电池储能系统恒功率削峰填谷的优化方法

作者: 赵娜来源: 安科瑞电气股份有限公司查看联系方式查看评论 2024/6/5 15:21:12

0.引言

电力系统削峰填谷是负荷管理的重要方面。对电网运营者来说，负荷峰值降低有利于推迟设备容量升级，提高设备利用率，节省设备更新的费用，降低供电成本,对电力用户来说，可以利用峰谷电价差获得经济效益。大规模电池储能系统(batteryenergystoragesystem，BESS)以其的优势在削峰填谷方面能够发挥巨大作用。在国外已有许多大规模BESS在运行；在国内，南方电网开展了MW级电池储能系统示范项目，建成了深圳宝清电池储能站(接入深圳碧岭变电站)。本文的研究基于南方电网MW级电池储能项目，并应用于监控系统的*级应用控制部分。

电池储能系统的削峰填谷功能可以分为两步来完成。*一步是日前优化，在新的一天开始前，根据预测出的日负荷曲线，优化出24h的BESS*优充放电策略，即每个时刻电池是否充放电，充放电的功率大小为多少。*二步是实时控制，根据日前优化给出的充放电策略，以及当前时刻的负荷值、电池状态等数据，计算出充放电功率指令并下发给每组电力电子变流器(powerconversionsystem，PCS)。

求解电池储能系统削峰填谷策略的算法主要包括梯度类算法、智能算法、动态规划算法。文献提出用序列二次规划方法求解BESS的运行策略，使其在实时电价系统中获得*大的利润。梯度类算法要求模型连续。文献中提出用智能算法来求解含储能装置的系统*优策略问题，包括遗传算法、模拟退火法、粒子群算法。智能算法的缺点是无法保证收敛到全局*优解。提出用动态规划方法求解BESS削峰填谷日前优化问题，以电池剩余电量或荷电状态(stateofcharge，SOC)为状态变量。采用动态规划算法的好处包括：可以在模型中考虑电池的物理约束，如充放电功率限制，电池中与充放电过程有关的非线性内部损耗约束，电池电压波动约束等；动态规划算法不需要连续函数，且方便使用计算机求解。为了提高计算速度，文献提出了多进程动态规划算法。文献针对微网中的储能系统，提出了基于短期负荷预测的主动控制策略。

电池储能系统采用恒功率的充放电策略，既方便对电池控制，又有利于削峰填谷实时控制。尤其是当负荷高峰提前到来时，若采用恒功率充放电策略，在实时控制时可以根据实际负荷值灵活地控制起始放电时间。本文针对采用恒功率充放电策略运行的电池储能系统，提出恒功率充放电优化模型。为便于实际应用，提出求解该模型的实用简化算法。通过对深圳碧岭站的2组预测负荷数据进行优化，得到电池的充放电策略，验证该实用简化算法的实用性，并与序列二次规划算法的求解结果进行比较。

1.电池储能系统恒功率充放电优化模型

1.1模型假设

本文提出2点假设：

忽略电池的爬坡速率约束；
忽略电池组的内部损耗。

1.2优化变量

模型中的优化变量为电池每次充放电的功率p(j)以及电池每次充放电的起始时间Tstart(j)和结束时间Tstop(j)，j=1,2,…,n，其中n为1d中电池充放电次数，根据负荷曲线及电池使用状况来确定。考虑到充放电次数过多会影响电池使用寿命，可使电池每天充放电各1次。如负荷曲线在上午和下午有2个高峰，可令电池在1d中充放电各2次。如考虑到晚间民用负荷高峰，可让电池充放电各3次。通过改变参数可灵活控制电池的充放电次数，利于延长电池的使用寿命。定义电池的充电功率为正，放电功率为负。

1.3目标函数

储能系统可在套利模式和负荷转移模式2种模式下工作。在套利模式下，目标函数f(b)是使套利*大化。根据给定的分时电价曲线，模型可给出电池充放电策略，带来经济效益。一般来说，负荷高峰期电价高，负荷低谷期电价低。电池在电价高时放电，在电价低时充电，起到了削峰填谷的作用。在负荷转移模式下工作时，目标函数f(b)为*小化负荷的方差，因为在数学上，方差可反映随机变量偏离其均值的程度。本文中采用*2种目标函数。将1d划分成np个相等的时间段，目标函数为

minf(b)=D1(i)−D1(j)2(1)

