CN105356424B - 基于信息高速交互技术的母线保护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于信息高速交互技术的母线保护系统，包括信息管理端以及与其连接的信息采集端，所述信息采集端包括母线保护装置和分布保护装置，所述信息管理端包括数据终端和功能服务器。通过该系统的使用，能够充分利用来源不同、性质各异、处理方法不一样的数据，立足于“高速数据交互”概念，利用数据内容本身的完整性和关联性，可以对电网线路领域进行集中化管理，通过一系列分析与汇集，实现对母线系统的保护，值得广泛推广与使用。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统母线保护技术领域，特别涉及了基于信息高速交互技术的母线保护系统。
背景技术
目前，在配网系统中，10KV开关站的母线保护和越级跳闸是一个不易解决的问题，有开关站的地方，一般是比较重要的用户，但是因为开关站下的用户距离开关站很近，甚至就和开关站在一起，也就是出线距离很近，当短路事故发生在出线部分而引起速断保护时，进线和出线对事故点的感受基本相同，在进行短路整定时无法区分上下级的电流差，（这个不会因为进线与出线的CT变比不同而解决）。往往因为如此，干脆在进线部分不设置速断保护，上一级变电站的出线就有可能引起速断动作，造成更大范围的停电，并且如果母线短路，因为没有设置速断保护而造成火烧连营的情况时有发生，造成的损失非常巨大。如果设置母差保护（保护开关站的母线）或者光纤纵差（在上一级出线和开关站的进线间），成本很高，并且铺设困难，不具有普遍意义。所以找一种简单实用的方法解决大部分10KV开关站母线保护和越级跳闸就成为迫切的需求。
申请号201220095380.8的中国专利公开了一种母线保护装置，解决了现有保护设备存在的设备占用场地大，设备投资成本高和运行维护不方便的问题。包括母线（1）、可编程控制器（6）和基于IEC62850-9-2的合并单元（5），在母线（1）上设置有智能终端及断路器（2）、电子式电流互感器（3）和电子式电压互感器（4），电子式电流互感器（3）和电子式电压互感器（4）均分别与基于IEC62850-9-2的合并单元（5）连接，基于IEC62850-9-2的合并单元（5）与可编程控制器（6）连接，智能终端及断路器（2）与可编程控制器（6）连接。本实用新型是对功能进行集成，可以节约场地，节约建筑面积，节约材料，降低成本，运行维护简便。
申请号为201310305957.2的中国专利公开了一种线路保护装置及应用该装置实现接线形式为双母线带旁母变电站的保护无缝切换的方法，该装置配置于接线形式为双母线带旁母变电站的每条线路中，旁路断路器不再配置旁代用线路保护装置，而是由线路保护装置LP完成旁路操作过程中以及旁代运行时的线路保护功能。线路保护装置采用多输入和多输出结构。本发明的保护装置和方法可有效简化旁代操作中保护装置的操作，无需定值切换和主保护通道切换，不需要进行保护功能的投退操作，旁代全过程不涉及保护装置的切换，实现旁代全过程保护性能不受影响，提高了系统的安全性。
申请号为201110006955.4的中国专利公开了一种智能数字继电保护装置,电流互感器感应取能与测量线圈还与信号调理单元的输入端、低能量聚集与高能量泄放调控单元的输入端连接;低能量聚集与高能量泄放调控单元的输出端分别与信号调理单元、超低功耗信号处理单元、低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元和参数设置与整定单元连接;信号调理单元的输出端与超低功耗信号处理单元的输入端连接;超低功耗信号处理单元的输入输出端口还分别与低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元和参数整定单元连接。该装置的安全性好、成本低且具有故障提示信息。
