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文檔簡介

1、超大型IDC數(shù)字機房用智能化 UPS共電系統(tǒng)解決方案摘要本文通過UPS電源的具體應用實例,介紹了 IDC機房使用UPS供電系統(tǒng)的特點及其優(yōu)點。具備冗余式供電能力為 3800kVA,其最大供電能力高達 6000kVA的超大型IDC機房用智能化UPS電 系統(tǒng)采用的是雙總線輸入、雙總線輸出+負載同步控制器+負載自動切換開關設計方案所構成的、具有世界一流技術水平的超大型UPS供電系統(tǒng)。這種端到端的一體化UPS供電系統(tǒng)不僅可以消除各種可能出現(xiàn)的單點瓶頸故障隱患。而且,還可向位于IDC機房內的各種IT設備連續(xù)提供365X24h高品質的UPS逆變器電源。1 IDC機房用UPSS電系統(tǒng)應有的基本特性隨著信息化

2、時代的到來、大批IDC 機房如雨后春筍般地出現(xiàn)在電信企業(yè)、金融企業(yè)、政府網(wǎng)站和制造業(yè)中?;ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心(IDC)承擔著為入駐的各類網(wǎng)站、企業(yè)和用戶提供能處理突發(fā)性的大數(shù)據(jù)吞吐 量的,高效數(shù)據(jù)傳輸率的,能連續(xù)地執(zhí)行高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)增值服務任務,從而使得各類用戶在信息網(wǎng)絡上 能順利地完成各種信息資源(數(shù)據(jù),語音和圖形等信息)的交換/ 分享操作任務、而執(zhí)行著各種網(wǎng)管操作功能的網(wǎng)絡樞紐調控中心。 鑒于當今被安裝于信息網(wǎng)絡機房內的絕大多數(shù)IT 設備 (服務器、 交換機、 光端機、網(wǎng)關、磁盤陣列機和通信設備)所允許的瞬間供電中斷時間僅為0.010.02s左右。這就意味著:對于關鍵性的IDC機房所用的UP

3、S供電系統(tǒng)而言,在運行中如果出現(xiàn)0.02s以上瞬間供電中斷的故障時,就會造成網(wǎng)絡癱瘓事故發(fā)生。眾所周知:一旦網(wǎng)絡癱瘓后,要想讓整個網(wǎng)絡重新恢復正常工作往往需耗時幾十分 鐘至幾小時。顯而易見,由此會給用戶帶來巨大的經濟損失?;谏鲜鲈颍簩τ谪撠熛騃DC機房供電的UPStt電系統(tǒng)而言,必須滿足如下基本要求:(1)采用帶輸出隔離壓器的雙變換、在線式UPS來提供純潔的逆變器電源。大量的運行實踐表明:只有帶輸出隔離壓器的雙變換、在線式UPS電源才有可能向IDC機房提供同時具有穩(wěn)壓的、連續(xù)供電的、無頻率突變的、無干擾的、無波形失真的、零線對地線電位低的純潔正弦波電 源(凡是熟悉 IDC 機房運行的人士均

4、知道:為確保服務器、小型機等能高效運行的前提之一是: 供電系統(tǒng)的零線對地線電位1V) o其中穩(wěn)壓和連續(xù)供電的兩種特性是確保IT硬件安全運行的前提條件,而后四種特性則是確保IT 設備在數(shù)據(jù)處理、 存儲和傳送操作的全過程中實現(xiàn)高速寬帶、 可靠操作的必要條件(它可降低誤碼率/邏輯操作錯)。有鑒于此,在IDC機房中不宜選用價格便宜的非雙變換、在線式UPS或不帶輸出隔離壓器的雙 變換、在線式UPS (它的零線對地線電位過高) 。( 2)對于IDC 機房用的供電系統(tǒng)來說,它是不允許UPS 進入由市電經交流旁路供電的工作狀態(tài)的。這是因為:一旦UPS 處于交流旁路供電的工作狀態(tài)時(包括交流靜態(tài)旁路和維修旁路)

