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文檔簡介

1、基于GIS 空間分析的變電站空間布局規(guī)劃研究以北京為例 作者: 日期:2 個人收集整理 勿做商業(yè)用途基于GIS空間分析的變電站空間布局規(guī)劃研究以北京為例 魏保軍 【摘要】城市電網(wǎng)規(guī)劃既是電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的基本內(nèi)容之一,也是城市規(guī)劃的重要組成部分。其中,變電站空間布局是城市電網(wǎng)規(guī)劃的主要內(nèi)容之一.地理信息系統(tǒng)(GIS)強大的數(shù)據(jù)處理與分析功能為電力設(shè)施科學(xué)規(guī)劃選址提供了可能。本文利用GIS空間分析技術(shù),結(jié)合經(jīng)改良的變電站選址模型,提出了一套較完整的變電站空間布局計算方法。采用該方法,在變電站建設(shè)時可以有效避免“站群”矛盾,避免規(guī)劃與電力行業(yè)管理相脫節(jié)等問題。 【關(guān)鍵詞】GIS;空間布局規(guī)劃;用地

2、約束;變電站 1 變電站布局的總體理念 11 研究思路 變電站的規(guī)劃布局問題屬多中心選址優(yōu)化問題。 目前變電站選址問題一般以變電站投資(含二次網(wǎng))和年運行費用最低建立數(shù)學(xué)模型進行計算,這種算法與實際建設(shè)情況往往出入較大.原因可能有兩個方面:其一,算法求得的變電站往往位于小區(qū)、居住區(qū)的中心,基礎(chǔ)設(shè)施完善,環(huán)境優(yōu)越,地價(房價)也較高,如在這些地區(qū)建設(shè)變電站開發(fā)商不合得,居民意見也較大;第二,經(jīng)這種算法計算確定的變電站供電范圍沒有明確的地理界限,沒有考慮自然地形、管理界限等人為或非人為因素造成的偏差。 本文利用GIS技術(shù),對變電站選址計算進行了嘗試根據(jù)各區(qū)電力負荷的分布,計算各級變配電容量需求;根

3、據(jù)已有變電站的規(guī)劃容量及分布,結(jié)合本區(qū)土地使用規(guī)劃,采用GIS空間分析技術(shù),確定規(guī)劃變電站的位置及容量。本文提出的計算方法能夠有效避免以上問題,接近實際建設(shè)模式,符合城市規(guī)劃管理人員決策思路,具有一定實用價值。 12 變電站規(guī)劃布局一般原則 (1)有利于實施分區(qū)供電。變電站供電分區(qū)應(yīng)經(jīng)濟、合理,滿足負荷需求。 (2)線路安排便利。 (3)各級電壓的變電總?cè)萘颗c用電負荷之間,輸、變、配電設(shè)備容量之間、有功和無功容量之間比例協(xié)調(diào),經(jīng)濟合理。 (4)按飽和負荷預(yù)留各類電力設(shè)施用地。 (5)緩解進入城市中心區(qū)的走廊及線路壓力。 13 變電站選址一般原則 (1)符合總體規(guī)劃及市中心區(qū)控制性詳細規(guī)劃用地布

4、局要求。 (2)盡可能不占用或少占用基本農(nóng)田、定樁綠地等. (3)500kV變電站應(yīng)考慮供電區(qū)域的合理性,220kV及以下變電站除考慮區(qū)域合理外,還應(yīng)盡可能在負荷中心區(qū)的工業(yè)用地內(nèi)或產(chǎn)業(yè)用地內(nèi)安排,以減少對居民生活的影響,消除居民心理障礙。 (4)500kV及220kV變電站應(yīng)滿足100年一遇防洪要求,110kV變電站應(yīng)滿足50年一遇防洪要求。 (5)應(yīng)有良好的地質(zhì)條件,避開地震斷裂帶、各類采空區(qū)、滑坡泥石流易發(fā)區(qū)等不良地質(zhì)構(gòu)造區(qū)。 (6)避開軍事電臺、通訊電臺、機場導(dǎo)航臺等設(shè)施以避免可能造成的強弱電干擾。 (7)避開危險品倉庫、輸油管道、高壓輸氣管道等易燃易爆區(qū). (8)盡可能遠離住宅、醫(yī)院

