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淺談電力儀表在工廠車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

更新時(shí)間: 2023-02-21  點(diǎn)擊次數(shù): 449次
安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801
 
摘 要:基于車間用電設(shè)備的電能管理系統(tǒng)架構(gòu)思路及實(shí)施方法,從硬件和軟件方面對(duì)此方法進(jìn)行了闡述。對(duì)車間舊設(shè)備改造以及新的電能管理系統(tǒng)提供一種思路和便捷的方法。 
關(guān)鍵詞:電能管理系統(tǒng);多功能電力儀表;PLC;組態(tài)軟件
 
0 引言
      目前,大多數(shù)車間的用電數(shù)據(jù)都是通過(guò)車間配電室成套開關(guān)柜上的電力儀表進(jìn)行計(jì)量,往往一臺(tái)開關(guān)柜所帶的用電設(shè)備很多,而電力儀表所計(jì)量的是多臺(tái)設(shè)備的總電能數(shù)據(jù),計(jì)量并分析單臺(tái)設(shè)備的用電數(shù)據(jù)成為難題。本文提供了一種思路和方法,用于對(duì)車間的用電設(shè)備進(jìn)行低成本改造,僅需在設(shè)備端增加電流互感器和多功能電力儀表,與中控室的上位機(jī)組態(tài)軟件組成電能管理系統(tǒng),用于對(duì)車間用電設(shè)備的用電檢測(cè)及耗電數(shù)據(jù)的記錄與分析,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)耗電多的設(shè)備和異常狀態(tài)的設(shè)備,為全廠的節(jié)電和管理者的決策管理提供數(shù)據(jù)支撐。本文介紹兩種方法組建車間設(shè)備電能管理系統(tǒng)。方法一:通過(guò)在設(shè)備端增加電力儀表及互感器,通過(guò)多功能電力儀表自帶的通訊口,一般為RS232或RS485接口,進(jìn)行組網(wǎng)通訊,實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。方法二:針對(duì)由PLC或其他可編程控制器控制的設(shè)備,利用控制器自帶的通訊接口與多功能電力儀表組網(wǎng)通訊,將電力儀表的數(shù)據(jù)讀入控制器,由控制器將電力數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī), 在上位機(jī)上進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。方法二的特點(diǎn):一是便于直接在控制器內(nèi)進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的換算計(jì)算;二是如果本地和遠(yuǎn)程都有上位機(jī),則可以實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。
 
1 方法一
      圖1所示為方法一對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖。對(duì)每臺(tái)設(shè)備增加電流互感器和多功能電力儀表,通過(guò)多功能電力儀表采集設(shè)備的電流電壓,多臺(tái)多功能電力儀表通過(guò)RS485總線連接,接至串口服務(wù)器(串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器),將串口服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接至多網(wǎng)口交換機(jī),再連接工控機(jī)。圖2為單臺(tái)多功能電力儀表電氣原理圖,負(fù)載為一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。三相電經(jīng)空開接至變頻器輸入端,T1、T2、T3為電流互感器 ,接至該電力儀表的電流檢測(cè)輸入端。通過(guò)從三相母線上取電結(jié)點(diǎn),再經(jīng)熔斷器接至該電力儀表電壓檢測(cè)輸入端。電力儀表的報(bào)警輸出立而口接中間繼電器KA1線圈,利用中間繼電器KA1的常開或常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓過(guò)電流等實(shí)時(shí)報(bào)警功能。該電力儀表的RS458接口通過(guò)通訊線纜與其他多功能電力儀表的RS485接口連通,共同組成RS485總線網(wǎng)絡(luò),通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通訊功能。
圖1 方法一系統(tǒng)框圖
      完成硬件布置后,需對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)置。軟件設(shè)置包括對(duì)串口服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置好串口服務(wù)器的虛擬串口號(hào)、IP地址、通訊方式等;在組態(tài)軟件中建立與電力儀表對(duì)應(yīng)的多臺(tái)通訊設(shè)備,并設(shè)置通訊方式、校驗(yàn)方式、地址、波特率等,再建立相應(yīng)寄存器變量,從而獲取電力儀表中的數(shù)據(jù)。在組態(tài)軟件界面中可對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并繪制成曲線、棒狀圖或餅狀圖等。電力儀表電氣原理圖見圖2。
圖2 電力儀表電氣原理圖
 
2 方法二 
      對(duì)于PLC控制的設(shè)備,利用PLC的通訊端口,與多臺(tái)多功能電力儀表建立通訊,通過(guò)PLC讀取電力儀表的電壓電流等數(shù)據(jù),同時(shí)PLC分別與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏和中控室的工控機(jī)建立通訊,可將電流電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行本地觸摸屏的顯示和存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程工控機(jī)上的顯示和存儲(chǔ)。圖3為方法二對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖。利用PLC的RS485接口與多臺(tái)電力儀表組網(wǎng) 通訊,PLC的另一個(gè)RS485通訊口與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏連通,通過(guò)PLC的以太網(wǎng)口和中控室工控機(jī)通訊。利用PLC的兩個(gè)RS485口通訊,須注意其主從關(guān)系:PLC相對(duì)于多功能電力儀表,PLC為主站,電力儀表為從站;PLC相對(duì)于觸摸屏, PLC為從站, 觸摸屏為主站。
圖3 方法二系統(tǒng)框圖
 