5、 ,此時用戶的所有關鍵性負載都是由毫無安全保障的低質量電源來供電的,它會對信息網(wǎng)絡的安全運行帶來下述的嚴重 故障隱患。*輸入電源出現(xiàn)瞬間供電中斷(大于 0.02s的瞬間停電)故障 -信息網(wǎng)絡設備關機/莫明其妙地開機自 檢誤動作, 從而導致網(wǎng)絡癱瘓發(fā)生。 這種危險性存在于:一旦在公用電網(wǎng)上因故發(fā)生停電/短路故障時,重者就會因長時間的停電而造成信息網(wǎng)絡設備關機,輕者就會因信息網(wǎng)絡設備莫明其妙地開機自檢誤動作而造成網(wǎng)絡癱瘓(例如:對于未采用雙總線輸出設計方案的UPS 供電系統(tǒng)來說,一旦在輸入電網(wǎng) /UPS 輸出端因故出現(xiàn)嚴重過載/短路故障時,就會因斷路器開關的跳閘時間/熔斷器的熔斷時間高達幾十到幾百

6、毫秒左右、從而導致大于0.02s 的瞬間供電中斷故障發(fā)生) 。*串入各種電源干擾-誤碼率增大、邏輯操作錯,從而導致信息網(wǎng)絡的有效運行速率急劇下降/信息網(wǎng)絡設備莫明其妙地死機(網(wǎng)絡癱瘓) ;( 2 )對于IDC 機房用的供電系統(tǒng)來說,當它工作在惡劣運行條件時(例如:在它的電源輸入端出現(xiàn)高能浪涌/頻率突變時; 在其 UPS 電源輸出端有啟動浪涌電流很大的非線性負載投入時) ,能否確保 UPS 供電系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定可靠地運行是能否消除網(wǎng)絡癱瘓故障隱患的重要條件之一。近年來, 通過對在國內的若干信息網(wǎng)絡機房用的 UPS 冗余并機供電系統(tǒng)中所發(fā)生的偶發(fā)性的瞬間供電中斷(瞬間停電時間從幾十毫秒到幾秒數(shù)量級)或

7、長時間停電故障,并進而造成網(wǎng)絡癱瘓的事故的分析發(fā)現(xiàn):它易于發(fā)生在具有下述的弱點 /缺點的 UPS 產品中: * 某些輸入端無有效輸入過壓保護的 UPS;* 某些采用無輸出隔離變壓器設計的 UPS;* 某些采用并聯(lián)/串并聯(lián)拓撲結構設計的 UPS;* 某些在交流旁路上未配置輸入電流檢測功能的 UPS;* 某些片面追求動態(tài)響應高指標的 UPS。上述事實說明正確地選擇 UPS 單機產品是配置高品質IDC 機房用 UPS 供電系統(tǒng)的技術前提之一。為確保華為公司的 IDC 機房能長期安全、 可靠地運行, 艾默生公司在充分地總結國內外IDC 機房運行的成功經驗/事故教訓的基礎上、為它配置一套性能優(yōu)越、 設計

8、功能完善的端到端的一體化 UPS 供電系統(tǒng) (它包括從冗余式雙總線輸入電源起到最終 IT 設備端所需的雙總線輸出配電柜之間全套供電設備) 。 這樣的一體化UPS供電系統(tǒng)可向華為IDC機房長期提供電源可利用率。高達99.99999995%的高品質的UPS逆變器電源(年平均的停電時間小于0.15s 左右) 。2 IDC 機房用的智能化 UPS 供電系統(tǒng)為華為 IDC 機房供電的 UPS 供電系統(tǒng)采用的是具有雙總線輸入、雙總線輸出調控特性的 N+1UPS 冗 余并機供電設計方案, 其技術優(yōu)勢為:它具有提供365天*4h的純凈UPS逆變器電源的連續(xù)供電能力。 這 是由于我們采用如下設計周全的系統(tǒng)配置方

