CN115575769A - 一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法及系统 - Google Patents

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CN115575769A CN202211405569.7A CN202211405569A CN115575769A CN 115575769 A CN115575769 A CN 115575769A CN 202211405569 A CN202211405569 A CN 202211405569A CN 115575769 A CN115575769 A CN 115575769A
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李巍巍
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Abstract

本发明公开了一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法及系统，该方法包括：获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；判断是否发生电流短路故障，当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。本发明利用双端极线电抗器阀侧电流与母线电流之比构造双端暂态电流方向信息，对故障线路具有绝对的选择性，能为识别故障线路、故障类型和故障极提供后备保护；本发明方法可靠性高、识别准确度高。

Description

一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法及系统
技术领域
本发明涉及柔性直流系统中关键设备的保护设计技术领域，具体涉及一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法及系统。
背景技术
柔性直流电网常采用架空线路进行长距离输电，受环境、气候和地形因素的影响，雷击发生的概率明显提高。雷击引起线路绝缘闪络，并以一定的建弧率形成稳定工频电弧，线路随即发生短路故障。在被保护线路发生单极接地、双极短路等故障时，直流线路检测启动并快速可靠地检测故障，以达到给直流断路器发送开断指令以便快速隔离的目的。然而，由于柔性直流电网的阻尼低、惯性小，在发生直流线路短路故障时，直流电压迅速跌落，故障电流在几个ms内迅速上升。这就要求保护方案具有ms级别的故障选择性和可靠性。为了能够在几个ms内快速准确地识别故障线路，有必要提出一种可靠且有选择性的保护方案。
按照特征量的来源不同，柔性直流电网保护方案包括单端保护和纵联保护。其中，单端保护主要利用单端特征量来识别故障线路。柔性直流电网单端保护方案主要借鉴了常规直流输电系统的直流线路单端保护方案，即采用行波保护和微分欠压保护作为快速主保护，无需通信和同步，在速动性方面具有优势，主要用作主保护方案。纵联保护主要利用双端特征量来识别故障线路。柔性直流电网纵联保护主要借鉴了常规直流输电系统的直流线路纵联保护方案，即采用双端电流变化量作为特征量，需两端通信和同步，在选择性和可靠性方面具有优势，主要用作后备保护方案。
现有柔性直流电网保护方案存在着以下不足：(1)柔性直流电网单端保护方案过度依赖电气量幅值及其变化率，对过渡电阻极其敏感，对高过渡电阻故障工况响应灵敏度低；(2)柔性直流电网纵联保护方案过度依赖电流变化量，极易受到噪声干扰的影响，在干扰较大时易发生保护误动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有柔性直流电网故障检测方法中，(1)柔性直流电网单端保护方案过度依赖电气量幅值及其变化率，对过渡电阻极其敏感，对高过渡电阻故障工况响应灵敏度低；(2)柔性直流电网纵联保护方案过度依赖电流变化量，极易受到噪声干扰的影响，在干扰较大时易发生保护误动；进而导致现有柔性直流电网故障检测方法存在可靠性不高，且准确度不高的问题。
本发明目的在于提供一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法及系统，利用双端极线电抗器阀侧电流与母线电流之比构造双端暂态电流方向信息，对故障线路具有绝对的选择性，能为识别故障线路、故障类型和故障极提供后备保护，且方法可靠性高、识别准确度高。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，该方法包括：
获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；
基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；
基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；判断是否发生电流短路故障，当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。
工作原理是：基于现有柔性直流电网故障检测方法中，(1)柔性直流电网单端保护方案过度依赖电气量幅值及其变化率，对过渡电阻极其敏感，对高过渡电阻故障工况响应灵敏度低；(2)柔性直流电网纵联保护方案过度依赖电流变化量，极易受到噪声干扰的影响，在干扰较大时易发生保护误动；进而导致现有柔性直流电网故障检测方法存在可靠性不高，且准确度不高的问题。本发明采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测，首先，启动判据，采用直流线路电流变化量作为其特征量，用以检测直流电网中的短路故障，是后续故障识别判据的启动元件；其次，识别判据，采用双端模域电流分布特性作为其特征量，当保护启动判据满足要求后，纵联保护方案将进行故障识别，包括故障线路识别、故障类型识别和故障极识别。
本发明利用双端极线电抗器阀侧电流与母线电流之比构造双端暂态电流方向信息，对故障线路具有绝对的选择性，能为识别故障线路、故障类型和故障极提供后备保护。
进一步地，所述启动判据包括极线电抗器阀侧故障电流变化量和保护启动阈值电流，启动判据如下：
Figure BDA0003936944580000021
