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1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 低壓配電網(wǎng)功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要在電力系統(tǒng)中,由于大量輸變電設(shè)備的存在,其在使用過程中產(chǎn)生磁場(chǎng),形成感性負(fù)載。感性負(fù)載的存在導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)的下降。為了改善和提高電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量,充分發(fā)揮輸變電設(shè)備的效能,就必須就地平衡無功。本裝置設(shè)計(jì)的目的正是利用控制投切電容組數(shù)來達(dá)到電感平衡。低壓配電網(wǎng)功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)由控制核心電路和補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。主控電路主要完成采樣和數(shù)據(jù)處理并輸出控制信號(hào),執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用繼電器控制電容組的投切。其中cpu采用80c196kb作為主控芯片,控制電網(wǎng)無功功率、電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);a/d轉(zhuǎn)換采用12位的高性能a/d轉(zhuǎn)換器max197;通
2、過moc3083來控制晶閘管的過零觸發(fā)導(dǎo)通,從而投切電容器,達(dá)到了甚至消除了合閘涌流的目的。顯示部分為dmls字符液晶顯示模塊。軟件部分采用匯編語言及c語言進(jìn)行編程,主要包括主程序的設(shè)計(jì)、a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、電容器的投切控制等幾大部分。本裝置具有響應(yīng)快,性能穩(wěn)定,操作方便等特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:無功補(bǔ)償;功率因數(shù);晶閘管投切電容器;觸發(fā)脈沖abstractin electric power system, due to the existence of magnetic fields and inductive load, which are generated by a lar
3、ge number of working electric transmission and transformation equipments, the power factor of electric power system is substantially decreased. for improving the voltage quality and making full use of the electric transmission and transformation equipments, an effective compensation system is necess
4、ary to be integrated. function of the system is to realize the induction balance by adjusting the number of switched power capacitors. the low-voltage distribution network power factor compensation system composes of control circuit and compensation actuator. the control circuit is responsible for s
5、ampling, data processing and outputting control signal. the compensation actuator adopts relay to switch the power capacitors.the cpu adopts 80c196kb for the conduct slice and to control the on-time monitor of the reactive power of the networks、voltage、current etc;a/d conversion adopts 12 of high pe
6、rformances a/d conversion device-max197. moc3083 charge to the over-zero trigger passing of the thrusters, that the casting instant capacitor can weaken or even eliminate the current flow of capacitor. the manifestation part adopts the pl/m-96 procedure design language for programming, it has severa
7、l big parts including the design of main programmed、a/d conversion and data proceeding、the casting controlling of the capacitor etc.the device has many advantages-rapid response、convenient operation、function stability and non-impulse, the device will have more spacious application prospect.key words
8、:reactive power compensation; power factor; thyristor switched capacitor; trigger impulse目 錄第1章 緒 論11.1并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀11.2功率因數(shù)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)4第2章 無功補(bǔ)償裝置的硬件電路設(shè)計(jì)52.1 主電路的設(shè)計(jì)52.1.1工作原理52.1.2電容投切62.1.3 晶閘管介紹62.2 控制器的硬件設(shè)計(jì)82.2.1 控制器硬件結(jié)構(gòu)及原理82.2.2 控制器外部功能說明9第3章 算 法123.1 概 述123.2 計(jì)算說明123.3 采樣點(diǎn)數(shù)的選擇133.4 電參數(shù)的計(jì)算13第4章 無功補(bǔ)償裝置