9、案:(a)選用經多年運行實踐證明:技術先進、穩(wěn)定可靠的Hipulse系列UPS (帶輸出隔離壓器的雙變換、在線式UPS) ;( b )選用 N+1 型冗余并機系統(tǒng)及閉環(huán)式冗余并機通信技術,它可大大提高UPS 供電系統(tǒng)的容錯功能和供電質量。在運行中,即使遇到某臺 UPS 因故出故障時, IT 設備仍然由 UPS 的逆變器電源供電;( c ) 采用具有雙總線輸入、 雙總線輸出的配送電設計方案, 在整個供電系統(tǒng)中、 不存在單點瓶頸故障隱患;d )允許操作人員在 UPS 逆變器電源連續(xù)供電的條件下,執(zhí)行安全的不帶電的維護和檢修操作(e)由于在UPS供電系統(tǒng)中、采用負載同步控制器( LBS) +負載切換

10、開關(LTM)設計方案,即使在用戶負載端出現(xiàn)短路故障時、它能在把短路故障的影響限制在最小的范圍之內的同時,將未發(fā)生短路故障的其它負載迅捷地切換到另一套正常工作的 UPS 逆變器電源上,從而確保 IT 設備能獲得極高的電源可利 用率 ;(f)零線對地線的電位很低(小于 IV)。華為IDC機房用的UPS供電系統(tǒng)是由以兩套 N+1型UPS冗余并機系統(tǒng)為核心所組成的超大型UPS供電系統(tǒng)。正常工作時,它的冗余式供電能力為3800kVA ,其最大供電能力高達6000kVA 。該系統(tǒng)主要由如下兩部份所組成:(1) 2+1型UPS (800kVA)冗余并機系統(tǒng);(2) 1+1型UPS (600kVA)冗余并機

11、系統(tǒng)。2.1 由兩套 2+1 型 UPS( 800kVA ) 冗余并機系統(tǒng)為核心所構成的雙總線輸入、 雙總線輸出 UPS 供電系統(tǒng)負載自動切換開關+ 負載同步 控制器所組成的雙總線輸入,雙總線輸出型UPS 冗余供電系統(tǒng)2.1.1 雙總線輸入式冗余供電系統(tǒng)來自兩臺 10kV/380V 、 輸出功率為3150kVA 的輸入變壓器 A 和 B 的兩路輸入電源 1 和 2 經由 3 個 6300A的 K1a、 K1b 和 K1c 開關所組成的冗余式自動切換開關組被分別送到兩套處于互補工作狀態(tài)的 2+1 型 UPS (800kVA )冗余并機系統(tǒng) A 和 B 的輸入開關柜 A 和 B 上。正常供電時,輸

12、入電源 1 和 2 分別承擔著向互補式的 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)A 和 B 的優(yōu)先供電電源的任務。與此同時,輸入電源 1 和 2 還分別承擔著向 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)B 和 A 的備用供電電源的任務。在運行中,如果因故致使優(yōu)先供電電源停電或自動切換開關K1a/K1b 因故脫扣跳閘時,在上述自動切換開關組的調控下,自動切換開關K1c 就會按先斷、 后通的工作方式將備用電源送到其優(yōu)先供電電源己消失的那套 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)的輸入開關柜上。顯而易見,通過這樣的雙總線輸入式調控方式,就能確保后接的 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)、不會因輸入電源出現(xiàn)長時間的停電而導

13、致UPS 電源進入因電池電壓過低而自動關機狀態(tài)的不幸事故發(fā)生。為消除從電源輸入端串入的高能瞬態(tài)浪涌對 UPS 安全運行所可能造成的危害, 在 UPS 的輸入開關柜 A 和 B 上各配置 1 個抗浪涌抑制能力為 400kA 的防雷擊、抗浪涌抑制器。2.1.2 兩套處于互補工作狀態(tài)的 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)在華為IDC機房中、配置有兩套由800kVA UPS單機所組成的2+1型UPS冗余并機系統(tǒng) A和B (每臺UPS 單機都配置有后備供電時間為 10min 的電池組) 。在專用并機控制板的調控下,從每臺 UPS 所輸出的 逆變器電源總是處于電壓輸出幅值相同,輸出波形為同頻率和同相位的相互

