面向航空航天院校的继电保护课程探索与建设

江 军 赵铭鑫 吴淑群 张潮海

南京航空航天大学自动化学院 江苏南京 211106

传统继电保护主要是面向大功率电力系统和高电压大电流电气装备，以便保护电力系统的安全运行[1]。随着航空航天技术的持续进步和不断发展，飞机中原有的液压和气压能源在能量传输过程中存在损耗大、利用效率低的不足，正在逐步被电能替代，达到二次能源的统一。尤其是借助于功率电力电子技术、智能控制、高密度高速电机等进步，飞机的电气化程度进一步发展，多电飞机(More Electric Aircraft，简称MEA)乃至全电飞机(All Electric Aircraft，简称AEA)走向普及。多电飞机或全电飞机的电气系统就是典型的电力电子化电力系统[2]。与气压/液压单元相比，MEA，AEA可以显著减轻飞机的重量，降低飞机的全周期费用，显著提升飞机系统的可靠性、安全性，代表着飞机工业的发展方向。

所以，飞机上的用电设备功率需求越来越高，电气系统结构趋于复杂，对电能质量要求也越来越高，尤其是部分飞行关键负载，一旦出现供电中断，会对飞机的安全飞行造成巨大威胁，因此飞机通常采用继电保护装置以确保供电安全。因此，继电保护对航空航天复杂的电气系统而言非常必需，有必要开展继电保护课程来给学生渗透对飞机电气系统保护的认知和认同，也有助于多电/全电飞机的继电保护装置的研发和完善。

南京航空航天大学(以下简称“南航”)是一所国防背景高校，主要是依靠航空航天民航(简称“三航”)具有鲜明行业特色的工科院校，并较早开设了电气工程专业[3,4]。经过多年发展，电气工程学科取得了长足进步，其中电力电子与电力传动、电机与电器二级学科均已走在了全国前列。然而，电力系统的课程和科研工作尚未完备，严重制约了南航电气工程一级学科的长远发展。

本文以多电飞机电源和负载为切入点阐述航空航天电气系统的典型组成，结合当前电力系统继电保护的电力电子化趋势，提出具有航空航天特色的继电保护教学体系构建思路，以探索与建设面向航空航天复杂电气系统的继电保护课程体系方案。

1 多电飞机电气系统

多电飞机(More-Electric-Aircraft，简称MEA)上的主要负载采用电功率消耗型，也不排除小部分其他形式的功能部件(如图1所示)。更高阶段的是全电飞机，全电飞机是一种以电气系统取代液压、气动和机械系统的飞机，即所有的次级功率均以电的形式传输、分配。飞机的电气化是不可逆转的趋势。在多电飞机中，广泛采用机电作动器(Electro Mechanical Actuator，简称EMA)和功率电传技术，显著减轻了飞机的重量和降低了寿命周期的费用，已经开展的飞行试验也验证了机电作动器取代液压作动器能提高飞机整体性能。

图1 多电飞机能源架构

多电飞机电气系统在运行过程中可能面临不同类型的电气故障。例如，飞机组成部件如接触器、发电机、调压器等自身故障，供电线路如交直流汇流条、馈电线、功率均衡环节等出现故障。故障的电气参量表现各异，如欠电压、过电压、断路、短路、欠频、过频和电压不稳定等。如果针对出现的电气故障不及时采用保护措施，可能会导致局部或系统供电异常，严重时可能引起火灾等事故，威胁着飞机的安全飞行。图2所示为继电保护在多电飞机能量分布环节中的作用。

图2 多电飞机能量使用框图(带底色框内与继电保护相关)

多电飞机采用的是电力电子化的电力系统，其中大量使用了电力电子装置和负载，既保证了飞机电气系统的强可控性，也减轻了飞机的重量，实现轻量化和低飞行成本。继电保护常常集成于电力电子装置中，成为固态功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)的一个功能组件。

2 继电保护发展趋势

电网被认为是目前人类构建的最复杂的人工网络，包含不同电压等级的变电站和与输配电线路组成的整体。在电力系统出现异常或故障时，为减轻故障设备对电网和电力供应的影响，需要将故障设备及时切除，这是继电保护的基本任务。在传统早期继电保护中，主要是利用带触点的继电器来保护电力系统及其组成部件(发电机、输电线路、电力变压器等)。但是，随着高压直流输电(HVDC)、新能源接入和能源互联网的发展，传统电网趋于电力电子化系统(Power Electronics Enabled Power Systems)[5-7]。

传统电力系统主要由同步发电机和感性元件组成，电力电子变换器(Power Electronics Converter)是个新鲜的设备。在并网变换器的数量和能量较低时，原有电力系统很容易保持理想电压源特性，少部分的变换器与电网进行交互作用时，原有电网以自身的运行特性为主导，变换器对电力系统特性的影响弱化到可以忽略不计。当前，广泛新能源的接入，电力逆变器、电力电子型负载在电网中的作用显著提升。一方面，电力电子变换器占有率持续走高；另一方面，电力系统中“器—网”交互增强，变换器与变换器之间的联系频繁，整体拓扑架构越来越复杂，不能忽视电力电子变换器而仍假定电力系统为理想电压源。