9、的芯片選擇與分析154.1 cpu芯片的選擇與應(yīng)用154.2 eprom 27256204.3a/d轉(zhuǎn)換芯片的選擇214.4液晶顯示模塊(lcd)254.5時(shí)鐘芯片30第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)355.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)355.1.1 程序設(shè)計(jì)語言的選擇355.1.2 主程序的設(shè)計(jì)355.1.3 主程序的說明365.2 電容器投切判斷及投切控制子程序設(shè)計(jì)37第6章 結(jié) 論39參考文獻(xiàn)40致 謝41附 錄42附 錄54附 錄57v第1章 緒 論第1章 tc0由于我國(guó)一次能源地理分布不均,煤和水力資源主要在西部,為滿足東部發(fā)達(dá)地區(qū)的電力需求,大量的電能將通過長(zhǎng)距離輸電線送到東部的負(fù)荷中心(如北京、上海和
10、廣東地區(qū))。據(jù)預(yù)計(jì),2020年我國(guó)西電東送電力將達(dá)到1.21.5億kw,要輸送如此大的功率,需要建設(shè)多條遠(yuǎn)距離電力輸電網(wǎng),但我國(guó)西部地形復(fù)雜,到處是崇山峻嶺,建設(shè)輸電線造價(jià)高昂。另外現(xiàn)在申請(qǐng)輸電走廊受到環(huán)境保護(hù)的限制,因此建設(shè)過多的遠(yuǎn)距離輸電線是不可行也是不現(xiàn)實(shí)的。為此有效的解決辦法是建立適當(dāng)?shù)妮旊娋€,利用各種技術(shù)盡可能提高輸電線的輸送容量。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,各種新型沖擊性負(fù)荷(如工業(yè)電弧爐、電力機(jī)車、軋鋼機(jī)等)使低壓配電網(wǎng)上電壓波動(dòng)頻繁,大型半導(dǎo)體整流設(shè)備等在電網(wǎng)中造成諧波,使電壓質(zhì)量變差,影響了原先設(shè)備的工作。同時(shí)新的敏感設(shè)備大量出現(xiàn)(如半導(dǎo)體制造廠等),對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求,因此
11、迫切需要改善電能質(zhì)量的控制設(shè)備。為了改善和提高電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量,充分發(fā)揮輸變電設(shè)備的效能,減少電力損失,就地平衡無功,確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,在電力系統(tǒng)中普遍采用并聯(lián)電容器來進(jìn)行無功補(bǔ)償。電網(wǎng)不同時(shí)刻所需要的無功是不同的,這就需要根據(jù)電網(wǎng)的無功需求量來控制投入電網(wǎng)的電容組數(shù),以達(dá)到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)平衡。對(duì)于投切電容,則采用晶閘管來控制。采用這種方法,具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便可靠性高等特點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,用單片機(jī)構(gòu)成的智能型功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,完全實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)試、智能運(yùn)算、跟蹤調(diào)節(jié)、在線顯示數(shù)據(jù)等功能,克服了傳統(tǒng)裝置所存在的缺點(diǎn)。本文根據(jù)無功補(bǔ)償原理,設(shè)計(jì)一種對(duì)低壓配電網(wǎng)的智能控制系統(tǒng),利用
12、80c196kb高性能16位單片機(jī)系統(tǒng),該單片機(jī)具有片內(nèi)可編程、可擦除的存貯器(flashmemory),最大可擦寫1000次。它不僅具有mcs-51系列單片機(jī)所具有的特性,而且還有完善的兼容性和價(jià)格低廉的特點(diǎn),此外它還可加密,用其對(duì)電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行快速檢測(cè),判斷并通過控制晶閘管開關(guān)執(zhí)行投切多級(jí)電容組數(shù),來實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的無功功率的補(bǔ)償。1.1并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀在廠礦用電企業(yè)中,用電的設(shè)備主要是電動(dòng)機(jī)、電磁線圈、變壓器等,這些負(fù)載電感量很大,因而造成供電線路功率因數(shù)不高,電能線路損耗大,經(jīng)濟(jì)效益低,浪費(fèi)電能的缺點(diǎn)。因此,電力部門采用在用戶供電變壓器的出口母線上并聯(lián)電容器的補(bǔ)償措施,以
13、抵消電感來提高功率因數(shù)。傳統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置可靠性差,不具備智能運(yùn)算、有級(jí)切換,開關(guān)動(dòng)作頻繁,觸點(diǎn)易被電弧燒蝕,精度不高,不能連續(xù)平滑調(diào)節(jié),因而效果不理想。多年來,電力工作者已達(dá)成共識(shí):提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量,除電網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身要合理外,還必須要有先進(jìn)的調(diào)節(jié)控制手段。電網(wǎng)的安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行在很大程度上取決于其“可控度”。為此,人們不斷地研制一些新設(shè)備來解決上述問題。并聯(lián)補(bǔ)償提供的有功或無功補(bǔ)償能在增強(qiáng)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性方面發(fā)揮不可替代的重要做用,因此從電力系統(tǒng)的誕生開始,并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)就開始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用。同步發(fā)電機(jī)接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī),可以看作是最早的并聯(lián)補(bǔ)償裝置。同步發(fā)電機(jī)和其