3 通過(guò)Smart 200 PLC讀取電力儀表數(shù)據(jù)
      采用SMART 200 PLC編寫梯形圖子程序[2],對(duì)兩臺(tái)多功能電力儀表通過(guò)MODBUS RTU通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的讀取,PLC作為MODBUS RTU的主站,兩臺(tái)電力儀表作為從站。圖4為程序段一,第一個(gè)掃描周期先對(duì)各狀態(tài)位復(fù)位,然后調(diào)用MBUS_CTRL指令完成初始化,設(shè)置好通訊模式、波特率、校驗(yàn)方式、端□號(hào)、超時(shí)時(shí)間等。
圖4 程序段一
      圖5程序段二首先對(duì)第一臺(tái)電力儀表調(diào)用MBUS_MSG指令啟動(dòng)對(duì)從站的請(qǐng)求并處理響應(yīng)。設(shè)置好從站的地址、讀寫模式、需要讀取的寄存器起始地址、需要讀取的寄存器數(shù)量以及PLC內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的V寄存器地址指針。每隔0.5s對(duì)兩臺(tái)電力儀表進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取。
圖5 程序段二
      圖6 程序段三在對(duì)第一臺(tái)電力儀表數(shù)據(jù)完成讀取后 ,再對(duì)第二臺(tái)電力儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。同樣調(diào)用MBUS_MSG指令完成讀取。當(dāng)子程序編與完成后,在PLC的主程序中調(diào)用該子程序即可。
圖6 程序段三
      以上選用了較為常用的SMART 200 PLC作為主控制器,通過(guò)梯形圖編程實(shí)現(xiàn)與兩臺(tái)多功能電力儀表的通訊。不同品牌的PLC實(shí)現(xiàn)與電力儀表通訊所調(diào)用的指令不同,但原理相似,可參考本例實(shí)現(xiàn)其他品牌PLC對(duì)電力儀表的數(shù)據(jù)讀取。
 
4 功率和電度的計(jì)算
      電力儀表內(nèi)部會(huì)對(duì)功率和電度數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可直接在電力儀表上查看功率和電量, 或?qū)⒃摂?shù)據(jù)通訊至上位機(jī)查看。對(duì)于有些感性負(fù)載,電力儀表內(nèi)部算法依照的功率因數(shù)往往與負(fù)載不匹配,其計(jì)算出的功率和電量也與實(shí)際有較大誤差。針對(duì)此缺點(diǎn),可以在上位機(jī)上根據(jù)電壓電流等數(shù)據(jù)通過(guò)軟件編程 ,計(jì)算出實(shí)時(shí)功率(有功功率)和累計(jì)電度數(shù)(有功電量),與電力儀表的內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。觸摸屏和組態(tài)軟件一般都有循環(huán)執(zhí)行策略(腳本),可根據(jù)公式(1)和公式(2), 利用上位機(jī)定時(shí)循環(huán)執(zhí)行腳本程序,對(duì)功率和電量進(jìn)行計(jì)算。
例如通過(guò)力控組態(tài)軟件對(duì)三相電爐的功率和電量進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)負(fù)載的類型、接線方法,選擇合適的功率因數(shù),編寫如下程序:
//有功功率計(jì)算(單位kW)
區(qū)域1單元1\PowerZ1.PV=區(qū)域1單元1\Z1_UaH.PV*區(qū)域1\單元1\Z1_laH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z1_UbH.PV* 區(qū)域1單元1\Z1_lbH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z1_UcH.PV*區(qū)域1單元1\Z1cH.PV/1000;
區(qū)域1單元1\PowerZ2.PV=區(qū)域1單元1\Z2_UaH.PV*區(qū)域1\單元1\Z2_laH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z2_UbH.PV* 區(qū)域1單元 1\Z2_lbH.PV/1000+區(qū)域1\單元1\Z2_UcH.PV*區(qū)域1單元1\Z2_lcH.PV/1000;
//有功電量(單位KWh)
區(qū)域1\單元1\EnergyZ1.PV=區(qū)域1\單元1\Ener-gyZ1.PV+區(qū)域1\單元1\PowerZ1.PV/3600;
區(qū)域1\單元1\EnergyZ2.PV=區(qū)域1\單元1\Ener-gyZ2.PV+區(qū)域1\單元1\PowerZ2.PV/3600;
循環(huán)策略設(shè)置為:每循環(huán)2s,進(jìn)行一次實(shí)時(shí)功率計(jì)算;每循環(huán)3s,將計(jì)算出的實(shí)時(shí)功率除以 
3600并進(jìn)行累加得到電度數(shù)。因大多負(fù)載不是恒功率運(yùn)行,如果需提高計(jì)算精度,可減小循環(huán)時(shí)間,即提高采樣次數(shù)。
 
