CN112444759A - 三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法及系统 - Google Patents

三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法及系统 Download PDF

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CN112444759A CN202011245559.2A CN202011245559A CN112444759A CN 112444759 A CN112444759 A CN 112444759A CN 202011245559 A CN202011245559 A CN 202011245559A CN 112444759 A CN112444759 A CN 112444759A
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Abstract

本发明公开了一种三相三电平整流器的故障诊断方法及系统，属于电力电子设备故障诊断技术领域，目的是实现对其功率开关器件开路故障的识别与定位。本发明采用相间极电压的期望值和实际值的偏差作为诊断变量，采用一种筛选计算方法对诊断变量进行计算，进而减小了计算误差，保证了诊断的准确性。计算该诊断变量只需要整流器控制系统内已有的电压电流信号，因此无需增加额外硬件即可实现低成本的故障诊断。针对不同的故障特征段采用不同的电压阈值，并根据直流侧电压实时更新电压阈值，提高诊断速度的同时，又能确保较高的鲁棒性。采用一种诊断结果核验的方法扩展了可诊断的故障类型数量，使本发明可以实现对整流器中所有功率开关器件的故障诊断。

Description

三相三电平整流器功率开关器件开路故障诊断方法及系统
技术领域
本发明属于电力电子设备故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法及系统。
背景技术
三电平变换器相较于传统的两电平变换器，以其具有更高的效率和更低电流谐波等优点，被广泛应用于高压高功率场合。但是由于其具有更多的功率开关器件，且这些器件长期工作于高频开关状态，因此是变换器中最容易发生故障的环节之一。对于功率开关器件的开路故障，采取容错控制可以使变换器系统维持较高的性能持续运行。而故障诊断是实现容错控制的必要条件，因为对于不同的故障开关需采取不同的容错控制策略。因此，当变换器发生功率开关器件开路故障时，准确和快速地对故障进行识别和定位是提高变换器可靠性的重要措施。
目前，对三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断研究主要集中在基于信号的方法、基于模型的方法和基于人工智能的方法。基于信号的方法对故障前后的可测信号进行简单的计算和分析，实现故障定位，根据信号的类型又可以分为电流法和电压法。其中电流法有帕克电流矢量角法、归一化平均电流法和电流零区法等。这些方法原理简单，但诊断速度较慢，且对负载的依赖性强。电压法的诊断速度有所提高，但是通常需要额外的传感器或测量电路对电压进行测量，诊断的成本较高。基于模型的方法建立数学模型对信号进行计算，通过对预测信号和实际信号的残差进行分析来实现故障诊断，因此无需额外硬件，且诊断速度较快，但是其诊断速度和鲁棒性还有待提高。基于知识的方法主要采用小波变换、神经网络、支持向量机等理论对电路中的电压、电流信号进行信号处理和故障分类，实现对故障开关器件的准确定位。这类方法普遍计算量大、诊断速度较慢。
因此，对三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法进行研究，提高诊断方法的速度、适用性和鲁棒性等，具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法及系统，能够对三电平整流器中所有功率开关器件的开路故障实现快速、低成本、高鲁棒性的识别和定位。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法，包括：
(1)选择当前时刻k整流器的X相与Y相之间的相间极电压的期望值
Figure BDA0002769897320000021
和相间极电压的实际值VXY(k)，将两者的偏差值ΔVXY(k)作为诊断变量，其中，XY＝AB,BC,CA；
(2)从整流器控制系统中获取诊断所需的电压电流信息，采用筛选方式对诊断变量ΔVXY(k)进行计算；
(3)根据开关在不同时刻故障时的故障特征，对故障区段进行分类，针对当前故障区段更新当前时刻的诊断阈值THXY(k)；
(4)根据诊断变量ΔVXY(k)和诊断阈值THXY(k)判断诊断变量是否超出阈值范围及其极性；
(5)根据上述判断结果对内开关管故障进行识别和定位；
(6)对故障诊断结果进行核验，验证诊断结果是否正确，并对可能被误诊断为内开关管故障的外开关管故障的诊断结果进行修正，实现外开关故障的识别和定位。
在一些可选的实施方案中，由
