羅建裕, 李海峰, 江葉峰, 羅凱明, 劉 林
(國(guó)網(wǎng)江蘇電力公司調(diào)度控制中心,南京 江蘇 210024)
基于穩(wěn)控技術(shù)的源網(wǎng)荷友好互動(dòng)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)
羅建裕, 李海峰, 江葉峰, 羅凱明, 劉 林
(國(guó)網(wǎng)江蘇電力公司調(diào)度控制中心,南京 江蘇 210024)
特高壓直流嚴(yán)重故障時(shí)的緊急切負(fù)荷措施是阻止受端電網(wǎng)頻率跌落的必要手段。結(jié)合穩(wěn)控和營(yíng)銷(xiāo)負(fù)控系統(tǒng)特點(diǎn),本文提出了以企業(yè)可中斷負(fù)荷為精準(zhǔn)控制對(duì)象的負(fù)荷控制系統(tǒng)。比較分析了穩(wěn)控裝置負(fù)荷控制與營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)負(fù)荷控制方式的優(yōu)缺點(diǎn),介紹了精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的整體架構(gòu),其中重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)各層級(jí)功能定位、負(fù)荷控制原則和防止系統(tǒng)誤動(dòng)與拒動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)已在江蘇電網(wǎng)建成投運(yùn),實(shí)現(xiàn)了350萬(wàn)千瓦秒級(jí)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制和100萬(wàn)千瓦毫秒級(jí)緊急控制能力。
大受端電網(wǎng);可中斷負(fù)荷;系統(tǒng)保護(hù);切負(fù)荷控制系統(tǒng);穩(wěn)控裝置
特高壓交直流電網(wǎng)建設(shè)過(guò)渡階段,安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)依然是緊急情況下保障電網(wǎng)安全的重要手段[1-4]。2015年9月19日,華東電網(wǎng)某饋入特高壓直流雙極閉鎖,受端電網(wǎng)損失功率4900 MW,電網(wǎng)頻率最低跌至49.56 Hz[1]。若發(fā)生多回直流同時(shí)閉鎖等嚴(yán)重故障,電網(wǎng)頻率將產(chǎn)生更嚴(yán)重跌落,甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率崩潰。為確保直流故障后電網(wǎng)穩(wěn)定安全穩(wěn)定運(yùn)行,通常綜合采用多直流提升、抽蓄電站切泵等措施來(lái)平衡電網(wǎng)功率的缺額,但上述措施在直流嚴(yán)重故障下仍不足以阻止電網(wǎng)的頻率跌落,緊急切負(fù)荷措施依然是必要手段[5]。
針對(duì)類(lèi)似直流雙極閉鎖等嚴(yán)重故障,若采用過(guò)去以110 kV負(fù)荷線(xiàn)路為對(duì)象,集中切負(fù)荷方式,易觸發(fā)國(guó)務(wù)院599號(hào)令[6]所規(guī)定的電力事故等級(jí),造成較大的社會(huì)影響。本文提出了基于穩(wěn)控技術(shù)的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng),控制對(duì)象精準(zhǔn)到生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部的可中斷負(fù)荷,既滿(mǎn)足電網(wǎng)緊急情況下的應(yīng)急處置,同時(shí)僅涉及經(jīng)濟(jì)生活中的企業(yè)用戶(hù),且為用戶(hù)的可中斷負(fù)荷,將經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響降至了最低,是負(fù)荷控制系統(tǒng)的一大技術(shù)創(chuàng)新。
電網(wǎng)負(fù)荷控制主要包括調(diào)度批量負(fù)荷控制和營(yíng)銷(xiāo)負(fù)荷控制系統(tǒng)2種控制模式。電網(wǎng)故障情況下,負(fù)荷控制主要通過(guò)第二道防線(xiàn)的穩(wěn)控系統(tǒng)緊急切除負(fù)荷,防止電網(wǎng)穩(wěn)定破壞;通過(guò)第三道防線(xiàn)的低頻低壓減載裝置負(fù)荷減載,避免電網(wǎng)崩潰;這種穩(wěn)控裝置集中切負(fù)荷社會(huì)影響較大,電網(wǎng)第三道防線(xiàn)措施意味著用電負(fù)荷更大面積損失。
1.1 營(yíng)銷(xiāo)負(fù)荷控制系統(tǒng)