14、它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣,由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。一般分為轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載,靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率,以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,各種補(bǔ)償并聯(lián)裝置不斷出現(xiàn),如早期采用機(jī)械投切的電容器和電抗器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。在輸電線出現(xiàn)故障時(shí),投入電阻吸收有功功率,改善系統(tǒng)的電壓水平;盡量維持發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率與原動(dòng)機(jī)功率的平衡,提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于機(jī)械投切電容或電抗器會(huì)造成較大的沖擊,人們開始在負(fù)荷中心安裝同步調(diào)相機(jī),調(diào)相機(jī)可以平滑無功功率,而且既可以吸收也可以發(fā)出無
15、功功率,因此具有較強(qiáng)的補(bǔ)償控制功能,對(duì)調(diào)節(jié)負(fù)荷中心的無功補(bǔ)償平衡和維持負(fù)荷中心的電壓水平有重要的作用。但是,由于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和用電必須同時(shí)完成,系統(tǒng)始終要處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài),電力系統(tǒng)瞬時(shí)的不平衡可能導(dǎo)致安全穩(wěn)定問題,因此要求并聯(lián)補(bǔ)償裝置具有快速的響應(yīng),如達(dá)到周波級(jí)的響應(yīng)速度,才能用于處理系統(tǒng)的問題。由于機(jī)械投切裝置慣性大,動(dòng)作時(shí)間在秒級(jí),滿足不了電力系統(tǒng)對(duì)快速性的要求。此外,許多控制問題要求補(bǔ)償裝置能頻繁動(dòng)作,而機(jī)械開關(guān)如動(dòng)作過頻則易損壞、可靠性差。因此,傳統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題通常是針對(duì)一些預(yù)想的系統(tǒng)緊急狀態(tài),通過保守的設(shè)計(jì),留出較大的穩(wěn)定儲(chǔ)備來加快解決。這就使輸電系統(tǒng)的能力沒有被
16、充分利用,經(jīng)濟(jì)性差。 而隨著大功率的電力電子技術(shù)的發(fā)展,采用高壓大容量的電子開關(guān)替代機(jī)械開關(guān)已成為趨勢(shì)。因此在20世紀(jì)70年代,出現(xiàn)了一系列的晶閘管投切的或控制的并聯(lián)補(bǔ)償裝置,如tsc、tsr、tcr及綜合補(bǔ)償裝置svc,這些并聯(lián)裝置不僅可以快速投切(響應(yīng)時(shí)間在幾十毫秒),而且tcr還可以快速平滑調(diào)節(jié)無功功率,使電力系統(tǒng)的并聯(lián)補(bǔ)償進(jìn)入了一個(gè)新的階段。而傳統(tǒng)的機(jī)械投切的并聯(lián)補(bǔ)償裝置逐漸被晶閘管投切的裝置所替代。傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī),由于是旋轉(zhuǎn)設(shè)備,運(yùn)行維護(hù)都很復(fù)雜,響應(yīng)速度也較慢,且隨著負(fù)荷中心地區(qū)對(duì)環(huán)境要求的提高,旋轉(zhuǎn)設(shè)備帶來的噪聲等問題也使居民越來越不滿意,因此同步調(diào)相機(jī)也足見被svc等并聯(lián)補(bǔ)償
17、裝置所替代。晶閘管投切的或控制的并聯(lián)補(bǔ)償裝置徹底改變了機(jī)械投切裝置或旋轉(zhuǎn)裝置速度慢的缺點(diǎn),控制速度快,維護(hù)簡(jiǎn)單,成本較低,因此在電力系統(tǒng)中獲得了大量的應(yīng)用。但這些并聯(lián)裝置本身也存在一些問題,如晶閘管控制的裝置只能以斬波方式工作,因此會(huì)產(chǎn)生較大的諧波,其次這些裝置并聯(lián)接入系統(tǒng)后會(huì)改變系統(tǒng)的阻抗特性,過多安裝這些設(shè)備可能導(dǎo)致出現(xiàn)振蕩,而且正式由于這些設(shè)備還保留了阻抗型裝置的一些特性,因此在系統(tǒng)電壓偏低或偏高時(shí),阻抗型裝置的缺點(diǎn)(如電壓低時(shí)電流也減小,導(dǎo)致補(bǔ)償容量與電壓平方成比例下降)影響了并聯(lián)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果。由于晶閘管的關(guān)斷不能控制,因此開關(guān)頻率低,對(duì)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量補(bǔ)償能力弱。隨著高壓大容量
18、可關(guān)斷器件的發(fā)展,如igbt、gto等器件的發(fā)展,20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了基于可判斷期間的電壓源或電流源變流器的并聯(lián)補(bǔ)償裝置,這種并聯(lián)補(bǔ)償裝置完全脫離了阻抗型裝置的特性,成為了完全可靠的電壓源或電流源,使得并聯(lián)補(bǔ)償?shù)男阅艿玫搅溯^大的提升。由于可關(guān)斷開關(guān)器件工作頻率較高,交流輸出的諧波小,變流器工作范圍大,輸出電流獨(dú)立于電壓,因此在系統(tǒng)電壓低時(shí)這種補(bǔ)償裝置具有較好的特性。而且基于變流器的裝置不需要體積大的電力電容器與電力電抗器,體積小,調(diào)節(jié)速度快(可達(dá)到10ms級(jí)),因此可以作成模塊式結(jié)構(gòu),可根據(jù)需要像搭積木一樣進(jìn)行組裝也可以建成可移動(dòng)式結(jié)構(gòu),根據(jù)電力系統(tǒng)需要靈活配置?;诮涣髌鞑⒙?lián)補(bǔ)償裝置的典型