Figure BDA0002769897320000022
得到相间极电压的期望值
Figure BDA0002769897320000031
由
Figure BDA0002769897320000032
得到相间极电压的实际值VXY(k)，其中，VDC(k)是当前时刻整流器的直流侧电压；SX(k)和SY(k)分别是整流器X相和Y相的开关控制信号，SX(k)＝1表示开关SX1和SX2导通而SX3和SX4关断，SX(k)＝0表示开关SX2和SX3导通而SX1和SX4关断，SX(k)＝-1表示开关SX3和SX4导通而SX1和SX2关断；EX(k)和EY(k)分别是整流器X相和Y相的交流侧电压；IX(k)和IY(k)分别是整流器X相和Y相的交流侧电流；R是整流器交流侧等效电阻；L是整流器交流侧电感；T为采样间隔时间，k表示当前时刻采样点，k-1表示上一时刻采样点。
在一些可选的实施方案中，步骤(2)包括：
如果采样点k与k-1之间没有三相开关控制信号的切换，即满足SA(k)＝SA(k-1)、SB(k)＝SB(k-1)和SC(k)＝SC(k-1)时，则
Figure BDA0002769897320000034
若SA(k)＝SA(k-1)、SB(k)＝SB(k-1)和SC(k)＝SC(k-1)中有一条不满足时，不对ΔVXY(k)进行计算，将当前时刻的ΔVXY(k)视为零。
在一些可选的实施方案中，步骤(3)包括：
对于内开关管的故障诊断，将故障区段分为电流零区和电流非零区，对不同的区段设定不同的阈值：
Figure BDA0002769897320000033
其中，V是预设值，其为一个较小的常数；IXY(k)＝0表示IX或IY处于电流零区，IXY(k)＝1表示IX和IY均处于电流非零区，VDC(k)是当前时刻整流器的直流侧电压；
对于电流零区和非零区的定义，考虑电流噪声和波动，给出如下定义：
Figure BDA0002769897320000041
其中，ITH是电流阈值。
在一些可选的实施方案中，步骤(4)包括：
由
Figure BDA0002769897320000042
得到指示诊断变量是否超出阈值范围[-THXY(k),THXY(k)]及其极性的变量FXY(k)。
在一些可选的实施方案中，步骤(5)包括：
内开关管故障与变量FXY(k)之间的对应关系为：
在SA2故障时，FAB＝1，FBC＝0，FCA＝-1；
在SA3故障时，FAB＝-1，FBC＝0，FCA＝1；
在SB2故障时，FAB＝-1，FBC＝1，FCA＝0；
在SB3故障时，FAB＝1，FBC＝-1，FCA＝0；
在SC2故障时，FAB＝0，FBC＝-1，FCA＝1；
在SC3故障时，FAB＝0，FBC＝1，FCA＝-1。
在一些可选的实施方案中，步骤(6)包括：
在完成故障诊断后的预设电流周期内，三个诊断变量ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)至少在某一时刻有一个值大于阈值TH(k)，则诊断结果是正确的，用Fcheck＝1表示；反之，在完成故障诊断后的预设电流周期内，ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)所有采样点的值均不超过阈值TH(k)，则诊断结果错误，用Fcheck＝0表示，其中，阈值TH(k)设定为VDC(k)/2+V。
在一些可选的实施方案中，当Fcheck＝0时，诊断结果、Fcheck、核验结果的对应关系如下：
SA2故障
Figure BDA0002769897320000051
SA3故障
Figure BDA0002769897320000052
SB2故障
Figure BDA0002769897320000053
SB3故障
Figure BDA0002769897320000054
SC2故障
Figure BDA0002769897320000055
SC3故障
Figure BDA0002769897320000056
按照本发明的另一方面，提供了一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断系统，包括：
诊断变量确定模块，用于选择当前时刻k整流器的X相与Y相之间的相间极电压的期望值
Figure BDA0002769897320000057
和相间极电压的实际值VXY(k)，将两者的偏差值ΔVXY(k)作为诊断变量，其中，XY＝AB,BC,CA；
诊断变量计算模块，用于从整流器控制系统中获取诊断所需的电压电流信息，采用筛选方式对诊断变量ΔVXY(k)进行计算；
诊断阈值确定模块，用于根据开关在不同时刻故障时的故障特征，对故障区段进行分类，针对当前故障区段更新当前时刻的诊断阈值THXY(k)；
极性确定模块，用于根据诊断变量ΔVXY(k)和诊断阈值THXY(k)判断诊断变量是否超出阈值范围及其极性；
诊断模块，用于根据上述判断结果对内开关管故障进行识别和定位；
修正模块，用于对故障诊断结果进行核验，验证诊断结果是否正确，并对可能被误诊断为内开关管故障的外开关管故障的诊断结果进行修正，实现外开关故障的识别和定位。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)通过步骤(6)，本发明采用一种诊断结果核验的方法可以实现对三相三电平整流器中所有功率开关器件开路故障的快速识别和定位；