5、、中小學(xué)校等對電磁環(huán)境要求較高區(qū)域或易引發(fā)社會矛盾的區(qū)域。 (9)盡可能減少拆遷。 (10)方便安排變電站進出線路。 2 GIS技術(shù)的簡要分析 GIS是地理信息系統(tǒng)(geographic information system)的英文縮寫,是采集、存儲、管理、檢索、分析和描述整個或部分地球表面與空間地理分布數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。它是一個集計算機科學(xué)、地理學(xué)、信息學(xué)、管理科學(xué)等于一體的新興多學(xué)科綜合技術(shù)領(lǐng)域,它獨具的空間地理信息、圖形處理能力,為與空間地理信息有關(guān)的領(lǐng)域提供了一種嶄新的應(yīng)用技術(shù)手段。 GIS技術(shù)的特點是按一定的空間拓撲關(guān)系以數(shù)據(jù)庫的形式來儲存各種空間地理要素及屬性數(shù)據(jù),以圖形方式來描

6、述各種空間地理要素,并利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的成熟技術(shù),將地理屬性數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系相結(jié)合,使被描述的事物既直觀又生動。另外,GIS在屬性數(shù)據(jù)管理上,運用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理技術(shù),使GIS可直接與外部關(guān)系數(shù)據(jù)庫連接。 GIS具有強大的空間分析、處理、輸出功能,是一個支持空間地理決策的系統(tǒng),它通過對多因素的綜合分析,可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的與地理相關(guān)的信息,并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果. 現(xiàn)有GIS軟件的功能大致劃分如下: (1)數(shù)據(jù)采集、輸出:地圖繪制;圖形、屬性數(shù)據(jù)的輸入、編輯;圖形、屬性數(shù)據(jù)的輸出;地圖管理。 (2)系統(tǒng)分析、管理數(shù)據(jù)處理(如數(shù)據(jù)重構(gòu)、數(shù)據(jù)抽取等);

7、空間數(shù)據(jù)分析、計算(如空間量測、疊加分析、緩沖區(qū)分析、地形分析等);數(shù)據(jù)變換(如不同投影、不同坐標(biāo)系的變換);網(wǎng)絡(luò)功能(如優(yōu)化路徑);空間統(tǒng)計分析(如空間插值);擴展功能等。 目前,GIS已在測繪、制圖、統(tǒng)計、資源和環(huán)境管理、城市規(guī)劃、工程與交通設(shè)施規(guī)劃與管理,以及軍事、商業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 3 基于GIS空間分析技術(shù)的變電站選址決策模型與方法 3 1 模型分析 在城市電網(wǎng)規(guī)劃過程中,變電站選址一般經(jīng)歷如下4步:(1)現(xiàn)有變電站評價;(2)負荷需求預(yù)測及負荷分布;(3)確定新建變電站個數(shù);(4)確定新建變電站位置、容量及供電范圍。 在這4步中,除第一步屬定性分析外,其余3步均為定量分析與計

8、算,涉及到數(shù)學(xué)模型的選擇問題。下面結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗,從實用方便的角度,對每步采用的數(shù)學(xué)模型進行分析。 311 負荷需求預(yù)測及負荷分布 城市電網(wǎng)規(guī)劃一般可分為城市供電總體規(guī)劃及城市供電控制性詳細規(guī)劃兩個階段。 總體規(guī)劃階段一般解決建設(shè)原則、建設(shè)規(guī)模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)施布局、建設(shè)方式等問題:控制性詳細規(guī)劃階段應(yīng)在總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上具體落實場站設(shè)施位置,進出線線路路由、實施策略等。不同規(guī)劃階段均應(yīng)對負荷需求進行預(yù)測。但受城市用地規(guī)劃深度的制約及規(guī)劃要求的不同,不同階段負荷需求預(yù)測的方法是不同的.總體規(guī)劃階段一般采用人均指標(biāo)法,建設(shè)用地負荷密度法、外推法、彈性系數(shù)法等方法;詳細規(guī)劃階段一般采用建筑負荷指標(biāo)

