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雙碳目標下的光儲充一體化電站綜合能源建設分析及解決方案

發布時間： 2024-06-24　　點擊次數： 252次

安科瑞陳聰

摘要：基于“雙碳”目標，對光儲充一體化充電站進行分析，了解其綜合能源服務建設標準，結合現有優化途徑，以傳統產品為核心，設置綜合化服務體系。分析認為，綜合能源服務能夠實現能源再生、儲存、分析等新型技術，保障能源彼此之間相互利用，實現能源系統高效率、低成本，是一種行之有效的能源應用方法。

關鍵詞：“雙碳”目標；光儲充一體化；充電站；綜合能源

0引言

通過儲能削峰填谷，可有效減少充電站的負荷，為建設企業提供充足的經濟效益，還可挖掘當地的環保資源。通過能源接入以及技術更新，為后續能源供電技術提供支持，解決建設區域、周圍區域的用電出行需求。

1光儲充一體化充電站建設項目概述

光儲充一體化充電站建設項目，可以通過綜合措施，將光伏、儲能、充電進行有機結合，分“晝、夜”兩種運行模式。在白晝可通過分布式光伏發電，為電動汽車提供充足電能，滿足分布式光伏發電消納率。還可利用電池儲能技術，在用戶低谷時間段進行充電，在用電高峰時間段放電，減少彼此之間的負荷差異，滿足供電需求。對光伏發電儲能優化能源進行配置，綜合充電站提供行之有效的充電服務，能夠節約用戶充電成本，滿足用戶綠色能源以及出行需求。此外，結合車輛停放，開展光儲充一體化充電站綜合服務。

2光儲充一體化充電站建設的要求

2.1基本原則

在運行的基本原則中，對光儲充一體化充電站進行分析，其原則包含了分散布置、集中控制。安全可靠，充放電速率快。儲能電站接入源網系統，應用充分的光伏充電指標，通過充電樁為電動汽車實現充電、余電上網。在電價低谷時刻，還能夠實現儲能系統放電。結合能量管理、系統調節、微電網內部電力消納，自覺實現離網切換。在市電停電時，儲能系統就可以實現脫網。為充電樁提供應急電源，盡可能將電網停電所造成的不良影響降至低。在應用原則中，要體現其長久、便捷化。如主要應用于給電動汽車充電以及小區、商業、停車場等設置供電所，與相關部門聯合，建設充電標準。車站、碼頭、機場也要建設供電場，還要具備“黑啟動”功能。

2.2項目需求

在項目建設中，要以一體化充電設施以及能源互相交融為佳控制原則，滿足項目需求。項目建設需滿足以下4項設計需求：

1）光伏發電系統設計需求。在某區域內根據停車棚開展光伏系統建設，光伏發電系統主要包含282kW屋頂光伏面板。結合6臺50kW組串式光伏逆變器，能夠將產生的直流電轉換成交流電，納入光儲存一體化充電站，實現分布式清潔能源的高效利用。

2）儲能系統布置200kW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統，根據100kW儲能變流器以及接入的一體化充電站400V低壓母線。一方面，能夠充分消納光伏發電系統產生的冗余電量，避免電能浪費。而另一方面，也能夠滿足削峰填谷的需求。

3）電動汽車充電系統如某園區內，現運行30輛電動公交車，為當地居民提供上下班通勤服務。因此，30輛電動車需要建設總容量為1940kW電動汽車充電站。充電站內部要設置兩種充電樁，1種充電樁為大功率直流充電樁，2種為交流慢速充電樁。二者之間能夠自動為園區電動公交車提供自動充電服務，該充電樁還可對外營業收取額外充電服務費用。

