CN113655354A - 直流电弧故障定位方法及定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流电弧故障定位方法,适用于对光伏设备产生直流电弧故障的故障点进行定位,所述定位方法包括:选取至少四个基准点;所述光伏设备在发生故障时产生至少一个故障点;所述故障点产生电磁辐射信号,每个所述基准点均接收同一个所述电磁辐射信号;在所述至少四个基准点中任选一个作为第一基准点,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值;根据所述时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及分别到达其他所述基准点的多个距离差;以及根据多个所述距离差计算所述故障点的空间坐标。
Description
技术领域
本发明涉及电磁辐射信号定位领域,尤其是一种直流电弧故障定位方法及定位系统。
背景技术
据不完全统计,光伏系统超过40%的电气火灾都是由直流电弧故障引起的。为此,不仅需要实时监测光伏系统是否发生了直流电弧故障,而且更需要对该故障做出早期预警并进行故障定位。
现有的电弧故障定位方法以电弧电压电流信号为主,基于电弧电磁辐射的定位研究尚处于起步阶段,缺乏较为通用且抗干扰能力较强的电弧故障定位策略。基于现有技术中的问题,针对直流电弧电磁辐射特性设计一种针对光伏系统直流电弧故障定位问题的定位方法,以及基于上述定位方法衍生出相应的定位系统,以求至少部分解决现有技术中所存在的技术问题。
发明内容
针对于现有的技术问题,本发明提供一种直流电弧故障定位方法及定位系统,用于至少部分解决以上技术问题。
本发明实施例一方面提供一种直流电弧故障定位方法,适用于对光伏设备产生直流电弧故障的故障点进行定位,所述定位方法包括:选取至少四个基准点;所述光伏设备在发生故障时产生至少一个故障点;所述故障点产生电磁辐射信号,每个所述基准点均接收同一个所述电磁辐射信号;在所述至少四个基准点中任选一个作为第一基准点,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值;根据所述时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及分别到达其他所述基准点的多个距离差;以及根据多个所述距离差计算所述故障点的空间坐标。
根据本公开的实施例,在所述多个基准点中任选一个作为第一基准点,包括:将所述第一基准点的坐标设置为(0,0,0),其他所述基准点以第一基准点为坐标原点建立空间坐标系。
根据本公开的实施例,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值,包括:以所述第一基准点接收到的所述电磁辐射信号为基准建立其他所述基准点接收到所述电磁辐射信号的表达式;基于所述第一基准点和其他所述基准点接收所述电磁辐射信号的表达式进行快速傅里叶变换得到所述第一基准点和其他基准点基于接收的所述电磁辐射信号的互相关函数;根据维纳辛钦定理,建立所述互相关函数和互功率谱的关系;对于所述互相关函数和互功率谱的关系进行加权滤波,再通过反向傅里叶变换得到时延估计谱;通过所述时延估计谱计算所述时延估计值。
根据本公开的实施例,对于所述互相关函数和互功率谱的关系进行加权滤波,其中加权滤波采用的加权算法包括最大似然加权法。
根据本公开的实施例,通过所述时延估计谱计算所述时延估计值,在所述时延估计谱中选取谱峰对应的横坐标作为所述时延估计值。
根据本公开的实施例,对于所述谱峰的选取包括最小二乘拟合法,通过最小二乘拟合法的模型中的曲线拟合寻找与数据匹配的最佳函数进而选取所述谱峰。
根据本公开的实施例,所述时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及到达相应其他所述基准点的距离差,包括以光速作为所述电磁辐射信号的传播速度对所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及到达相应其他所述基准点的距离差进行计算。
根据本公开的实施例,根据相应的所述距离差计算所述故障点的空间坐标,包括:所述空间坐标为二维坐标,根据所述第一基准点和其他两个基准点的位置关系建立二元方程组求解所述故障点的二维坐标;以及所述空间坐标为三维坐标,根据所述第一基准点和其他三个基准点的位置关系建立二元方程组求解所述故障点的三维坐标。
本发明实施例一方面提供利用一种直流电弧故障定位方法的定位系统,包括:至少四个信号采集单元,在四个所述信号采集单元中选取一个设置在第一基准点,以位于所述第一基准点为坐标原点由其他三个所述信号采集单元分别在所述第一基准点的X向、Y向和Z向形成一个三维坐标系,每个所述信号采集单元均用于采集直流电弧故障输出的辐射信号;每个采集单元的信号输出端均连接有功放单元,用于放大所述辐射信号;以及示波单元,用于显示所述辐射信号。
