TW201727560A - 電力系統模型作成裝置及方法 - Google Patents
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Abstract
與多地點相連繫的自然能電源的解析係耗費龐大的運算時間,因此藉由收縮來縮短運算時間,但是未判定對應系統事故條件之各自然能電源可否收縮,形成為系統收縮模型的解析精度低者。為解決上述課題,本發明係一種電力系統模型解析裝置,其係作成電力系統之收縮解析模型的電力系統模型解析裝置,其特徵為:具備有:事故條件設定部,其係設定包含前述電力系統中的事故的場所或樣態的事故條件;及自然能收縮處判定部,其係根據前述事故條件及事故時的電壓狀態,判定包含自然能電源的電力系統可否收縮,前述自然能收縮處判定部係若在前述電力系統的預定範圍內存在不可收縮的前述自然能電源,係判定為不可收縮,若在前述電力系統的預定範圍內不存在不可收縮的前述自然能電源,則判定為可收縮。
Description
本發明係關於由包含自然能發電之電力系統的解析模型,作成將該系統收縮的模型的裝置及方法者。
電力系統之送電電力量的上限係大多依因落雷等而起的系統事故時的過渡安定性而定。因此,為了決定可將送電電力增加到什麼樣的程度,藉由假想系統事故的過渡安定度模擬。來掌握過渡安定性乃極為有效。
近年來,風力發電或太陽光發電等自然能不斷擴大普及。該等自然能發電大多為透過使用電力電子學的電力用變換器而與系統合作者,系統事故時的反應取決於電力用變換器的控制方法而定。例如,在專利文獻1中係顯示事故時運轉繼續(FRT:Fault Ride Through)要件(以下稱為「FRT要件」)的規定。若按照該規定,自然能發電被運轉時,在系統事故瞬後,自然能發電是否繼續運轉,係依系統狀態而定。
另一方面,在系統事故瞬後,自然能發電是否繼續運轉,係對旋轉型發電機的過渡安定性造成影響。
例如,在非專利文獻2中係顯示界限故障時間依太陽光發電事故瞬後可否繼續運轉而異,在過渡安定性會呈現不同。
如上所示,在電力系統的過渡安定度模擬中,正確模擬使用電力用變換器的分散電源(自然能發電等)的系統事故時的動作特性(FRT特性等),乃極為重要。另一方面,自然能電源係大多小規模者與多數多地點相連繫,若以模擬(simulation)正確模擬該等情形,有模擬時間增大的課題。對於如上所示之課題,研究一種作成將電力系統的解析模型收縮的「收縮模型」,藉由刪減發電機數或系統節點/分支數,來達成縮短模擬時間的技術。
例如,在專利文獻1中係顯示決定可精度佳地生成不同事故中的不穩定波形的收縮模型的手法。
此外,例如,在專利文獻2中,係顯示將原系統模型依所被指定的節點及發電機類型,分割收縮範圍,按藉由系統收縮手段被分割之每個收縮範圍,收縮電力系統而作成部分收縮模型,且作成系統全體的收縮模型的手法。
[專利文獻1]日本特開2015-53847公報
[專利文獻2]日本特開2004-24245公報
[非專利文獻1]「日本電氣技術規格委員会、JESC E0019系統連繫規定JEAC 9701-2012 [2013年 追補版(其1)]」、社團法人日本電氣協會系統連繫專門部會JEAC 9701-2012 (2013)
[非專利文獻2]「太陽光發電大量導入時的單機無限大母線系統的過渡安定度解析」、電氣學會論文誌B、Vol.132、No.1 (2012)
在前述專利文獻1所記載的方法中,係顯示收縮在系統事故時發生不穩定的旋轉型發電機的手法,但是並未顯示將自然能發電收縮的手法。
此外,在前述專利文獻2所記載的方法中,係顯示作成系統全體之收縮模型的手法,但是由於作成對系統事故為共通的模型,因此有依系統事故條件,過渡安定性的計算誤差變大之虞。
基於以上,若欲以模擬正確解析小規模者與多數多地點相連繫的自然能電源,會耗費龐大的運算時間,因此當藉由收縮,縮短運算時間來進行系統解析時,