營(yíng)銷(xiāo)負(fù)控系統(tǒng)一般與用電采集系統(tǒng)一體化建設(shè),用戶(hù)側(cè)終端可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)負(fù)荷信息精確采集,并上送至營(yíng)銷(xiāo)負(fù)控主站。主站具備用電信息采集、監(jiān)測(cè)、控制功能,系統(tǒng)發(fā)布功率/電量定值控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)負(fù)荷的監(jiān)測(cè)和控制[7]。對(duì)于營(yíng)銷(xiāo)負(fù)控系統(tǒng),通道網(wǎng)絡(luò)組織是系統(tǒng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié),當(dāng)前主要有2種組網(wǎng)方式。如圖1所示,一是用戶(hù)負(fù)控終端通過(guò)230 MHz數(shù)傳電臺(tái)等無(wú)線(xiàn)公網(wǎng),實(shí)現(xiàn)信息交互。該方式通信速度慢,通道可靠性不高。二是負(fù)控終端通過(guò)用戶(hù)至就近公網(wǎng)變電站專(zhuān)用光纖通道,并經(jīng)加密裝置后接入電力數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī),實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。該方式傳輸速度快,通道可靠性高,但企業(yè)用戶(hù)至就近公網(wǎng)變電站必須有光纖通道。營(yíng)銷(xiāo)負(fù)控系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢(shì)是:能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)情況下負(fù)荷精確采集和精準(zhǔn)控制,控制時(shí)間在秒級(jí)以上。
圖1 不同組網(wǎng)方式的營(yíng)銷(xiāo)負(fù)控系統(tǒng)
1.2 穩(wěn)控裝置負(fù)荷控制系統(tǒng)
對(duì)于電網(wǎng)故障下負(fù)荷緊急控制,存在控制容量大、速度快、可靠性要求高等特點(diǎn)。限于通信條件、動(dòng)作延時(shí)、投資預(yù)算等因素,以往穩(wěn)控裝置均采用集中控制方式,執(zhí)行端一般設(shè)置在220 kV變電站,以110 kV負(fù)荷線(xiàn)路為控制對(duì)象,如圖2所示,無(wú)法做到按負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)一步區(qū)分與選擇。例如西北—華中±500 kV德寶直流聯(lián)網(wǎng)工程四川側(cè)配套切負(fù)荷控制系統(tǒng)、寧夏—山東±660 kV寧東直流輸電工程山東側(cè)配套切負(fù)荷系統(tǒng),均采取此類(lèi)切負(fù)荷方式。該類(lèi)切負(fù)荷穩(wěn)控系統(tǒng)為確保大電網(wǎng)安全發(fā)揮了重大作用,但社會(huì)影響也相對(duì)較大。隨著電網(wǎng)一次網(wǎng)架的加強(qiáng)、直流功率調(diào)控等控制方式的實(shí)際應(yīng)用,除了極為薄弱的電網(wǎng)或具備集中大工業(yè)負(fù)荷可短時(shí)切除的情況外,這種電網(wǎng)相對(duì)集中負(fù)荷控制手段已較少使用。
穩(wěn)控裝置負(fù)控系統(tǒng)明顯優(yōu)勢(shì):在電網(wǎng)故障情況下在毫秒級(jí)或秒級(jí)以?xún)?nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制,確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
圖2 二道防線(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)
作為高占比直流饋入電網(wǎng),緊急切負(fù)荷仍然是電網(wǎng)故障情況下確保電網(wǎng)安全的必要手段。結(jié)合傳統(tǒng)穩(wěn)控裝置負(fù)荷控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、安全性?xún)?yōu)點(diǎn),以及傳統(tǒng)營(yíng)銷(xiāo)負(fù)荷控制系統(tǒng)精確性、可選擇性?xún)?yōu)點(diǎn),構(gòu)建一套基于穩(wěn)控技術(shù)的既安全可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)顯得非常迫切。
該系統(tǒng)改變傳統(tǒng)穩(wěn)控裝置以110 kV線(xiàn)路為對(duì)象集中負(fù)荷控制方式,以35 kV,10 kV生產(chǎn)企業(yè)為最小節(jié)點(diǎn),以企業(yè)內(nèi)部短時(shí)間可中斷的380 V負(fù)荷分支回路為具體控制對(duì)象,在電網(wǎng)故障緊急情況下既實(shí)現(xiàn)快速的批量負(fù)荷控制,確保大電網(wǎng)的穩(wěn)定,同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的精準(zhǔn)、友好控制,將電力用戶(hù)的損失降至最小。