面对“器—网”深度交互下的电力系统，如何分析、设计、控制、通讯和集成是保障新型电力系统长期安全可靠运行的关键点。这恰好与多电飞机电气系统复杂的交直流混合体系以及典型的电力电子化特征非常吻合，这两者有相通之处。

3 航空航天特色继电保护教学体系

为了完善南航电气工程学科，培养复合型专业人才，有必要将继电保护课程融会贯通于多电飞机电气系统和电力系统的教学及研究工作中。

针对2种场合下的典型电力电子化特征，采用新视角、新理论、新方法贯穿于继电保护的教学工作中，构建具有航空航天特色的继电保护教学体系。

3.1 注重理论 举一反三 深入浅出

继电保护与数字信号处理、单片机技术、电力系统分析、高电压技术等课程有很多联系，还包括电力电子技术和电气测量技术课程。现有的教学上往往孤立、脱节，没有进行全局梳理，使学生对继电保护完整系统缺乏全面认识。课堂上，教师应将继电保护教学作为一个整体，通过实例联系相关课程内容或具体章节，追踪行业发展前沿尤其是结合实践，例如以多电飞机作为典型的航空航天应用对象，教学效果有望明显提升。此外，目前继电保护涉及的内容和元件繁多，出现与其他专业课程重复的部分，就要根据学生的学习情况将课程内容进行整合优化和突出差异，如图3所示。

继电保护虽然是一门比较新的学科，从概念形成到当下不足百年，远远落后于电气工程学科的历史，但继电保护技术的更新很快。当前，基于各种原理、各种技术、不同材料形成的继电保护装置和方案层出不穷、更迭不断。由于电力系统的复杂性，当前电力系统中的继电保护装置可谓“四世同堂”，这是因为新技术不能完全替代原有的技术体系，新旧装置、新旧原理在电力系统中都在使用，并且应用对象也在发生着巨大的变化。这就要求课堂上需要将这门理论性和实践性都很强的课程以深入浅出的形式呈现给学生，万变不离其宗，提倡举一反三，降低学生学习继电保护课程的入门门槛，提高广大学生学习保护原理和装置的积极性和热情。

图3 构建航空航天特色继电保护教学体系框图

3.2 紧凑设置 优化内容 科学修订

考虑到继电保护课程涉及的保护类型和设备对象种类繁多，内容广泛，但学生的课程时间非常有限，需要协调好理论学习和实践教学的安排，突出实践的重要性，所以需要科学制订教学计划，优化课程内容设计。

一方面，强调继电保护装置的状态变化。继电保护装置的动作与否主要受设备所处的状态影响，所以在教学过程中启发学生对设备状态的把握和理解，区分故障状态和正常运行状态，并且与相关的参数整定建立联系，为学生在每种继电保护方法和装置的学习中建立初步的轮廓，引导后续参数学习的内容。

另一方面，引导学生分析计算继电保护参数，深入理解继电保护的要点。继电保护涉及的内容十分广泛，其对应、涉及的参量也是十分复杂。以距离保护而言，针对特定的电网拓扑，存在不同层次和层级的距离保护，引导学生自主计算和分析不同层次的整定参量有助于学生掌握继电保护对应的范围和整定参数来源，深入理解继电保护要点和原则。针对同一个电网拓扑或者电气装备，也要开展不同类型的电气继电保护的参数计算，以油浸式电力变压器为例，有溶解气体保护、差动保护等多种形式。

另外，鼓励学生追踪和调研最新的继电保护技术和方法，然后在课堂中进行分享和总结，共同参与到继电保护课程的建设中。

3.3 体现特色 强调实践 突出电力电子化

结合南航在电力电子技术、航空电源、航空电机学等行业的专业教育，拓展电力系统电力电子化发展后面临的继电保护技术更新，延伸开展继电保护电力电子化的专题研讨和讲座，打通电气工程学科内的专业壁垒，以电力电子技术为纽带建立起新形势下电力系统继电保护的新视角和相关理论更新。尤其是结合继电保护的可靠性、选择性、速动性、灵敏性特征，在多电飞机的电气系统继电保护方面进行“落脚”，既符合南航电气工程专业的行业背景，又能为学生理解保护的特征提供素材，掌握最新的研究前沿动态。

通过整合不同领域中的前沿相似技术原理和应用，构建面向航空航天复杂电气系统的继电保护课程有助于培养具有前沿意识、创新意识的电气专业高素质人才。

4 结语

以南航为例，针对性地阐明了如何以多电飞机电气系统为切入点开展继电保护课程建设，为航空类院校的电气工程专业完善电气工程继电保护教学提供了一种视角和思路。

在传统电力系统继电保护的基础上，渗透一些新的继电保护技术，使学生具有前瞻性，以更快地适应迅速发展的电力事业和航空航天电气系统(尤其是多电飞机和全电飞机)，走在继电保护教学和科学研究的前沿，服务于高素质电气人才培养和一流电气工程学科建设。