陳志光，李一泉，黃　勇，蘇忠陽，陸　偉（.廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州　50665；.武漢中元華電科技股份有限公司，湖北武漢　430000）

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基于風(fēng)險管控的智能變電站繼電保護測試平臺研究

陳志光1，李一泉1，黃勇2，蘇忠陽2，陸偉2
（1.廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510665；2.武漢中元華電科技股份有限公司，湖北武漢430000）

摘要：智能變電站繼電保護系統(tǒng)采用通信網(wǎng)絡(luò)作為媒介進行信息傳輸，大大提高了繼電保護設(shè)備間的信息共享水平，但同時也帶來了許多傳統(tǒng)變電站繼電保護系統(tǒng)所沒有的新風(fēng)險，因此，傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)測試方法存在相當(dāng)?shù)牟贿m應(yīng)性。以風(fēng)險管控為目的，在分析智能變電站繼電保護系統(tǒng)新特點的基礎(chǔ)上，以RTDS實時仿真系統(tǒng)模擬實際一次系統(tǒng)，以智能變電站真實架構(gòu)搭建二次系統(tǒng)，設(shè)計出智能變電站繼電保護系統(tǒng)級測試平臺。并根據(jù)繼電保護系統(tǒng)各環(huán)節(jié)可能存在的風(fēng)險點及其在系統(tǒng)中的影響特點，設(shè)計出相應(yīng)的測試方案，最后給出了利用該測試平臺上實現(xiàn)了系統(tǒng)級測試、改擴建以及定檢測試等測試內(nèi)容的方法。

關(guān)鍵詞：智能變電站；測試平臺；風(fēng)險管控；系統(tǒng)級測試

0　引言

相較于傳統(tǒng)變電站，智能變電站引入了合并單元、智能終端、交換機等新型設(shè)備，使得智能變電站繼電保護系統(tǒng)具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點。另外，智能變電站繼電保護系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的“采樣、計算、出口”一體化的計算模式，采樣在過程層完成，計算在間隔層完成，出口又在過程層完成，保護功能的實現(xiàn)既需要保護信息在過程層網(wǎng)絡(luò)中傳輸，又需要不同設(shè)備之間相互配合[1-4]。智能變電站繼電保護系統(tǒng)面臨著由新特點帶來的新風(fēng)險，為此，以發(fā)現(xiàn)繼電保護系統(tǒng)新風(fēng)險為目的的智能變電站測試方法顯得尤為必要。

在此之前，智能變電站繼電保護系統(tǒng)的測試方法多偏重于局部性測試，如文獻[5]只注重網(wǎng)絡(luò)性能測試，忽視其他二次設(shè)備測試。而文獻[6]僅測試了保護裝置的性能，文獻[7]僅測試了繼電保護系統(tǒng)的同步性能。文獻[8-9]對繼電保護系統(tǒng)進行全面的測試，但是沒有形成閉環(huán)測試，無法測試保護測控系統(tǒng)的重合閘、進失靈等功能的測試。文獻[10]雖然進行了閉環(huán)測試，但是沒有對通訊網(wǎng)絡(luò)的測試，而通訊網(wǎng)絡(luò)的延時率、丟包率、誤碼率等網(wǎng)絡(luò)性能均是決定智能變電站保護系統(tǒng)功能的重要指標。因此，智能變電站繼電保護系統(tǒng)的一些穩(wěn)定性問題以及其應(yīng)對特殊故障的能力問題可能會在運行中才會體現(xiàn)出來，降低繼電保護系統(tǒng)運行的可靠性。

為此，本文從智能變電站繼電保護系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)字化以及繼電保護采樣、計算、出口突破一體化的新特點出發(fā)，分析梳理繼電保護系統(tǒng)的風(fēng)險點，并結(jié)合變電站二次系統(tǒng)測試的技術(shù)內(nèi)容與要求，創(chuàng)建一體化的智能變電站繼電保護系統(tǒng)測試平臺，并在此平臺上進行相關(guān)的閉環(huán)測試，驗收該測試平臺的效率以及效用，驗收結(jié)果表明，該平臺能夠提高智能變電站現(xiàn)場調(diào)試工作的效率，有助于智能變電站安全運行水平的提升。

