CN106300390B - 多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法及装置,其中,方法包括以下步骤:获取控制系统中滤波后的多个反馈信号;根据滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率;根据多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整控制系统中多振荡模态中每个振荡模态的增益值;根据所述每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。该控制方法可以兼顾多振荡模态,自动适应扰动大小,在多模态间分配控制容量,实现变增益控制,避免补偿信号的深度限幅。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域,特别涉及一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法及装置。
背景技术
自上世纪七十年代发生SSO(Subsynchronous Oscillation,次同步振荡)损坏机组轴系的事件以来,国内外学者开展了大量的研发工作,提出了很多防控SSO的方法。其中,SEDC(supplementary excitation damping controller,附加励磁阻尼控制器)和GTSDC(generator terminal subsynchronous damping controller,机端次同步阻尼控制器)是工程上常用的有效抑制措施。
然而,在实际工程中,SEDC和GTSDC等次同步振荡抑制措施的控制需要考虑如下两个问题:
(1)振荡的多元性
次同步振荡的模态及频率并非固定不变。就线路串补引发的次同步振荡而言,线路的调整、串补度的改变、故障的出现都有可能导致次同步振荡频率和模态的改变。就风电与交流电网相互作用引发的次同步振荡而言,振荡频率可能因风机台数、出力、控制器参数的变化而变化。另外,直流工程也可能会引起低频模态的振荡。因而实际发生的次同步振荡可能是不同模态甚至多模态同时存在的。
(2)控制设备容量约束
提高增益往往可以提高抑制措施的补偿效果。但实际工程中,补偿装置的容量是有限的(例如SEDC的容量受限于励磁机),且实际振荡的扰动幅度不确定,如果增益太高,就可能导致补偿信号长期深度限幅,导致正常励磁功能受损,或者输出波形发生畸变,产生不利于电网和机组的谐波。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本发明的一个目的在于提出一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,该方法可以避免补偿信号的深度限幅和波形畸变,简单便捷。
本发明的另一个目的在于提出一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置。
为达到上述目的,本发明一方面实施例提出了一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,包括以下步骤:获取控制系统中滤波后的多个反馈信号;根据所述滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率;根据所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整所述控制系统中所述多振荡模态中每个振荡模态的增益值;根据所述每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在所述多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。
本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,通过对各模态振幅和衰减率的计算,从而可以兼顾多振荡模态,自动适应扰动大小,实现了变增益控制,从而实现了多模态间的容量分配,避免补偿信号的深度限幅和波形畸变,适用于SEDC、GTSDC等次同步振荡抑制措施的控制。
另外,根据本发明上述实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,在得到所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率之后,还包括:分别获取所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值;对所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值进行惯性或滤波处理。
进一步地,在本发明的一个实施例中,振荡模态的幅值的计算公式为:
其中,Ai为振荡模态i的幅值,ωm,kT为该模态第kT个周期的最大值,k=n为当前时刻对应的周期,M为取平均值所使用的周期数。
进一步地,在本发明的一个实施例中,衰减率的计算公式为:
其中,σi为振荡模态i的衰减率,nT为当前时刻对应的周期,ωm,nT为该模态第nT个周期的最大值,N为取平均值所使用的周期数,ωm,(n-N+1)T为该模态第(n-N+1)T个周期的最大值。
进一步地,在本发明的一个实施例中,各模态按系数pi分配到的容量的计算公式为:
其中,Ui为各模态的输出信号,kΣ为限幅程度,±Umax为总输出信号的限幅值,pi为容量分配系数。
