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      云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

      2017-04-10 00:42:25周永剛
      現(xiàn)代電子技術(shù) 2017年6期
      關(guān)鍵詞:云計(jì)算

      周永剛

      摘 要: 電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜,需要對(duì)其進(jìn)行分布控制。而分布式平臺(tái)的功能往往較為分散,以往設(shè)計(jì)出的負(fù)荷分布控制平臺(tái)控制能力較弱,電網(wǎng)無(wú)法對(duì)其產(chǎn)生高效響應(yīng)。因此,設(shè)計(jì)能夠合理兼顧電網(wǎng)響應(yīng)能力和控制能力的負(fù)荷分布控制平臺(tái)。該平臺(tái)利用Hadoop云計(jì)算實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的有效控制。當(dāng)電網(wǎng)設(shè)備對(duì)平臺(tái)發(fā)起控制請(qǐng)求,Hadoop云計(jì)算將調(diào)用負(fù)荷采集模塊和負(fù)荷控制模塊,對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行控制。負(fù)荷采集模塊從用戶或電網(wǎng)設(shè)備中采集負(fù)荷數(shù)據(jù),并對(duì)所采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)。負(fù)荷控制模塊通過(guò)對(duì)問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為用戶和電網(wǎng)設(shè)備提供最終控制指令。平臺(tái)為用戶提供低級(jí)應(yīng)用軟件和高級(jí)控制軟件,并給出負(fù)荷問(wèn)題設(shè)備控制流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)負(fù)荷具有較強(qiáng)的控制能力,且電網(wǎng)對(duì)平臺(tái)的響應(yīng)效果較好。

      關(guān)鍵詞: 云計(jì)算; 負(fù)荷分布控制平臺(tái); 電網(wǎng)環(huán)境; 負(fù)荷數(shù)據(jù)采集

      中圖分類號(hào): TN911?34; TN912.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2017)06?0164?04

      Abstract: It is necessary to perform the distribution control for the complex power grid environment. Since the load distribution control platform designed previously has poor control ability, and the power grid cant produce a efficient response to it, a load distribution control platform giving consideration to the power grid response ability and control ability reasonably was designed. The Hadoop cloud computing is used in the platform to control the power grid load effectively. When the power grid equipment sends a control request to the platform, the load acquisition module and load control module are called with Hadoop cloud computing to control the power grid load. The load acquisition module acquires the load data in the user device or power grid device, and processes it to obtain the problem load data. The problem load data is analyzed through the load control module to provide the final control instruction for user device and power grid device. The platform provides the low?level application software and advanced control software for users. The control flow chart of the problem load device is given. The experimental results show that the platform has strong control ability, and the power grid has good response effect to the platform.

      Keywords: cloud computing; load distribution control platform; power grid environment; load data acquisition

      0 引 言

      隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷增長(zhǎng),各行各業(yè)對(duì)電網(wǎng)的供電能力給予了較大期望值。而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,電網(wǎng)負(fù)荷問(wèn)題給電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)帶來(lái)了不小的經(jīng)濟(jì)損失,更加劇了能源短缺問(wèn)題。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)迫切需要一種能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行合理控制的平臺(tái)[1?4]。電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜,需要對(duì)其進(jìn)行分布控制。由于分布式平臺(tái)的功能往往較為分散,以往設(shè)計(jì)出的負(fù)荷分布控制平臺(tái)控制能力較弱,電網(wǎng)也無(wú)法對(duì)其產(chǎn)生高效響應(yīng)。因此,設(shè)計(jì)出一種能夠合理兼顧電網(wǎng)響應(yīng)能力和控制能力的負(fù)荷分布控制平臺(tái),對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)至關(guān)重要[5?6]。