4）綜合能源管理系統。搭建綜合能源管理系統能夠建立分布式發電、智能用電、綜合用電管理模式。在軟件體系架構中，包含操作系統、支撐系統、應用系統三大層次。

3光儲充一體化充電站設計分析

3.1電站電池選擇分析

分析儲能系統，其有雙向流動特征。因此，對于大規模儲能并網，將配電網做一個多電源集成系統，配電網的流向將對現有的機電保護方案產生一定的引導作用，使用戶電力設備穩定運行。但繼電保護裝置若失效、誤動，就會導致配電網繼電保護裝置的靈敏度降低，使保護設備出現拒動問題。且相鄰線路瞬時速斷、保護誤觸等故障，也會對電流造成干擾[3]。故障出現在系統電源以及儲能線路中時，儲能系統融合并網動作與配電裝置重合，有可能導致重合時間配合不均或系統處于放電狀態。但并未在重合閘動作前退出，導致重合閘出現失效問題。而在故障發生后，前端線路器出現跳閘問題。但分布式儲能電站對智能配電網依然輸送電流導致故障點，事故進一步擴大。

3.2電池管理系統設計

在基本模型構建中，要了解儲能充電時的吸收有用功，以及在放電時的有用功是否出現SOC值減小等問題。在構建的公式中，SOC作為初始值，要結合充放電時間段的功率，了解充電效率、放電效率，設置預警值，將預警值設置為數字“1”。在構建公式中，可如以下公式所示：

SOCmin<SOCt<SOCmax

式中：“SOCmin”以及“SOCmax”分別表示在儲能過程中所允許的大SOC值以及小SOC值。

3.3能量管理系統設計

結合分布式儲能功率分配能夠了解每個儲能量的多少，以及在分配過程中及是否處于相對均衡狀態。要考慮各儲能定額功率SOC值來決定其輸出功率。具體分配方法要分析充電SOC函數以及放電SOC函數。在基于儲能的額定功率中，將數據“N”作為總儲能個數。當對多個儲能點進行充放電時，SOC較高的儲能少充多放，而SOC較低的儲能多充少放，二者之間要保持相對均衡性，設計合理的充電數據值非常重要。在基礎比較過程中，結合函數Logistic為核心，建立函數數據模型。了解儲能SOC自變量對應的函數公式：

Fc（hx）=1+exp-200（5-x）

當SOC數據值處于較小狀態下，整體充電函Fc（hx）取值較大。而放電函數Fd（isx）取值較小時，SOC充電功率以及放電功率也會相應調整。

3.4能力管理對策設計

在能力管理對策設計中，可通過“SOC”均衡分布式儲能聚合進行研究。例如，要基于一致性算法分布規則，將儲能作為兩大單位。如儲能“i”以及儲能“j”，當儲能“i”以及儲能“j”相連時，就能夠實現相互交融、相互通信，后形成連通圖。在一致性算法分布規則控制中，當儲能“i”對儲能“j”發送對應的信息時，能夠表示頂點i、頂點j的相容性。任何一種一致性算法的通信建模，都能夠看出一致性算法的數據更靈活，且不要求相連儲能之間的通信包容性更強。按照一致性算法的圖連要求，要定義充、放電的一致性變量公式。按照有領導一致性算法分布式技能控制，其智能配電網的控制只要向分布式儲能**者下達對應的控制指令，就可以進行計算，防止以往在下達時出現的偏差，實現通信功率分配。在儲能設備的相互通信過程中，發送接收相應的已知變量信息，進行充電初始化、放電初始化計算。當控制發出總充、總放控制指令后，就可以進行充放電的多次迭代計算。了解一致性變化總量相同，實現分布式儲能聚合控制。結合數據模型提供的數據，可以實現數據實時分析、調控、篩選，達到“一致性”建設要求。

4綜合能源服務建設模式分析

4.1合能源服務分析

國外綜合能源服務，主要重點在于無領導一致性算法，分布式儲能的聚合控制要構建通信建模，了解到一個包含全部儲能的有向圖。確定輸入矩陣“P”、輸出矩陣“Q”?？刂浦恍枰蚍植际絻δ艿哪骋粋€儲能下達總放、充電控制指令，就可以保證各儲能之間實現通訊功率匹配。發送以及接受一致性變量調整下信息，而非其他儲能定額功率以及SOC信息。在進行迭代前，要進行一次性變量，功率效以及功率調整效要進行初始化。對于控制發出的指令進行多次迭代后，就可以計算出整個功率分配任務，完成分布式儲能的聚合控制。在功率更新項的修正中，SOC函數值若小于1，就會導致迭代過程變慢。為了避免此類現象，要在迭代計算前乘上大于1的量，避免影響功率分配。在無領導一致算法中，所有的SOC公式以及數據模型都能夠進行儲能迭代計算。計算結果較為，滿足運行需求。且相關人員后續能夠繼續進行計算優化，調節模型不合理之處。