母线短路和出线短路越级跳闸的原理因为其简单，所以也就更加难以解决，因为其现实的一次设备问题是无法解决的，我们不可能故意加长线路，更不可能采用线径较细阻抗大的电缆。那么从一次设备的其它特征上有没有可考虑的地方，从电流的特性上讲，是不是还有一点可分辨的地方，也就是努力区分其短路电流的大小，显然这是不成立的，因为短路是一个概念，在这个概念里所对应的是实际情况，短路有金属性短路，也有非金属性短路，我们暂定非金属短路可以很容易与金属性短路区别开，非金属性短路可以通过延时的方法解决不存在越级跳闸的问题，那么金属性短路的情况下，其短路阻抗不同，也会造成同样一个地方短路却形成不同的短路电流，所以就很难从短路电流的大小上区分短路点的位置。在这个分析上就可以得出结论，如果从继电保护的定值上区分上下级的短路情况，是完全不现实的。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于信息高速交互技术的母线保护系统，具有功能多样、使用方便、易于推广的特点，且有着良好的市场前景。
为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：基于信息高速交互技术的母线保护系统，包括信息管理端以及与其连接的信息采集端，所述信息采集端包括母线保护装置和分布保护装置，所述信息管理端包括数据终端和功能服务器。
所述分布保护装置设置在电网分支线路上，所述母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接。
所述高速通道包括RS485总线，所述RS485总线连接光电隔离器。
所述分布保护装置包括进线保护器、出线保护器以及分别与两者连接的电流采集器，所述进线保护器连接延时继电器。
所述母线保护装置包括CPU以及分别与其连接的比较器、耦合电容和以太网接口电路。
所述数据终端包括移动数据终端或固定数据终端，所述功能服务器包括与多个数据库实现连接的网络服务器平台，所述网络服务器平台上设置加密存储模块。
所述移动数据终端包括具有无线网络通信模块和扫描模块的掌上终端设备；所述扫描模块包括影像扫描模块与条码扫描模块。
所述固定数据终端包括PC客户端平台，所述PC客户端平台设置人机交互服务器及监控装置；所述监控装置包括信息监控装置和影像监控装置。
所述加密存储模块包括编码器和分级存储器，所述网络服务器平台均通过所述分级存储器与各个数据库连接。
本发明以主要实现功能的划分，可以归纳为两大模块，一是数据采集与简单分析，二是数据管理与汇集处理。
首先，数据采集与简单分析是依靠信息采集端，既可以实现过压电流采集，并进行简单的母线保护和越级跳闸动作判定，采集端包括母线保护装置和分布保护装置，分布保护装置设置在电网分支线路上，母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接，通过这样的一对多互联结构，可以将过压电流采集的任务交给分支线路，而在母线上不采集电流信号，只需要进行多路信号线铺设即可，，母线保护装置使用高速信号线收集信息，并对信号进行不间断的检测。
以10KV开关站的一次设备为例，开关站一次设备的架构基本上都是一致的，进线两路或者一路，出线若干路，基本不超过16路，开关柜都并列在一起；进线为上级，出线为下级，通过信号采集端就能够将故障的位置快速区分在母线和支路出线两个领域，同时又不使用布线麻烦价格昂贵的母差保护，这样就能解决母线短路和线路近距离短路的区分问题。
我们将各个进线和出线的过流信息通过高速通道（包括高速光隔，分布电容小的信号线）传输到10KV开关站快速自适应母线保护装置上，母线保护装置根据得到的信号进行分析判断，根据结果对电源进线实施跳闸或者闭锁跳闸；母线保护装置不采集电流信号，因为在10KV开关站的开关柜排列紧凑，铺设二次电缆复杂，并且一般开关站的电流互感器不设单独的母线保护CT，需要与开关柜的保护装置串联公用一个CT，不利于线路铺设并且安全性下降，但是信号线的铺设是非常方便和容易的，母线保护装置使用高速信号线收集信息，并对信号进行不间断的检测。
线路上的每台保护装置，即分布保护装置在测量到所保护对象发生速断后，将此信息通过高速信号通道传输给母线保护装置，母线保护装置对这些信号进行判别，因为分布保护装置的电流采集和判断的速度快，保证了对过流信号的同时性要求，同时信息高速通道可以以几乎无延时地到达母线保护装置，母线保护装置对所得到的信号进行甄别，将相应信息传递至进线保护装置来实现防止越级跳闸和母线保护。
