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淺談屋頂分布式光伏發電技術的設計與應用

點擊次數：1118更新時間：2024-11-14

安科瑞劉秋霞

【摘要】為了緩解城市用電緊張袁降低人們的用電成本，可以在工業園區、辦公樓屋頂等場所應用屋頂分布式光伏發電技術進行就近轉換、并網發電袁充分利用建筑物屋頂的太陽資源。概述屋頂分布式光伏發電技術，分析屋頂分布式光伏發電系統組成，探討屋頂分布式光伏發電技術的應用優勢和應用方式，并以某項目為例研究屋頂分布式光伏發電技術的實際應用，以期為屋頂光伏發電項目提供參考。

【關鍵詞】屋頂分布式光伏發電技術；太陽能源；光伏組件；并網

0引言

隨著我國經濟水平的不斷提升，人們越來越重視清潔能源的開發和利用。太陽能是現階段理想的清潔能源，而屋頂分布式光伏發電技術就是利用太陽能這一清潔能源進行發電的*進技術。該技術操作簡單，實用性強，能夠將太陽能轉換為電能，為生產和生活提供幫助。在未來，太陽能光伏發電技術將成為我國主要的可再生能源發電技術[1]。在太陽能光伏發電技術中，屋頂分布式光伏發電技術的應用前景廣闊，這主要是因為該技術具有就近發電、就近使用的優點，能夠有效節約用電成本，實現余電入網。

太陽能光伏發電主要有兩種，分別是集中式光伏發電和分布式光伏發電。集中式光伏發電投資大，占地面積廣，容量大，但是系統復雜性高，受到一定的地域限制；分布式光伏發電投資小，占地面積小，容量小，但是系統在安裝和維護方面都比較簡便，沒有地域限制，一般將光伏組件放置在屋頂上即可發電。

1屋頂分布式光伏發電技術

屋頂分布式光伏發電技術是一種新型發電技術，系統安裝在屋頂，通過光伏組件，將太陽能轉換為電能，從而實現發電[2]。我國的火力發電和水力發電都存在較大的能源損耗，并且在節能減排方面也存在一定的不足，而屋頂分布式光伏發電技術是一種無地域局限性、智能化的發電技術，而且在節能減排方面優勢突出，是現階段利用清潔能源效率高的技術之一。屋頂分布式光伏發電技術主要借助光伏組件進行太陽能-電能的轉換，與供電配網連接后就能夠就近供電。屋頂分布式光伏發電技術在節能減排方面的優勢明顯大于火力發電，并且在輸送電能的過程中損耗非常低，對于一些用電量較大的地區，應用屋頂分布式光伏發電技術能夠有效解決電能緊缺的問題。

2屋頂分布式光伏發電系統組成

屋頂分布式光伏發電系統主要有離網和并網兩大類。離網光伏發電主要通過蓄電池進行充能，其組件構成很簡單，只需光伏發電陣列、電力電子交換器和蓄電池就可以組裝一個離網光伏發電組件。其中，蓄電池的應用非常靈活，在蓄電完成后，蓄電池可以在各種用電設施中應用。并網光伏發電的技術含量高，其通過轉化光伏發電陣列，應用電力電子交換

器，與供電配網連接后為附近的用戶供電，整個系統規模比離網光伏發電組件更大，但是經濟效益更高，應用覆蓋面廣。

2.1光太伏陽發電能光陣

列伏發電陣列是一種將多塊光伏模組進行連接的大規模光伏發電系統，利用光生伏*效應，進行太陽能-直流電能的轉換[3]。陣列是指多塊光伏

組件的組合，單塊光伏組件轉換的電能不能滿足一般用電需求，因此需將多塊光伏組件組合在一起，使形成了陣列。

2.2電力電子交換器

通過光伏發電陣列吸收太陽能并轉化為電能后，需要對其進行電壓的轉換，使其滿足電能輸配網絡的要求，電力電子交換器在屋頂分布式光伏發電系統中主要負責電壓轉換工作，常用設備有整流器和逆變器等。

2.3儲能元件

在屋頂分布式光伏發電系統中，儲能元件是非常關鍵的組件之一。該組件在交流電路中進行能源轉化時不會產生能量消耗。在電路中安裝儲能元件，能夠使能源轉化更加平穩，提升能量的穩定性。在屋頂分布式光伏發電技術的應用過程中，儲能元件的應用非常重要，在系統中安裝合理的儲能元件，能夠與電力電子交換器一起發揮協同效應，大幅提升能源利用率，將太陽能*效率轉化為電能，減少轉化過程中的能源消耗，產出更多的清潔能源，從而滿足附近用戶的用電需求。