为达到上述目的,本发明另一方面实施例提出了一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,包括:计算模块,用于获取控制系统中滤波后的多个反馈信号,并且根据所述滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率;控制模块,用于根据所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整所述控制系统中所述多振荡模态中每个振荡模态的增益值;限幅模块,用于根据所述每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在所述多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。
本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,通过对各模态振幅和衰减率的计算,从而可以兼顾多振荡模态,自动适应扰动大小,实现了变增益控制,从而实现了多模态间的容量分配,避免补偿信号的深度限幅和波形畸变,适用于SEDC、GTSDC等次同步振荡抑制措施的控制。
另外,根据本发明上述实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述控制模块还用于分别获取所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值,并且对所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值进行惯性或滤波处理。
进一步地,在本发明的一个实施例中,幅值的计算公式为:
其中,Ai为振荡模态i的幅值,ωm,kT为该模态第kT个周期的最大值,k=n为当前时刻对应的周期,M为取平均值所使用的周期数。
进一步地,在本发明的一个实施例中,衰减率的计算公式为:
其中,σi为振荡模态i的衰减率,nT为当前时刻对应的周期,ωm,nT为该模态第nT个周期的最大值,N为取平均值所使用的周期数,ωm,(n-N+1)T为该模态第(n-N+1)T个周期的最大值。
进一步地,在本发明的一个实施例中,各模态按系数pi分配到的容量的计算公式为:
其中,Ui为各模态的输出信号,kΣ为限幅程度,±Umax为总输出信号的限幅值,pi为容量分配系数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为根据本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法的流程图;
图2为根据本发明一个实施例的次同步振荡抑制的基本控制系统的结构示意图;
图3为根据本发明一个实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制系统的结构示意图;
图4为根据本发明一个实施例的模态限幅模块的最小限幅值示意图;
图5为根据本发明一个实施例的单个模态的简化控制的原理示意图;
图6为根据本发明一个具体实施例的适用于SEDC的控制方法系统的结构示意图;
图7为根据本发明一个具体实施例的单个模态的简化控制的原理示意图;
图8为根据本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法及装置,首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法。
图1是本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法的流程图。
如图1所示,该多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法包括以下步骤:
在步骤S101中,获取控制系统中滤波后的多个反馈信号。
可以理解的是,图2为次同步振荡抑制的基本控制系统,而图3为多模态次同步振荡的自适应阻尼控制系统的结构示意图。结合图2与图3所示,本发明实施例增加了幅值与衰减率计算模块、自适应增益控制模块、模态限幅模块。
其中,为了便于说明,定义变量如下:各模态的模式控制规律的增益取设计值Gi0,各模态总的增益是Gi,幅值与衰减率计算模块输出的各模态幅值和衰减率分别为Ai和σi,自适应增益控制模块输出的各模态增益为Ki,各模态的输出信号是Ui,总输出信号的限幅值为±Umax,模态限幅模块的最大和最小限幅值分别为Kimax和Kimin。
在步骤S102中,根据滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率。
其中,在本发明的一个实施例中,在得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率之后,还包括:分别获取多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值;对多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值进行惯性或滤波处理。
进一步地,在本发明的一个实施例中,振荡模态的幅值的计算公式为:
其中,Ai为振荡模态i的幅值,ωm,kT为该模态第kT个周期的最大值,k=n为当前时刻对应的周期,M为取平均值所使用的周期数。
进一步地,在本发明的一个实施例中,衰减率的计算公式为:
其中,σi为振荡模态i的衰减率,nT为当前时刻对应的周期,ωm,nT为该模态第nT个周期的最大值,N为取平均值所使用的周期数,ωm,(n-N+1)T为该模态第(n-N+1)T个周期的最大值。
也就是说,在本发明的实施例中,幅值与衰减率计算模块的输出应取一段时间的平均值,且可增加惯性或滤波环节,使输出结果较为平滑,避免数值变化太快。一般来说,可以连续检测输入信号每个周期的最大值ωm,kT,取M个周期作平均计算信号幅值:
取N个周期作平均计算信号衰减率:
式(1)(2)中T表示信号的周期,nT表示当前时刻对应的周期。
在步骤S103中,根据多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整控制系统中多振荡模态中每个振荡模态的增益值。
其中,在本发明的一个实施例中,自适应增益控制模块可以满足如下设计原则:
(1)振幅Ai较大的模态,Ki较大;
(2)衰减率σi较大的模态,Ki较小;