14、同步跟蹤狀態(tài)之中。此時,來自每套 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)中的 3 臺 800kVA 的 UPS 的輸出電源分別經位于第1 級輸出配電柜中的各自的 1200A 的開關而并聯(lián)輸出。 在實際運行中, 只要用戶的后接總負載量應小于1600kVA 。 當正常工作時,它不但可確保由 3 臺 UPS 單機來平均分擔負載電流。而且,該UPS 冗余并機系統(tǒng)的環(huán)流幾乎為零。當某臺 UPS 因故出故障時, UPS 的冗余并機控制系統(tǒng)會自動地執(zhí)行選擇性脫機操作。將有故障的那臺 UPS 電源從并機輸出的總線中自動脫離 出來, 由剩下的 2 臺 UPS 繼續(xù)向信息網(wǎng)絡設備提供高質量的逆變器電源,從而為 UPS

15、供電系統(tǒng)獲得必要的容錯功能奠定下堅實的技術基礎。 由于在 Hipulse 系列 UPS 的并機系統(tǒng)中采用獨特的瞬時值均流并機技術 (它是利用 同步頻率母線和均流母線調控技術來同時細調冗余并機系統(tǒng)的環(huán)流和均流的,利用逆向功率檢測電路來準確地執(zhí)行選擇性脫機操作的) ,從而使得艾默生公司的 UPS 冗余并機系統(tǒng)具有如下優(yōu)異特性:* UPS 并機系統(tǒng)的負載均流的不平衡度很?。ㄐ∮?2%UPS 的額定輸出電流,其它公司的同類產品為 5%) ;* 存在于各臺 UPS 之間的環(huán)流趨于零;* 當UPS并機系統(tǒng)在執(zhí)行選擇性脫機操作時,可能出現(xiàn)的瞬間供電中斷時間很短(34ms,其它公司的同類產品為1020ms)。

16、此外,由于在這樣的 UPS 冗余并機系中、采用閉環(huán)式雙并機通信電纜的冗余設計方案,它的平均無故障工作時間( MTBF )高達 200 多萬小時。為消除可能出現(xiàn)在 UPS 輸出端的高能瞬態(tài)浪涌對 IT 設備的安全運行所可能造成的危害,在 UPS 冗余并機系統(tǒng)的第一級輸出配電柜A 和 B 上各配置 1 個抗浪涌抑制能力為 100kA 的抗浪涌抑制器。為進一步提高整套 UPS 冗余并機系統(tǒng)的可維護性,盡管在每套 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)中、已內置有維修旁路裝置,我們還在每套 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)上各配置 1 個外置維修旁路開關( K2a 、 K2b) 。由于在每個外置維修旁路開關

17、(K2a/K2b)與位于每套2+1型UPS冗余并機系統(tǒng)中的3臺UPS逆變器之間配置有1套可對3臺UPS逆變器和外置維修旁路開關同時執(zhí)行機、電互鎖型切換操作的三匙二鎖式的CastellKey 切換裝置,就可徹底消除值班人員犯這樣的操作錯誤的可能性(在未對 3 臺 UPS 逆變器執(zhí)行轉靜態(tài)交 流旁路供電切換操作的條件下、將外置維修旁路開關置于閉合狀態(tài)的錯誤) ,從而大大提高UPS 供電系統(tǒng)的運行可靠性和操作人員執(zhí)行不帶電維修操作的安全性。2.1.3 冗余式雙總線輸出型供電系統(tǒng)采用冗余式雙總線輸出供電系統(tǒng)的目的是: 消除可能出現(xiàn)在從UPS 冗余并機供電系統(tǒng)的輸出端到最終的信息網(wǎng)絡設備輸入端之間的各種

18、配送電線路中、所可能存在如下的單點瓶頸故障隱患,從而為關鍵性的 負載能獲得100% 的高可利用率的電源供應奠定堅實的運行基礎:* 因輸出嚴重過載/短路而引起的位于UPS 的輸出配電線路中的保險燒毀,斷路器開關跳閘故障;在UPS 運行后期的維修/施工中,因人為誤操作所造成的開路故障等。相關統(tǒng)計資料表明:它約占總故障率的80%左右。* 因 UPS 供電系統(tǒng)或電池組出故障而產生的 UPS 的輸出停電故障,約占總故障率的10%左右。為增強 UPS 輸出配送電系統(tǒng)的容錯功能, 在華為 IDC 機房中、 配置有由 18 套負載自動切換開關( LTM )+負載同步控制器( LBS )為核心所組成的冗余式雙總

