（方程、电路、逻辑框图）进行精确描述；最后立即在仿真平台（如PSASP、PSCAD/EMTDC或简化MATLAB模型）上搭建对应系统，观察变量变化，验证理论，实现从抽象到具象的闭环。

2.基于虚拟仿真平台的探究式实验教学：利用具备高保真度的电力系统仿真软件和虚拟保护装置模型，构建开放性的实验环境。学生不再是按步骤操作的“技工”，而是通过设置故障类型、位置、改变系统运行方式、调整保护定值等参数，自主探究保护动作行为，分析异常或不正确动作的原因，撰写实验分析报告。

3.贯穿始终的项目式学习（PBL）：设计一个综合性项目，如“某110kV输电线路保护系统设计与仿真验证”。项目分解为若干子任务，与课程章节同步发布。学生以3-4人小组为单位，随着课程推进，逐步完成保护配置选型、定值整定计算、仿真模型搭建、动作性能分析及报告撰写。课程最终成果以项目答辩和报告形式呈现。

4.案例教学与翻转课堂：精选国内外重大电网事故（如美加大停电、海南电网“9·26”大停电）中与保护相关的案例分析，课前提供资料包，课中组织小组讨论，聚焦保护动作行为评价、暴露问题及改进措施，最后由教师进行升华总结。部分内容（如保护发展史、装置硬件参观）制作成微视频，供学生课前自学，课内用于讨论深化。

5.行业专家进课堂与虚拟参观：邀请电网调度中心、电科院或主流保护设备制造企业的工程师，就保护整定计算实际流程、现场运维挑战、新技术研发动态举办专题讲座。利用VR技术或高清视频，虚拟参观智能变电站的保护小室，了解保护屏柜的实际布置、光纤配线及对点调试过程。

五、教学资源与工具

1.主要教材与参考书：选用国家级规划教材《电力系统继电保护原理》（贺家李等编）作为主教材，辅以《微机保护原理与技术》（张举等编）及IEEE、CIGRE相关文献。

2.仿真软件平台：MATLAB/Simulink（用于算法验证和简单系统建模）、PSCAD/EMTDC（用于电磁暂态过程详细仿真）、或国产PSASP（用于大规模系统仿真）。配置继电保护专用仿真实验软件（如“四方继保”或“南瑞继保”的培训仿真系统）。

3.硬件与实物教具：继电保护测试仪、淘汰的电磁型/微机保护实物装置（用于拆解讲解）、组合式继电保护教学实验台。

4.在线资源平台：利用学校网络教学平台（如超星学习通、雨课堂）发布课件、微视频、案例资料、在线测试题，进行答疑和小组项目管理。

5.行业标准与规程：《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T14285）、《电力系统继电保护整定计算规程》等。

六、教学实施过程（详细阐述）

本课程教学实施过程采用“六阶段螺旋递进”模型，将64学时有机融合。

第一阶段：绪论与基石构建（6学时）

核心任务：建立继电保护的全局观、使命观，夯实“四性”要求这一基石。

活动1：震撼开场——案例导入（1学时）。不直接讲述定义，而是播放一段经过编辑的、展示电网连锁故障导致大停电的社会影响视频（如纪录片片段），随后聚焦到事故分析报告中关于“某关键保护拒动”或“误动”的结论。提出问题：“如果保护装置是电网的‘免疫系统’，它应该如何工作才能避免此类灾难？”引导学生思考保护的核心价值。

活动2：概念体系建构（2学时）。基于问题，系统阐述继电保护的定义、根本任务。重点讲解“四性”：通过比喻（如“速动性”如同消防反应速度，“选择性”如同精准的手术刀）帮助学生理解。关键环节是讨论“四性”之间的矛盾（如速动性与可靠性的矛盾）及工程上如何权衡取舍。引入“主保护/后备保护/辅助保护”的概念体系。

活动3：保护装置演进与分类（1学时）。快速回顾从电磁型、晶体管型、集成电路型到微机型的发展历程，展示实物或高清图片，让学生感受技术进步。介绍按原理、对象、作用的分类方法，使学生对保护家族有概貌认识。