(2)通过步骤(2)，本发明采用一种筛选计算方法对相间极电压偏差进行计算，减小了计算误差，提高了诊断的准确性；
(3)本发明只需要整流器控制系统内已有的电压电流信号，因此无需增加额外硬件即可实现低成本的故障诊断；
(4)通过步骤(3)，本发明采用分段实时更新的阈值，在提高诊断速度的同时，又能确保较高的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器的拓扑结构图及其功率开关器件开路故障诊断方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器内开关管开路故障的诊断结果图；
图3是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器外开关管开路故障的诊断结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是本发明实施例提供的一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法，包含以下步骤：
S1：从整流器控制系统中获取诊断所需的信息；
三相三电平整流器采样获得的交流侧三相电压(EA(k)、EB(k)、EC(k))、三相电流(IA(k)、IB(k)、IC(k))和直流侧电压(VDC(k))送入控制系统。控制系统根据以上信号以及储存的交流侧电感(L)和等效电阻(R)等信息，经运算得到每相功率开关器件的控制信号(SA(k)、SB(k)、SC(k))并送入整流器，从而使整流器按控制目标运行。因此控制系统具有诊断所需的所有信息，将上述信息用于计算诊断变量和更新阈值。
对于整流器的X相，X＝A,B,C，将其四个功率开关管分类为两个外开关管SX1和SX4以及两个内开关管SX2和SX3，因此整流器共由六个外开关管和六个内开关管构成。
S2：计算相间极电压偏差；
以AB相间极电压为例，AB相间极电压的期望值
Figure BDA0002769897320000071
Figure BDA0002769897320000072
其中，k表示第k次采样。
AB相间极电压的实际值VAB(k)：
Figure BDA0002769897320000073
其中，T为采样间隔时间。
AB相间极电压偏差ΔVAB(k)：当满足条件SA(k)＝SA(k-1)、SB(k)＝SB(k-1)和SC(k)＝SC(k-1)时，
Figure BDA0002769897320000081
当条件SA(k)＝SA(k-1)、SB(k)＝SB(k-1)和SC(k)＝SC(k-1)中有一条件不满足时，ΔVAB(k)＝0。
同理，计算BC相间极电压偏差ΔVBC(k)和CA相间极电压偏差ΔVCA(k)。
S3：确定故障区段并实时更新阈值；
在步骤S3中分析不同开关在不同时刻故障时的故障特征，若不考虑误差：整流器正常工作时，三个诊断变量ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)均为零；当出现开关开路故障时，根据故障开关、电流和开关控制信号的不同，诊断变量有不同的值，如下表1所示：
表1
Figure BDA0002769897320000082
对于内开关管的故障诊断，确定阈值的具体方法为：
以AB相为例，确定电流零区和非零区：
Figure BDA0002769897320000083
其中，IAB(k)＝0表示IA或IB处于电流零区，IAB(k)＝1表示IA和IB均处于电流非零区，ITH是电流阈值，可取5％的电流幅值。
同理，确定BC相和CA相的电流零区和非零区。
以AB相为例，更新主要阈值：
Figure BDA0002769897320000091
其中，V是一个较小的常数，可取2％VDC。
同理，更新BC相和CA相的主要阈值。
更新诊断结果核验所需的阈值：
Figure BDA0002769897320000092
S4：判断诊断变量是否超出主要阈值范围及其极性；
以AB相为例，指示ΔVAB(k)是否超出范围[-THAB(k),THAB(k)]及其极性的变量FAB(k)为：
Figure BDA0002769897320000093
同理，确定BC相和CA相的指示变量FBC(k)和FCA(k)。
S5：识别和定位内开关管故障；
获得FAB(k)、FBC(k)和FCA(k)之后，可以根据表2对内开关管故障进行定位。
表2内开关管故障诊断
Figure BDA0002769897320000094
Figure BDA0002769897320000101
S6：核验诊断结果(识别和定位外开关管故障)。