9、法,采取的建筑負荷指標(biāo)一般是城市規(guī)劃管理部門發(fā)布的指標(biāo)。 兩個階段的計算結(jié)果可能不同.從局部來說,對每個地塊,即便在電力系統(tǒng)實際運行中,電力負荷的計算值與實際測量值也肯定不同。原因是不同類型的負荷之間,或同類負荷的不同設(shè)備運行時間存在時差,使得某個區(qū)域最大負荷肯定不是該區(qū)域各分區(qū)域或備用地地塊最大負荷的代數(shù)和。受房屋用途、房屋使用率、使用人生活習(xí)慣等因素影響,要準(zhǔn)確算出一個地塊的電力負荷是不可能的,只能平均計算。假定一個區(qū)域內(nèi)同類負荷具有大體相似的使用屬性,那么,用建筑負荷指標(biāo)法計算出來的地塊負荷乘以一個系數(shù)可以近似模擬最大負荷出現(xiàn)時該地塊對最大負荷的貢獻值。為便于計算,本文引入負荷調(diào)整因子及

10、地塊計算負荷兩個概念。負荷調(diào)整因子即選用的系數(shù),地塊計算負荷即最大負荷時該地塊對最大負荷的貢獻值.計算方法如下: 式(1)(4)中:為第i地塊的初始負荷;m2為第i地塊不同性質(zhì)用地的數(shù)目;為第i地塊第j類性質(zhì)用地總建筑面積;為第j類性質(zhì)用地單位建筑面積負荷初始值,即建筑用電負荷指標(biāo),該指標(biāo)為統(tǒng)計數(shù)值,不同城市或同一城市不同發(fā)展階段該數(shù)值一般是不一樣的;m1為研究區(qū)域內(nèi)地塊數(shù)目,計算模型中作為負荷點的數(shù)目;為研究區(qū)域各地塊初始負荷之和;為第i地塊的計算負荷;為負荷調(diào)整因子;為研究區(qū)域各地塊計算負荷之和。 取值可采用迭代計算方法求得. 312 確定新建變電站個數(shù) 目前有不少關(guān)于變電站計算方面的文獻

11、,但這些文獻中,普遍忽視了管理界限、自然地形等地理阻斷因素對變電站個數(shù)及布局的影響。 電力系統(tǒng)的管理、電費的結(jié)算一般按行政區(qū)進行,因此,各級電力設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)與電力的分區(qū)管理相適應(yīng),在本分區(qū)內(nèi)實現(xiàn)管理權(quán)限內(nèi)的電力設(shè)施的電力、電量平衡。比如,北京朝陽區(qū)的110kV變電站一般不會供應(yīng)鄰近的海淀區(qū)的負荷。為此在變電站的選址計算時,特別是對于大城市,應(yīng)注意行政界限或管理權(quán)限對變電站規(guī)劃布局的影響。 在負荷比較密集的城市中心區(qū)域,中壓供電系統(tǒng)多采用10kV電纜,電纜穿越城市快速路、鐵路、河流可能會使工程建設(shè)成本大幅度增加,也給中壓系統(tǒng)的管理維護帶來不便.為此,110kV及以下電壓等級變電站選址計算時應(yīng)

12、考慮自然地形帶來的干擾。 本文克服了這一問題。方法為采用分組團計算的方式.首先將規(guī)劃范圍根據(jù)管理界限、城市用地規(guī)劃分區(qū)、自然地理條件等劃分組團,變電站計算時按組團進行,將組團界限作為計算約束條件,電力設(shè)備的平衡應(yīng)在組團內(nèi)進行。這樣,新建變電站個數(shù)計算模型修正如下: 式中:為新建變電站個數(shù);為冗余因子,一般取0812;t為研究區(qū)域內(nèi)組團個數(shù);為第i組團總計算負荷;r為變電站容載比,110kV變電站一般取1820,220kV變電站一般取1618;為第i組團該電壓等級現(xiàn)狀變電站主變壓器總?cè)萘?;s為單座新建變電站主變壓器總?cè)萘浚粸榈趇組團新建變電站個數(shù)。 313 確定新建變電站位置、容量及供電范圍 變