活动4：虚拟初探——认识仿真环境（2学时，实验课）。在仿真实验室，指导学生熟悉仿真软件界面。完成一个极简任务：搭建一个单电源辐射状线路模型，设置一个金属性短路故障，观察并记录故障点电流、电压波形。目的是消除对软件的陌生感，建立“系统-故障-电气量变化”的最基本关联。

第二阶段：线路保护（一）——阶段式电流电压保护（12学时）

核心任务：掌握最基本的保护原理与整定计算技能，启动PBL项目第一阶段。

活动1：从“感受”到“测量”（2学时）。回顾第一阶段虚拟实验中观测到的故障电流升高现象，引出利用电流作为判据的保护。讲解电流继电器的基本原理（电磁式、微机型中的比较器）。通过动画演示继电器从启动、动作到发出跳闸指令的过程。

活动2：单侧电源辐射网的三段式电流保护（4学时）。这是教学重点。首先讲清无时限电流速断（I段）的保护范围与整定原则，强调其“牺牲部分线路换取速动”的特点。接着讲解带时限电流速断（II段）如何与I段配合，实现线路末端故障的保护。最后讲解定时限过电流（III段）作为本线和下级线路后备的原理。利用仿真软件，动态演示改变故障点位置时，各段保护的动作情况，直观展示“选择性”。布置课堂练习：给定系统参数，计算三段保护的定值。

活动3：双侧电源与方向性电流保护（3学时）。提出新问题：双侧电源下，电流保护可能失去选择性。通过相量图分析功率方向问题，引入方向继电器。讲解90°接线方式及最大灵敏角概念。此部分是难点，需结合仿真，展示无方向保护在双侧电源下的误动案例，再展示加入方向元件后的正确动作行为。

活动4：项目实践（一）——电流保护配置与计算（3学时，实验课）。PBL项目启动。各小组领取一个简单的双电源网络（含两条线路）初始数据。任务：为指定线路配置阶段式电流保护（可能需要方向元件），完成所有段别的定值计算，并撰写计算书。在仿真软件中搭建模型，设置不同位置故障，验证保护选择性。教师巡回指导，重点解决整定配合中遇到的疑难。

第三阶段：线路保护（二）——距离保护与纵联保护（14学时）

核心任务：攻克阻抗测量与全线速动两大核心技术难点。

活动1：距离保护概念的引入（1学时）。回顾电流保护的不足：受系统运行方式影响大。提出能否用“距离”（阻抗）这个更稳定的量作为判据？通过欧姆定律类比，建立测量阻抗与故障距离的关系。

活动2：阻抗继电器及其动作特性（5学时，重大难点）。详细讲解全阻抗、方向阻抗、偏移特性阻抗继电器的动作方程与特性圆。引入更贴近实际的多边形特性。教学关键：利用复平面进行几何分析。通过大量例题，训练学生判断特定测量阻抗是否落在动作区内。使用交互式几何绘图软件，让学生拖动故障点，实时观察测量阻抗轨迹与动作边界的相对关系，化抽象为形象。

活动3：距离保护的实现与影响（3学时）。讲解阻抗测量的实现方法（如记忆电压），介绍三段式距离保护的整定原则。重点分析系统振荡和过渡电阻对测量阻抗的影响（难点）。通过仿真，展示系统振荡时阻抗轨迹穿越动作区可能导致误动，引出振荡闭锁概念。

活动4：纵联差动保护——追求绝对选择性（3学时）。提出距离保护仍有时限，如何实现全线速动？引出需要线路两侧信息交换的纵联保护。重点讲解电流差动原理的理想情况与实际情况。深入剖析不平衡电流的产生（CT误差、线路电容电流），并引出核心难点——“制动特性”。通过绘制比率制动特性曲线，讲解其如何巧妙地利用制动电流来区分区内、外故障，确保可靠性。

活动5：项目实践（二）——保护方案深化（2学时，实验课）。在PBL项目中，为线路增加距离保护配置方案。要求比较电流保护与距离保护在该线路上的适用性。利用仿真，验证距离保护受过渡电阻的影响。初步探讨是否需要以及如何配置纵联保护（如光纤差动）。