得到步骤S5的诊断结果后，判断ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)是否大于阈值TH(k)。若在1/8电流周期内，ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)中任一变量至少有一个采样点的值大于阈值TH(k)，则诊断结果是正确的，用Fcheck＝1表示；反之，若在1/8电流周期内，ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)所有采样点的值均不超过阈值TH(k)，则诊断结果错误，用Fcheck＝0表示。当Fcheck＝0时，对诊断结果进行修正为相应的外开关管故障，如表3所示。以步骤S5的诊断结果是SA2开路故障为例，若Fcheck＝1，则表明诊断结果正确，是SA2开路故障；若Fcheck＝0，则表明诊断结果有误，修正为SA1开路故障。
表3诊断结果修正(外开关管故障诊断)
Figure BDA0002769897320000102
为了更加清楚地描述该实例，图2和图3给出了该实例下的诊断结果，所用参数如表4所示。
表4实例所用参数
Figure BDA0002769897320000103
Figure BDA0002769897320000111
如图2所示，在1.03s时开关SA2开路故障，故障后ΔVAB(k)迅速增大至ΔVAB(k)＞THAB(k)，使FAB(k)＝1；ΔVCA(k)迅速减小至ΔVCA(k)＜-THCA(k)，使FCA(k)＝-1；而ΔVBC(k)始终在阈值范围内，FBC(k)＝0。因此根据表2，开关SA2被诊断为开路故障，诊断时间约为0.3ms。并且在识别到SA2开路故障后的1/8电流周期内检测到ΔVAB(k)＞TH(k)，即Fcheck＝1，因此根据表3可以验证诊断正确。
如图3所示，在1.03s时开关SA1开路故障，故障后ΔVAB(k)迅速增大至ΔVAB(k)＞THAB(k)，使FAB(k)＝1；ΔVCA(k)迅速减小至ΔVCA(k)＜-THCA(k)，使FCA(k)＝-1；而ΔVBC(k)始终在阈值范围内，FBC(k)＝0。因此根据表2，开关SA2被诊断为开路故障。但是在识别到SA2开路故障后的1/8电流周期内ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)均在阈值范围[-TH(k),TH(k)]内，因此Fcheck＝0。根据表3修正诊断结果为SA1开路故障，诊断时间约为3ms。
以上结果证明了本发明可以实现对三相三电平整流器所有功率开关器件的开路故障诊断，且保证了对系统影响较大的内开关管故障诊断速度和准确性，并且总体诊断速度较快。
本申请还提供了一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断系统，包括：
诊断变量确定模块，用于选择当前时刻k整流器的X相与Y相之间的相间极电压的期望值
Figure BDA0002769897320000112
和相间极电压的实际值VXY(k)，将两者的偏差值ΔVXY(k)作为诊断变量，其中，XY＝AB,BC,CA；
诊断变量计算模块，用于从整流器控制系统中获取诊断所需的电压电流信息，采用筛选方式对诊断变量ΔVXY(k)进行计算；
诊断阈值确定模块，用于根据开关在不同时刻故障时的故障特征，对故障区段进行分类，针对当前故障区段更新当前时刻的诊断阈值THXY(k)；
极性确定模块，用于根据诊断变量ΔVXY(k)和诊断阈值THXY(k)判断诊断变量是否超出阈值范围及其极性；
诊断模块，用于根据上述判断结果对内开关管故障进行识别和定位；
修正模块，用于对故障诊断结果进行核验，验证诊断结果是否正确，并对可能被误诊断为内开关管故障的外开关管故障的诊断结果进行修正，实现外开关故障的识别和定位。
其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现方法实施例中的三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断方法，其特征在于，包括：
(1)选择当前时刻整流器的X相与Y相之间的相间极电压的期望值和相间极电压的实际值，将两者的偏差值作为诊断变量；
(2)从整流器控制系统中获取诊断所需的电压电流信息，采用筛选方式对诊断变量进行计算；
(3)根据开关在不同时刻故障时的故障特征，对故障区段进行分类，针对当前故障区段更新当前时刻的诊断阈值；
(4)根据诊断变量和诊断阈值判断诊断变量是否超出阈值范围及其极性；
(5)根据上述判断结果对内开关管故障进行识别和定位；
(6)对故障诊断结果进行核验，验证诊断结果是否正确，并对可能被误诊断为内开关管故障的外开关管故障的诊断结果进行修正，实现外开关故障的识别和定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
由
Figure FDA0002769897310000011
得到相间极电压的期望值
Figure FDA0002769897310000012
由
Figure FDA0002769897310000013