13、電站選址問題是一個多元連續(xù)選址的組合優(yōu)化過程。對這類問題,國內(nèi)外已有較多的研究成果,但這些成果大部分沒能與城市用地屬性結(jié)合起來,所確定位置在實際建設(shè)中遇到了較多的問題。 本文解決了這一問題:首先在計算中引入ji參量,表示變電站與用地塊之間的供電關(guān)系,以模擬地理阻斷因素約束條件;其次,通過建立計算模型及迭代計算,確定了變電站的供電范圍以后,再采用GIS疊加分析技術(shù),對新建變電站站址進行調(diào)整優(yōu)化.以負荷矩計算模型為例,變電站計算的數(shù)學(xué)模型如下: 式(6)(9)中:M為負荷矩之和:n為研究范圍內(nèi)變電站總個數(shù);m1為研究區(qū)域內(nèi)地塊數(shù)目,計算模型中作為負荷點的數(shù)目;ji為標(biāo)志參量,當(dāng)變電站j與地塊i位于

14、同一組團且存在供電關(guān)系時,令ji=1,當(dāng)變電站j與地塊i位于同一組團但不存在供電關(guān)系時,令ji=0,當(dāng)變電站j與地塊i不在一個組團時,令ji=+;為第i地塊計算負荷;Dij為變電站j與地塊i之間供電線路長度;s為單座新建變電站主變壓器總?cè)萘?r為變電站容載比. 約束條件式(7)表示每個變電站至少供應(yīng)一個地塊(假定地塊大小分得足夠合理,每個地塊計算負荷大小不超過一座變電站供電能力);約束條件式(8)表示每個地塊至少有一座變電站為其供電;約束條件式(9)表示每座變電站的供電 能力不超過約定數(shù)值。對于Dij,可以利用變電站j與地塊i之間直線距離近似計算,計算公式為:從線路建設(shè)實際看,中壓干線或高壓配

15、電線路一般沿城市道路敷設(shè),北京市城市道路網(wǎng)一般為橫平豎直的方格網(wǎng),為計算更加準(zhǔn)確,Dij也可以采用以下公式計算: 式(10)及式(11)中:(uj,vj)為變電站j的坐標(biāo);(xj,yj)為地塊i的中心點或配電室坐標(biāo)。式(6)為整數(shù)規(guī)劃問題,這類問題可用線性規(guī)劃方法求解,也可用啟發(fā)式搜索方法比如遺傳算法(GA法)等求解。文獻中有較多實踐資料,本文不再詳述。 GIS疊加分析技術(shù)對變電站選址的優(yōu)化不涉及數(shù)學(xué)模型在下文具體介紹。 32計算方法與流程總體來說,基于GIS的變電站選址共分5大步、14小步(圖1)。 321 準(zhǔn)備工作 具體而言需進行以下工作選定工作基礎(chǔ)平臺軟件(本文以arcgis軟件包arc

16、info軟件為例),輸入GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(含地圖、城市規(guī)劃圖等),劃定研究區(qū)域,按規(guī)范算法算出整個區(qū)域內(nèi)目標(biāo)年電力負荷總最大需求P1,輸入待研究級別(比如220kV)所有變電站(共n1+n2個)坐標(biāo)及其目標(biāo)年主變壓器安裝容量。 522計算每個地塊的計算負荷 該步利用GIS分布計算功能,可使計算過程簡單化. 計算前,需輸入以下現(xiàn)狀資料:(1)用地控制性詳細規(guī)劃確定的各地塊性質(zhì)(分至建設(shè)用地小類類別)、用地面積、建筑面積;(2)城市規(guī)劃管理部門發(fā)布的各類建筑物負荷指標(biāo)(分至建設(shè)用地小類類別);(3)目標(biāo)年電力負荷最大需求P1. 該步計算負荷調(diào)整因子k1,k1可采用迭代計算的方法求出:首先賦予k1一個