第四阶段：主设备保护——变压器与发电机（10学时）

核心任务：理解针对特定设备特殊问题的保护方案。

活动1：变压器故障与保护概述（1学时）。分析变压器可能发生的各类故障（绕组、铁芯）及异常状态（过励磁、过负荷），引出对应的保护配置总图。

活动2：变压器纵差保护的特殊问题（4学时，重点难点）。复习差动原理。聚焦变压器特有的三个问题：①两侧CT变比不同与相位补偿（Y/Δ转换）；②励磁涌流。通过仿真生成励磁涌流波形，与短路电流对比，分析其含有大量二次谐波、波形间断的特征。讲解二次谐波制动、波形识别等闭锁原理。③调压分接头改变引起的运行不平衡。通过案例，说明这些问题处理不当导致保护误动的历史教训。

活动3：变压器非电气量保护（1学时）。介绍瓦斯保护（轻、重瓦斯）的原理、作用及在油浸式变压器中的不可替代性。简要介绍温度、压力释放保护。

活动4：发电机保护概要（4学时）。讲解发电机定子绕组短路（纵差、横差）、定子接地、转子接地、失磁、失步、逆功率等主要保护的原理与作用。重点讲解定子接地时三次谐波电压的变化规律及100%保护区的实现思路，以及失磁保护阻抗圆的动作特性分析。

第五阶段：微机保护与新技术（12学时）

核心任务：连接传统原理与现代技术，开拓前沿视野。

活动1：微机保护硬件系统体系（2学时）。展示典型的微机保护装置硬件框图，讲解数据采集系统（互感器、低通滤波、采样保持、A/D转换）、CPU主系统、开关量输入/输出、人机接口及通信接口各部分功能。对比电磁继电器，强调“软件定义功能”的革命性变化。

活动2：数字信号处理与保护算法（4学时）。讲解采样定理、数字滤波（如差分滤波、傅里叶滤波）的基本概念。重点讲解半周/全周傅里叶算法用于提取基波分量，以及采样值差动算法。通过MATLAB编程练习，让学生对一段含谐波和衰减直流的故障电流信号进行处理，计算其基波相量，感受算法的效果。

活动3：智能变电站与保护技术演进（3学时，专家讲座/虚拟参观）。介绍IEC61850标准下的智能变电站体系结构，重点讲解过程层（合并单元MU、智能终端）、间隔层保护装置的模型与信息流（SV、GOOSE）。通过虚拟现实（VR）或高清视频，沉浸式参观智能站保护小室，了解光纤替代电缆、信息共享带来的变革。

活动4：新技术前沿专题（3学时，翻转课堂）。布置三个前沿方向阅读资料包：①广域保护/稳控系统；②行波测距与保护；③人工智能在保护中的应用（故障分类、定值优化、状态预测）。学生分组任选一题，课前研究，课上进行专题汇报与辩论。教师扮演引导者和总结者角色，梳理技术逻辑、挑战与未来展望。

第六阶段：综合实践、项目答辩与课程总结（10学时）

核心任务：整合知识，完成工程闭环，进行反思升华。

活动1：PBL项目整合与仿真验证（4学时，实验课）。各小组完成项目最终方案，包括完整的保护配置图、定值清单、动作逻辑说明。在更完善的仿真平台上（可包含变压器、发电机模型），进行全方位的故障测试（不同位置、类型、有无振荡等），生成动作报告，分析保护系统的整体性能，撰写最终项目报告。

活动2：项目答辩与评价（4学时）。举办模拟技术评审会。每组进行15分钟汇报，10分钟答辩。评审团由教师和部分学生代表组成。提问聚焦于方案合理性、计算准确性、仿真有效性及团队协作。此环节是对知识、能力与态度的综合检阅。

活动3：课程总结与工程伦理讨论（2学时）。带领学生以思维导图形式回顾课程知识脉络。然后，回到开篇的案例，以更专业的眼光重新审视。发起专题讨论：“当‘速动性’要求与‘可靠性’要求面临极端冲突时，工程师应如何决策？”、“在人工智能逐渐介入保护决策的背景下，人的责任与机器的边界在哪里？”引导学生深入思考工程伦理、社会责任与技术发展的关系，实现