未判定對應系統事故條件的各自然能電源可否收縮,成為系統收縮模型的解析精度低者。
為解決上述課題,本發明係一種電力系統模型解析裝置,其係作成電力系統之收縮解析模型的電力系統模型解析裝置,其特徵為:具備有:事故條件設定部,其係設定包含前述電力系統中的事故的場所或樣態的事故條件;及自然能收縮處判定部,其係根據前述事故條件及事故時的電壓狀態,判定包含自然能電源的電力系統可否收縮,前述自然能收縮處判定部係若在前述電力系統的預定範圍內存在不可收縮的前述自然能電源,係判定為不可收縮,若在前述電力系統的預定範圍內不存在不可收縮的前述自然能電源,則判定為可收縮。
藉由本發明,可作成對應系統事故的系統收縮模型,一邊回避因收縮所致之解析精度降低(安定限界誤差大),一邊縮短系統運算時間。
10‧‧‧電力系統模型作成裝置
11‧‧‧顯示裝置
12‧‧‧鍵盤或滑鼠等輸入手段
13‧‧‧電腦CPU
14‧‧‧通訊手段
15‧‧‧隨機存取記憶體RAM
31‧‧‧事故條件設定部
32‧‧‧自然能收縮處判定部
33‧‧‧自然能收縮資料作成部
34‧‧‧系統解析模型作成部
35‧‧‧故障計算部
36‧‧‧自然能收縮計算部
120‧‧‧節點
130‧‧‧火力發電
140‧‧‧送電線路
150‧‧‧負荷
160‧‧‧變壓器
171、172、173、174、176、177、178、179‧‧‧自然能發電(風力發電)
180‧‧‧系統事故
510‧‧‧電流源
520‧‧‧節點
530‧‧‧電壓計測裝置
540‧‧‧發電機‧轉換器模型
550‧‧‧轉換器控制模型
560‧‧‧風車模型
700‧‧‧節點
DB1‧‧‧事故條件-電壓分布資料庫
DB2‧‧‧自然能資料庫
DB3‧‧‧自然能收縮資料庫
DB4‧‧‧系統構成資料庫
DB5‧‧‧系統解析模型資料庫
DB6‧‧‧程式資料庫
圖1係顯示電力系統之收縮系統模型作成裝置的處理功能構成。
圖2係顯示電力系統之收縮系統模型作成處理演算法。
圖3係顯示電力系統之收縮系統模型作成裝置的構成例。
圖4係顯示包含風力發電之電力系統的解析模型。
圖5係顯示收縮部分系統後的系統解析模型。
圖6係顯示收縮全部部分系統的系統解析模型。
圖7係顯示系統解析模型中之風力發電機的模擬之一例。
圖8係顯示自然能發電(風力發電機)的FRT特性。
圖9係顯示自然能發電(風力發電機)的FRT特性。
圖10係顯示自然能發電(風力發電機)的FRT特性。
圖11係顯示發生系統事故(三相接地故障)時的事故中的各節點電壓的計算例。
圖12係顯示發生系統事故(三相接地故障)時的事故中的各節點電壓的計算例。
圖13係顯示發電機的內部相位角δ的模擬結果例。
圖14係顯示節點電壓的模擬結果例。
以下使用圖示,說明本發明之實施例。其
中,下述僅為實施例,並非為意圖在下述具體內容中限定發明本身的要旨。
首先,使用圖4、圖5、圖6,說明藉由自然能電源的收縮,收縮電力系統的解析模型,且縮短解析時間的概要。
圖4係顯示包含作為自然能電源的風力發電171、172、173、176、177、178的電力系統的解析模型之一例的圖。該圖之系統解析模型所表示的電力系統係由以下構成:節點(母線)120及將該等連接的送電線路140、與節點120相連接的火力發電130、負荷150、變壓器160等。其中,以四角包圍的數字係為方便起見表示所設定的節點編號者。此外,部分系統Gr.1及部分系統Gr.2係表示包含風力發電的部分系統者,該範圍係假設為預先藉由解析者所設定者。
在如上所示之系統解析模型中,若發生落雷等系統故障180時,會發生火力發電130的加速(旋轉數上升)或搖動(振動)。若該發電機的加速為一定量以上、或搖動分散時,無法繼續火力發電運轉,形成無法維持過渡安定性及同步安定性的狀態。如上所示,藉由作成系統解析模型,且進行時間模擬,可判定過渡安定性及同期安定性是否可維持。