      文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)最小化算法負(fù)荷分布控制平臺(tái),由于負(fù)荷分布控制平臺(tái)將在一定程度上導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷超限。為此,該平臺(tái)的設(shè)計(jì)者利用最小化算法消除負(fù)荷分布控制平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的不良影響,設(shè)計(jì)出能夠令電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)荷分布控制平臺(tái),但該平臺(tái)的控制能力有限。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)能量仿真算法負(fù)荷分布控制平臺(tái),該平臺(tái)為電網(wǎng)建立仿真模型,并為模型劃分監(jiān)控區(qū)域,通過(guò)檢測(cè)模型中各區(qū)域的溫度變化,確定電網(wǎng)設(shè)備負(fù)荷是否存在問(wèn)題,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行控制。平臺(tái)的算法簡(jiǎn)單,電網(wǎng)對(duì)其響應(yīng)效果也較高,但其控制能力卻不高。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)熱參數(shù)模型負(fù)荷分布控制平臺(tái),該平臺(tái)通過(guò)構(gòu)造監(jiān)控電網(wǎng)設(shè)備室的溫度模型,使電網(wǎng)設(shè)備溫度始終維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),進(jìn)而減少負(fù)荷問(wèn)題的出現(xiàn)。該平臺(tái)的算法復(fù)雜,且在實(shí)際應(yīng)用中,電網(wǎng)對(duì)平臺(tái)響應(yīng)效果并不理想。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)聚合算法負(fù)荷分布控制平臺(tái),該平臺(tái)能夠有效控制電網(wǎng)負(fù)荷,但其效率較低,且受環(huán)境影響較大。

      為了解決以上負(fù)荷分布控制平臺(tái)的缺陷,設(shè)計(jì)出云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)。該平臺(tái)利用Hadoop云計(jì)算將負(fù)荷計(jì)算進(jìn)程合理分配,在低成本的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的較強(qiáng)控制,并利用分布式控制方法,使電網(wǎng)能夠?qū)ζ脚_(tái)產(chǎn)生較好的響應(yīng)效果。

      1 云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

      所設(shè)計(jì)的負(fù)荷分布控制平臺(tái)利用云計(jì)算實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的有效控制。云計(jì)算為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)提供的分布控制具有無(wú)區(qū)域局限性、自動(dòng)化水平高等優(yōu)點(diǎn),其能夠更為高效地管理云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)中的設(shè)備和應(yīng)用軟件,并同時(shí)提供“云端”服務(wù),使用戶足不出戶便能體驗(yàn)到互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的科研成果。

      1.1 云計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

      Hadoop云計(jì)算是一種分布式文件計(jì)算平臺(tái),其容錯(cuò)率高、計(jì)算準(zhǔn)確率和效率較高、存儲(chǔ)規(guī)模大,可實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程共同計(jì)算。Hadoop云計(jì)算相對(duì)于其他計(jì)算平臺(tái)來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)成本更低,其將計(jì)算進(jìn)程分布在多種低成本的設(shè)施上,并通過(guò)自身強(qiáng)大的處理能力對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確糾錯(cuò)。

      基于上述優(yōu)點(diǎn),云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)選用Hadoop云計(jì)算作為云計(jì)算電網(wǎng)負(fù)荷分布控制的核心。平臺(tái)利用Hadoop云計(jì)算分布式的控制理念,協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)讀取和處理效率,為平臺(tái)各模塊提供后臺(tái)計(jì)算支持。Hadoop云計(jì)算將隱晦難懂的控制策略納入到平臺(tái)的軟件后臺(tái)中進(jìn)行自動(dòng)操作,以增強(qiáng)平臺(tái)的可讀性,降低平臺(tái)開(kāi)發(fā)難度,為用戶提供更為準(zhǔn)確、便捷的控制效果,其工作原理如圖1所示。