1　智能變電站繼電保護系統(tǒng)測試的新需求

如圖1所示，智能變電站繼電保護系統(tǒng)采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別是過程層、間隔層和站控層，以及過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。智能變電站繼電保護系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要集中在過程層、間隔層以及過程層網(wǎng)絡(luò)。智能變電站繼電保護系統(tǒng)中保護電氣量信息的上傳以及保護命令的下達都是通過報文的形式，繼電保護功能的實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)。另外，智能變電站繼電保護系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的“采樣、計算、出口”一體化的計算模式，采樣在過程層完成，計算在間隔層完成，出口又在過程層完成，保護功能的實現(xiàn)既需要保護信息在過程層網(wǎng)絡(luò)中傳輸，又需要不同設(shè)備之間相互配合。智能變電站繼電保護系統(tǒng)面臨著由新特點帶來的新風(fēng)險[11-12]。

圖1　智能變電站繼電保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

總的來說，智能變電站繼電保護系統(tǒng)主要有以下幾個層面的新風(fēng)險點。

（1）網(wǎng)絡(luò)層面的風(fēng)險點：保護采樣信息的上傳以及保護控制命令的下達都是通過報文在網(wǎng)絡(luò)中傳送的方式，網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用使得智能變電站相較傳統(tǒng)變電站徒增了許多網(wǎng)絡(luò)層面的風(fēng)險點，如網(wǎng)絡(luò)時延不確定，網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸易受網(wǎng)絡(luò)中干擾流量的影響等。

（2）保護系統(tǒng)架構(gòu)層面的風(fēng)險點：智能變電站繼電保護系統(tǒng)采樣光纖與交換機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來傳送保護數(shù)據(jù)，不同設(shè)備之間的連接不再是傳統(tǒng)的點對點連接方式，而是通過劃分VLAN的方式進行不同設(shè)備的虛端子之間的虛擬連接。虛擬連接的復(fù)雜性以及不透明性又為智能變電站繼電保護系統(tǒng)增添了不少風(fēng)險點。

（3）保護功能層面的風(fēng)險：智能變電站繼電保護系統(tǒng)突破傳統(tǒng)的‘采樣、計算、出口’三位一體的功能模式，采樣工作在過程層完成，計算工作在間隔層完成，而出口工作又在過程層完成，整個保護功能涉及到兩次的保護數(shù)據(jù)傳輸過程以及三個設(shè)備（MU、PR和IT）之間的配合。因此，智能變電站繼電保護系統(tǒng)比傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)增加了同步對時風(fēng)險以及設(shè)備之間的配合風(fēng)險。

（4）互操作層面的風(fēng)險：由于智能變電站各IED的模型信息以及相互之間的連接關(guān)系都是由預(yù)先配置好的CID文件決定的，因此來自不同廠家的IED設(shè)備可能存在不能進行交互信息風(fēng)險。

無論是單體設(shè)備還是整個繼電保護系統(tǒng)，在實際投運行前都需要進行測試。繼電保護系統(tǒng)的測試就是為了在實際投運前發(fā)現(xiàn)更多的風(fēng)險點，并加以排除，以規(guī)避變電站運行風(fēng)險。本文鑒于智能變電站繼電保護系統(tǒng)的新特點及其帶來的風(fēng)險點，創(chuàng)建以尋找風(fēng)險點為基礎(chǔ)的智能變電站繼電保護測試平臺，以更全面地發(fā)現(xiàn)待投運智能變電站的風(fēng)險點，從源頭上提高智能變電站繼電保護系統(tǒng)工作的可靠性。

2　智能變電站繼電保護測試平臺的研究

智能變電站繼電保護系統(tǒng)按功能可劃分為信息采集、信息傳輸、核心保護以及執(zhí)行環(huán)節(jié)四個環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2　智能變電站繼電保護系統(tǒng)功能模塊