17、較大的值(最大值為1),迭代條件為P2與P1的差值,不斷減k1取值,差值會不斷減小,當(dāng)差值滿足一個較小數(shù)值時,計算結(jié)束。 計算的返回值為各地塊計算負荷Pi2,并自動將該數(shù)值連同位置信息結(jié)合作為地塊屬性之一存儲在數(shù)據(jù)庫中,以在變電站選址計算中調(diào)用。 為便于計算,每個地塊近似用一個數(shù)據(jù)點來表示。數(shù)據(jù)點位置為地塊中心點坐標(biāo),數(shù)據(jù)點負荷即為整個地塊負荷。由于城市供電是變電站配電室變壓器為核心的供電模式,數(shù)據(jù)點的位置可模擬變電站配電室變壓器位置,因此這種近似在供電系統(tǒng)中是具有實際意義的. 323劃定組團,確定新建變電站個數(shù)n2 該步首先劃定地理阻斷因素作為約束條件,然后調(diào)用GIS空間數(shù)據(jù)庫中各地塊計算負

18、荷,帶入數(shù)學(xué)模型,得到各組團需新建變電站個數(shù)及研究區(qū)域需新建變電站總個數(shù)。 324 變電站站址及供電范圍的確定 該步是基于GIS的變電站選址的重點,分兩小步進行: 首先,通過模型計算,確定各變電站供電范圍及變電站位置坐標(biāo)。該計算需反復(fù)調(diào)用GIS屬性數(shù)據(jù)庫中關(guān)于地塊計算負荷及負荷所在位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)屬性。 然后,利用GIS疊加分析功能,分析出適合建設(shè)變電站的區(qū)域,再對區(qū)域與變電站坐標(biāo)進行 疊加,得到新建變電站的優(yōu)化站址。具體實施方式如下: 根據(jù)變電站電壓等級及布置形式確定變電站所需用地面積。(1)對用地屬性進行搜索,去除基本農(nóng)田、定樁綠地、現(xiàn)狀永久建筑、道路用地;(2)對用地屬性進行搜索,去除收發(fā)

19、信電臺、機場導(dǎo)航臺、軍用電臺用地外圍15km以內(nèi)區(qū)域,去除綜合醫(yī)院、危險品倉庫、燃氣場站外圍1.0km以內(nèi)區(qū)域,去除輸油管道、高壓輸氣管道外圍200m以內(nèi)區(qū)域,去除居住區(qū)外圍50m以內(nèi)區(qū)域;(3)去除防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足用地區(qū)域,110kV變電站防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,220kV及以上變電站防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇;(4)去除用地面積不滿足需求區(qū)域;(5)疊加以上(1)(4)項,得到可建設(shè)變電站區(qū)域;(6)疊加計算出來的變電站坐標(biāo)及供電范圍,在某站供電范圍內(nèi),計算出來的變電站坐標(biāo)附近選取變電站位置。在變電站迭代之前,需初始化新建變電站的位置。為準(zhǔn)確反映變電站與用地屬性之間的關(guān)系,新建變電站的初始化時,應(yīng)

20、以組團為基本地理單元,分別輸入。 325輸出計算結(jié)果 輸出結(jié)果主要為選址優(yōu)化后確定的變電站位置及供電范圍。 4 應(yīng)用實例北京市220kV變電站空間布局 據(jù)負荷預(yù)測,北京地區(qū)2020年供電負荷為2500026000MW??鄢姀S直供1020MW,220kV容載比取18,2020年變電容量總需求為44964MVA。 北京市城市空間結(jié)構(gòu)為“兩軸兩帶多中心”,在中心城市周圍,分布有11座新城,北京擬實施中心城區(qū)與新城聯(lián)合發(fā)展戰(zhàn)略。為保障這個空間戰(zhàn)略的實施,在考慮北京市220kV供電網(wǎng)絡(luò)空間布局時,應(yīng)以備新城及城市中心作為分組組團,分別進行考慮。為此,在利用GIS計算時,設(shè)定遠郊區(qū)縣新城界(不一定是行政