根据本公开的实施例,所述信号采集单元包括Vivaldi宽带天线。
本发明中提供一种直流电弧故障定位方法。上述定位方法中提出一种基于广义互相关时延估计的光伏设备产生直流电弧故障定位方法,具有较高的通用性,并可较为有效的减小噪声信号对于定位结果的影响。
本发明中还提供一种基于上述定位方法的定位系统,用于对至少部分光伏设备进行关于直流电弧故障的定位。
附图说明
图1是根据本发明的一种示例性实施例的定位方法的流程图;
图2是根据本发明的一种示例性实施例的基准点接收同一个所述电磁辐射信号的示意图;
图3是根据本发明的一种示例性实施例的计算时延估计值的流程图;
图4是根据本发明的一种示例性实施例在时延估计谱选取谱峰中产生栅栏效应的示意图;
图5是根据本发明的一种示例性实施例的故障点和三个基准点之间位置关系的示意图;
图6是根据本发明的另一种示例性实施的定位系统的结构示意图;
图7是根据本发明示意性示出的定位方法和定位系统的演示设备的结构示意图;
图8是根据图7所示的演示设备进行演示试验中四个Vivaldi天线接收到的电磁辐射信号的波形图;其中,(a)为天线1接收的波形图;(b)为天线2接收的波形图;(c)为天线3接收的波形图;(d)为天线4接收的波形图;以及
图9是根据图7所示的演示设备进行演示试验中基本时延估计和广义互相关时延估计的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义,除非另外定义。应注意,这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义,而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下,一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如,“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下,一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如,“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1是根据本发明的一种示例性实施例的定位方法的流程图。
本申请公开一种直流电弧故障定位方法,适用于对光伏设备产生直流电弧故障的故障点进行定位,所述定位方法如图1所示,包括:选取至少四个基准点;所述光伏设备在发生故障时产生至少一个故障点;所述故障点产生电磁辐射信号,每个所述基准点均接收同一个所述电磁辐射信号;在所述至少四个基准点中任选一个作为第一基准点,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值;根据所述时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及分别到达其他所述基准点的多个距离差;以及根据多个所述距离差计算所述故障点的空间坐标。
图2是根据本发明的一种示例性实施例的基准点接收同一个所述电磁辐射信号的结构示意图。
根据本公开的实施例,在产生直流电弧初期,由于电弧燃烧不稳定会向空间辐射高频电磁辐射信号。直流电弧的电磁辐射频谱可以覆盖相当宽的频率范围,可达到特高频区域(300MHz~3000MHz)。
根据本公开的实施例,如图2所示,可以通过在基准点布置的测量天线接收到光伏直流电弧发出的电磁辐射信号。
根据本公开的实施例,对故障点在三维空间中进行定位至少需要三组时延估计值(时延参数),因此,需要在三维空间内设置至少四个基准点。
详细的,以包含四个基准点的定位方法为实施例,在四个基准点中任选一个作为第一基准点,将所述第一基准点设置为x1。
进一步的,以第一基准点作为坐标原点将x1的坐标设置为(0,0,0),其他三个基准点分别设置为x2(0,0,l)、x3(0,l,0)、x4(l,0,0),基于以上述四个基准点建立三维坐标系。应该理解,本公开的实施例不局限于此。例如,可设置其他数量的基准点,如五个或五个以上,具体数量可依据待监测的光伏设备的位置、形状、高度、现场情况以及其他需要考虑的因素进行设置。
进一步的,将其他基准点和第一基准点的距离设置为统一值是为了便于运算。其他基准点和第一基准点在相应方向上的距离也可以是不同的,例如,x2(0,0,2l)、x3(0,l,0)、x4(3l,0,0)等。
图3是根据本发明的一种示例性实施例的计算时延估计值的流程图。