每個環(huán)節(jié)都有可能存在風(fēng)險源，由于風(fēng)險的傳遞特性，即使各風(fēng)險源所發(fā)生的位置不同，都可能引起整個繼電保護系統(tǒng)拒動或誤動。因此，從整個繼電保護系統(tǒng)著眼，分析某些常見風(fēng)險點及其在整個保護系統(tǒng)中的傳遞特點，研究出識別這些風(fēng)險點的測試方案，通過系統(tǒng)級測試中保護系統(tǒng)整體的實際動作行為與預(yù)期動作行為進行比較，即可發(fā)現(xiàn)隱藏在保護系統(tǒng)某個環(huán)節(jié)中的風(fēng)險點。那些在單體設(shè)備測試中發(fā)現(xiàn)不了的風(fēng)險點，以其特有的“影響力”在保護系統(tǒng)中傳遞與發(fā)展，演變成系統(tǒng)級測試中突顯的風(fēng)險。因此，本著風(fēng)險管控的目的，搭建了如下系統(tǒng)級測試平臺。

本文測試平臺如圖3所示，采用RTDS實時仿真系統(tǒng)配合功率放大器代替實際的一次系統(tǒng)獲得電氣量信息，并將繼電保護系統(tǒng)中智能終端開出的硬節(jié)點輸出至RTDS實時仿真系統(tǒng)完成閉環(huán)測試，由此可實現(xiàn)復(fù)雜故障情況（如發(fā)展性故障、轉(zhuǎn)移性故障）下的繼電保護系統(tǒng)級測試以及重合閘、失靈保護等功能的測試。

2.1測試平臺一次系統(tǒng)的構(gòu)建

本測試平臺采用RTDS實時仿真系統(tǒng)模擬實際電力一次系統(tǒng)。RTDS計算電壓、電流值實時性強，其仿真步長與實際電力系統(tǒng)響應(yīng)時間基本相符[13]。因此可將其計算得到的電壓、電流量經(jīng)功率放大器放大相應(yīng)倍數(shù)后輸出至繼電保護系統(tǒng)，對二次系統(tǒng)的設(shè)備和系統(tǒng)進行測試。

另外，RTDS實時仿真系統(tǒng)可以通過數(shù)字量接口開入并響應(yīng)IT發(fā)出的硬接點信號，完成對RTDS實時仿真系統(tǒng)中一次系統(tǒng)的模擬斷路器的開斷控制，從而實現(xiàn)保護系統(tǒng)和模擬一次系統(tǒng)之間的閉環(huán)測試，使模擬過程更具真實性和準確性。

本測試平臺以5間隔（兩個線路間隔、兩個主變間隔以及一個母差間隔）220 kV小變電站為例驗證了基于風(fēng)險管控的智能變電站繼電保護測試平臺的搭建方法以及可行性，其一次系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖3　智能變電站繼電保護測試平臺

圖4　保護測試平臺一次系統(tǒng)原理圖

2.2測試平臺二次系統(tǒng)的構(gòu)建

為了提高測試結(jié)果的可信度，必須嚴格按照相應(yīng)的即將投運的智能變電站二次系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)進行搭建，并在測試中保證其接線完整性和輸入數(shù)據(jù)的完整性。同時，由于智能變電站繼電保護系統(tǒng)采用分布式采樣，采樣、計算與出口不在同一裝置，因此有必要對合并單元、保護裝置以及智能終端通過GPS衛(wèi)星定位進行同步對時（或者使用B-碼對時）。本測試平臺以兼具互操作測試功能的系統(tǒng)級測試為例對基于風(fēng)險管控的智能變電站繼電保護測試平臺進行介紹，功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5　智能變電站繼電保護系統(tǒng)A/B雙網(wǎng)分立運行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中A網(wǎng)間隔交換機1與B網(wǎng)間隔交換機1及其所接的IED設(shè)備均為來自南瑞繼保的合并單元、保護裝置、智能終端等，而A網(wǎng)間隔交換機2 與B網(wǎng)間隔交換機2及其所接的IED設(shè)備則來自國電南自，A網(wǎng)中心交換機來自南方繼保，B網(wǎng)中心交換機來自國電南自，以此二次系統(tǒng)進行的系統(tǒng)級測試可同時保證了來自不同廠家之間設(shè)備的互操作性。