19、代表是statcom裝置和配電系統(tǒng)的apf裝置。statcom裝置在輸電系統(tǒng)中或負(fù)荷中心可以快速平滑調(diào)節(jié)無功功率,apf裝置在配電系統(tǒng)可以補(bǔ)償負(fù)荷不平衡或快速補(bǔ)償負(fù)荷諧波?;谧兞髌鞯牟⒙?lián)補(bǔ)償裝置如果在直流側(cè)加上儲(chǔ)能器件,還可以快速平滑地控制有功功率,可以成為快速可控的“景致發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)”,可以逐漸代替抽水蓄能電站,其典型代表為smes裝置和bess裝置等。20世紀(jì)90年代以來,基于變流器的并聯(lián)補(bǔ)償裝置在輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。2003年8月14日在美國(guó)東部大停電造成的損失高達(dá)300億美元,其后英國(guó)倫敦、瑞典等大停電,使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要性及我國(guó)京滬穗
20、負(fù)荷中心潛在的安全穩(wěn)定隱患,并聯(lián)補(bǔ)償提供的有功或無功補(bǔ)償將在增強(qiáng)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性方面發(fā)揮不可替代的重要作用。因此用于輸電和配電系統(tǒng)的并聯(lián)補(bǔ)償裝置(如svc、statcom裝置)將獲得廣泛的應(yīng)用,這是并聯(lián)補(bǔ)償裝置大量應(yīng)用新的契機(jī)。此外,隨著人民生活水平的日益提高,在中低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用并聯(lián)補(bǔ)償裝置(如apf、dstatcom及配電系統(tǒng)svc)以提高電能質(zhì)量問題也日益受到重視。而出于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略考慮,基于新能源(如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃料電池發(fā)電的技術(shù))正在得到廣泛的關(guān)注和逐步得到應(yīng)用;而此類新型的分發(fā)布電系統(tǒng)同樣需利用上述并聯(lián)補(bǔ)償裝置進(jìn)行電能變換,并以其作為和大型互聯(lián)電
21、力系統(tǒng)的接口。因此statcon裝置、apf裝置、分布式發(fā)電系統(tǒng)、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)等基于自換相變流器的并聯(lián)交換技術(shù)正成為目前大功率電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究的重點(diǎn)。 1.2功率因數(shù)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)研究低壓配電網(wǎng)智能功率因數(shù)補(bǔ)償器的意義在于通過對(duì)無功功率的補(bǔ)償,來改善和提高電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量,充分發(fā)揮輸變電設(shè)備的效能,減少電力損失,保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。其主要設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面:1.補(bǔ)償器的主電路圖的設(shè)計(jì):主要包括電容器的分組,每組由晶閘管控制,根據(jù)電網(wǎng)的無功需求并且在最佳時(shí)刻來進(jìn)行投切。2.系統(tǒng)的硬件電路圖的設(shè)計(jì):補(bǔ)償器的控制芯片采用mcs-96系列單片機(jī)80c196kb;a/d轉(zhuǎn)換采用12位
22、的高性能a/d轉(zhuǎn)換器max197;通過moc3083來控制晶閘管的過零觸發(fā)導(dǎo)通,從而投切電容器;并用時(shí)鐘芯片ds12887來記錄時(shí)間并具有掉電保護(hù)的功能。 3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì):數(shù)據(jù)采集及計(jì)算部分采用快速傅立葉算法,對(duì)一系列的電參量進(jìn)行分析計(jì)算,以及顯示電參量。系統(tǒng)的編程采用匯編語言及c語言。第2章 無功補(bǔ)償裝置的硬件電路設(shè)計(jì)由于電力網(wǎng)中接入了大量的感性負(fù)載,因此,為提高功率因數(shù)普遍采用并聯(lián)電容器方式進(jìn)行無功補(bǔ)償。通過對(duì)并聯(lián)電容器的投切控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)受電測(cè)量無功功率的局部補(bǔ)償,減少電網(wǎng)輸送無功功率的負(fù)擔(dān),降低電力損失,改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。對(duì)電容器的補(bǔ)償有很多方法,本設(shè)計(jì)采用晶閘管控制投切電容。由于
23、單片機(jī)本身沒有晶閘管的門級(jí)電壓,采用moc3083驅(qū)動(dòng)晶閘管對(duì)其來進(jìn)行控制。功率補(bǔ)償器的硬件電路圖主要包括主電路、數(shù)據(jù)采集部分和控制部分。主電路接入電網(wǎng)中后,數(shù)據(jù)采集部分對(duì)電網(wǎng)中的電壓和電流進(jìn)行采集,然后通過a/d轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給單片機(jī),再計(jì)算電網(wǎng)中的無功功率、有功功率和功率因數(shù)并判斷是否需要投切電容??刂撇糠种饕▽?duì)電容器及其數(shù)量的投切控制。2.1 主電路的設(shè)計(jì)2.1.1工作原理該無功補(bǔ)償裝置主電路由6組型接入三相電力電容器。其電容器的投切控制部件采用晶閘管和二極管反向并聯(lián)模塊構(gòu)成,采用半控方式,如圖2.1所示這種控制方法可以降低主電路成本和控制復(fù)雜性,具有較高的性能價(jià)格比。abct1 d1