在此,風力發電171、172、173、176、177、178發生事故時的動作會對電力系統的過渡安定度模擬的結果造成影響。例如,正確地模擬系統事故時的動作特性
(FRT特性等),乃極為重要。另一方面,風力發電係在6處連繫成6台,風力發電的數量愈為增加,模擬時間愈增多。因此,藉由局部收縮包含風力發電的電力系統,達成模擬時間的縮短。
圖5係顯示藉由後述之本發明,將包含圖4的風力發電171~173的部分系統收縮且收縮成1台風力發電174的系統解析模型。包含要收縮的對象的風力發電171~173的部分系統(部分系統Gr.1)係離事故點為位於遠方,選定被推測事故時的電壓降低等的節點狀態(電壓、電壓相位等)的變化小,而且3台風力發電的系統事故中或系統事故後的運轉狀態變化(根據FRT特性之運轉繼續的有無)的差異小的群組。在此,部分系統Gr.2係由於接近系統事故點,因此被推測出事故中的電壓降低、電壓相位變化大幅發生,而且在3台風力發電的運轉狀態變化產生差異,因此為由收縮對象中被除外者。
圖6係表示部分系統Gr.1及Gr.2均已收縮的系統。此時,由於風力發電機被刪減為2台,因此模擬時間被縮短,但是過渡安定性的解析結果的誤差會增大。
圖3係顯示藉由本發明之一實施例所得之電力系統模型作成裝置10的構成例的圖。電力系統模型作成裝置10係由計算機系統所構成,顯示裝置11、鍵盤或滑鼠等輸入手段12、電腦CPU13、通訊手段14、隨機存取記憶體RAM15、及各種資料庫與匯流排線30相連接。此外,以計算機系統的資料庫DB而言,具備有:事故條
件-電壓分布資料庫DB1、自然能資料庫DB2、自然能收縮資料庫DB3、系統構成資料庫DB4、系統解析模型資料庫DB5、及程式資料庫DB6。
在此電腦CPU13係執行計算程式而進行應顯示之畫像資料的指示、或各種資料庫內的資料的檢索等。隨機存取記憶體RAM15係暫時儲存事故條件-電壓分布資料、自然能的FRT特性或設置點資訊資料、表示自然能或系統的收縮對象群組區域或收縮對象的決定結果的資料、關於構成線路或發電機等的電力系統的設備的系統構成資料、作為收縮結果之系統解析模型資料等計算結果資料的記憶體。根據該等資料,藉由電腦CPU13生成所需之畫像資料,且顯示在顯示裝置11(例如顯示器畫面)。
電力系統模型作成裝置10內係被大略區分裝載有6個資料庫DB。在事故條件-電壓分布資料庫DB1係記憶有在過渡安定度模擬中所假想的事故發生處、事故條件(3相接地故障、2相短路等事故樣態等)候補的資料。此外,記憶有藉由故障計算程式被計算之發生各事故時的事故中的各節點的電壓的大小、對相位事故前的變化量的計算結果資料。由關於該系統事故中的電壓的計算結果資訊,決定風力發電171等系統事故中、系統事故後的動作(可否繼續運轉等)。
在自然能資料庫DB2係記憶有例如風力發電171等之設置節點、控制構成與控制參數、FRT特性(可
否繼續運轉、有效電力輸出型樣)的資料。由該等資訊、及關於前述電壓的計算結果資訊,決定風力發電171等系統事故中、系統事故後的動作(可否繼續運轉等)。
在自然能收縮資料庫DB3儲存表示自然能或系統的收縮對象群組區域或收縮對象的決定結果的資料。例如記憶有關於圖4的部分系統Gr.1或部分系統Gr.2的對象範圍所包含的部分系統(節點、線路、發電機、或其連接構成等)的資料。
在系統構成資料庫DB4係記憶有關於線路(電阻、電抗、對地靜電電容)或發電機(容量、過渡電抗等)等構成電力系統的設備的資料。藉由使用該資料,可進行電力系統的潮流計算或故障計算,可掌握系統事故中的電壓降低量。
在系統解析模型資料庫DB5中係記憶有按照本發明之演算法所計算出的電力系統的收縮結果亦即系統解析模型資料。藉由該資料,對各事故條件,可準備在過渡安定度模擬中應使用的系統解析模型。
