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《教育问题》第38卷，第3号，1995年8月 217
电力系统继电保护中的计算机辅助学习
L. L. Lai, IEEE高级成员
摘要—一个为电力系统保护设计开发的计算机包被用于在伦敦城市大学教授保护协调。本文介绍了在本课程中使用软件包的例子以及从计算机辅助学习中获得的经验。保护系统的模拟使学生有机会在完成保护方案后观察每个设备的动作。为了在这种自学习环境中保持灵活性，包中包含了一个专家系统。专家系统的使用是通过对教材提供指导，使学习尽可能有效。它只有在被调用时才起作用。换言之，专家系统不监督学习，但可以在提出要求时提供必要的指导。如果存在任何误差，仿真结果也将显示问题的本质。调试功能可以帮助学生检测出所犯的错误，了解设备在系统中的工作原理。一个设计良好的计算机软件包的潜力不仅在于加强教学和学习，而且还将为教育过程带来创造性的贡献。这一好处不是通过传统的讲座和教科书获得的。
- 引言
工程是一门以图形为导向的学科，在这门学科中，绘图、草图和图形一直扮演着重要的角色，但需要大量的人力来完成。工程设计的范围可以被认为是从问题的概念设计解决方案到设计的模拟。纯文本方法约束了应用领域，应用图形表示可以增强对许多工程学科相关复杂概念的理解。然而，困难在于确保设计原则被充分理解，而不是在学习使用计算机的复杂性中迷失包装。有可能产生使用软件包的专家，而不是能够使用软件工具生成、验证和实现其设计的工程师。因此，通过将包嵌入到一个首先提供易于使用的接口，然后使用基于知识的技术的环境中来解决这些问题是很重要的[l]，[2] 将指导学生使用软件包的基本工程设计原则进行封装，并在这些设计原则中对学生进行教育。此外，在进行最终设计时，需要考虑到与营销、业务、产品规划、组织、财务、时间和人力的适当互动。
1993年2月22日收到原稿；1993年9月10日修订
L. Lai是英国伦敦城市大学能源系统研究小组的成员，
IEEE日志号9413577。
在响应工程委员会关于英国和大学学位课程的建议[3]时，大学现在非常重视设计和管理。出现的一个问题是，在已经拥挤不堪的学位课程中，需要的额外材料如何得到认可。最明显的解决方案之一是使用'计算机教学'。个人电脑能力的迅速发展使计算机辅助教学系统更加可行和经济，事实上，已经产生了证据来证明计算机辅助学习材料的有效性[4]，[5]。本文介绍了利用基于计算机的教学包时代进行电力系统保护，从而改善教学/学习过程的潜力。制订和使用一揽子计划的成功，当然将取决于讲师和工业代表密切合作，交流意见、专业知识和经验。因此，成品封装的设计既匹配工业
- 计算机辅助学习
使用计算机作为学习手段或补充教学的手段正在变得普遍。许多术语用于指这种类型的计算机应用程序。文献中遇到的最广泛是计算机辅助学习。本文涉及使用计算机作为学习辅助工具，特别是自学，学习者可以以方便的速度和时间学习。工程设计中的许多计算本质上是重复的。在分析问题时，可能需要多次应用一组原则或规则。这类问题的一个具体例子是工业电力系统的保护协调分析。
在电力行业，电力系统保护公司是最具挑战性的工作之一。错误的应用程序或计算可能会导致灾难性结果。市电力系统保护课程的目标之一是缩短新工程师的工业培训期;讲师充当'小组'的'主管'，任务从行业中发生的一系列实际案例中承担。保护工程师不仅将参与技术决策，还经常考虑财务问题。没有计算机，分析这种系统是非常困难的。但是，所涉及的原则非常简单，在 [6] 和 [7] 中进行了详细说明。算法已在大型计算机中开发和使用，并在 [8] 中报告。如[9]中报告的那样，这些公司也采用并用于商业性技术。
0018-9359/95$04.00copy;1995 IEEE
218 《教育问题》第38卷，第3号，1995年8月
在过去，计算能力的缺乏意味着在涉及保护协调设计时，学生们已经学习了该理论，然后将其应用于小型和假设系统。这充分测试了学生的基本保护理论，但不考虑“最佳”设计。交互计算的迅速发展为工程师提供了处理、存储、检索和显示数据的强大手段。计算机的使用意味着可以对更大的系统进行分析，为学生提供了在工业电力系统设计和管理的更广泛方面的练习和指导。此外，从工业角度来看，通过手动方法协调保护装置是一个繁琐的过程，不允许在系统设计和最终调试之间发生大量数据变化。由于设备参数的选择遵循明确的规则，因此可以开发计算机程序来选择设置并跟踪曲线。