式中，||是绝对值算子，ivp(t)，ivm(t)，ivn(t)分别为极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，它们通过故障后电流减去故障前电流采集得到；此外，IThre1是保护启动阈值电流。
进一步地，保护启动阈值电流IThre1的选取小于线路末端发生高阻故障时限流电抗器线路侧的最小电流变化量。
进一步地，所述采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测，包括：
采用基于双端模域电流分布特性的故障线路识别判据进行故障线路识别；
采用基于双端模域电流分布特性的故障类型识别判据进行故障类型识别；
采用基于双端模域电流分布特性的故障极识别判据进行故障极识别。
进一步地，所述故障线路识别是利用双端极线电抗器阀侧故障电流与母线电流2模分量幅值之比获取双端暂态电流方向信息，实现故障线路准确识别；所述故障线路识别判据为：
D1＝1&D2＝1 (1.2)
式中，D1、D2分别为1端、2端的暂态电流方向信息；
当故障线路识别判据公式(1.2)满足要求时，则判断发生了区内故障；否则，则为区外故障。
进一步地，D1由1端的第一暂态电流比K1确定，D2由2端的第二暂态电流比K2确定；具体为：
当K1>1时，1端暂态电流方向信息D1＝1，反之，D1＝0；
当K2>1时，2端暂态电流方向信息D2＝1，反之，D2＝0；
第一暂态电流比K1、第二暂态电流比K2的表达式如下：
Figure BDA0003936944580000031
式中，if12(t)是1端极线电抗器阀侧故障电流2模分量，iMMC12(t)是1端换流站支路故障电流2模分量，if22(t)是2端极线电抗器阀侧故障电流2模分量，iMMC22(t)是2端换流站支路故障电流2模分量，N为预设时间窗口(比如1ms)内的采样点数。
进一步地，所述故障电流2模分量if12(t)、iMMC12(t)、iMMC12(t)、iMMC22(t)由时域故障电流分量经相模变换后将时域量转变为模域量：
Figure BDA0003936944580000041
式中，ivp1(t)，ivm1(t)，ivn1(t)分别为1端极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ipMMC1(t)，imMMC1(t)，inMMC1(t)分别为1端换流站正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ivp2(t)，ivm2(t)，ivn2(t)分别为2端极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ipMMC2(t)，imMMC2(t)，inMMC2(t)分别为2端换流站正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量。
进一步地，所述故障类型识别判据由0、1、2模故障电流的幅值和阈值构成，所述故障类型识别判据为：
Figure BDA0003936944580000042
式中，
Figure BDA0003936944580000043
Figure BDA0003936944580000044
故障电流0模分量if10(t)、if20(t)、故障电流1模分量if11(t)、if21(t)、故障电流2模分量if12(t)、if22(t)均可通过公式(1.4)计算；Ts是两个采样点之间的时间间隔；Tw为时间窗口，为满足判据计算的可靠性，时间窗口Tw取2ms；t1是保护启动时刻，Krel1是故障类型识别的阈值，本文取Krel1＝0.01。
当故障类型识别判据公式(1.5)满足要求，则故障类型为双极短路故障；否则故障类型为单极短路故障。
进一步地，所述故障极识别判据为：
Figure BDA0003936944580000045
当故障极识别判据公式(1.6)满足要求，则判断故障极为负极；否则故障极为正极。
第二方面，本发明又提供了一种基于模域电流分布特性的电网故障检测系统，该系统支持所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法；该系统包括：
获取单元，用于获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；
电流故障分量提取单元，用于基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；
启动判据单元，用于基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；
故障检测单元，用于根据启动判据来判断是否发生电流短路故障；当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法及系统，采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测，首先，启动判据，采用直流线路电流变化量作为其特征量，用以检测直流电网中的短路故障，是后续故障识别判据的启动元件；其次，识别判据，采用双端模域电流分布特性作为其特征量，当保护启动判据满足要求后，纵联保护方案将进行故障识别，包括故障线路识别、故障类型识别和故障极识别。本发明利用双端极线电抗器阀侧电流与母线电流之比构造双端暂态电流方向信息，对故障线路具有绝对的选择性，能为识别故障线路、故障类型和故障极提供后备保护。本发明方法可靠性高、识别准确度高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法流程图。
图2为本发明一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法详细流程图。
图3为本发明一种基于模域电流分布特性的电网故障检测系统结构示意图。
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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
基于现有柔性直流电网故障检测方法中，(1)柔性直流电网单端保护方案过度依赖电气量幅值及其变化率，对过渡电阻极其敏感，对高过渡电阻故障工况响应灵敏度低；(2)柔性直流电网纵联保护方案过度依赖电流变化量，极易受到噪声干扰的影响，在干扰较大时易发生保护误动；进而导致现有柔性直流电网故障检测方法存在可靠性不高，且准确度不高的问题。