式中：D1(i)为经过电池削峰填谷后*i个时间段上的负荷值，i=1,2,…,np。

1.3约束条件

1）负荷值约束为

D1(i)=D0(i)−[(sign(i−Tstart(j))−1)],

i=1,2,…,np(2)

式中：D0(i)(i=1,2,…,np)为已知的*i个时间段上的预测负荷数据；sign(x)为符号函数，当x≥0时sign(x)=1，当x<0时sign(x)=−1。当i在Tstart(j)和Tstop(j)(j=1,2,…,n)之间时，D1是D0与p(j)之和；当i取其他值时，D1与D0相等。

2）时序约束为

1≤Tstart(1)(3)

Tstart(j)<Tstop(j),j=1,2, n(4)

Tstop(i)<Tstart(i+1),i=1,2, n−1(5)

Tstop(n)≤np(6)

3）功率约束为

−Pmax≤p(i)≤Pmax,i=1,2, ,n(7)

式中Pmax为已知的*大充放电功率限值。

4）容量约束为

Slow<Sinitial+[(Tstop(i)−Tstart(i))p(i)]<Shigh,

k=1,2,…,n−1(8)

Sinitial+[(Tstop(i)−Tstart(i))p(i)]=Sfinal(9)

式中：Slow和Shigh分别为已知的电池电量的下限和上限；Sinitial和Sfinal分别为已知的电池电量的初值和希望的终值。

另外，还可以考虑电池物理约束等其他非线性约束。在上述模型中，目标函数、容量约束是非线性的，负荷值约束中包含的符号函数sign(x)是不连续的。因此模型求解非常困难，可以通过选取大量不同的初始点来寻找近似*优解，但这会增加计算量及计算时间。为方便实际应用，本文提出针对恒功率充放电模型的实用简化求解算法。

2.电池储能系统恒功率充放电模型的实用简化求解算法

由于上述优化模型求解困难，不利于实际应用，可以根据所要优化的负荷特性，采用简化求解算法。以深圳碧岭站为例，1d的典型负荷曲线如下图所示：

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在上午、下午和晚上各有1个负荷高峰时段；在凌晨、中午和傍晚各有1个负荷低谷时段。为了延长电池的使用寿命，让电池在凌晨充电1次，在上午和下午的负荷高峰时段各放电1次。由于电池总功率与负荷功率相比非常小，可以让电池以*大功率充放电。总放电时间和总充电时间都为T=S/Pmax。

放电时段的起始时刻和终止时刻的选择方法如下：将一条水平线从上到下以很小的步长ΔP移动，水平线会与负荷曲线上午和下午的2个高峰相交。若相交的2个时段的时间之和为T，则找到了电池的2个放电区间；若相交的2个时段的时间之和小于T，将水平线以ΔP向下移动再进行比较，直到相交的2个时段的时间之和等于T为止。

同样，将水平线从下到上以一个很小的步长ΔP移动，求出凌晨的充电时段。目前，实用简化算法已经应用于深圳宝清电池储能站中。

3.电池储能系统削峰填谷实时控制

在削峰填谷实时控制阶段，需综合考虑削峰填谷日前优化结果、实时负荷曲线、电池SOC等信息，计算出充放电起止时间和充放电功率来进行控制。

1）充放电起止时间的确定。实际负荷曲线与预测负荷曲线之间不可避免地存在误差。研究表明，若实际负荷曲线与预测负荷曲线形状相同，只是在垂直方向进行移动，则*优的电池充放电策略相同。若实际负荷曲线与预测负荷曲线的峰谷起止时刻相同，峰谷的高低有所变化，当储能系统的功率远小于负荷功率时，2者的*优充放电策略几乎相同。因此，如果能够保证预测负荷曲线的峰谷起止时间准确，则直接采用日前优化出的充放电起止时间作为实际的充放电起止时间。若无法保证预测负荷曲线的峰谷起止时刻的准确性，也就是说，实时负荷曲线的峰谷可能提前或推迟到来，此时采用负荷阈值来确定充放电开始时刻，当实时负荷达到阈值时开始充电或放电。充放电结束时刻采用日前优化的结果。