至此，基于信息流的智能變電站繼電保護測試平臺的一、二次系統(tǒng)已搭建完畢。該測試平臺是基于2014年發(fā)布的《OS2技術(shù)標準》搭建的，并結(jié)合最新智能站技術(shù)發(fā)展同步進行功能擴充和完善。目前該測試平臺已具備變電站過程層SV/ GOOSE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬、IEC61850規(guī)約一致性測試、單體設(shè)備及系統(tǒng)測試能力。

由于一、二次系統(tǒng)具有良好的可拓展性，系統(tǒng)未來可拓展為各種典型的變電站模型。由于預(yù)留了交換機接口及具備SCD配置工具，在互操作性能測試方面還可把四方、深瑞等其余設(shè)備廠家的設(shè)備拓展到仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

2.3智能變電站繼電保護測試流程

在智能變電站繼電保護測試平臺開展一體化測試的流程如圖6所示。在測試試驗開始前，需要做的工作包括：確定試驗?zāi)康牟⒋_定試驗方案，獲得SCD文件，搭建一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)，檢查二次系統(tǒng)接線的完整性等。其中，智能變電站二次系統(tǒng)一般按間隔配置，每個間隔有自己的間隔交換機、合并單元、智能終端以及保護、測控裝置，間隔與間隔間還設(shè)置中心交換機。二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)既可以按單網(wǎng)冗余配置，也可A/B雙網(wǎng)分立配置。

圖6　測試平臺測試流程圖

在做測試試驗時，試驗人員根據(jù)既定試驗方案對RTDS模擬一次系統(tǒng)進行運行方式更改以及故障設(shè)置，然后觀察智能終端分、合閘行為以分析二次系統(tǒng)行為的正確性，智能終端分、合閘行為實際上反映了風(fēng)險點的分布特點。若智能終端的分、合閘行為與預(yù)期不一致，試驗人員可通過網(wǎng)絡(luò)報文分析儀抓包分析報文信息，包括標志位、計數(shù)位的信息的檢查，并結(jié)合二次設(shè)備工作原理，檢查在信息流傳遞過程層中的哪個階段存在風(fēng)險點導(dǎo)致傳輸中斷或者傳遞信息畸變，然后消除故障點后重復(fù)進行測試，直至二次系統(tǒng)行為與預(yù)期一致時才開始下一項測試項目。

3　基于風(fēng)險管控的智能變電站繼電保護測試平臺的應(yīng)用

智能變電站繼電保護系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的實現(xiàn)方式，且保護、計量、測控等間隔層裝置剝離了數(shù)據(jù)采集、開關(guān)操作等功能，必須和關(guān)聯(lián)的MU、智能終端相配合，組成系統(tǒng)，才能實現(xiàn)其完整功能。智能變電站是一個按照功能劃分，通過網(wǎng)絡(luò)組合成的整體，任何一個設(shè)備的單體測試都不可能反映整個系統(tǒng)的特性。因此，智能變電站繼電保護系統(tǒng)更加考究整體性，所以在智能變電站測試過程中必須利用系統(tǒng)。

3.1智能變電站繼電保護系統(tǒng)系統(tǒng)級測試

在進行系統(tǒng)級測試之前，首先應(yīng)依次對各二次設(shè)備進行單體測試和設(shè)備聯(lián)合測試[14]，在此之后保證二次系統(tǒng)接線完整性，進行系統(tǒng)級測試。在整個測試過程中，可能發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備或者二次設(shè)備間配合的配置缺陷，促使不斷完善二次系統(tǒng)的配置與結(jié)構(gòu)。當(dāng)所有測試項目檢查完畢無誤，或者經(jīng)修改無誤后，重新生成的SCD文件即可用于運行變電站的二次系統(tǒng)。經(jīng)集中測試的智能變電站二次系統(tǒng)只需在實際投入運行前簡單進行現(xiàn)場調(diào)試即可投入運行，大大提高了現(xiàn)場調(diào)試的效率。