19、線輸出型供電系統(tǒng)。( 1 )負載自動切換開關( LTM )為消除可能出現(xiàn)在 UPS 輸出供電系統(tǒng)中的單點瓶頸故障隱患,確保對關鍵 IT 設備的供電連續(xù)性。針 對不同的負載,分別采用如下不同的配置設計方案:( A )對于帶雙輸入電纜的關鍵性負載(例如服務器、磁盤陣列機、通信設備等)而言,從兩套2+1型UPS冗余并機系統(tǒng) A和B的輸出配電柜所輸出的兩路UPS電源被分別送到這些IT設備的兩個輸入端上,從而形成它們的雙電源輸入冗余供電系統(tǒng)。( B )對于帶單輸入電纜的關鍵性負載而言(見圖 1) ,從兩套 2+1 型 UPS 冗余并機系統(tǒng)的輸出配電柜A 和 B 送出的兩路逆變器電源、首先被分別送到 18

20、套負載自動切換開關( LTM1.LTM18 )的各自的兩個輸入端上。當正常工作時,優(yōu)先供電電源經 LTM 開關向負載供電。當優(yōu)先供電電源因故出故障時, LTM開關將會在超快速地切斷優(yōu)先供電電源的供電通道的同時,將備用UPS 電源送到用戶的負載的輸入端上,從而確保網(wǎng)絡設備能源源不斷地獲得高質量的逆變器電源的供應。在這里需特別說明的是: 艾默生公司的負載自動切換開關( LTM )由于具有如下優(yōu)異的特性而倍受用戶的青睞:* 配置有獨特的選擇性自動切換調控功能: 當后接負載因故發(fā)生嚴重過載或短路故障時, LTM 開關不僅能將未發(fā)生短路故障的負載迅捷地切換到備用逆變器電源上。而且,還能有效地消除己發(fā)生短

21、路故障的負載對其它正常工作的負載所可能產生的不利影響,從而將短路故障所可能造成的損失限制在最小的范圍 之內 ;* 采用超快速的先斷后通方式來執(zhí)行切換操作,切換時間短(45ms)。在此需說明的是:用戶是不能選用切換時間為零的LTM 開關的。否則,它會留下短路故障擴大/ 因切換突變浪涌電流過大,而導致斷路器開關誤動作的故障隱患 ;* 具有高達 20kA/65kA 的抗短路分斷能力,它可確保LTM 開關本身運行的高可靠性。* 內置抗瞬態(tài)浪涌抑制器:它能有效抑制 LTM 開關在作切換操作時、所可能產生的尖峰干擾對 IT 設 備的危害。* 內置維修旁路 : 既可大大提高LTM 的可維護性、 又能確保用戶

22、的負載始終獲得高質量的 UPS 逆變器電源的供應。(2)負載同步控制器(LBS )由于在華為IDC 機房中所配置的兩套互為冗余輸出供電關系的 2+1 型冗余并機系統(tǒng)A 和 B 的輸入電源是分別來源于兩個相互獨立的輸入變壓器, 為確保分別位于這兩套 UPS 冗余并機供電系統(tǒng)的輸出端之間的各個負載自動切換開關( LTM )都能安全和可靠地執(zhí)行切換操作,要求從這兩套 UPS 冗余并機系統(tǒng)所輸出的兩路 UPS 電源必須時刻處于同頻率和同相位的同步跟蹤狀態(tài)之中。 在此條件下, 只需將分別來自 UPS電源 A 和 UPS 電源 B 的兩路輸出電源送到 LTM 開關的兩路輸入端上,再將用戶的各種的關鍵負載的

23、配電柜(箱)連接到相應的 LTM 開關的輸出端上,就可確保用戶的關鍵負載獲得100% 的高可利用率的電源供應。在這里需說明的是:由于在艾默生公司的同步控制器( LBS )中、采用獨特的冗余式多同步輸入源的調控設計方案,在 LBS 的動態(tài)調控下、就能確保在下述各種運行條件下、從兩套 2+1 型冗余并機系統(tǒng)所輸出的兩路電源始終處于高精度的鎖相同步跟蹤的工作狀態(tài)之中。* 當兩套 2+1 型冗余并機系統(tǒng)的兩路輸入電源都正常工作時 ;* 當兩套 2+1 型冗余并機系統(tǒng)中的某路輸入電源出故障/停電時 ;/停電時;* 當兩套 2+1 型冗余并機系統(tǒng)中的兩路輸入電源都同時發(fā)生出故障* 當兩套 2+1 型冗余并