24、 t2 d2 t3 d3 n=6 c1 c3 c2 負(fù)載 圖2.1主電路圖上圖中,a、b、c為電網(wǎng)母線,t1、t2、t3等為晶閘管,d1、d2、d3等為二極管。當(dāng)在某時(shí)刻裝置從電網(wǎng)母線上測(cè)得的電壓值、電流值,經(jīng)a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,再與單片機(jī)80c196kb相連,經(jīng)計(jì)算得出補(bǔ)償容量和投切組態(tài)后,輸出控制單元控制晶閘管觸發(fā)板輸出觸發(fā)脈沖,觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通,電容器被接入電網(wǎng);若需切除電容器則取消加在晶閘管門極上的觸發(fā)脈沖,電流過零時(shí)晶閘管自然關(guān)斷,完成切除電容器 。2.1.2電容投切1.投切分析當(dāng)裝置檢測(cè)到需要投入一組電容時(shí),并不立刻投入電容,而是等到a相電壓低于b和c相電壓時(shí)
25、,在t1上加上觸發(fā)電平,此時(shí)t1不導(dǎo)通,處于一種預(yù)導(dǎo)通的狀態(tài),整個(gè)電路沒有電流。等到a相電壓升高后t1自然導(dǎo)通。同理,當(dāng)電流通過二極管d2時(shí),兩端電壓被d2鉗住,此時(shí)對(duì)t2加觸發(fā)電平,t2也處于預(yù)導(dǎo)通的狀態(tài)。t3同理。當(dāng)需要切除電容器時(shí)只需要按照t1、t2、t3的順序取消觸發(fā)電平,當(dāng)晶閘管上電流過零時(shí),自動(dòng)關(guān)斷,沒有電壓的沖擊。所以電容器為無沖擊投入、切除。由于本裝置通過直接對(duì)線電流、線電壓的采樣,利用快速傅立葉函數(shù)來計(jì)算出電網(wǎng)無功功率,從而得知,電網(wǎng)需補(bǔ)償?shù)臒o功量,再按需進(jìn)行投切。這樣不但避免了過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)膯栴},同時(shí)又能達(dá)到很好的效果。2.切時(shí)刻的選取選取投切時(shí)刻總的原則是,裝置投入電容
26、組的時(shí)刻,也就是晶閘管開通的時(shí)刻,必須是電源電壓與電容組預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性,當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(shí)(若電容器投入的時(shí)刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會(huì)發(fā)生這樣的情況),將產(chǎn)生一沖擊電流,很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻震蕩等不利影響。實(shí)際上,在投入電網(wǎng)之前,電容電壓有時(shí)不能被充電到電源電壓峰值。這就需要找出在電容充電電壓為各種情況下的最佳投入時(shí)刻。本裝置采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式,可以使導(dǎo)通前電容充電電壓維持在電源電壓的峰值。一旦電容電壓比電源電壓峰值有所降低,二極管都會(huì)將其充電至峰值電壓,因此不會(huì)發(fā)生電容器充電電壓下降的現(xiàn)象。但是由于二極管是不可控的,
27、當(dāng)腰切除次電容分支時(shí),最大的時(shí)間滯后為一個(gè)周波,但成本上卻要低一些。2.1.3 晶閘管介紹1.工作原理 a p1 j1 n1 g p2 j2 n2 j3 k晶閘管是三端四層器件,共有三個(gè)pn結(jié)(j1、j2、j3)如下圖2.2所示,電路符號(hào)如圖2.3所示。a為陽極,k為陰極,g為門極。若把晶閘管看成由兩個(gè)晶體管(p1n1p2、n1p2n2)構(gòu)成的,如圖2.4所示。 圖2.2晶閘管圖圖2.3晶閘管電路符號(hào)圖 p1n1 n1p2 p2n2圖2.4晶閘管電路分解圖對(duì)于p1n1p2晶體管n1為發(fā)射結(jié),n1p2為集電結(jié);對(duì)于n1p2n2晶體管,p2n2為發(fā)射結(jié),n1p2仍為集電結(jié),因此n1p2為公共的收集
28、結(jié)。當(dāng)a-k兩端加正向電壓時(shí),j1和j3為正偏置,則中間結(jié)(j2)為反偏置。當(dāng)a-k兩端加反向電壓時(shí),中間結(jié)(j2)正反偏置,而j1和j3為反偏置。在晶閘管未導(dǎo)通時(shí),加正壓時(shí)的外加電壓由反偏置的j2結(jié)承擔(dān);而加反壓時(shí)的外加電壓主要由反偏置的j1結(jié)承擔(dān)(這是由晶閘管的制造工藝和結(jié)構(gòu)決定的)。晶閘管的操作壽命幾乎是無限的,而且晶閘管的投切時(shí)刻可以精確控制,以減少投切時(shí)的沖擊電流和操作困難。2.導(dǎo)電特性1)晶閘管導(dǎo)電時(shí),稱為導(dǎo)通,不導(dǎo)電時(shí),稱為截止或阻斷;2)若使晶閘管導(dǎo)電,必須加正向電壓,即陽極為正,陰極為負(fù),而且控制極需要加控制電壓。若控制極沒有加電壓,即使陽極和陰極之間加正向電壓,晶閘管也是阻
29、斷的;3)當(dāng)陽極和陰極之間加正向電壓,在控制極加正向電壓瞬間,晶閘管立即導(dǎo)通,而晶閘管一旦導(dǎo)通后,再不受控制極電壓的控制,當(dāng)電源電壓過零時(shí),晶閘管自行阻斷;4)當(dāng)陽極和陰極之間加正向電壓,在控制極不加電壓,此時(shí),晶閘管稱為正向阻斷狀態(tài);5)當(dāng)陽極和陰極之間加反向電壓,在陽極和陰極之間呈現(xiàn)很大的電阻,晶閘管稱為反向阻斷狀態(tài);6)在正、反阻斷狀態(tài)下,陽極和陰極之間電壓都是有極限的,超過極限,晶閘管將發(fā)生擊穿而損壞。2.2 控制器的硬件設(shè)計(jì)2.2.1 控制器硬件結(jié)構(gòu)及原理1.信號(hào)調(diào)理版輸入信號(hào)調(diào)理板主要由電壓互感器、電流互感器電路構(gòu)成。將從電網(wǎng)母線中采集到的電壓值uab、ubc,經(jīng)前一級(jí)電壓互感器變