2.4智能化控制系統

屋頂分布式光伏發電系統的實現主要依靠智能化控制系統實現。在同一場所中的不同位置、不同角度，收集的太陽能量是不同的，即便是生產批次相同的儲能元件和電力電子交換器，在功率方面也存在一定的差異[4]。智能化控制系統主要用于功率控制，可以確保容量存在差異的光伏發電單元進行相同比率電能的輸出。現階段，我國屋頂分布式光伏發電技術中的智能化控制系統主要是借助本地通信網絡對整個光伏發電系統中多個發電單元的功率進行自動化調整，使多個發電單元的功率能夠穩定在一定的輸出比率，從而提升輸出電壓的穩定性。由于屋頂分布式光伏發電系統一般與供電配網連接，如果系統的輸出電壓缺乏穩定性，可能會影響整個配電網絡的電壓，使用戶的正常用電受到影響。所以，為了防止出現電壓波動故障，需要在屋頂分布式光伏發電系統中安裝智能化控制系統。

3屋頂分布式光伏發電技術的應用優勢和應用方式

現階段，我國已有“光電建筑一體化"“*家金太陽"等有關光伏發電的扶持項目，這在一定程度上促進了我國分布式光伏發電行業的發展，使人們逐漸開始使用具有高環保性的清潔能源。

3.1屋頂分布式光伏發電技術的應用優勢

首先，隨著我國城市化建設進程的推進，城市人口密度不斷升高，結合當前大中小城市的土地利用情況來看，即使太陽能源作為清潔能源具有較大的經濟優勢，在城區內單獨規劃一塊光伏發電的場地也明顯脫離實際。而屋頂分布式光伏發電設備可以直接安裝在用戶附近的屋頂和外墻面等原本無用的建筑物空間，節約光伏發電的用地。其次，屋頂分布式光伏發電設備可以安裝在建筑物屋頂和外墻面，在一定程度上避免太陽光直射建筑物外墻，有助于增強建筑物內部的溫度控制效果，間接縮短用戶使用空調等控溫設備的時間，從而節約電能。同時，屋頂分布式光伏發電設備可以保護建筑物不受太陽直射，降低建筑物的損耗，延長建筑物的使用年限，降低建筑物運營維護成本，具有較高的經濟性。再次，

屋頂分布式光伏發電設備的安裝位置與用戶的距離更近，還能降低大用電量區域重新建設供電配網、增設線路的成本。*后，城市的用電需求主要集中在夏季，而夏季太陽能源充足，電能轉化量大，屋頂分布式光伏發電技術正好滿足了夏季這一用電高峰期的需求，能大幅降低用戶的用電成本。即便是在冬季、陰雨天、夜晚等太陽能源吸收較少的情況下，用戶依然可以使用現有供電配網提供的電能，用電的穩定性和安全性得到提高。另外，屋頂分布式光伏發電技術能夠有效減少傳統發電方式造成的能源消耗和污染排放，緩解城市用電緊張問題。

3.2屋頂分布式光伏發電技術的應用方式

3.2.1光伏發電設備取代屋頂材料

光伏發電設備大多安裝在建筑物屋頂或外墻表面上，這可以在一定程度上節約屋頂材料。直接用光伏發電設備替代屋頂材料，不僅能提升光伏發電的效率和穩定性，還能降低建筑成本。一般來說，屋頂的光伏發電效率高，而外墻表面可能會受到角度等因素影響，使其在太陽能收集量方面存在一定的不穩定性[5]。同時，光伏發電設備安裝在屋頂，還能有效地避免風力因素的影響，節約制作、安裝支架的成本，并起到保溫隔熱的作用。在實際應用過程中，如果直接將光伏發電設備安裝在屋頂，應當確保設備的防水性和防滲漏性能，并且要注意光伏發電設備的使用區域。由于我國地域遼闊，不同地區的溫度、氣候差異較大，特別是我國北方地區，冬季的溫度比較低，在北方的建筑物屋頂安裝光伏發電設備時考慮其抗凍性能，如果光伏發電設備的各項性能都符合要求，那么*全可以用光伏發電設備取代屋頂材料。在未來，相關科研人員應當研究屋面瓦與光伏發電設備的結合，從而在充分利用太陽能源的同時，保障建筑物屋頂的防漏、防凍、防裂、保溫性能。