控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。負(fù)荷控制精細(xì)化決定了涉及企業(yè)用戶(hù)數(shù)量多;解決嚴(yán)重故障導(dǎo)致的電網(wǎng)大功率缺額問(wèn)題,決定了控制系統(tǒng)覆蓋地域廣。因此,基于穩(wěn)控技術(shù)的負(fù)荷精準(zhǔn)控制系統(tǒng)按照負(fù)荷控制中心站、控制子站、用戶(hù)就近變電站以及企業(yè)用戶(hù)站4層控制架構(gòu)設(shè)計(jì)。中心站、子站按雙套配置,用戶(hù)站與就近變電站單套配置??刂浦行恼九c子站均設(shè)置在500 kV變電站,中心站考慮接入10個(gè)子站,各控制子站接入200個(gè)用戶(hù)站。用戶(hù)就近變電站在控制系統(tǒng)中起到電力公網(wǎng)與企業(yè)用戶(hù)通道跨接橋梁作用,數(shù)量決定于用戶(hù)的地理分布情況,一般呈1∶ 4比例。
圖3 系統(tǒng)整體架構(gòu)
整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地區(qū)企業(yè)用戶(hù)可中斷負(fù)荷量實(shí)時(shí)匯總,緊急情況下完成地區(qū)可中斷負(fù)荷的精準(zhǔn)控制[8]。從電網(wǎng)故障發(fā)生到負(fù)荷切除,整組時(shí)間控制在450 ms以?xún)?nèi)。
2.1 控制系統(tǒng)通道組織
各公網(wǎng)變電站裝置間均采用2 M保護(hù)專(zhuān)用通道。包括控制中心站與控制子站、控制子站與用戶(hù)就近變電站等站間通道、以及控制中心站與上一級(jí)決策總站。
各生產(chǎn)企業(yè)未標(biāo)配SDH通信設(shè)備,負(fù)控終端無(wú)法通過(guò)2 M通道直接接入公網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。充分利用企業(yè)與就近公網(wǎng)變電站的專(zhuān)用光纖通道,負(fù)控終端數(shù)據(jù)經(jīng)光纜傳輸,再經(jīng)變電站側(cè)光/電信號(hào)轉(zhuǎn)換,通過(guò)同軸電纜接入變電站SDH設(shè)備。如圖4所示,負(fù)控終端實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)組網(wǎng)。
圖4 系統(tǒng)通道組織結(jié)構(gòu)
2.2 負(fù)荷控制中心站
控制系統(tǒng)各層次邏輯關(guān)系如圖5所示。負(fù)荷控制中心站設(shè)置在500 kV變電站,裝置采集兩段500 kV母線(xiàn)電壓,計(jì)算電網(wǎng)頻率。通過(guò)與子站通信,匯集地區(qū)企業(yè)用戶(hù)可中斷負(fù)荷總量(即可控制量),再上送電網(wǎng)決策總站;接收電網(wǎng)決策總站切負(fù)荷容量命令,結(jié)合一定防誤判據(jù)(例如就地低頻),向各子站發(fā)送切除負(fù)荷層級(jí)命令??刂葡到y(tǒng)兼具第三道防線(xiàn)低頻減載功能,中心站判斷電網(wǎng)頻率低至動(dòng)作門(mén)檻,實(shí)時(shí)向子站下發(fā)低頻決策結(jié)果,子站再結(jié)合就地頻率,采取措施。
2.3 負(fù)荷控制子站
控制系統(tǒng)M個(gè)負(fù)荷控制子站根據(jù)用戶(hù)的密級(jí)程度設(shè)置在同一地市或不同地市,一個(gè)子站接入200戶(hù)企業(yè)站。各子站裝置采集兩段500 kV母線(xiàn)電壓,計(jì)算電網(wǎng)頻率。將本站所轄用戶(hù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)原則,分為N個(gè)層級(jí),并將各層級(jí)對(duì)應(yīng)用戶(hù)的可中斷負(fù)荷總量上送至控制中心站;接收中心站切負(fù)荷層級(jí)指令,并結(jié)合本站防誤判據(jù),向?qū)蛹?jí)對(duì)應(yīng)企業(yè)用戶(hù)發(fā)送切除負(fù)荷指令。與控制中心站相同,裝置兼具第三道防線(xiàn)功能:實(shí)時(shí)判別電網(wǎng)頻率,電網(wǎng)頻率低至門(mén)檻,與中心站低頻決策結(jié)果進(jìn)行校核,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制。
圖5 系統(tǒng)各層次邏輯關(guān)系
該套系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了二道防線(xiàn)的精準(zhǔn)負(fù)荷控制,同時(shí)較傳統(tǒng)三道防線(xiàn)離散配置的低頻減載裝置,也實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷精準(zhǔn)控制。
2.4 智能負(fù)控終端
智能負(fù)控終端可實(shí)現(xiàn)緊急控制功能(毫秒級(jí))與穩(wěn)態(tài)控制功能的有機(jī)結(jié)合(秒級(jí)、分鐘級(jí))。負(fù)控終端實(shí)時(shí)采集用戶(hù)所有380 V分支回路功率。針對(duì)毫秒級(jí)負(fù)荷控制需求,由客戶(hù)自主選擇一部分非核心、可短時(shí)中斷的用電負(fù)荷,如啟停方便的生產(chǎn)線(xiàn)和空調(diào)用電、部分照明用電等可中斷負(fù)荷,參與電網(wǎng)故障情況下的緊急負(fù)荷控制。智能負(fù)控終端經(jīng)專(zhuān)用光纖以及變電站側(cè)2 M通道,實(shí)現(xiàn)該用戶(hù)可中斷負(fù)荷量上送控制子站,并接收控制子站切除可中斷負(fù)荷指令。
2.5 負(fù)荷控制原則