本发明设计了一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，不同于现有技术的单端模式，本发明采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测，首先，启动判据，采用直流线路电流变化量作为其特征量，用以检测直流电网中的短路故障，是后续故障识别判据的启动元件；其次，识别判据，采用双端模域电流分布特性作为其特征量，当保护启动判据满足要求后，纵联保护方案将进行故障识别，包括故障线路识别、故障类型识别和故障极识别。本发明利用双端极线电抗器阀侧电流与母线电流之比构造双端暂态电流方向信息，对故障线路具有绝对的选择性，能为识别故障线路、故障类型和故障极提供后备保护；本发明方法可靠性高、识别准确度高。
实施例1
如图1和图2所示，本发明一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，该方法包括：
步骤1，获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；
步骤2，基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；
步骤3，基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；
所述启动判据包括极线电抗器阀侧故障电流变化量和保护启动阈值电流，启动判据如下：
Figure BDA0003936944580000061
式中，||是绝对值算子，ivp(t)，ivm(t)，ivn(t)分别为极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，它们通过故障后电流减去故障前电流采集得到；此外，IThre1是保护启动阈值电流。
具体地，保护启动阈值电流IThre1的选取需要小于线路末端发生高阻故障时限流电抗器线路侧的最小电流变化量。
步骤4，判断是否发生电流短路故障，当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。其中，所述采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测，包括：
采用基于双端模域电流分布特性的故障线路识别判据进行故障线路识别；
采用基于双端模域电流分布特性的故障类型识别判据进行故障类型识别；
采用基于双端模域电流分布特性的故障极识别判据进行故障极识别。
(i)，故障线路识别：所述故障线路识别是利用双端极线电抗器阀侧故障电流与母线电流2模分量幅值之比获取双端暂态电流方向信息，实现故障线路准确识别；所述故障线路识别判据为：
D1＝1&D2＝1 (1.2)
式中，D1、D2分别为1端、2端的暂态电流方向信息；
当故障线路识别判据公式(1.2)满足要求时，则判断发生了区内故障；否则，则为区外故障。
作为进一步地实施，D1由1端的第一暂态电流比K1确定，D2由2端的第二暂态电流比K2确定；具体为：
当K1>1时，1端暂态电流方向信息D1＝1，反之，D1＝0；
当K2>1时，2端暂态电流方向信息D2＝1，反之，D2＝0；
第一暂态电流比K1、第二暂态电流比K2的表达式如下：
Figure BDA0003936944580000071
式中，if12(t)是1端极线电抗器阀侧故障电流2模分量，iMMC12(t)是1端换流站支路故障电流2模分量，if22(t)是2端极线电抗器阀侧故障电流2模分量，iMMC22(t)是2端换流站支路故障电流2模分量，N为预设时间窗口(比如1ms)内的采样点数。
其中，所述故障电流2模分量if12(t)、iMMC12(t)、iMMC12(t)、iMMC22(t)由时域故障电流分量经相模变换后将时域量转变为模域量：
Figure BDA0003936944580000081
式中，ivp1(t)，ivm1(t)，ivn1(t)分别为1端极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ipMMC1(t)，imMMC1(t)，inMMC1(t)分别为1端换流站正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ivp2(t)，ivm2(t)，ivn2(t)分别为2端极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ipMMC2(t)，imMMC2(t)，inMMC2(t)分别为2端换流站正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量。
(ii)，故障类型识别：所述故障类型识别判据由0、1、2模故障电流的幅值和阈值构成，所述故障类型识别判据为：
Figure BDA0003936944580000082
式中，
Figure BDA0003936944580000083
Figure BDA0003936944580000084
故障电流0模分量if10(t)、if20(t)、故障电流1模分量if11(t)、if21(t)、故障电流2模分量if12(t)、if22(t)均可通过公式(1.4)计算；Ts是两个采样点之间的时间间隔；Tw为时间窗口，为满足判据计算的可靠性，时间窗口Tw取2ms；t1是保护启动时刻，Krel1是故障类型识别的阈值，本文取Krel1＝0.01。
当故障类型识别判据公式(1.5)满足要求，则故障类型为双极短路故障；否则故障类型为单极短路故障。
(iii)故障极识别：所述故障极识别判据为：
Figure BDA0003936944580000085
当故障极识别判据公式(1.6)满足要求，则判断故障极为负极；否则故障极为正极。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例又提供了一种基于模域电流分布特性的电网故障检测系统，该系统支持实施例1所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法；该系统包括：
获取单元，用于获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；
电流故障分量提取单元，用于基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；
启动判据单元，用于基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；