得到相间极电压的实际值VXY(k)，其中，VDC(k)是当前时刻整流器的直流侧电压；SX(k)和SY(k)分别是整流器X相和Y相的开关控制信号，SX(k)＝1表示开关SX1和SX2导通而SX3和SX4关断，SX(k)＝0表示开关SX2和SX3导通而SX1和SX4关断，SX(k)＝-1表示开关SX3和SX4导通而SX1和SX2关断；EX(k)和EY(k)分别是整流器X相和Y相的交流侧电压；IX(k)和IY(k)分别是整流器X相和Y相的交流侧电流；R是整流器交流侧等效电阻；L是整流器交流侧电感；T为采样间隔时间，k表示当前时刻采样点，k-1表示上一时刻采样点，XY＝AB,BC,CA。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
如果采样点k与k-1之间没有三相开关控制信号的切换，即满足SA(k)＝SA(k-1)、SB(k)＝SB(k-1)和SC(k)＝SC(k-1)时，则
Figure FDA0002769897310000021
若SA(k)＝SA(k-1)、SB(k)＝SB(k-1)和SC(k)＝SC(k-1)中有一条不满足时，不对ΔVXY(k)进行计算，将当前时刻的ΔVXY(k)视为零，ΔVXY(k)表示X相与Y相之间的相间极电压的期望值和相间极电压的实际值之间的偏差值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：
对于内开关管的故障诊断，将故障区段分为电流零区和电流非零区，对不同的区段设定不同的诊断阈值THXY(k)：
Figure FDA0002769897310000022
其中，V是预设值，其为一个较小的常数；IXY(k)＝0表示IX或IY处于电流零区，IXY(k)＝1表示IX和IY均处于电流非零区，VDC(k)是当前时刻整流器的直流侧电压；
对于电流零区和非零区的定义，考虑电流噪声和波动，给出如下定义：
Figure FDA0002769897310000023
其中，ITH是电流阈值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：
由
Figure FDA0002769897310000031
得到指示诊断变量ΔVXY(k)是否超出阈值范围[-THXY(k),THXY(k)]及其极性的变量FXY(k)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括：
内开关管故障与变量FXY(k)之间的对应关系为：
在SA2故障时，FAB＝1，FBC＝0，FCA＝-1；
在SA3故障时，FAB＝-1，FBC＝0，FCA＝1；
在SB2故障时，FAB＝-1，FBC＝1，FCA＝0；
在SB3故障时，FAB＝1，FBC＝-1，FCA＝0；
在SC2故障时，FAB＝0，FBC＝-1，FCA＝1；
在SC3故障时，FAB＝0，FBC＝1，FCA＝-1。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)包括：
在完成故障诊断后的预设电流周期内，三个诊断变量ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)至少在某一时刻有一个值大于阈值TH(k)，则诊断结果是正确的，用Fcheck＝1表示；反之，在完成故障诊断后的预设电流周期内，ΔVAB(k)、ΔVBC(k)和ΔVCA(k)所有采样点的值均不超过阈值TH(k)，则诊断结果错误，用Fcheck＝0表示，其中，阈值TH(k)设定为VDC(k)/2+V。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当Fcheck＝0时，诊断结果、Fcheck、核验结果的对应关系如下：
SA2故障
Figure FDA0002769897310000032
SA3故障
Figure FDA0002769897310000033
SB2故障
Figure FDA0002769897310000041
SB3故障
Figure FDA0002769897310000042
SC2故障
Figure FDA0002769897310000043
SC3故障
Figure FDA0002769897310000044
9.一种三相三电平整流器功率开关器件的开路故障诊断系统，其特征在于，包括：
诊断变量确定模块，用于选择当前时刻整流器的X相与Y相之间的相间极电压的期望值和相间极电压的实际值，将两者的偏差值作为诊断变量；
诊断变量计算模块，用于从整流器控制系统中获取诊断所需的电压电流信息，采用筛选方式对诊断变量进行计算；
诊断阈值确定模块，用于根据开关在不同时刻故障时的故障特征，对故障区段进行分类，针对当前故障区段更新当前时刻的诊断阈值；
极性确定模块，用于根据诊断变量和诊断阈值判断诊断变量是否超出阈值范围及其极性；
诊断模块，用于根据上述判断结果对内开关管故障进行识别和定位；
修正模块，用于对故障诊断结果进行核验，验证诊断结果是否正确，并对可能被误诊断为内开关管故障的外开关管故障的诊断结果进行修正，实现外开关故障的识别和定位。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
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