控制系統(tǒng)按四層架構(gòu)設(shè)計(jì),用戶(hù)負(fù)控終端將可中斷負(fù)荷總量上送控制子站。如表1所示。M個(gè)控制子站根據(jù)本分區(qū)用戶(hù)優(yōu)先級(jí)的不同,將用戶(hù)分為N個(gè)層級(jí),并將每個(gè)層級(jí)用戶(hù)可切負(fù)荷總量Pmn上送控制中心站[9]??刂浦行恼緦⒌貐^(qū)負(fù)荷總可切量P并上送決策總站。
表1 中心站與子站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)圖
中心站:
(1)
上送決策總站:
(2)
緊急情況下,中心站接收決策總站切負(fù)荷容量指令Pcut,根據(jù)最小過(guò)切原則,決策各子站需切除層級(jí):
(3)
中心站向所有子站發(fā)送切除第1至第n層級(jí)負(fù)荷命令。
負(fù)荷控制系統(tǒng)不正確行為不僅給電網(wǎng)安全帶來(lái)嚴(yán)重后果,甚至?xí)a(chǎn)生難以估量的社會(huì)負(fù)面影響。因此,系統(tǒng)從硬件接口到軟件邏輯,裝置防誤動(dòng)與防拒動(dòng)均為重要的考慮因素。
3.1 考慮就地頻率作為遠(yuǎn)方命令輔助判據(jù)
控制中心站接收電網(wǎng)決策總站切負(fù)荷命令,以及控制子站接收中心站命令,均須結(jié)合本地頻率輔助判據(jù)確認(rèn)指令的正確性。以控制中心站為例,收到?jīng)Q策總站切負(fù)荷指令后,結(jié)合本地頻率確認(rèn),滿(mǎn)足就地頻率門(mén)檻與變化率要求,本裝置方認(rèn)為決策總站切負(fù)荷指令有效,邏輯關(guān)系如圖6所示。
圖6 中心站確認(rèn)總站切負(fù)荷指令邏輯
子站收到中心站低頻減載輪次指令,需結(jié)合本地低頻判斷,滿(mǎn)足本地低頻動(dòng)作校核,子站才認(rèn)可中心站低頻減載命令有效。結(jié)合雙柜配合防誤原則,向用戶(hù)負(fù)控終端下發(fā)切負(fù)荷命令,邏輯關(guān)系如圖7所示。
圖7 確認(rèn)中心站低頻減載指令邏輯
3.2 雙套系統(tǒng)采用“二取二”決策原則
如圖8所示,控制中心站、控制子站裝置均為雙套配置,柜間采用數(shù)據(jù)交換模式[10],每套裝置配置有“另柜檢修壓板”。正常運(yùn)行時(shí),中心站、子站4套裝置柜間“另柜檢修壓板”均退出,此時(shí)中心站與子站均處于“二取二”原則:以中心站為例,收到?jīng)Q策總站切負(fù)荷命令,或裝置就地低頻邏輯達(dá)到動(dòng)作門(mén)檻,通過(guò)柜間信息交換,須雙套裝置均判出相同性質(zhì)的決策結(jié)果,雙套裝置方可向子站發(fā)送指令。若一套裝置異常,本站另一套裝置須投入“另柜檢修壓板”,系統(tǒng)切換至“二取一”原則[11]。
圖8 柜間信息交換關(guān)系
以圖8中控制中心站、XX子站為例:
(1) 中心站A套退出。中心站B套自動(dòng)閉鎖,切負(fù)荷控制系統(tǒng)退出運(yùn)行。投入B套“另柜檢修壓板”,B套切換至“二取一”模式,并將“二取一”模式下達(dá)至各子站。控制系統(tǒng)自動(dòng)切換至B套獨(dú)立運(yùn)行模式;
(2) XX子站A套退出。該子站B套自動(dòng)閉鎖,XX子站負(fù)荷分區(qū)退出,控制系統(tǒng)處于中心站與其余控制子站局部運(yùn)行狀態(tài),系統(tǒng)仍為“二取二”模式。投入XX子站B套“另柜檢修壓板”,B套裝置解除閉鎖,控制系統(tǒng)恢復(fù)為中心站與所有子站運(yùn)行狀態(tài),系統(tǒng)依舊“二取二”模式。中心站A套裝置從B套裝置獲取XX子站負(fù)荷信息,確保了中心站雙套裝置決策依據(jù)一致。
(3) 中心站/子站一套裝置退出的因素包括:與總站(或中心站)通道異常、裝置總功能壓板退出、裝置硬件異常等情況。
3.3 中心站與決策總站雙通道切換備份
控制中心站與控制子站控制邏輯采用“二取二”原則,中心站一套裝置退出,另一套在“另柜檢修壓板”未投入的過(guò)渡階段,裝置亦閉鎖,切負(fù)荷控制系統(tǒng)將處于退出狀態(tài),電網(wǎng)的安全性下降。對(duì)于中心站裝置退出情況,與決策總站通道異常是主要因素之一。為了提高可靠性,中心站與心站與決策總站單套裝置間采用雙通道互為切換設(shè)計(jì)方案,任一通道異常,另一通道還可確保兩站間數(shù)據(jù)正常交互,從而降低了中心站雙套裝置退出的概率。
基于穩(wěn)控技術(shù)的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的已在江蘇電網(wǎng)建成投運(yùn),實(shí)現(xiàn)了3500 MW秒級(jí)可中斷負(fù)荷精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制能力和蘇州地區(qū)1000 MW毫秒級(jí)(系統(tǒng)保護(hù)級(jí))緊急控制能力。該系統(tǒng)既滿(mǎn)足傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)快速性、安全性要求,又實(shí)現(xiàn)了企業(yè)用戶(hù)可中斷負(fù)荷的精準(zhǔn)控制,為大受端電網(wǎng)解決故障情況下電網(wǎng)頻率問(wèn)題提供了良好解決方案,提高了緊急控制的精細(xì)化水平,改善了安全穩(wěn)定控制效果,最大限度地減少對(duì)用戶(hù)停電的干擾,提升了網(wǎng)-荷友好互動(dòng)性,為其他省級(jí)電網(wǎng)提供了應(yīng)用示范典型案例。