4.2合能源服務分析

我國儲能系統包含電池倉以及設備倉，電池系統以“電芯”為小單位，包含電池模組、電池簇。要結合現場實際需求，配置對應的電池容量。在設備倉內部要放置儲能變流器以及交流配電柜、直流配電柜、消防系統、動環監控軌道，對儲能系統的交流母線要將其接入系統內部，提高能源的利用效率，保障電能實現優化配置。完成本地能源以及用電負荷量的均衡，與公共電網靈活應對，獨立運行。能夠更好地緩解充電樁對電網的用電沖擊，還可解決城市充電基礎設施建設的電網問題。充電樁的激活方式，主要通過掃碼充電。充電樁內部包含智能監控系統以及計量系統，能夠對電能進行輸出控制以及數據計算。充電樁智能控制器對電樁的測量控制具備保護功能。在交流電輸出后，通過內置的智能電表，將輸出電能實現控制，上傳給電能控制器以及網絡運營平臺，實現過欠壓保護、短路保護、過流保護、漏電保護、接地檢測、過溫保護等多重功能，具備IP54防護等級。

4.3源服務發展前景

目前，充電站在建設過程中，絕大多數在空地建設。新型建設方可在充電站頂棚建設光伏，滿足充電站用電需求，適用于商業園、工業園、住宅區等范圍。在屋頂上，通過批量建設的光伏儲能系統，減少運行成本。在后續，隨著光儲充一體化的進一步發展，其建設成本將會降低?？剂績δ茈姵?、電動汽車退役的動力電池，實現階梯式利用。在節約成本的同時，高效利用能源，保障電池回收有新的解決方向，進一步優化電站建設效率。由此可見，從基本功能分析，光儲充一體化充電站的功能為多元化供電、清潔能源供給、節能減排等。在后續要結合市示范應用場站，實現大面積推廣。

4.4典型用戶用能特點分析

從優化調度中，考慮鋰電池損耗模型的削峰填谷優化問題。鋰電池損耗模型通常用于描述電池在充放電過程中的性能衰減。削峰填谷優化是一種策略，旨在降低電池充放電過程中的峰值電流Ipeak，reduced，以減少電池的損耗。下面是一個簡單的鋰電池削峰填谷優化公式的示例：

Ipeak，reduced=Ipea（k1-QDelta，SOC/QSOC，ma）x

式中：Ipeak為原始峰值電流；QDelta，SOC為考慮削峰填谷優化后的SOC（StateofCharge，電池荷電狀態）變化量；QSOC，max為電池的大SOC值（通常為100%）。這個公式假設電池的峰值電流與SOC的變化量之間存在線性關系。通過調整SOC變化量（QDelta，SOC），可以降低峰值電流，從而降低電池損耗。在實際應用中，可能需要考慮更復雜的模型和算法，以更準確地描述鋰電池的損耗特性。

此外，客戶端優化需要結合實際信息，在實踐過程中，要求分析并預測次日用戶用電負荷使用特征。將信息發送至客戶端EMS中，達到次日用戶的用電充放電行為分析，幫助用戶節約用電成本。結合用戶的電力負荷情況，保障整體數據、數字模型得到優化。調度算法分為日前優化算法以及日內優化算法，可供電池儲能系統容量配置，為后續日內優化提供指導意見。需要注意的是，各公式之間的約束性與中間變量有一定關聯。在優化求解算法中，建設一個非線性的多目標優化架構。采用粒子群算法，將理想目標函數作為衡量指標，所有的粒子通過參照，處于優位置，保證其粒子運動方向能夠被捕捉。粒子算法具有不依賴初始值，且使用參數較小、收集速度較快等優勢。系統能夠判定各粒子的位置以及各參數對應位置，完成優化問題的解析。根據Cpeak、Closs計算結果，重新計算各粒子的適應度。在算法結束后，采用對應函數計算完成求解，將約束條件以函數單位“G（X）”作為表示粒子，群算法的適用公式為“S（X）+G（X）”。

5 Acrel-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

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。