3.2.2光伏發電設備替代建筑物外墻材料

在光我伏國發城市電設備建設替中，代隨建著筑建物外筑墻行材料業的不斷發展，建筑材料更新迭代，出現了很多新型的建筑物外墻材料，如玻璃幕墻、墻磚、保溫材料等，建筑物外墻材料已經成為建筑行業中的材料之一。但是在更新建筑物外墻材料的過程中，考慮材料的實用性、環保性和安全性等性能。例如，玻璃幕墻雖然能夠增加建筑物內的光照，但是容易對附近居民造成光污染。而光伏發電設備不僅能夠吸收、利用太陽能源，還能夠在夏季抵擋太陽光直射，降低室內溫度，減少空調的使用，從而節約電能，避免污染。同時，光伏發電設備接入供電配網后，可以直接向附近的用戶和公共基礎設施供電，如建筑物周圍的發光二*管（lightemittingdiode,LED）屏幕、路燈、公交站牌等，提升人們的生活質量。

4屋頂分布式光伏發電技術應用實例

4.1工程概況

某項目為某市盤南工業園區、周邊*府辦公樓及居民樓的屋頂分布式光伏發電項目，整個項目范圍約22萬m2，安裝的分布式光伏發電組件單面裝機容量為550Wp，組件尺寸為2278mm伊1134mm，整體裝機容量約為46MWp。光伏發電組件安裝在樓頂部位，安裝方式為固定式安裝，安裝傾斜角為20毅。

4.2方案設計

本工程一期計劃裝機容量為30MWp，根據各類型屋頂布置實際情況以220V和380V的電壓并網，就近接入每棟樓房原配電房或T接入屋前的電能表。

4.2.1*關堯醫院堯學校接入系統

*關、醫院、學校位于城鎮*心位置，配電網資源較豐富。由于該項目分布式光伏裝機規模較小，分布式電源接入對配網影響較小，可采用380/220V電壓就近接入附近臺區或線路。

*關、醫院、學校采用“自發自用余電上網"方式運行。在實施過程中應該核實用戶與電網公司售電關口計量表位置，分布式光伏接入位置應在售電關口計量表之后，同時將原計量表更換為雙向計量表，計量表精度與原計量表相同。

4.2.2工商業接入系統

某工商業建筑的屋頂光伏直流側裝機容量為3.0MWp，考慮1.2的容配比，交流側容量為2.5MW，采用4臺光伏柜接入廠區380V低壓配電段。

工商業用戶采用“自發自用余電上網"方式運行，在實施過程中應該核實用戶與電網公司售電關口計量表位置，分布式光伏接入位置應在售電關口計量表之后，同時將原計量表更換為雙向計量表，計量表精度與原計量表相同。

4.2.3居民戶用接入系統

居民戶用屋頂分布式光伏建設規模較大，且部分地區配電網資源較為薄弱，需要對分布式光伏系統承載能力進行評估。

居民戶用項目采用“全額上網"方式運行。在實施過程中應該核實用戶與電網公司售電關口計量表位置，分布式光伏接入位置應在售電關口計量表之前。

4.3光伏主件選型

光伏電站太陽能電池應選用技術成熟、轉換效率較高、已規模化生產且在國內有工程應用實例的組件作為光電轉換的核心器件。綜合考慮電池組件的價格、發電量、占地面積等特點及本工程的具體情況，本項目采用單晶硅單面容量為550Wp組件。

4.4容量配置及發電情況

本項目采用8耀100kW的逆變器，各個鄉鎮根據分散程度選用合適的逆變器型號和臺數，逆變器總容量為37.95MW。本項目配置容配比在1.16耀1.30，綜合容配比約為1.23。經計算，本項目直流側裝機容量為46MWp。在運行期25年內，首年利用小時數為1105.40h，年平均發電量為4392.05萬kW·h，年平均利用小時數為1030.96h。

5Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

5.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

5.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

5.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

6充電站微電網能量管理系統解決方案

6.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

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圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

6.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

6.1.5視頻監控界面

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圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

6.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

6.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

基礎參數計劃曲線-一充一放

圖16策略配置界面

6.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

6.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

6.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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圖19歷史事件查詢

6.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

6.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

6.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

6.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

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圖23統計報表

6.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

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圖25通信管理

6.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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圖26用戶權限

6.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。