基于穩(wěn)控技術(shù)的精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)也可為大送端電網(wǎng)精準(zhǔn)機(jī)組控制,特別是大規(guī)模的新能源發(fā)電控制提供借鑒。
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[10] 莊 偉, 李德勝, 于 釗, 等. 應(yīng)對(duì)多直流同時(shí)換相失敗的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(11): 3420-3426.
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羅建裕
羅建裕(1961 —),男,江蘇無(wú)錫人,研究員級(jí)高級(jí)工程師,從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行管理方面的工作;
李海峰(1973 —),男,河北懷安人,工學(xué)博士,研究員級(jí)高級(jí)工程師,從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行管理方面的工作;
江葉峰(1976 —),男, 江蘇宜興人,高級(jí)工程師,從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行管理方面的工作;
羅凱明(1978 —),男,貴州惠水人,高級(jí)工程師,從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行管理方面的工作;
劉 林(1985 —),男,江蘇泰州人,工學(xué)博士,工程師,從事電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定管理方面的工作。
Source Network Load Friendly Interactive and Precise Load Control System based on Stability Control Technology
LUO Jianyu, LI Haifeng, JIANG Yefeng, LUO Kaiming, LIU Lin
(State Grid Jiangsu Electric Power Company Dispatch and Control Center, Nanjing 210024,China)
Emergency load shedding when serious HVDC transmission fault happens are necessary measures to prevent frequency drop of receiving-side power network. Combined with the characteristics of the stability control and marketing load control, it proposes a load control system using the load which can be interrupted as the object of precise control. It compares advantages and disadvantages of the load control by stability control device and load control by the marketing system and then introduces the overall architecture of precise load control system. It focus on the functional position of the system, load control principle and prevention for system malfunction and rejection. The precise load control system proposed in this paper has been completed and put into operation in Jiangsu Power Grid, which realizes accurate control of 3.5 million kilowatt per second and emergency control capability of 1 million kilowatt per millisecond.
large receiving power network; interruptible load; system protection; load shedding control system; stability control device; prevention for system malfunction and rejection
2016-10-27;
2016-11-25
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2016YFB0901100)
TM73
A
2096-3203(2017)01-0025-05