5上位機(jī)軟件
      在上位機(jī)可通過(guò)表格、曲線、棒狀圖、餅狀圖等形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示。圖7為利用力控組態(tài)軟件繪制的電力儀表盤界面,直觀地顯示了電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并通過(guò)表格控件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能。圖8為電力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線查詢界面。圖9為用電量餅圖和棒狀圖分析界面。
圖7 電力儀表盤界面
圖8 歷史曲線界面
圖9 餅圖和棒圖界面
 
6施工注意事項(xiàng)
      在施工中,多功能電力儀表的通訊線纜須使用屏蔽雙絞線,且屏蔽層單端可靠接地。盡量避免通訊線纜與動(dòng)力線纜在同一線槽或橋架敷設(shè),可將通訊線纜穿KGB線管單獨(dú)敷設(shè)且將線管單端可靠接地。對(duì)于某一區(qū)域的多臺(tái)用電設(shè)備,將其分別對(duì)應(yīng)的多臺(tái)電力儀表通過(guò)RS485總線進(jìn)行菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接,即手拉手連接方式,接至串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器,然后由串口服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)連接至中控室交換機(jī)。建議屏蔽雙絞線總長(zhǎng)不易過(guò)長(zhǎng),如果總長(zhǎng)超過(guò)30 m加一個(gè)串口服務(wù)器,通過(guò)增加以太網(wǎng)總線的長(zhǎng)度,減少RS485總線長(zhǎng)度來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。注意互感器和電力儀表連線時(shí)勿在負(fù)載帶電運(yùn)行的同時(shí)將電流互感器進(jìn)行開路接線。多臺(tái)電力儀表通過(guò)RS485總線組網(wǎng)時(shí)注意網(wǎng)路終端的電力儀表是否需要加終端電阻。
 
7安科瑞電能管理系統(tǒng)
7.1概述
      用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能,用戶端智能化用電管理對(duì)用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系,推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括:的表計(jì),智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì),以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況,便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣,有效節(jié)約電能,為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
7.2應(yīng)用場(chǎng)所
      (1)辦公建筑(商務(wù)辦公、大型公共建筑等);
      (2)商業(yè)建筑(商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等);
      (3)旅游建筑(賓館飯店、娛樂(lè)場(chǎng)所等);
      (4)科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等);
      (5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視等);
      (6)交通運(yùn)輸建筑(機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等)。
7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
7.4系統(tǒng)功能
1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
      系統(tǒng)人機(jī)界面友好,以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息,動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài),以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。
2)電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表
      系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能,用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來(lái)任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況,即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明,并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯,維護(hù)計(jì)量體系的正確性。
3)詳細(xì)電參量查詢
      在配電一次圖中,當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí),鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?,鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量,包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能,并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。
4)運(yùn)行報(bào)表
      系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能,所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù),在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等,并通過(guò)報(bào)表方式顯示出來(lái)。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào),支持導(dǎo)出Excel格式文件,還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。
5)變壓器運(yùn)行監(jiān)視
      系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視,用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì),分析變壓器負(fù)荷率及損耗,方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求,確保供電安全可靠。
6)實(shí)時(shí)報(bào)警
      系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位,保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口,并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。
7)歷史事件查詢
      系統(tǒng)能夠?qū)b信變位,保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
8)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)
      系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè),運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等,及時(shí)采取相應(yīng)的措施,降低諧波損耗,減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測(cè)功能的電力儀表,不需要可刪除。
9)遙控操作
      系統(tǒng)支持對(duì)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能,對(duì)于每次遙控操作,系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄,記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
10)用戶權(quán)限管理
      系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如配電回路名稱修改等)??梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
11)通訊狀態(tài)圖
      系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài),發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài),及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
12)視頻監(jiān)控
      視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面(視頻直播),選中某一個(gè)變配電站,即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。
13)用戶報(bào)告
      用戶報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
14)APP支持
      電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊,支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢,設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
7.5系統(tǒng)硬件配置
 
8 結(jié)語(yǔ)
      本文結(jié)合工程實(shí)際提供了一種建立電能管理系統(tǒng)的思路和方法,可在車間用電設(shè)備的控制箱內(nèi)加裝電流互感器和多功能電力儀表,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)通訊線纜將車間的用電設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng),結(jié)合上位機(jī)組態(tài)軟件建立電能管理系統(tǒng)。如果在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再添加用水、用氣等能耗數(shù)據(jù)則可組成車間能源管理系統(tǒng),將獲得的電力數(shù)據(jù)上傳云端或與MES系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)對(duì)接??傊?,電能管理系統(tǒng)是組建數(shù)字化工廠、智慧工廠的一部分。
 
【參考文獻(xiàn)】
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【3】SIMATIC S7 S7-200 SMART 系統(tǒng)手冊(cè),V2.4,03/2019[Z].西門子(中國(guó))有限公司.
【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05


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