2）充放电功率的确定。若充放电起始时刻根据负荷阈值判断，不同于日前优化出的起始时刻，此时的充放电功率需重新计算，用日前优化得到的充放电能量除以充放电时间，且保证满足式(7)中的功率限制。另外，电池储能系统除了执行削峰填谷功能外，还可能响应调峰调频等其他功能，使电池SOC突然发生变化，在实时控制中，计算充放电功率时还需考虑电池的剩余电量。

4.测试结果

4.1序列二次规划方法求解结果

假设电池容量S=20MW·h，*大充放电功率Pmax=5MW，Slow=0，Shig=S。零点时电池电量Sinitial=0，经1个周期后电量Sfinal=0。1d有np=288个时间段，每个时间段为5min。为便于控制，设定约束使电池在早上06:00处于充满状态，因此充电阶段被限制在06:00以前。下面通过2组不同的预测负荷数据来验证该算法的有效性。

首先随机选取大量初始点，从每个初始点出发采用序列二次规划方法(successivequadraticprogramming，SQP)来求解电池储能系统恒功率充放电策略优化模型，再比较所有求解结果，从中选出使目标函数*优的解。序列二次规划方法是一类求解含非线性不等式约束优化问题的很重要、很有效的方法。算法中采用变尺度方法构造海森矩阵，所以该方法又称为约束变尺度法。这种方法不仅利用了目标函数和约束条件的1阶导数信息，而且利用了目标函数的2阶导数信息，收敛速度快。

在测试中，用于显示优化结果的图形包含2部分，上图的虚线为原始负荷曲线，实线为经过储能削峰填谷后的负荷曲线，下图为储能系统出力曲线。

针对2组不同的预测负荷曲线，采用1d充电1次、放电2次的策略，优化出的电池出力曲线如图2和图3所示。

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针对2组不同的预测负荷曲线，采用1d充电2次、放电2次的策略，优化出的电池出力曲线如图4和图5所示。针对两组不同的预测负荷曲线，采用1d充电1次、放电3次的策略，优化出的电池出力曲线如图6和图7所示。

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由于求解时随机选取了大量初始点，再将各初始点的优化结果进行比较，因此解的稳定性差，无法保证每次优化的计算结果都相同，且增加了计算时间。优点是可以用来求解任意次数充放电的优化模型。

4.2实用简化算法求解结果

采用实用简化算法，通过水平线与负荷曲线相交的位置确定出充电区间和放电区间。针对2组不同的曲线，优化出的结果为电池在1d中充电1次，放电2次，优化结果如图8和图9所示。简化算法求出的结果与采用序列二次规划法求出的结果类似。简化算法的计算速度快，优化结果稳定，适于实际应用，但不适用于两充两放的情况。实用简化算法已经应用于深圳宝清电池储能站中。图10为储能站的监控系统显示的削峰填谷优化结果。图中：曲线1为碧岭站预测负荷曲线；曲线2为经过削峰填谷后的负荷曲线。

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-2000MG微电网能量管理系统概述

5.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统*5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018独立型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网*1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网*2部分：微电网运行导则

5.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.4型号说明

Acrel-2000

Acrel-2000系列监控系统

MG—微电网能量管理系统。

5.5系统配置

5.5.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

5.6系统功能

（1）实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

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图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

（2）光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

（3）储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的*大、*小电压、温度值及所对应的位置。

(4）风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

（5）充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

（6）视频监控界面

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图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

（7）发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

（8）策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

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图17策略配置界面

(9)运行报表

应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

(10)实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

(11)历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

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图20历史事件查询

(12)电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

(13)遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

(14)曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

(15)统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

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图24统计报表

(16)网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

(17)通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

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图26通信管理

(18)用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

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图27用户权限

(19)故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。