30、換輸出后送至信號(hào)調(diào)理板中的兩個(gè)電壓互感器電路,即在此將電網(wǎng)線中的電壓轉(zhuǎn)換為10v的交流電壓信號(hào)提供給a/d轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。同樣三相線電流也將從電網(wǎng)母線上采集到的電流值iab、ibc,通過信號(hào)條理板中電流互感器轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其中電壓互感器和電流互感器后端采用0p07系列進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和相移補(bǔ)償。1)控制器主板控制器主板主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、a/d轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示、鍵盤接口、ds12887時(shí)鐘模塊、程序存儲(chǔ)器構(gòu)成。控制器主板采用80c196kb單片機(jī)為核心,以處理采樣并a/d轉(zhuǎn)換后的信號(hào);其中a/d轉(zhuǎn)換模塊選用12位100kspsa/d變換器,每周期32次對(duì)各線
31、電壓、線電流采樣,數(shù)字化信號(hào)通過快速傅立葉變換(fft)計(jì)算電網(wǎng)基波無功功率q,進(jìn)行投切邏輯判斷并控制觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,控制相應(yīng)電容器組投入或切除??刂破髦靼逋庠O(shè)采用液晶模塊循環(huán)顯示電網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)定參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)和電容器組的投切狀態(tài),并配合鍵盤針對(duì)不同的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)。采用ds12887時(shí)鐘芯片獲取時(shí)間,作為定期濾波和故障濾波的時(shí)間基準(zhǔn),并可記錄系統(tǒng)過電壓以及過電流時(shí)間。2)信號(hào)輸出板微機(jī)控制信號(hào)觸發(fā)電路輸出或切斷觸發(fā)脈沖,當(dāng)滿足零觸發(fā)條件時(shí)輸出或切斷觸發(fā)脈沖,從而控制晶閘管開關(guān)通斷,投切電容器。如圖2.5所示為硬件原理圖:顯示模塊鍵盤80c196kb單片機(jī)系統(tǒng)脈沖觸發(fā)電路主電路時(shí)
32、鐘芯片程序存儲(chǔ)器電流互感器電壓互感器a/d轉(zhuǎn)換圖2.5硬件原理圖硬件原理圖如圖2.5所示。說明如下:(1)從電網(wǎng)母線上采得的電壓值,分別經(jīng)過電壓、電流互感器電路變換,再放大后送給a/d轉(zhuǎn)換器。(2)電壓、電流值經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)值,送給80c196kb單片機(jī), 80c196kb單片機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)目的計(jì)算電網(wǎng)基波無功功率q。(3)進(jìn)行投切邏輯判斷后,根據(jù)結(jié)果控制觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。(4)晶閘管控制相應(yīng)電容器組投入或切除。(5)液晶模塊循環(huán)顯示電網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)定參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)和電容器組的投切狀態(tài),并配合鍵盤針對(duì)不同的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)。2.2.2 控制器外部功能說明1.輸入信號(hào)部分該部分主要
33、介紹由電壓互感器和電流互感器構(gòu)成。在本設(shè)計(jì)中使用北京興格公司生產(chǎn)的spt204a和spt205b。spt204a是一款毫安精密電壓互感器,圖中rs是限流電阻,無論額定輸入電壓有多大,調(diào)整rs的值,使額定輸入電流的值為2ma,則另一邊也會(huì)感應(yīng)輸出一個(gè)相同的電流2ma。使用時(shí)根據(jù)vo=2ma(r+w),調(diào)節(jié)反饋電阻r+w,即可獲得所需的輸出電壓。還可調(diào)節(jié)電阻r及電容c用于補(bǔ)償相移。所用電阻均要求溫度系數(shù)小于50ppm。spt205b實(shí)際上是一款毫安級(jí)精密電流互感器,輸入額定電流為1ma至10ma任選,輸入/輸出電流為3:1,一般額定輸入電流為3ma,額定輸出則為1ma。使用時(shí)需要將電壓信號(hào)變?yōu)殡娏?/p>
34、信號(hào),初級(jí)直接串聯(lián)一個(gè)電阻使輸入電壓信號(hào)被限流變換成電流信號(hào)。次級(jí)并聯(lián)一個(gè)電阻使輸出電流信號(hào)變換成電壓信號(hào),這樣能得到線性度優(yōu)于0.1%的輸出電壓信號(hào)。輸出電壓最大8伏。spt205b的相移和次級(jí)回路電阻大小成正比,負(fù)載電阻為1k時(shí),補(bǔ)償后可使相移小于10。要求得到相同輸出電壓,增大輸入額定電流,可減小負(fù)載電阻,從而減小相移。下圖為spt204a、spt205b互感器電路圖:如圖2.6(a)、圖2.6(b)所示。(a) 電壓互感器電路圖(b)電流互感器電路圖圖2.6電流、電壓互感器電路示意圖其中,電壓互感器電路和電流互感器電路將a、b、c各相電壓、各線電流轉(zhuǎn)換成-10v+10v之間的交流電壓信
35、號(hào)送入a/d轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行交流采樣和變換處理。推薦電路圖2.6。圖中r是限流電阻,無論額定輸入電壓多大,調(diào)整r的值,使額定輸入電流為2ml,就滿足條件。副邊電路是電流/電壓變換電路,當(dāng)需要電壓輸出時(shí)采用。調(diào)整圖中反饋電阻r和r的值就可得到所需要的電壓輸出。電容c1及可調(diào)電阻r是用來補(bǔ)償相移的。電容c2、c3用來去藕和濾波。兩個(gè)反接的二極管祈禱保護(hù)運(yùn)算放大器作用的。2.a/d轉(zhuǎn)換部分a/d轉(zhuǎn)換部分采用maxim公司生產(chǎn)的max197a/d轉(zhuǎn)換芯片。它是一個(gè)多量程12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電壓互感器和電流互感器與12位a/d轉(zhuǎn)換器是采用直接的連接方式,即電壓互感器和電流互感器的輸出信號(hào)直接送入a/d轉(zhuǎn)換器