根据本公开的实施例,如图3所示,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值,包括:
以第一基准点接收到的电磁辐射信号为基准建立其他基准点接收到电磁辐射信号的表达式,如式1所示:
式1中,x(t)为基准点的接收信号;s(t)为电磁辐射信号;Δti为电磁辐射信号到达第i个基准点时的时间延迟;n(t)为噪声信号;A为信号衰减幅度。
基于所述第一基准点和其他所述基准点接收所述电磁辐射信号的表达式(式1)进行快速傅里叶变换后离散采样信号表达式,如式2所示:
式2中,s(ω)为直流电弧发生时产生的电磁辐射信号;Δti为电磁辐射信号到达第i个测量天线时的时间延迟;A为信号衰减幅度;n1(ω)和ni(ω)为一对互不相关的噪声信号,二者与s(ω)互不相关。
进一步的,将信号x1(ω)和xi(ω)进行互相关计算,如式3所示:
以x1(第一基准点)x2(第二基准点(其他三个基准点中的一个))为例,R为互相关函数,假定电弧发生源与噪声不相关,则式3简化为式4,如式4所示:
由自相关函数的性质|Rss(ω)|≤Rss(0)可知,当ω=Δt时,Rx1x2达到了最大值,因此,求得Rx1x2峰值对应的ω为两信号之间的时间延迟。
根据维纳辛钦定理,建立所述互相关函数和互功率谱的关系,如式5所示:
式5中,Gx1x2为输入信号x1和x2的互功率谱;F为复列反变换。
对于所述互相关函数和互功率谱的关系进行加权滤波,再通过反向傅里叶变换得到时延估计谱,如式6所示:
通过时延估计谱计算所述时延估计值。
根据本公开的实施例,在所述时延估计谱中选取谱峰对应的横坐标作为所述时延估计值。
根据本公开的实施例,加权滤波采用的加权算法包括但不限于最大似然加权法。
详细的,确定加权算法要综合考虑环境因素,不同的环境条件下,其干扰信号、噪声强弱均可能发生一定改变,在确定加权算法时,应该根据环境特点选择相应的算法。本申请的试验环境中各天线的放置环境基本相同,影响定位的多径现象在两信号中的分布情况与数量也几乎相同且现象不明显。同时环境噪声干扰分布相对均匀,且均值比较低,空旷的环境中噪声信号对定位精度的影响较大,因此,最大似然加权法能够针对高信噪比和低信噪比分别给予大权值和小权值,从而有效抑制噪声的影响,是理论上最佳滤波器。应该理解,本公开的实施例不局限于此。
所采用的加权算法也可采用其他算法,例如,Roth加权法、Scot加权法、Phat加权法、Eckart加权法以及最大似然加权法等。
详细的,上述加权算法及其表达式如表1所示。
表1加权算法及其表达式
Table 4.1 Weighting algorithm and its expression
图4是根据本发明的一种示例性实施例选取谱峰中产生栅栏效应的示意图。
根据本公开的实施例,如图4所示,输入信号经快速傅里叶变换(FFT)处理后加权得到互功率谱,然后通过反向傅里叶变换得到时延估计谱,通过谱峰计算时延估计值。但实际上,FFT计算时会对连续信号进行离散化处理,当相邻谱线间隔较大时,会产生栅栏效应而丢失有用信息。
详细的,假设实际峰值为如图4所示的NR,由于采样频率的限制,峰值计算结果为NG,因此,计算的时延值与真实值间存在误差。为了使计算结果更接近真实值,避免栅栏效应引起的误差,采用最小二乘拟合法改进峰值的选取。
根据本公开的实施例,通过最小二乘拟合法的模型中的曲线拟合寻找与数据匹配的最佳函数进而选取所述谱峰。
详细的,采用最小二乘法可以通过曲线拟合寻找与数据匹配的最佳函数。对于给定的m组数据(xi,yi)(i=1,2,…,m),求解拟合曲线,如式7所示:
式7中,a为待定参数,点xi处的偏差δ,如式8所示:
式8中,i=1,2,…,m。
将拟合曲线与实际数据进行平方和计算,当偏差平方和最小时拟合效果最好,偏差平方和公式如式9所示:
图5是根据本发明的一种示例性实施例的故障点和三个基准点之间位置关系的示意图。
根据本公开的实施例,通过时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及到达相应其他所述基准点的距离差,包括以光速作为所述电磁辐射信号的传播速度对所述第一基准点及到达相应其他所述基准点的距离差进行计算。
根据本公开的实施例,所述空间坐标为二维坐标,根据所述第一基准点和其他两个基准点的位置关系建立二元方程组求解所述故障点的二维坐标。
详细的,如图5所示,计算由故障点产生的电磁辐射信号分别到达x2和x3以及x1的时延Δt12和Δt13。假设故障点的位置坐标为(x,y),电磁辐射信号的传播速度为光速c,则信号到达检测点x1和x2位置以及到达x1和x3位置的距离差Δ12、Δ13,如式10所示:
根据三个基准点的位置关系可建立二元方程组,如式11所示:
通过求解式11方程组可以得到故障点的二维平面位置坐标。
根据本公开的另一个实施例,所述空间坐标为三维坐标,根据所述第一基准点和其他三个基准点的位置关系建立二元方程组求解所述故障点的三维坐标。
详细的,假设三维空间中故障点位置为(x,y,z),设四个基准点坐标分别为x1(0,0,0)、x2(0,0,l)、x3(0,l,0)、x4(l,0,0),列写方程组,如式12所示:
式12中,l为单位距离,Δ12、Δ13和Δ14分别代表基准点x1与x2、x3、x4的距离差,通过解方程组即可求得电弧故障发生位置的空间坐标。
根据本公开的另一个方面提供一种应用上述直流电弧故障定位方法的定位系统包括,至少四个信号采集单元,在四个所述信号采集单元中选取一个设置在第一基准点。以位于所述第一基准点的采集单元为坐标原点其他三个信号采集单元分别设置在第一基准点的X向、Y向和Z向。四个采集单元形成一个三维坐标系,每个所述信号采集单元均用于采集直流电弧故障输出的辐射信号。每个采集单元的信号输出端均连接有用于放大所述辐射信号的功放单元以及用于显示所述辐射信号的示波单元。
图6是根据本发明的另一种示例性实施例的定位系统的结构示意图。
根据本公开的实施例,如图6所示,信号采集单元包括Vivaldi宽带天线,上述Vivaldi宽带天线的数量为四个,包括第一Vivaldi宽带天线11、包括第二Vivaldi宽带天线12、包括第三Vivaldi宽带天线13、包括第四Vivaldi宽带天线14。
根据本公开的实施例,功放单元2包括但不限于功率放大器,示波单元3包括但不限于示波器。应该理解,本公开的实施例不局限于此。
例如,采集单元也可采用其他能够接收电磁辐射信号的天线,如对数周期天线、喇叭天线、锥形天线、分形天线等。
例如,功放单元和示波单元也可采用其他具有对信号进行功率方法作用,以及对于信号具有收集、显示作用的其他设备。
进一步的,功放单元、示波单元和采集单元也可至少任意两个形成组件,例如,采用某个具有对电磁辐射信号进行接收、采集和显示的整体设备。或者也可将采用具有将接收的电磁辐射信号形成时延估计值的其他设备。
基于上述定位方法和定位系统构建一个演示设备用以验证定位方法和定位系统的准确性。
图7是根据本发明示意性示出的定位方法和定位系统的演示设备的结构示意图。
根据本公开的实施例,如图7所示,上述演示设备包括定位组件和故障电弧发生试验台。
详细的,定位组件包括四个Vivaldi宽带天线,每个Vivaldi宽带天线的信号输出端连接有功率放大器,每个功率放大器的信号输出端连接有示波器。
详细的,故障电弧发生试验台包括直流电源,电弧发生装置和光伏逆变器,其中直流电源和光伏逆变器分别与电弧发生装置电连接。其中,直流电源为电弧发生装置供电,并且给光伏逆变器供电,然后进行拉弧试验产生电弧电磁辐射信号。
图8是根据图7所示的演示设备进行演示试验中四个Vivaldi天线接收到的电磁辐射信号的波形图;其中,(a)为天线1接收的波形图;(b)为天线2接收的波形图;(c)为天线3接收的波形图;(d)为天线4接收的波形图。
基于上述演示设备,将四个Vivaldi宽带天线分别设置为天线1-天线4,将故障电弧发生试验台放置在两个不同位置,每个位置分别进行两组试验,示波器四个通道同时采集从四个不同Vivaldi宽带天线接收到的光伏直流电弧电磁辐射信号,取其中一组,如图8所示。
当发生电弧故障时,四个Vivaldi宽带天线均能检测到有效的电磁辐射信号,并且电磁辐射信号功率高于背景噪声,两者存在明显差别。
图9是根据图7所示的演示设备进行演示试验中基本时延估计和广义互相关时延估计的对比图
如图9所示,通过比较可知,基本时延谱图(图9中的左图)峰带较宽,分辨率低,且出现虚假谱峰,无法准确计算时延值,而采用加权处理的广义互相关时延谱图(图9中的右图)受噪声干扰较小,且峰值带宽较窄,具有较高的分辨率。
将计算得到的广义互相关时延估计谱,以谱峰为中点分别取前后三个点进行最小二乘法曲线拟合,取拟合曲线的谱峰作为时延,依据上述时延代入式(12)求得故障点位置,将故障点的实际位置与计算位置进行比较,计算距离误差及相对误差,得表2。
表2故障点计算值与实际值比较
Tab.3 Actual value of fault arc location
如表2所示,对四组定位结果与电弧坐标实际值进行对比分析可得,试验定位的相对误差总体上保持在15%以下,距离误差均小于0.4m。最低距离误差可达0.352m,计算结果能够实现对电弧故障发生位置的粗略定位,同时四组定位数据间距离误差与相对误差有明显波动,数据间不存在明显关联性。