(3)扰动较大时,总输出信号幅值接近与Umax成比例的定值。
在步骤S104中,根据每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。
进一步地,在本发明的一个实施例中,各模态按系数pi分配到的容量的计算公式为:
其中,Ui为各模态的输出信号,kΣ为限幅程度,±Umax为总输出信号的限幅值,pi为容量分配系数,即为与增益设计值、模态振幅、模态衰减率相关的容量分配系数。
具体而言,本发明实施例的方法可以实现多模态间的容量分配,容量分配系数应与增益设计值、模态振幅、模态衰减率相关,可定义为:
pi=f(Gi0,Ai,σi), (3)
根据前述原则(3),各模态按系数pi分配到的容量为:
其中,kΣ表征限幅程度,可取大于1的值,使输出信号适度限幅。
此时,各模态总的增益为:
自适应增益控制模块的输出为:
该输出应满足前述原则(1)(2)。
其中,在分配容量时,模态限幅模块可以针对不同模态分别进行限幅,具体如下:
当部分模态振荡时,未振荡的模态分配的容量将非常小,为了保证足够的抑制效果,模态的总增益可取恒定的较大值Gimax。可设定模态限幅模块的最大限幅值为常量:
Kimax=Gimax/Gi0, (7)
同时可设定一个振荡幅值起始值Aimin,模态振幅小于振荡起始值时,限幅模块的最小限幅值也取为:
Kimin=Gimax/Gi0(Ai<Aimin), (8)
当多个模态振荡时,可能有部分模态分配的容量非常小,不足以保证对振荡模态的抑制,因此必须保证各模态最小容量的分配。设最小容量分配系数是kmin,则振荡模态的最小输出信号Ui=kminUmax。可设定当模态振幅大于振荡幅值起始值Aimin时,各限幅模块的最小限幅值为:
式(8)(9)在Ai=Aimin时取值应相同,联立可得振荡起始值为:
Kimin随模态振幅的增大而减小,始终保证最小容量的分配,如图4所示。
图5为单个模态的简化控制的原理示意图,即为对单个模态的简化控制系统。在本发明的实施例中,通过增加的幅值与衰减率计算模块、自适应增益控制模块、模态限幅模块,从而可以根据滤波后的反馈信号,实时计算各模态的幅值与衰减率,并根据幅值和衰减率的大小,自适应地调整控制系统中各模态的增益大小,从而在各模态间分配容量。
举例而言,如图6所示,反馈信号是轴系转速Δω,各模式滤波器增益为1,转速滤波后得到模态转速Δωi(i=1,2,..,n),各模态的模式控制规律的增益取设计值Gi0,各模态总的增益是Gi,幅值与衰减率计算模块输出的各模态幅值和衰减率分别为Ai和σi;自适应增益控制模块输出的各模态增益为Ki,各模态的输出信号是Ufi,AVR输出信号的幅值为Uf0,总输出信号的限幅值为±Ufmax,模态限幅模块的最大和最小限幅值分别为Kimax和Kimin。
首先,连续检测输入信号每个周期的最大值ωm,kT,取5个周期作平均计算信号幅值:
取10个周期作平均计算信号衰减率:
式(11)(12)中T表示信号的周期,nT表示当前时刻对应的周期。
其次,根据原则(1)(2),可设定:
Ki=K(Ai-ασi), (13)
式中α是常系数,决定了衰减率对Ki的影响程度;K是待定的比例系数。
各模态总的增益为:
Gi=Gi0×K(Ai-ασi), (14)
根据原则(3),可设定:
Uf0+∑GiAi=kΣUfmax, (15)
kΣ表征限幅程度,可取大于1的值,使输出信号适度限幅。
联立式(14)(15)可得:
由式(13)得到自适应增益控制模块的输出为:
各模态分配到的容量为:
对应发明内容中的容量分配系数为:
pi=f(Gi0,Ai,σi)=Gi0Ai(Ai-ασi), (19)
最后,若增益设计值Gi0合适,可直接取Gimax=Gi0,此时模态限幅模块的最大限幅值为常量:
Kimax=Gimax/Gi0=1, (20)
最小容量分配系数取kmin=5%,由式(10)得振荡起始值为:
由式(8)(9)可得模态限幅模块的最小限幅值为:
其中,单个模态的简化控制系统如图7所示。
根据本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,通过对各模态振幅和衰减率的计算,从而可以兼顾多振荡模态,自动适应扰动大小,实现了变增益控制,从而实现了多模态间的容量分配,避免补偿信号的深度限幅和波形畸变,适用于SEDC、GTSDC等次同步振荡抑制措施的控制。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置。
图8是本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置的结构示意图。
如图8所示,该多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置10包括:计算模块100、控制模块200和限幅模块300。
其中,计算模块100(相当于上述的幅值与衰减率计算模块)用于获取控制系统中滤波后的多个反馈信号,并且根据滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率。控制模块200(相当于上述的自适应增益控制模块)用于根据多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整控制系统中多振荡模态中每个振荡模态的增益值。限幅模块300(相当于上述的模态限幅模块)用于根据每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。本发明实施例的自适应阻尼控制装置10可以兼顾多振荡模态,自动适应扰动大小,在多模态间分配控制容量,实现变增益控制,避免补偿信号的深度限幅。
其中,在本发明的一个实施例中,控制模块200还用于分别获取多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值,并且对多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值进行惯性或滤波处理。