母线保护装置对信息的分析判断速度要快，信号我们采用通用的RS485信号，这种信号的抗干扰能力强，传输距离远，信号采用不间断传输方式，所以其主要的功能为信号检测，每625微秒对信号进行检测和分析，信号为正常变化的信号，说明没有故障，如果信号发生变化，变为故障信息，表明线路状态发生了改变；第二个功能是向进线单元的保护装置发送信号，正常状态下发送正常信号，如果发生了出线单元故障，就根据运行方式向相应进线单元发送故障信号（根据运行方式进行信号传输即自适应功能）。第三个功能是根据信号的传输判断信号线的状态，发出告警指示，并通过以太网接口传输各种状态信息（SOE），为运行提供支持。
分布保护装置包括进线保护器、出线保护器以及分别与两者连接的电流采集器，进线保护器连接延时继电器，是要求比较高的分布保护装置，要求高是指对电流故障的判断要快，对同一个电流信号进行判断，时差不能超过1.5ms，也就是要求每台保护装置每0.625ms要判断一次故障情况，而不是一个周波进行一次判断。同时线路保护可以设置为进线保护，也可以设置为出线保护，进线保护要对速断信号延时10ms动作，出线单元要立即动作并发出速断信息给母线保护装置，母线保护装置将信号上传至进线单元，进线单元在10ms后根据信号动作或者延时90ms动作，这样是为了躲过断路器动作时间。
由于母线保护的根本在于速度，所以所有的器件都是高速器件，输出信号的功率器件，要提高其速度，必须通过电路改变其输出电容，以提高其速度，并能够输出较大电流。高速通道使用高速光隔，减少硬件延迟。CPU必须采用具有极高的速度，因为100μs内要检测所有的信号并进行所有信号的逻辑分析，并输出控制信号，没有高速的CPU是无法实现的。
数据管理与汇集处理是依靠信息管理端，包括数据终端和功能服务器，数据终端包括移动数据终端与固定数据终端，功能服务器包括与多个数据库实现连接的网络服务器平台，网络服务器平台上设置加密存储模块；移动数据终端包括具有无线网络通信模块和扫描模块的掌上终端设备；扫描模块包括影像扫描模块与条码扫描模块；固定数据终端包括PC客户端平台，PC客户端平台设置人机交互服务器及监控装置；监控装置包括信息监控装置和影像监控装置；加密存储模块包括编码器和分级存储器，网络服务器平台均通过分级存储器与各个数据库连接；分级存储器主要实现了对高速数据信息进行分类存储，这种分类存储原则有利于对数据的快速调用、评价和整合。
网络服务器平台，是实现高速数据运用的信息保障，不仅可以通过与多个数据库的互联，形成一个较为庞大的电网信息网络，实现不同区域、不同类型之间的电网信息联接，还可以在平台上设置对外通信接口，通过多路接口转换器连接对外信息平台，包括地理信息GIS平台，实现电网母线之间的跨区域管理。
功能服务器可以实现数据终端对高速数据信息的访问与通信，从人员出发，最后回归到人员中，这样的交换式网络访问方法具有带宽高、速度快、成本低等优点，可以提高网络性能，改进可管理性，降低管理成本。
为实现母线保护的安全可靠，保护系统还可以设置针对线路运行状况的环境信息监测，在电网环境中，还可以安装各类传感装置，包括温度传感器、湿度传感器、振动传感器、烟感传感器等，这类传感器连接的无线发送装置可以与信息管理端实现配对连接，从而使管理人员可以轻松采集电网环境的就地信息，并结合网络高速数据信息实现综合管理。
本发明的有益效果包括以下几个方面：
1、本方案中的信息采集端综合考虑越级跳闸的各方面的因素，反应速度快，具有运行独立性，现场安装方便，减少了传统保护装置对定值的依赖。
2、本方案中的信息采集端在传统保护装置的基础上使用高速自适应的智能母线保护装置作为速断闭锁信号传输的主要配套设备；智能母线保护装置具有将接收到的信号进行逻辑分析，然后快速输出到进线保护装置中，实现母线保护和防止越级跳闸的功能。
3、本方案的信息管理端能够最大限度地利用现有信息数据，并进行有效的分类整合，辅以必要的状态监测和故障诊断装置，低成本、高效率地获取电网线路状态。