21、邊界)為地理阻斷因子,將全市用地劃分為12個組團。 經(jīng)計算,2020年北京市220kV變電站布局如 41 四環(huán)路以內(nèi) 2005年二環(huán)路以內(nèi)有長椿街、王府井2座220kV變電站,規(guī)劃增加天橋、桃園、內(nèi)城3座220kV變電站。 2005年二環(huán)路至三環(huán)路有朝陽門、草橋、西直門、左安門4座220kV變電站,規(guī)劃增加廣渠門、南站2座220kV變電站. 2005年三環(huán)路至四環(huán)路有知春里、太陽宮、西大望、蓮花池、八里莊5座220kV變電站,規(guī)劃增加健翔橋、黃寺、CBD、三營門、玉泉營、遠大、西苑7座220kV變電站. 這樣,2005年四環(huán)路以內(nèi)有11座220kV變電站,到2020年規(guī)劃增加12座,四環(huán)路以內(nèi)

22、220kV變電站總數(shù)將達到23座. 4 2 四環(huán)路至五環(huán)路 2005年四環(huán)路至五環(huán)路有220kV變電站6座,即東北郊、王四營、老君堂、南苑、張儀、寶山。規(guī)劃增加八家村、望京、酒仙橋、團結(jié)湖、垡頭、久敬莊、花鄉(xiāng)、張郭莊、樂各莊、西山、祁家村11座220kV變電站。至2020年,四環(huán)路至五環(huán)路220kV變電站總數(shù)為17座。 43 中心區(qū)五環(huán)路以外 2005年朝陽海淀、豐臺、石景山4個城區(qū)五環(huán)路以外有220kV變電站8座(其中用戶站2座):聶各莊、上莊、清河、電科院(用戶站)、孫河、白廟(用戶站),呂村,定福莊.規(guī)劃增加12座:海淀山后、西北旺、東北旺、奧運村、紅軍營、東壩、東壩東、古城東、管莊、馬

23、各莊、石景山、王佐。至2020年,中心區(qū)五環(huán)路以外220kV變電站總數(shù)為20座。 44 11座新城 延慶新增2座:八達嶺、延慶。 懷柔現(xiàn)有1座:懷柔:規(guī)劃增加1座:懷柔北. 密云規(guī)劃增加2座:密云、密云北. 平谷現(xiàn)有1座;規(guī)劃新增1座:馬坊。 順義現(xiàn)有2座:高麗營、李遂;規(guī)劃增加5座順義新城北、順義新城南、仁和、空港城、李橋南。 昌平現(xiàn)有2座:下莊、西沙屯;規(guī)劃增加7座:昌平東、沙坨、流村、亭子莊、沙河大學(xué)城、霍營、回龍觀。 通州現(xiàn)有3座:北寺、老通州、臺湖;規(guī)劃增加6座:通州東、通州東南、通州西北、梨園、草廠、永樂店。 亦莊現(xiàn)有1座:榮華;規(guī)劃增加3座:亦莊東、亦莊南、京東方。 大興現(xiàn)有2座

24、:大興、盧城;規(guī)劃增加6座:青云店、團河、舊宮,陳留莊、黃村、李家務(wù)。 門頭溝規(guī)劃新增2座:門城一、門城二。 房山現(xiàn)有4座(其中用戶站2座):良鄉(xiāng)、韓村河、燕化(用戶站)、東風(fēng)(用戶站);規(guī)劃增加3座:閻村北、良鄉(xiāng)南、周口店。 綜合以上,2005年全市擁有220kV變電站41 座,至2020年規(guī)劃新增73座,共計114座,變電站主變壓器總裝機容量為56650MVA。220kV變電站布局見圖2。 5 小結(jié)變電站的規(guī)劃問題屬多中心選址優(yōu)化問題.北京市電網(wǎng)變電站眾多,占用城市建設(shè)用地較多,與各類建設(shè)用地關(guān)系復(fù)雜,在空間布局上將變電站用地落到實處很難。本文采用GIS技術(shù)構(gòu)建了基于GIS的變電站選址的計算流程與方法。該方法在遠期總體負荷規(guī)模確定的情況下,根據(jù)各地塊用地面積、用地屬性、建筑面積等屬性,自動實現(xiàn)規(guī)劃期末地塊電力負荷的分布計算。以此為基礎(chǔ),輸入現(xiàn)狀變電站有關(guān)參數(shù),即可計算出規(guī)

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