圖7　單體測試的接線圖

圖8　設(shè)備間聯(lián)合測試的接線圖

在做系統(tǒng)級測試時，我們測試的是在一次系統(tǒng)發(fā)生某種特定故障時，保護系統(tǒng)是否能夠響應(yīng)動作，系統(tǒng)跳閘延時是否能夠控制在可接受的范圍之內(nèi)，即保護系統(tǒng)的動作行為是否滿足保護四性，以此判斷保護系統(tǒng)是否存在風(fēng)險點，存在何種風(fēng)險點。

本測試平臺采用RTDS與ZH-5錄波器測試系統(tǒng)，測試出來的系統(tǒng)級跳閘延時即在ZH-5中測量發(fā)生故障到對應(yīng)開關(guān)跳開時間，包括RTDS輸出轉(zhuǎn)換時間、MU的延遲時間、MU到保護傳輸時間、保護判斷時間、保護到智能終端傳輸時間、智能終端轉(zhuǎn)換時間、接點動作時間以及錄波器輸入轉(zhuǎn)換時間。系統(tǒng)級跳閘延時測試項目如表1所示。

表1　系統(tǒng)級跳閘延時測試項目

由于母差保護功能需要所有間隔的采樣信息才能完成母差保護功能計算，保護裝置分析得到的保護控制命令也需要下傳至所有間隔的智能終端才能完成保護的動作行為。因此，母差保護功能能否實現(xiàn)保護四性，能夠更全面地體現(xiàn)整個保護保護系統(tǒng)的健康狀況，即風(fēng)險點在保護系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的存在與否。為此，除了考究各種常見一、二次系統(tǒng)運行情況下繼電保護系統(tǒng)的行為，本測試平臺設(shè)定各種特殊一次或二次系統(tǒng)運行狀態(tài)，以考究繼電保護系統(tǒng)在各種特殊或極端情況下是否滿足保護四性要求，以盡可能全面地暴露出保護系統(tǒng)中存在的風(fēng)險點。本著暴露風(fēng)險點為目的，本測試平臺主要進行了以下的系統(tǒng)級測試：

（1）二次系統(tǒng)正常運行環(huán)境下，母差保護、主變保護差動速斷、線路縱聯(lián)差動時間測試；

（2）操作箱抖動環(huán)境下，母線區(qū)內(nèi)故障，主變和線路區(qū)外故障，母差保護動作時間測試；

（3）廣播風(fēng)暴環(huán)境下，母線區(qū)內(nèi)故障，主變和線路區(qū)外故障，母差保護動作時間測試；

（4）VLAN內(nèi)SV/GOOSE風(fēng)暴環(huán)境下，母線區(qū)內(nèi)故障，主變和線路區(qū)外故障，母差保護動作時間測試；

（5）VLAN外SV/GOOSE風(fēng)暴環(huán)境下，母線區(qū)內(nèi)故障，主變和線路區(qū)外故障，母差保護動作時間測試；

（6）一次系統(tǒng)復(fù)合故障（如轉(zhuǎn)換型故障、發(fā)展型故障）環(huán)境下，母差保護動作測試。

在進行各種系統(tǒng)級測試過程中，有時會出現(xiàn)保護系統(tǒng)拒動、誤動或者跳閘延時過長等現(xiàn)象。出現(xiàn)異常動作現(xiàn)象時，廠家技術(shù)人員協(xié)同現(xiàn)場測試人員從IED工作原理以及現(xiàn)場運行經(jīng)驗出發(fā)，分析繼電保護系統(tǒng)中是否存在風(fēng)險點，直至再次試驗時保護系統(tǒng)正常動作。