4、本方案通过数据平台建设，能够有效接入或集成本地信息数据、在线监测数据、地理现象数据等，对数据的处理采用“分类存储、综合运用”的架构体系，提高了对数据的处理能力，增强了数据的高速性、完整性和规范性。
5、通过该系统的使用，能够充分利用来源不同、性质各异、处理方法不一样的数据，立足于“高速数据交互”概念，利用数据内容本身的完整性和关联性，可以对电网线路领域进行集中化管理，通过一系列分析与汇集，实现对母线系统的保护，值得广泛推广与使用。
附图说明
图1为本发明基于信息高速交互技术母线保护系统实施例一的组成结构图。
图2为本发明基于信息高速交互技术母线保护系统实施例二的组成结构图。
具体实施方式
下面对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，通过结合附图对本发明的优选实施例进行说明：
实施例一
如图1所示，基于信息高速交互技术的母线保护系统，包括信息管理端以及与其连接的信息采集端，所述信息采集端包括母线保护装置1和分布保护装置2，所述信息管理端包括数据终端和功能服务器11。
所述分布保护装置设置在电网分支线路上，所述母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接。
所述高速通道包括RS485总线，所述RS485总线连接光电隔离器。
所述分布保护装置包括进线保护器7、出线保护器8以及分别与两者连接的电流采集器9，所述进线保护器连接延时继电器10。
所述母线保护装置包括CPU3以及分别与其连接的比较器4、耦合电容5和以太网接口电路6。
所述数据终端包括移动数据终端14，所述功能服务器包括与多个数据库实现连接的网络服务器平台12，所述网络服务器平台上设置加密存储模块13。
所述移动数据终端包括具有无线网络通信模块17和扫描模块的掌上终端设备；所述扫描模块包括影像扫描模块18与条码扫描模块19。
所述加密存储模块包括编码器24和分级存储器25，所述网络服务器平台均通过所述分级存储器与各个数据库连接。
本发明包括两大模块，一是数据采集与简单分析，二是数据管理与汇集处理；数据采集与简单分析是依靠信息采集端，既可以实现过压电流采集，并进行简单的母线保护和越级跳闸动作判定，采集端包括母线保护装置和分布保护装置，分布保护装置设置在电网分支线路上，母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接，通过这样的一对多互联结构，可以将过压电流采集的任务交给分支线路，而在母线上不采集电流信号，只需要进行多路信号线铺设即可，，母线保护装置使用高速信号线收集信息，并对信号进行不间断的检测。
以10KV开关站的一次设备为例，开关站一次设备的架构基本上都是一致的，进线两路或者一路，出线若干路，基本不超过16路，开关柜都并列在一起；进线为上级，出线为下级，通过信号采集端就能够将故障的位置快速区分在母线和支路出线两个领域，同时又不使用布线麻烦价格昂贵的母差保护，这样就能解决母线短路和线路近距离短路的区分问题。
我们将各个进线和出线的过流信息通过高速通道（包括高速光隔，分布电容小的信号线）传输到10KV开关站快速自适应母线保护装置上，母线保护装置根据得到的信号进行分析判断，根据结果对电源进线实施跳闸或者闭锁跳闸；母线保护装置不采集电流信号，因为在10KV开关站的开关柜排列紧凑，铺设二次电缆复杂，并且一般开关站的电流互感器不设单独的母线保护CT，需要与开关柜的保护装置串联公用一个CT，不利于线路铺设并且安全性下降，但是信号线的铺设是非常方便和容易的，母线保护装置使用高速信号线收集信息，并对信号进行不间断的检测。
线路上的每台保护装置，即分布保护装置在测量到所保护对象发生速断后，将此信息通过高速信号通道传输给母线保护装置，母线保护装置对这些信号进行判别，因为分布保护装置的电流采集和判断的速度快，保证了对过流信号的同时性要求，同时信息高速通道可以以几乎无延时地到达母线保护装置，母线保护装置对所得到的信号进行甄别，将相应信息传递至进线保护装置来实现防止越级跳闸和母线保护。