试验结果表明,该电弧故障定位方法的定位误差小于15%,定位误差绝对值小于0.5m。该方法运算量低、定位精度相对较高,考虑到天线灵敏度要求,一组天线定位距离在5m左右,如果采用天线阵列设计可以提高定位覆盖范围。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直流电弧故障定位方法,适用于对光伏设备产生直流电弧故障的故障点进行定位,所述定位方法包括:
选取至少四个基准点;
所述光伏设备在发生故障时产生至少一个故障点;
所述故障点产生电磁辐射信号,每个所述基准点均接收同一个所述电磁辐射信号;
在所述至少四个基准点中任选一个作为第一基准点,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值;
根据所述时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及分别到达其他所述基准点的多个距离差;以及
根据多个所述距离差计算所述故障点的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的定位方法,其中,在所述多个基准点中任选一个作为第一基准点,包括:
将所述第一基准点的坐标设置为(0,0,0),其他所述基准点以第一基准点为坐标原点建立空间坐标系。
3.根据权利要求1所述的定位方法,其中,计算其他每个基准点接收到所述电磁辐射信号与第一基准点接收到所述电磁辐射信号之间的时延估计值,包括:
以所述第一基准点接收到的所述电磁辐射信号为基准建立其他所述基准点接收到所述电磁辐射信号的表达式;
基于所述第一基准点和其他所述基准点接收所述电磁辐射信号的表达式进行快速傅里叶变换得到所述第一基准点和其他基准点基于接收的所述电磁辐射信号的互相关函数;
根据维纳辛钦定理,建立所述互相关函数和互功率谱的关系;
对于所述互相关函数和互功率谱的关系进行加权滤波,再通过反向傅里叶变换得到时延估计谱;
通过所述时延估计谱计算所述时延估计值。
4.根据权利要求3所述的定位方法,其中,对于所述互相关函数和互功率谱的关系进行加权滤波,其中加权滤波采用的加权算法包括最大似然加权法。
5.根据权利要求3所述的定位方法,其中,通过所述时延估计谱计算所述时延估计值,在所述时延估计谱中选取谱峰对应的横坐标作为所述时延估计值。
6.根据权利要求5所述的定位方法,其中,对于所述谱峰的选取包括最小二乘拟合法,通过最小二乘拟合法的模型中的曲线拟合寻找与数据匹配的最佳函数进而选取所述谱峰。
7.根据权利要求1所述的定位方法,其中,所述时延估计值计算所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及到达相应其他所述基准点的距离差,包括以光速作为所述电磁辐射信号的传播速度对所述电磁辐射信号到达所述第一基准点及到达相应其他所述基准点的距离差进行计算。
8.根据权利要求1所述的定位方法,其中,根据相应的所述距离差计算所述故障点的空间坐标,包括:
所述空间坐标为二维坐标,根据所述第一基准点和其他两个基准点的位置关系建立二元方程组求解所述故障点的二维坐标;以及
所述空间坐标为三维坐标,根据所述第一基准点和其他三个基准点的位置关系建立二元方程组求解所述故障点的三维坐标。
9.一种利用权利要求1-8中的任一项所述的直流电弧故障定位方法的定位系统,包括:至少四个信号采集单元,在四个所述信号采集单元中选取一个设置在第一基准点,以位于所述第一基准点为坐标原点由其他三个所述信号采集单元分别在所述第一基准点的X向、Y向和Z向形成一个三维坐标系,每个所述信号采集单元均用于采集直流电弧故障输出的辐射信号;每个采集单元的信号输出端均连接有
功放单元,用于放大所述辐射信号;以及
示波单元,用于显示所述辐射信号。
10.根据权利要求9所述的定位系统,其中,所述信号采集单元包括Vivaldi宽带天线。
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CN202111110961.4A CN113655354A (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 直流电弧故障定位方法及定位系统 |
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CN107479030A (zh) * | 2017-07-14 | 2017-12-15 | 重庆邮电大学 | 基于分频和改进的广义互相关双耳时延估计方法 |
CN112363021A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-02-12 | 重庆大学 | 一种分布式线路故障检测与定位系统及方法 |
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