由于迫切需要控制成本，低成本的微型计算机、具有图形功能的外围设备的出现，以及越来越多有用的工程和管理软件包的供应，大多数计算机辅助教学材料都是在微型计算机上开发的。[10]中报告的算法提供了协调图，并在IBM 486上用Fortran实现。在[8]和[10]中详细介绍了软件包可以设计和执行的保护和模拟的种类。
- 软件包开发
为了使研究生工程师能够为工业发展做出有效的贡献，大学的工程课程必须反映工业的迫切要求[11]。
大学还必须与工业界建立强有力的联系; 学生需要以工业参观、假期培训和实习工程师讲座的形式与工程部门进行大量接触。这应该让他们领略到他们作为工程师的职业生涯，并有助于顺利完成从大学到实践的最终过渡。
教学是一项复杂的活动，涉及到课程设计、开发、评估和绩效。理想情况下，对教学效果的评估应该涉及所有这些方面。现代电力工程师应受到良好的教育，以适应未来工业发展的需要。他们不仅要接受理论和计算机技术的教育，还要接受工业应用知识的教育。然而，绝大多数大学工科学生在课堂上缺乏“动手”的经验，而他们可能受过相关学科深厚的理论知识的良好训练。由于实验室实验费用高、耗时长，学生不能在实验上花费太多时间。这种情况使得学生在离开大学、被行业招聘开始职业生涯时，很难适应新的工作环境。为了弥补理论、实践、学术界和工业界之间的差距，需要将工业应用案例直接集成到教育软件中。
因此，本文描述的教材内容，是经过行业与教育界的联合协商，经过对成品教材的不断审查、修改和评估而形成的。
要建立有效的自学系统，需要考虑许多其他因素。最具挑战性的也许是屏幕上信息的布局。必须遵循严格的准则，如文本量、突出显示、图形和设计理念，以确保一致性。在开发阶段，显示布局和可读性、颜色和图形的使用、输入的验证、屏幕页面显示的标准化、不同的符号大小、定义新符号的可能性以及两者之间的可转移性菜单都检查和改进。
在修改和评估阶段，涉及学生反馈的软件包试验。教学质量和学生的表现是通过课程和作业来衡量的。对该方法的评估还采取每次试验结束时的学生问卷的形式，以及对学生活动的仔细和批判性的非正式观察。其中一些问题是评估学生是否在如何准备课程方面得到了有效的建议，以及学生是否了解所取得的成就。工业代表也参与了这一进程，以便他们能够从他们的角度判断一揽子计划的影响和潜力。
如果计算机的使用经过精心设计，使过程更容易，则可以改进学习。为了保持这种自学环境中的灵活性，开发了一个专家系统，通过指导教材，使学习尽可能有效。只有当调用它时，它才会发挥作用。换句话说，专家系统不监督学习，但如果提出请求，可以提供必要的指导。
- 目标
该软件包为学生在设计原则方面提供指导或指导提供了便利。工程设计设施的总体目标是提供一个包含各种设计辅助工具的环境，使学生能够设计、选择和分析以存储的经验和技术为指导的保护方案。该软件包使学生能够很好地理解参数以交互方式变化的后果。它引导学生进入逻辑选择和决策过程。
综上所述，保障计划有两个目标，涉及学生的教育需要。第一个目的是测试学生对基本理论的理解，并鼓励学生使用自我评估和协商的学习策略。学生首先尝试自己解决问题是很重要的;不鼓励只显示正确的方法。
该软件包的第二个目标是培养学生产生最佳设计的能力，同时兼顾科学和技术因素。通过使用此包，
LAI: 电力系统中继中的计算机辅助学习 219
TABLE I
陆 NU: CHOICE OF OPTIONS
EDEDGD
Enter data for new systems Get stored system data files
View/edit/add to protective devices data base Demonstration
Exit from package
Store current system data
Print specified current system data files Help with expert systems
Run coordination study Plot/display curves Run transient study
View/edit current system data files
学生应该能够利用他们对保护理论的理解来开发新的或修改的设计。该软件包将提高教学效果，并在学生喜欢的任何时间为他们提供一个独立的学习工具.