母线保护装置对信息的分析判断速度要快，信号我们采用通用的RS485信号，这种信号的抗干扰能力强，传输距离远，信号采用不间断传输方式，所以其主要的功能为信号检测，每625微秒对信号进行检测和分析，信号为正常变化的信号，说明没有故障，如果信号发生变化，变为故障信息，表明线路状态发生了改变；第二个功能是向进线单元的保护装置发送信号，正常状态下发送正常信号，如果发生了出线单元故障，就根据运行方式向相应进线单元发送故障信号（根据运行方式进行信号传输即自适应功能）。第三个功能是根据信号的传输判断信号线的状态，发出告警指示，并通过以太网接口传输各种状态信息（SOE），为运行提供支持。
分布保护装置包括进线保护器、出线保护器以及分别与两者连接的电流采集器，进线保护器连接延时继电器，是要求比较高的分布保护装置，要求高是指对电流故障的判断要快，对同一个电流信号进行判断，时差不能超过1.5ms，也就是要求每台保护装置每0.625ms要判断一次故障情况，而不是一个周波进行一次判断。同时线路保护可以设置为进线保护，也可以设置为出线保护，进线保护要对速断信号延时10ms动作，出线单元要立即动作并发出速断信息给母线保护装置，母线保护装置将信号上传至进线单元，进线单元在10ms后根据信号动作或者延时90ms动作，这样是为了躲过断路器动作时间。
由于母线保护的根本在于速度，所以所有的器件都是高速器件，输出信号的功率器件，要提高其速度，必须通过电路改变其输出电容，以提高其速度，并能够输出较大电流。高速通道使用高速光隔，减少硬件延迟。CPU必须采用具有极高的速度，因为100μs内要检测所有的信号并进行所有信号的逻辑分析，并输出控制信号，没有高速的CPU是无法实现的。
数据管理与汇集处理是依靠信息管理端，包括数据终端和功能服务器，数据终端包括移动数据终端，功能服务器包括与多个数据库实现连接的网络服务器平台，网络服务器平台上设置加密存储模块；移动数据终端包括具有无线网络通信模块和扫描模块的掌上终端设备；扫描模块包括影像扫描模块与条码扫描模块；加密存储模块包括编码器和分级存储器，网络服务器平台均通过分级存储器与各个数据库连接；分级存储器主要实现了对高速数据信息进行分类存储，这种分类存储原则有利于对数据的快速调用、评价和整合。本实施例进行的是便携式管理，移动数据终端包括具有无线网络通信模块和扫描模块的掌上终端设备；扫描模块包括影像扫描模块与条码扫描模块；通过进行人员身份识别、条码识别来进行电网线路作业的登记核对。
网络服务器平台，是实现高速数据运用的信息保障，不仅可以通过与多个数据库的互联，形成一个较为庞大的电网信息网络，实现不同区域、不同类型之间的电网信息联接，还可以在平台上设置对外通信接口，通过多路接口转换器连接对外信息平台，包括地理信息GIS平台，实现电网母线之间的跨区域管理。地理信息系统GIS在高速数据上的应用方式，是将智能物流电网的核心业务与地理方位、环境信息连接形成信息化的生产管理的综合系统。它提供的物资信息、状态信息、技术信息、生产管理信息、市场信息与山川、河流、地势、城镇、公路街道、楼群，以及气象、水文、地质、资源等自然环境信息集中于统一系统中，通过GIS可查询有关数据、图片、图象、地图、技术资料、管理知识等。
功能服务器可以实现数据终端对高速数据信息的访问与通信，从人员出发，最后回归到人员中，这样的交换式网络访问方法具有带宽高、速度快、成本低等优点，可以提高网络性能，改进可管理性，降低管理成本。
实施例二
如图2所示，基于信息高速交互技术的母线保护系统，包括信息管理端以及与其连接的信息采集端，所述信息采集端包括母线保护装置1和分布保护装置2，所述信息管理端包括数据终端和功能服务器11。
所述分布保护装置设置在电网分支线路上，所述母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接。
所述高速通道包括RS485总线，所述RS485总线连接光电隔离器。
所述分布保护装置包括进线保护器7、出线保护器8以及分别与两者连接的电流采集器9，所述进线保护器连接延时继电器10。
所述母线保护装置包括CPU3以及分别与其连接的比较器4、耦合电容5和以太网接口电路6。