36、的模擬量輸入端。經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)字量被送到ram中,以備cpu進(jìn)行數(shù)字濾波和無功功率的計(jì)算等數(shù)據(jù)的處理。3.時(shí)鐘芯片系統(tǒng)采用ds12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片作為系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)記錄三相電壓、有功、無功量。ds12887時(shí)鐘芯片內(nèi)部具有114字節(jié)的非易失性靜態(tài)ram,可以用于保存系統(tǒng)參數(shù),還具有良好的掉點(diǎn)保護(hù)功能。4.脈沖觸發(fā)器采用三路moc3083輸出來提供晶閘管的觸發(fā)脈沖,分別對(duì)主電路的三個(gè)晶閘管進(jìn)行控制。5.鍵盤及l(fā)cd顯示模塊按鍵部分直接采用cpu的i/o口作為輸入,實(shí)行功能復(fù)用。此方法雖然在判斷哪一個(gè)按鍵按下的程序上比較復(fù)雜,但可以節(jié)省很多數(shù)據(jù)地址空間或i/o口線,配置靈活,
37、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。為減小功耗,使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,顯示多種字符,本裝置選用液晶顯示模塊lcm,它的將lcd控制器、ram、rom和lcd顯示器集成在一起,使用時(shí)只要向lcm模塊輸送相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)便可實(shí)現(xiàn)所需要的顯示。第3章 算 法3.1 概 述快速傅立葉變換(fft)并不是一種新的變換,而是離散傅立葉(dft)的一種快速算法,但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里,由于dft的計(jì)算量太大,使得即使采用計(jì)算機(jī)也很難對(duì)問題進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,所以并沒有得到真正的運(yùn)用。直到后來有人提出了dft的新的快速算法,使dft的計(jì)算大大簡(jiǎn)化,從而使dft的運(yùn)算在實(shí)際中真正得到廣泛的運(yùn)用。本設(shè)計(jì)采用了數(shù)字信號(hào)處理方法中的快速傅立葉變換算法(
38、fft),將采樣到的電壓、電流中的干擾化為高次諧波處理,避免因模擬濾波電路參數(shù)不匹配帶來的誤差,從而極大地提高了測(cè)量精度。3.2 計(jì)算說明計(jì)算n個(gè)采樣點(diǎn),的離散傅立葉變換,可以歸結(jié)為計(jì)算多項(xiàng)式,在各n次單位根1,上的值即 (3-1)其中為n次單元根, 若n為2的次冪,即(k0),則可以分解為關(guān)于的偶次冪和積次冪兩部分,即: (3-2)若令:則有:并有:因此可以看出,為了求在n次單位跟上的值只要求出和在1, ,上的值就可以了。而和同樣可以分解成關(guān)于的偶次冪和積次冪兩部分,依次類推一直分解下去,最后可詭譎為只需求出二次單位根1和-1上的值。在實(shí)際的計(jì)算中,可以將上述過程倒過來進(jìn)行,即fft算法。3
39、.3 采樣點(diǎn)數(shù)的選擇要獲得精確的測(cè)量結(jié)果,采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇過高,即采樣間隔小,則每個(gè)周期里采樣點(diǎn)數(shù)過多,造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過大和計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng);反之如果采樣頻率過低,fft運(yùn)算在頻域?qū)⒊霈F(xiàn)混淆現(xiàn)象,造成頻譜失真,使之不能反映原來的信號(hào)。因此,對(duì)連續(xù)信號(hào)的采樣頻率需大于奈奎斯特頻率,即采樣頻率至少應(yīng)等于或大于信號(hào)所含有的最高頻率的兩倍,即:而實(shí)際應(yīng)用時(shí),常取為4-。例如進(jìn)行15次諧波分析,所采樣信號(hào)的最高頻率應(yīng)為工頻的15倍,即750hz。為避免頻譜混疊,采樣頻率應(yīng)高于1500hz,即每周波至少采樣30次??焖俑盗⑷~變換采用基2算法,即每周波采樣為2的冪次方。但采樣點(diǎn)數(shù)如太多,f
40、ft運(yùn)算的時(shí)間就越長(zhǎng),將不適應(yīng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。通過對(duì)16、32、64個(gè)采樣點(diǎn)下的fft變換計(jì)算機(jī)模擬情況可知;16點(diǎn)采樣誤差太大,不能滿足精度要求;32點(diǎn)采樣的測(cè)量精度基本滿足要求,但高次諧波的測(cè)量誤差較大;64點(diǎn)采樣的高次諧波測(cè)量誤差有所降低,但效果不明顯??紤]到64點(diǎn)采樣的fft變換的時(shí)間約是32點(diǎn)的兩倍,因此在選用每周選32點(diǎn)采樣的采樣頻率較為合適。3.4 電參數(shù)的計(jì)算利用輸入信號(hào)基波電壓、電流復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部可以求得交流電壓、交流電流、有功功率和無功功率的有效值,為此先將復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部變成有效值,假定輸入電壓數(shù)振幅的實(shí)部和虛部有效值用ur和ui表示,則輸入電壓的有效值
41、為: (3-3)同理可以求出輸入電流的有效值為: (3-4)其中輸入電流復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部有效值用和表示。對(duì)于三相三線系統(tǒng),如測(cè)量信號(hào)為兩相電壓和兩相電流,選用的輸入信號(hào)為、和,則視在功率可表示為: (3-5)展開上式可得到有功功率和無功功率為:整個(gè)回路的功率因數(shù)可以通過以下方法求出: (3-6)第4章 無功補(bǔ)償裝置的芯片選擇與分析自從1976年intel公司推出第一批單片機(jī)以來,80年代單片機(jī)技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,近年來,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,單片機(jī)繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展,從4位、8位單片機(jī)發(fā)展到16位、32位單片機(jī)。單片機(jī)主要用于控制,它的應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè),大到航天飛機(jī),小至