- 包装特点
通过叠加和变换时间MVA曲线，学生可以方便地在监护仪上进行保护配合练习。这种教学工具的改进可以使学生对该课程更加感兴趣，从而获得相应的基本概念。该软件包还有两个额外的功能，即调试和仿真。过去，学生要等到完成的助教交给讲师批改后才能知道防护装置的设置是否合适。因为接力协调没有唯一的解决方案，老师批改学生的作业是一件乏味的工作。该软件包包括一个专家系统，可以在学生完成练习后指出错误。如果存在任何冲突，包将通知学生错误是什么以及错误在哪里。这样学生就可以立即改正错误。该调试系统利用专家系统，使学生学习更有效。数据输入/输出过程也尽可能简单明了，菜单非常适合参数修改和包内不同模块的交互。选项的选择可以通过使用如表1所述的菜单进行评估，学生可以选择他们想作为练习解决的应用程序类型。
关于保护系统的模拟，当存在过电流时模拟保护系统[12]。以前，学生只能根据保护装置的特性曲线和设定值来想象每个保护装置的动作。该软件包现在可以模拟发生任意故障时保护设备的动作。学生可以在单线图上指定故障发生的位置，模拟系统将根据跳闸顺序显示设备的状态和操作顺序。这种设计可以使学生通过观察保护系统的动态运行来理解保护配合，而不是传统教学方法下的猜测。通过仿真，学生可以确定主保护和后备保护之间是否有适当的配合。
学生还可以确定保护系统的动作是否符合他们的估计。因此，学生可以更好地理解保护协调。这将使学生在将来成为工程师时更容易面对实际情况。
此外，该包还可以执行保护协调自动。目前大多数商业软件包都有这个标准功能。它可以帮助学生更多地了解当今工业中使用的软件包。它还让学生有机会将他们的作业与自动分析的结果进行比较。当学生需要自己批改作业时，其结果也可以作为参考。自动分析只是理解协调基本概念的辅助功能。学生在使用该软件包时，首先要用图形来确定各设备的设置，然后用调试系统来检验其结果，或观察保护系统的模拟运行情况。从教育的角度来看，这是一种更好的教学方式。
如果电力系统是径向结构，那么一些保护装置可能是几个下游装置的上游装置。因此，调整后的装置可能会出现偏差。当学生调整时间MVA曲线的设置时，软件包会在计算机显示器上指定的路径上绘制保护装置的所有特性曲线。与传统的配位方法一样，该方法必须考虑相关设备的所有特性曲线。该软件包通过调整保护装置的设定值，通过改变时间MVA曲线，找出保护装置在新的运行时间内的新设定值，使学生认识到常规程序和保护协调的意义。因此，这种方法适合学生学习保护协调。
- 应用实例
对典型工业系统进行了协调研究，如图1所示。选择了两个链：链1由带A、B、C和D的设备组成；链2由两个链共用的E 设备组成。给出了电流互感器、继电器、熔断器、小型断路器、热继电器、电缆和电压互感器的成本。学生必须决定保护装置的数量、装置的类型和使用的变压器。他们还必须确保系统的任何部分在正常运行条件下不会过载。没有提供其他信息，学生们有四周的时间完成练习。除非学生提出问题，否则讲师不会提供任何信息。这种情况经常发生在实际工作中，鼓励学生思考，增加课堂参与度。
协调结果如表二和图二所示。一。图1所示的判别曲线清楚地表明，在不同的位置，曲线之间的时间间隔在保护装置所看到的最大和最小故障水平下都是令人满意的。保护装置和系统的详细信息见[10]。
220 《教育问题》第38卷，第3号，1995年8月
SEC Coordination study on a typical industrial system
1000 I I I I I I 1111
PD No NAME TSM A CTM44
PS(%)
100
B CDG63
CD CCDDVG6321
E 300A
0.12 100
0.16 100
0.31 100
10
Fig. 1工业电力系统的保护协调。
TABLE II
COORDINATION RESULTS
N。AB
|
Device name |
Highset or fault MVA |
Highset setting% |
Load Current A |
|
CTM44 |
0.78 |
727 |
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