所述数据终端包括固定数据终端15，所述功能服务器包括与多个数据库实现连接的网络服务器平台12，所述网络服务器平台上设置加密存储模块13。
所述固定数据终端包括PC客户端平台20，所述PC客户端平台设置人机交互服务器21及监控装置；所述监控装置包括信息监控装置22和影像监控装置23。
所述加密存储模块包括编码器24和分级存储器25，所述网络服务器平台均通过所述分级存储器与各个数据库连接。
数据采集与简单分析是依靠信息采集端，既可以实现过压电流采集，并进行简单的母线保护和越级跳闸动作判定，采集端包括母线保护装置和分布保护装置，分布保护装置设置在电网分支线路上，母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接，通过这样的一对多互联结构，可以将过压电流采集的任务交给分支线路，而在母线上不采集电流信号，只需要进行多路信号线铺设即可，，母线保护装置使用高速信号线收集信息，并对信号进行不间断的检测。
以10KV开关站的一次设备为例，开关站一次设备的架构基本上都是一致的，进线两路或者一路，出线若干路，基本不超过16路，开关柜都并列在一起；进线为上级，出线为下级，通过信号采集端就能够将故障的位置快速区分在母线和支路出线两个领域，同时又不使用布线麻烦价格昂贵的母差保护，这样就能解决母线短路和线路近距离短路的区分问题。
与实施例一的不同之处在于：本实施例采用固定数据终端管理，包括PC客户端平台，PC客户端平台设置人机交互服务器及监控装置；监控装置包括信息监控装置和影像监控装置，其中，影像监控装置包括高清摄像头以及与其连接的多路录像机，可以实现图像及条码信息的采集与识别登记，信息监控装置主要是检测电子信息运行状况，可以与统计报警模块配合使用实现电子防护，检测到PC机中出现的信息紊乱及外界干扰造成电子信号紊乱，迅速发出报警指令，快速终止当前操作，并进行数据存储与保护，达到综合防护目的。
同时，为实现母线保护的安全可靠，母线保护系统还可以设置针对线路运行状况的环境信息监测模块16，在电网环境中，还可以安装各类传感装置，包括温度传感器、湿度传感器、振动传感器、烟感传感器等，这类传感器连接的无线发送装置可以与信息管理端实现配对连接，从而使管理人员可以轻松采集电网环境的就地信息，并结合网络高速数据信息实现综合管理。
Claims (7)
1.基于信息高速交互技术的母线保护系统，包括信息管理端以及与其连接的信息采集端，其特征在于：所述信息采集端包括母线保护装置和分布保护装置，所述信息管理端包括数据终端和功能服务器，所述数据终端包括移动数据终端或固定数据终端，所述功能服务器包括与多个数据库实现连接的网络服务器平台，所述网络服务器平台上设置加密存储模块；所述移动数据终端包括具有无线网络通信模块和扫描模块的掌上终端设备；所述扫描模块包括影像扫描模块与条码扫描模块。
2.如权利要求1所述的基于信息高速交互技术的母线保护系统，其特征在于：所述分布保护装置设置在电网分支线路上，所述母线保护装置分别与若干个分布保护装置通过高速通道连接。
3.如权利要求2所述的基于信息高速交互技术的母线保护系统，其特征在于：所述高速通道包括RS485总线，所述RS485总线连接光电隔离器。
4.如权利要求1所述的基于信息高速交互技术的母线保护系统，其特征在于：所述分布保护装置包括进线保护器、出线保护器以及分别与两者连接的电流采集器，所述进线保护器连接延时继电器。
5.如权利要求1所述的基于信息高速交互技术的母线保护系统，其特征在于：所述母线保护装置包括CPU以及分别与其连接的比较器、耦合电容和以太网接口电路。
6.如权利要求1所述的基于信息高速交互技术的母线保护系统，其特征在于：所述固定数据终端包括PC客户端平台，所述PC客户端平台设置人机交互服务器及监控装置；所述监控装置包括信息监控装置和影像监控装置。
7.如权利要求1所述的基于信息高速交互技术的母线保护系统，其特征在于：所述加密存储模块包括编码器和分级存储器，所述网络服务器平台均通过所述分级存储器与各个数据库连接。
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