3.2智能變電站改擴建與運維測試

本繼電保護測試平臺本著“基本結(jié)構(gòu)固定，兼具可拓展性”的理念，構(gòu)建了具有高仿真度且易于設(shè)定運行狀態(tài)的一次系統(tǒng)，以及真實的二次系統(tǒng)，兼顧拓展性與測試便利性，除了可以完成常規(guī)的系統(tǒng)級測試外，還可以進行改擴建與運維測試等系統(tǒng)級層面的測試。與系統(tǒng)級測試相比，改擴建與運維測試測試的測試手段也是通過分析保護四性，測試的目的也是基于風(fēng)險管控，測試的過程也是先做單體設(shè)備測試與設(shè)備聯(lián)合測試，再進行系統(tǒng)級層面的測試。不同的地方主要在于測試的方案以及側(cè)重點上的不同。在本測試平臺已完成的測試中，改擴建測試與定檢測試流程分別如圖9、10所示。

綜上，在本測試平臺上進行智能變電站改擴建工作以及定檢測試工作，是有強有力的設(shè)備及技術(shù)支撐的，可以對不同的定檢方案以及改擴建方案進行驗證，方便試驗研究所用，以制定出更低風(fēng)險、更便捷性的技術(shù)方案，同時也為發(fā)現(xiàn)并消除智能變電站中已存在風(fēng)險點，為智能變電站的可靠性運行打好堅實的基礎(chǔ)。

圖9　智能變電站不停電改擴建及測試流程

圖10　母差保護裝置不停電檢修測試流程

4　結(jié)論

基于風(fēng)險管控的智能變電站繼電保護測試平臺利用智能變電站繼電保護系統(tǒng)的新特點，以分析繼電保護系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的風(fēng)險點為基礎(chǔ)來創(chuàng)建反映繼電保護功能實現(xiàn)情況的測試平臺與測試方案。本測試平臺以RTDS實時仿真測試平臺模擬真實一次系統(tǒng)，輸出實時性很高，模型更加精細，還可以完成一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)的閉環(huán)測試，具有更高的模擬精度。與其它二次系統(tǒng)測試方法相比較，基于風(fēng)險管控的智能變電站繼電保護測試平臺兼具單體測試、設(shè)備間聯(lián)合測試以及系統(tǒng)級測試等各層次的測試，除此外還具備二次系統(tǒng)改擴建、檢修隔離等工作執(zhí)行方案測試的能力。在此測試平臺下，所測二次系統(tǒng)以及測試環(huán)境不需要做太大變動即可完成所有的測試項目，大大提高了測試效率。

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(編輯：向飛)

The Study of Test Platform Based on Risk Management for Relay Protection System in Smart Substation

CHEN Zhi-guang1，LI Yi-quan1，HUANG Yong2，SU Zhong-yang2，LU Wei2
（1. Electric Power Dispatch and Control Center of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou510665，China；2. Zhongyuan Huadian Science & Technology Co.，Ltd.，Wuhan430000，China）

Abstract:Smart substation relay protection system uses communication network as a medium for the transmission of information，and greatly improves the level of information sharing between devices，but it also brings many new risks which won’t exist in traditional substation relay protection system. Therefore，the test methods for traditional protection system has considerable inadaptability. For the purpose of risk management and control，after analyzing the new features of smart substation relay protection system，this paper uses RTDS real-time simulation system to simulate real primary system，and uses the real smart substation secondary system as secondary system，resulting in a test platform for relay protection system in smart substation. Also，in accordance with risks that may exist in relay protection system and their impact on the system，this paper designs appropriate test scheme. Finally，this paper conducts a system-level test，renovation and expansion test，and time-based maintenance test et al.

Key words:smart substation；test platform；risk management and control；system-level test

作者簡介：第一陳志光，男，1965年生，廣東梅州人，碩士，高級工程師。研究領(lǐng)域：繼電保護。

收稿日期：2015－09－19

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 029

中圖分類號：TM63

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0108－06