42、日常生活中的冰箱、彩電,單片機(jī)都可以大顯其能。單片機(jī)在國(guó)內(nèi)的三大領(lǐng)域中應(yīng)用得十分廣泛:第一是家用電器業(yè),例如全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能玩具;第二是通訊業(yè),包括電話、手機(jī)和bp機(jī)等等;第三是儀器儀表和計(jì)算機(jī)外設(shè)制造,例如軟盤、硬盤、收銀機(jī)、電表。除了上述傳統(tǒng)領(lǐng)域外,汽車、電子工業(yè)在國(guó)外也是單片機(jī)應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能靈活的組裝成各種智能控制裝置,由它構(gòu)成的智能儀表解決了長(zhǎng)期以來測(cè)量?jī)x器中的誤差的修正、線性處理等問題。所謂單片機(jī),就是把中央處理器cpu(central processing unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器ram(random access memory
43、)、只讀存儲(chǔ)器rom(read only memory)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及i/o(input/output)接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件,繼承在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)技術(shù)與傳感與測(cè)量技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)分析技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、可編程邏輯應(yīng)用技術(shù)、微機(jī)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、軟件工程、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制、誤差分析、儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等的結(jié)合,使得單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。同時(shí),單片機(jī)具有較強(qiáng)的管理功能。采用單片機(jī)對(duì)整個(gè)測(cè)量電路進(jìn)行管理和控制,使得整個(gè)系統(tǒng)智能化、功耗低、使用電子元件較少、內(nèi)部配線少、成本
44、低,制造、安裝、調(diào)試及維修方便。本設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī)80c196kb設(shè)計(jì)的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。補(bǔ)償器的控制芯片采用mcs-96系列單片機(jī)80c196kb;a/d轉(zhuǎn)換采用12位的高性能a/d轉(zhuǎn)換器max197;通過moc3083來控制晶閘管的過零觸發(fā)導(dǎo)通,從而投切電容器;并用時(shí)鐘芯片ds12887來記錄時(shí)間并具有掉電保護(hù)的功能。 4.1 cpu芯片的選擇與應(yīng)用在本裝置中采用的cpu芯片為80c196kb,它是intel公司mcs-96系列中應(yīng)用最廣泛的一種16位單片機(jī),它具有高速處理功能及低功耗等特點(diǎn)。12mhz晶振時(shí),16位加法指令只用0.66us,其基本指令的執(zhí)行時(shí)間為0.5us-1.5us,
45、指令的8098的超集,即8098指令的80c196kb全部可以使用。1.80c196kb單片機(jī)的特點(diǎn)及外圍特點(diǎn)1)80c196kb單片機(jī)除了保留8098的基本功能外,還具有以下特點(diǎn):內(nèi)部分頻電路為2分頻而不是3分頻,使處理能力提高1.5倍;指令速度更快,特別對(duì)變址/間址數(shù)據(jù)操作;對(duì)12mhz時(shí)鐘,16*16位乘法僅需2.33us,而在8097bh上則需6.25us;更快的中斷響應(yīng)時(shí)間(幾乎是8098的2倍);低功率和空閑的工作方式;包括長(zhǎng)字比較和塊傳送的6種新指令;8種新中斷向量16種新中斷源。2)80c196kb單片機(jī)的外圍特點(diǎn)特殊功能寄存器窗口開關(guān)允許向只讀寄存器中寫入數(shù)據(jù):定時(shí)器2(ti
46、me2)可由外部選擇為向上或向下計(jì)數(shù);定時(shí)器2(time2)使用獨(dú)立的捕捉寄存器;高速輸出(hso)事件存入一個(gè)寄存器中;高速輸出(hso)可使用cam清楚和cam lock命令;串行口可使用新波特率,所以方式都可用高速傳輸(12mhz晶振時(shí)達(dá)到3.0mv/s);雙緩沖串行口發(fā)送寄存器;串行口接受溢出和錯(cuò)誤檢測(cè);pwm使用2分頻脈沖計(jì)數(shù)器;hold/hlda總線規(guī)約;8路10位a/d轉(zhuǎn)換器,a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間為14.67us。鑒于以上特點(diǎn)能夠從硬件上縮短快速傅立葉變換的運(yùn)算時(shí)間,保證電量測(cè)量的實(shí)時(shí)性。2.80c196kb單片機(jī)的主要引腳功能下面介紹個(gè)引腳功能: vcc:主電源+5v; vss:數(shù)字電路地(0v),兩個(gè)vss引腳都應(yīng)接地; cde:時(shí)鐘檢測(cè)使能,為高使能時(shí)鐘故障檢測(cè)電路,若xtal1頻率低于指定的限度,則reset腳變低; vref:片內(nèi)轉(zhuǎn)換器的參考電壓(+5v),同時(shí)也為a/d轉(zhuǎn)換器模擬部分和讀0號(hào)口的電路提供電源,因而必須與0號(hào)口和a/d相連,要求vref的穩(wěn)壓精度高于vcc; angnd:a/d轉(zhuǎn)換器的參考地.一般情況下必須和vss同電位; vpp:從低功率電路返回的定時(shí)管腳,將該腳通過一個(gè)1uf的電容連到vss,通過1個(gè)1m 歐姆的電阻連到vcc,若不使用該功能,可把vpp連到vcc,該引腳也為片內(nèi)r
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