24、機系統(tǒng)中的某套2+1 型冗余并機系統(tǒng)因故進入交流旁路供電狀態(tài)時;此外,艾默生公司所設計的負載同步控制器(LBS )不僅可應用于本公司所生產的UPS 產品之間的鎖相同步跟蹤調控場合。而且,還可應用于本公司的 UPS 產品與其它公司的 UPS 產品之間的鎖相同步跟蹤 調控場合。2.1.4 集中監(jiān)控系統(tǒng)在 IDC 機房中是利用 Modbus RS485 網(wǎng)絡通信方式來實現(xiàn)對兩套2+1 型冗余 UPS 并機系統(tǒng)( 800kVAUPS單機)和1套1+1型冗余UPS并機系統(tǒng)(600kVA UPS單機)的集中監(jiān)控的。利用這種 Modbus/Jbus 系統(tǒng)就能將對整個UPS 供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控操作統(tǒng)一納入 I

25、DC 機房的智能化樓宇集中監(jiān)控系統(tǒng)中去。 按公司的 Modbus 軟件設計方案,它可同時監(jiān)控32 臺 UPS 電源。在此配置下,我們就可對UPS 供電系統(tǒng)執(zhí)行如下遠程監(jiān)控操作:1)觀察 UPS 的各種實時運行參數(shù);2)調閱UPS 的歷史事件記錄數(shù)據(jù)及各種曾發(fā)生過的故障/報警信息;3)調閱電池測試記錄/ 電池的實時后備供電時間數(shù)據(jù) ;4)根據(jù)用戶的不同需求和配置,可通過遠程聲、光報警、BP 機、手機、 E-mail 、網(wǎng)絡廣播等方式來完成遠程通報報警信息等操作,以便及時通報相關的值班人員。2.2由1+1型UPS (600kVA)冗余并機系統(tǒng)為核心所構成的雙總線輸入 UPS 供電系統(tǒng)由 1+1 型

26、 UPS( 600kVA )冗余并機系統(tǒng)為核心所構成的雙總線輸入 UPS 供電系統(tǒng)是由下述部分所組 成的:(a)雙總線輸入式冗余供電系統(tǒng)來自兩臺 10kV/380V 、 輸出功率為2500kVA 的輸入變壓器 1 和 2 的兩路輸入電源 1 和 2 經由 3 個 5000A的 Q1 、 Q2 和 Q3 開關所組成的冗余式自動切換開關組被分別送到輸出功率為 600kVA 的 UPS-1 和 UPS-2 的輸入開關柜1 和 2 上。為消除可能從電源輸入端串入的高能瞬態(tài)浪涌,在 UPS 的輸入開關柜 1 和 2 上各配置 1 個 400kA 的防雷擊、抗浪涌抑制器。(b) 1+1 型 UPS 冗余并

27、機系統(tǒng)由兩臺600kVA UPS+兩塊并機控制板+兩條冗余式并機通信線所組成的1+1型UPS冗余并機系統(tǒng)被示于圖 2 中。 為消除可能出現(xiàn)在UPS 輸出端的高能瞬態(tài)浪涌對IT 設備的安全運行所可能造成的危害, 在 UPS的輸出配電柜上配置有1 個抗浪涌抑制能力為 100kA 的抗浪涌抑制器。 為提高 UPS 冗余并機系統(tǒng)的可維護性,除在每臺 UPS 單機的輸出端各配置 1 個開關( Q6、 Q7 )之外,還為這套UPS 并機系統(tǒng)配置一套可對2 臺 UPS 逆變器和維修旁路開關執(zhí)行機、電互鎖切換操作的一匙二鎖式的 Castell Key 切換裝置。3 Hipluse 系列 UPS 的獨特技術優(yōu)勢眾所周知: 要想讓 IDC 機房用 UPS 供電系統(tǒng)能長期穩(wěn)定、

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