在程式資料庫DB6係儲存:作為計算程式的自然能收縮程式PR1、系統解析模型作成程式PR2、故障計算程式PR3。該等程式係視需要被電腦CPU讀出而執行計算。
使用圖1,說明本發明之電力系統模型作成裝置10的處理功能構成。電力系統模型作成裝置10係由以下構成:事故條件設定部31、自然能收縮處判定部32、
自然能收縮資料作成部33、系統解析模型作成部34、故障計算部35、自然能收縮計算部36的各功能、及前述5個資料庫亦即事故條件-電壓分布資料庫DB1、自然能資料庫DB2、自然能收縮資料庫DB3、系統構成資料庫DB4、系統解析模型資料庫DB5。
在圖1中,自然能收縮計算部36係在被儲存於程式資料庫DB6的計算程式之中,執行自然能收縮程式PR1的處理功能。自然能收縮計算部36係由事故條件設定部31、自然能收縮處判定部32、自然能收縮資料作成部33的3個處理部分所構成。
事故條件設定部31係設定系統事故條件180的場所、樣態的部分。可藉由來自使用者的輸入來設定,亦可由預先準備的型樣,選定適當系統事故。
自然能收縮處判定部32係由自然能資料庫DB2及系統構成資料庫DB4的資訊,作成系統解析模型,且將模型資料交給故障計算部35。此外,由故障計算部35接收故障計算結果,掌握系統故障中的電壓狀態(大小、相位變化量),且儲存在事故條件-電壓分布資料庫DB1。此外,將各風力發電連接節點的系統故障中的電壓狀態(大小、相位變化量),與對應自然能資料庫之各風力發電的FRT特性等風力發電機資訊相對照,決定系統事故中、事故後可否繼續運轉、發電輸出。若在收縮對象的部分系統內,可否繼續運轉為相一致時,即收縮部分系統Gr.。若在部分系統內存在可否繼續運轉為不同的
發電機時,該部分系統Gr.若作為收縮對象外即可。
自然能收縮資料作成部33係決定已收縮在自然能收縮處判定部32被判定為必須收縮的部分系統Gr.的部分系統Gr.後的解析系統構成及各種參數。部分系統Gr.經收縮的系統構成及各種參數係根據預先藉由使用者所設定的基準來計算。若以例如風力發電機的容量係設為收縮前的各發電機的容量、線路阻抗係設為收縮前的各線路的並聯阻抗、FRT特性型樣係設為各風力發電的平均值等來計算即可。此外,在自然能收縮資料庫DB3儲存表示自然能或系統的收縮對象群組區域或收縮對象的決定結果的資料。
系統解析模型作成部34係在被儲存在程式資料庫DB6的計算程式之中,執行系統解析模型作成程式PR2的處理功能。由藉由自然能收縮資料作成部33被計算出的自然能或系統的收縮對象群組區域或收縮對象的決定結果、及關於構成系統構成資料庫DB4的線路或發電機等的電力系統的設備的資料,作成電力系統的收縮結果亦即系統解析模型資料。此外,將系統解析模型資料儲存在系統解析模型資料庫DB5。
故障計算部35係在被儲存在程式資料庫DB6的計算程式之中,執行故障計算程式PR3的處理功能。電力系統的故障計算為經確立的計算手法,可使用一般的演算法來計算。
使用圖2,說明表示電力系統之收縮系統模型
作成處理演算法之一例的處理流程。在該處理流程中,首先在處理步驟S1中,設定系統事故條件。
在處理步驟S2中,由自然能資料庫DB2及系統構成資料庫DB4的資訊,進行自然能條件設定,且作成系統解析模型。
在處理步驟S3中,藉由故障計算程式PR3,進行故障計算。
在處理步驟S4中,由故障計算結果,掌握系統事故中的各節點的電壓的大小、相位對事故前的變化量,且將結果儲存在事故條件-電壓分布資料庫DB1。
在處理步驟S5至S9中,將各風力發電連接節點的系統故障中的電壓狀態(例如大小),與對應自然能資料庫的各風力發電的FRT特性等風力發電機資訊相對照,決定系統事故中、事故後可否繼續運轉。具體而言,如處理步驟S6所示,若進入至有第k個風力發電等自然能的設置節點的電壓範圍,設為收縮旗標Kfk=1,且設為收縮對象。