故障检测单元，用于根据启动判据来判断是否发生电流短路故障；当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。
各个单元的执行过程按照实施例1所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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)

1.一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，该方法包括：
获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；
基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；
基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；判断是否发生电流短路故障，当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，所述启动判据包括极线电抗器阀侧故障电流变化量和保护启动阈值电流，启动判据如下：
Figure FDA0003936944570000011
式中，||是绝对值算子，ivp(t)，ivm(t)，ivn(t)分别为极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，它们通过故障后电流减去故障前电流采集得到；IThre1是保护启动阈值电流。
3.根据权利要求2所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，保护启动阈值电流IThre1的选取小于线路末端发生高阻故障时限流电抗器线路侧的最小电流变化量。
4.根据权利要求1所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，所述采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测，包括：
采用基于双端模域电流分布特性的故障线路识别判据进行故障线路识别；
采用基于双端模域电流分布特性的故障类型识别判据进行故障类型识别；
采用基于双端模域电流分布特性的故障极识别判据进行故障极识别。
5.根据权利要求4所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，所述故障线路识别是利用双端极线电抗器阀侧故障电流与母线电流2模分量幅值之比获取双端暂态电流方向信息，实现故障线路识别；所述故障线路识别判据为：
D1＝1&D2＝1
式中，D1、D2分别为1端、2端的暂态电流方向信息；
当故障线路识别判据满足要求，则判断发生了区内故障；否则，则为区外故障。
6.根据权利要求5所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，D1由1端的第一暂态电流比K1确定，D2由2端的第二暂态电流比K2确定；具体为：
当K1>1时，1端暂态电流方向信息D1＝1，反之，D1＝0；
当K2>1时，2端暂态电流方向信息D2＝1，反之，D2＝0；
第一暂态电流比K1、第二暂态电流比K2的表达式如下：
Figure FDA0003936944570000021
式中，if12(t)是1端极线电抗器阀侧故障电流2模分量，iMMC12(t)是1端换流站支路故障电流2模分量，if22(t)是2端极线电抗器阀侧故障电流2模分量，iMMC22(t)是2端换流站支路故障电流2模分量，N为预设时间窗口内的采样点数。
7.根据权利要求6所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，所述故障电流2模分量if12(t)、iMMC12(t)、iMMC12(t)、iMMC22(t)由时域故障电流分量经相模变换后将时域量转变为模域量：
Figure FDA0003936944570000022
式中，ivp1(t)，ivm1(t)，ivn1(t)分别为1端极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ipMMC1(t)，imMMC1(t)，inMMC1(t)分别为1端换流站正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ivp2(t)，ivm2(t)，ivn2(t)分别为2端极线电抗器阀侧正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量，ipMMC2(t)，imMMC2(t)，inMMC2(t)分别为2端换流站正极线、金属回线、负极线时域故障电流分量。
8.根据权利要求4所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，所述故障类型识别判据为：
Figure FDA0003936944570000031
式中，
Figure FDA0003936944570000032
Figure FDA0003936944570000033
Ts是两个采样点之间的时间间隔；Tw为时间窗口，为满足判据计算的可靠性，时间窗口Tw取2ms；t1是保护启动时刻，Krel1是故障类型识别的阈值；
当故障类型识别判据满足要求，则故障类型为双极短路故障；否则故障类型为单极短路故障。
9.根据权利要求4所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法，其特征在于，所述故障极识别判据为：
Figure FDA0003936944570000034
当故障极识别判据满足要求，则判断故障极为负极；否则故障极为正极。
10.一种基于模域电流分布特性的电网故障检测系统，其特征在于，该系统支持如权利要求1至9中任一所述的一种基于模域电流分布特性的电网故障检测方法；该系统包括：
获取单元，用于获取柔性直流电网的基础电流数据，所述基础电流数据包括极线电抗器阀侧电流和换流站支路电流；
电流故障分量提取单元，用于基于所述基础电流数据，进行电流故障分量提取，得到电流故障分量；
启动判据单元，用于基于所述电流故障分量构成启动判据，并启动判据动作；
故障检测单元，用于根据启动判据来判断是否发生电流短路故障；当满足启动判据，则采用基于双端模域电流分布特性的故障识别判据进行故障检测。
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