进一步地,在本发明的一个实施例中,振荡模态的幅值的计算公式为:
其中,Ai为振荡模态i的幅值,ωm,kT为该模态第kT个周期的最大值,k=n为当前时刻对应的周期,M为取平均值所使用的周期数。
进一步地,在本发明的一个实施例中,衰减率的计算公式为:
其中,σi为振荡模态i的衰减率,nT为当前时刻对应的周期,ωm,nT为该模态第nT个周期的最大值,N为取平均值所使用的周期数,ωm,(n-N+1)T为该模态第(n-N+1)T个周期的最大值。
进一步地,在本发明的一个实施例中,各模态按系数pi分配到的容量的计算公式为:
其中,Ui为各模态的输出信号,kΣ为限幅程度,±Umax为总输出信号的限幅值,pi为容量分配系数。
需要说明的是,前述对多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,为减少冗余,此处不再赘述。
根据本发明实施例的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,通过对各模态振幅和衰减率的计算,从而可以兼顾多振荡模态,自动适应扰动大小,实现了变增益控制,从而实现了多模态间的容量分配,避免补偿信号的深度限幅和波形畸变,适用于SEDC、GTSDC等次同步振荡抑制措施的控制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取控制系统中滤波后的多个反馈信号;
根据所述滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率,其中,在得到所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率之后,分别获取所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值,对所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值进行惯性或滤波处理;
根据所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整所述控制系统中所述多振荡模态中每个振荡模态的增益值;以及
根据所述每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在所述多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。
2.根据权利要求1所述的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,其特征在于,振荡模态的幅值的计算公式为:
其中,Ai为振荡模态i的幅值,ωm,kT为该模态第kT个周期的最大值,M为取平均值所使用的周期数,k为周期数,n为当前时刻对应的周期数。
3.根据权利要求2所述的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,其特征在于,衰减率的计算公式为:
其中,σi为振荡模态i的衰减率,nT为当前时刻对应的周期,ωm,nT为该模态在周期nT的最大值,N为取平均值所使用的周期数,ωm,(n-N+1)T为该模态第(n-N+1)T个周期的最大值,T为该模态的振荡周期。
4.根据权利要求1所述的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制方法,其特征在于,各模态按系数pi分配到的容量的计算公式为:
其中,Ui为各模态的输出信号,kΣ为限幅程度,Umax为总输出信号的限幅值,pi为容量分配系数。
5.一种多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,其特征在于,包括:
计算模块,用于获取控制系统中滤波后的多个反馈信号,并且根据所述滤波后的多个反馈信号得到多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率;
控制模块,用于根据所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率自适应地调整所述控制系统中所述多振荡模态中每个振荡模态的增益值,其中,在得到所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率之后,分别获取所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值,对所述多振荡模态中每个振荡模态的幅值与衰减率在预设时间段内的平均值进行惯性或滤波处理;
限幅模块,用于根据所述每个振荡模态的增益值进行限幅,进而在所述多振荡模态中每个振荡模态间分配容量。
6.根据权利要求5所述的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,其特征在于,振荡模态的幅值的计算公式为:
其中,Ai为振荡模态i的幅值,ωm,kT为该模态第kT个周期的最大值,M为取平均值所使用的周期数,k为周期数,n为当前时刻对应的周期数。
7.根据权利要求6所述的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,其特征在于,衰减率的计算公式为:
其中,σi为振荡模态i的衰减率,nT为当前时刻对应的周期,ωm,nT为该模态第nT个周期的最大值,N为取平均值所使用的周期数,ωm,(n-N+1)T为该模态第(n-N+1)T个周期的最大值,T为该模态的振荡周期。
8.根据权利要求7所述的多模态次同步振荡的自适应阻尼控制装置,其特征在于,各模态按系数pi分配到的容量的计算公式为:
其中,Ui为各模态的输出信号,kΣ为限幅程度,Umax为总输出信号的限幅值,pi为容量分配系数。
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