在處理步驟S11至S16中,在作為收縮對象的部分系統Gr.之中,選定成為收縮對象的部分系統Gr.。具體而言,如處理步驟12所示,若在部分系統群組內有Kfi=0的發電機(收縮對象外的發電機),設為部分系統Gr旗標Nfn=1,且設為收縮對象外。
在處理步驟S17中,係進行已將對象收縮群組進行收縮後的系統解析模型的作成。
圖7係顯示系統解析模型中之風力發電機的模擬之一例的圖。風力發電機模型係構成為控制與電力系統的節點520相連接的電流源510的大小及相位的模型。此外,節點電壓計測值係透過電壓計測裝置530而被取入至各控制模型。風力發電的控制部分係由發電機‧轉換器模型540、轉換器控制模型550、風車模型560所構成。發電機‧轉換器模型540係由轉換器控制模型550接受有效/無效電流指令值,而且由電壓計測裝置530接受電壓計測值,分別對轉換器控制模型550交付發電機有效/無效電力量、對風車模型560交付發電機有效電力量。轉換器控制模型550係根據由發電機‧轉換器模型所接受到的發電機有效/無效電力、由風車模型560所接受到的電力指令、及由電壓計測裝置530所接受到的電壓計測值,來決定有效/無效電流指令值,且交付給發電機‧轉換器模型540。風車模型560係根據由發電機‧轉換器模型540所接受到的發電機有效電力,對轉換器控制模型550供予有效電力控制指令。藉由準備如上所示之風力發電模型,可模擬考慮到系統的電壓或轉換器的響應的風力發電的輸出變化、運轉可否。具有可配合後述之FRT特性,進行使系統事故時可否繼續運轉更為接近實際的模擬的效果。
圖8、圖9、圖10係說明自然能發電(風力發電機)的FRT特性的圖。在非專利文獻1中,以高壓系統的三相發電設備的FRT要件而言,針對與2017年3月底之後相連繫者,以在電壓降低時,滿足以下事項的系
統為宜。
‧對於殘餘電壓為20%以上、且繼續時間為0.3秒以下的電壓降低,係繼續運轉(圖8(a)的區域),在電壓恢復後0.1秒以內,恢復至電壓降低前的輸出的80%以上的輸出。在圖9中顯示輸出型樣例。
‧對於殘餘電壓為未達20%、且繼續時間為0.3秒以下之達平衡的電壓降低,以運轉繼續或閘極封鎖(gate block)對應(圖8(b)的區域)。此時,在電壓恢復後1.0秒以內(以0.2秒以內為宜)恢復至電壓降低前的輸出80%以上的輸出。在圖10中顯示輸出型樣例。
如上所示,若電壓降低為0.3秒以下、或電壓恢復後的輸出恢復型樣係依系統的狀態或發電機的狀態而異。因此,關於與電壓降低大的節點相連接的自然能發電,並不進行複數發電機的收縮,被認為各發電機可否繼續運轉在安定度模擬之中被動態判定的計算可得接近實際動作的結果。
如以上所示,根據在某地點的系統事故時之各節點電壓的大小,決定所收縮的自然能發電,藉此可得可進行接近更為實際的自然能的運轉的模擬,系統的過渡安定性的判定亦可精度佳地實施的效果。
接著,使用圖11、圖12、圖13、圖14,藉由模式例,說明提案手法的有效性。圖11、圖12係顯示在圖4的系統中,發生系統事故180(三相接地故障)時的事故中的各節點電壓者。接近事故點的地點的電壓大幅
降低。在此,部分系統Gr.1的節點電壓係均大於電壓20%,因此被推測風力發電171~173亦可繼續運轉。因此,部分系統Gr.1係被判定為收縮對象。另一方面,部分系統Gr.2的節點電壓係風力發電176、177、178各為0.3、0.2、0.1。此被認為風力發電176雖然繼續運轉,但是177、178可否繼續運轉,並不明確,藉由風力發電各個的控制邏輯或設定,在過渡反應之中決定。因此,以部分系統Gr.2並未形成為收縮對象,將各發電機作為個別模型來進行模擬為宜。
在圖13中顯示與節點700相連接的發電機的內部相位角δ(deg),在圖14中顯示節點700的電壓值。未進行收縮的原系統(a)、與將作為提案手法的部分系統Gr.1收縮後的系統(b)係可得接近的模擬結果,此外發電機的失調係被回避而過渡安定性呈安定。另一方面,可知將部分系統Gr.1及部分系統Gr.2雙方收縮後的系統(c)係在時刻1秒附近,發電機失調,過渡安定性呈不安定。如上所示,藉由適當選擇所要收縮的自然能發電,可得獲得高速且高精度的模擬結果的效果。
可活用作為用以解析自然能發電等連繫有包含電力用變換器的分散電源的電力系統的過渡安定性、同步安定性的模擬解析裝置。此外,可活用作為線上使用之對假想故障的安定化對策決定裝置(線上系統安定化裝
置)。此外,亦可活用作為檢討對應自然能發電的增設等的系統的設備增強等的系統設備設計支援系統。
10‧‧‧電力系統模型作成裝置
31‧‧‧事故條件設定部
32‧‧‧自然能收縮處判定部
33‧‧‧自然能收縮資料作成部
34‧‧‧系統解析模型作成部
35‧‧‧故障計算部
36‧‧‧自然能收縮計算部
DB1‧‧‧事故條件-電壓分布資料庫
DB2‧‧‧自然能資料庫
DB3‧‧‧自然能收縮資料庫
DB4‧‧‧系統構成資料庫
DB5‧‧‧系統解析模型資料庫
Claims (10)
- 一種電力系統模型解析裝置,其係作成電力系統之收縮解析模型的電力系統模型解析裝置,其特徵為:具備有:事故條件設定部,其係設定包含前述電力系統中的事故的場所或樣態的事故條件;及自然能收縮處判定部,其係根據前述事故條件及事故時的電壓狀態,判定包含自然能電源的電力系統可否收縮,前述自然能收縮處判定部係若在前述電力系統的預定範圍內存在不可收縮的前述自然能電源,係判定為不可收縮,若在前述電力系統的預定範圍內不存在不可收縮的前述自然能電源,則判定為可收縮。
- 如申請專利範圍第1項之電力系統模型解析裝置,其中,前述自然能收縮處判定部係根據前述事故條件、前述事故時的電壓狀態、及各自然能電源的特性資訊,決定事故時或事故後之前述自然能電源可否繼續運轉,且根據前述可否繼續運轉,判定可否收縮。
- 如申請專利範圍第2項之電力系統模型解析裝置,其中,前述自然能收縮處判定部係前述可否繼續運轉係根據事故時或事故後的前述自然能電源的電壓降低的繼續時間或電壓輸出的恢復時間,判定前述可否收縮。
- 如申請專利範圍第1項之電力系統模型解析裝置,其中,前述事故條件設定部係藉由來自使用者的輸入,設 定前述事故條件。
- 如申請專利範圍第1項之電力系統模型解析裝置,其中,另外具備有故障計算部,其係根據前述事故條件,計算前述事故時的電壓狀態。
- 如申請專利範圍第1項之電力系統模型解析裝置,其中,在前述事故時的電壓狀態係包含:事故時的電壓的大小及相位資訊。
- 如申請專利範圍第1項之電力系統模型解析裝置,其中,另外具備有自然能收縮資料作成部,其係針對被判定為前述可收縮的範圍,計算收縮後的系統構成及預定的參數,且作成收縮資料。
- 如申請專利範圍第7項之電力系統模型解析裝置,其中,前述自然能收縮資料作成部係根據經預先設定的基準,進行前述收縮資料的作成,在前述基準係包含發電機容量、線路阻抗、或FRT特性型樣。
- 如申請專利範圍第7項之電力系統模型解析裝置,其中,另外具備有:系統解析模型作成部,其係根據前述收縮資料,作成電力系統的解析模型。
- 一種電力系統模型解析方法,其係作成電力系統之收縮解析模型的電力系統模型解析方法,其特徵為:當設定包含前述電力系統中的事故的場所或樣態的事故條件,且根據前述事故條件及事故時的電壓狀態,判定包含自然能電源的電力系統可否收縮時,若在前述電力系統的預定範圍內存在不可收縮的前述自然能電源,即判定 為不可收縮,若在前述電力系統的預定範圍內不存在不可收縮的前述自然能電源,則判定為可收縮。
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