      由圖1可知,Hadoop云計(jì)算中所包含的主要元素有用戶、云服務(wù)和電網(wǎng)設(shè)備。需要進(jìn)行負(fù)荷分布控制的電網(wǎng)設(shè)備會(huì)主動(dòng)向云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)發(fā)送控制請(qǐng)求,Hadoop云計(jì)算首先對(duì)其進(jìn)行接收。當(dāng)接收到控制請(qǐng)求后,Hadoop云計(jì)算將調(diào)用負(fù)荷采集模塊和負(fù)荷控制模塊進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制,其控制結(jié)果會(huì)傳送到云服務(wù)中的云端存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。云端服務(wù)器會(huì)將負(fù)荷控制狀態(tài)實(shí)時(shí)通知到相應(yīng)的電網(wǎng)設(shè)備中。用戶也可以對(duì)云服務(wù)中的電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和修改。

      云服務(wù)除提供云端存儲(chǔ)器外,還包括目標(biāo)推送和云端控制等服務(wù),這些服務(wù)均受Hadoop云計(jì)算控制,用戶不能對(duì)其進(jìn)行隨意修改。用戶在Hadoop云計(jì)算中擁有的修改權(quán)限僅限于電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù),這保證了云計(jì)算負(fù)荷分布平臺(tái)的安全性和隱私性,并同時(shí)避免了電網(wǎng)控制人員錯(cuò)誤操作所造成的數(shù)據(jù)丟失。

      1.2 負(fù)荷采集模塊設(shè)計(jì)

      當(dāng)電網(wǎng)設(shè)備對(duì)云計(jì)算負(fù)荷控制平臺(tái)發(fā)送出控制請(qǐng)求時(shí),Hadoop云計(jì)算將首先調(diào)用負(fù)荷采集模塊進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集工作。負(fù)荷采集模塊是云計(jì)算負(fù)荷控制平臺(tái)的基礎(chǔ),該模塊利用分布式理念,將不同類型的電網(wǎng)設(shè)備分別進(jìn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)采集。這種分布采集方式可減輕負(fù)荷采集模塊的后期負(fù)荷數(shù)據(jù)整理、存儲(chǔ)類型修改等工作的壓力。分布式理念所表現(xiàn)出的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)的層次匯總,這使得負(fù)荷采集模塊的結(jié)構(gòu)也具有一定的層次性。圖2為負(fù)荷采集模塊的結(jié)構(gòu)圖。

      由圖2可知:云計(jì)算負(fù)荷控制平臺(tái)的電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)可由兩處提供,分別為用戶和電網(wǎng)設(shè)備,但其絕大部分的負(fù)荷數(shù)據(jù)還是來(lái)自電網(wǎng)設(shè)備。所采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)由負(fù)荷采集模塊中的處理器進(jìn)行格式重置、過(guò)濾和整理等處理,經(jīng)處理過(guò)的負(fù)荷數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)出電網(wǎng)中需要控制的部分,這部分?jǐn)?shù)據(jù)被稱作問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)。問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)截?fù)荷控制模塊,經(jīng)由負(fù)荷控制模塊為用戶提供控制指令。

      用戶所提供的負(fù)荷數(shù)據(jù)均為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),即當(dāng)在電網(wǎng)中某一設(shè)備損壞,或處于非標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)中,用戶將手動(dòng)輸入該設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)負(fù)荷數(shù)據(jù)供負(fù)荷采集模塊使用。雖然經(jīng)由用戶提供的負(fù)荷數(shù)據(jù)較少,但卻是電網(wǎng)對(duì)云計(jì)算負(fù)荷控制平臺(tái)響應(yīng)效果的重要保障。圖3是用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)采集原理圖。

      由圖3可知,負(fù)荷采集模塊進(jìn)行的用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)采集工作可大致分為三部分:第一部分是用戶輸入負(fù)荷數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型主要包括負(fù)荷持有量、正常階段負(fù)荷量、負(fù)荷實(shí)際需求量和負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)需求量,這些輸入量較為細(xì)致地涵蓋了電網(wǎng)設(shè)備中可能產(chǎn)生的問(wèn)題負(fù)荷類型,也是負(fù)荷采集模塊需要對(duì)正常運(yùn)行電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)類型;負(fù)荷采集模塊在第二部分中,將用戶輸入的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成曲線和模型等易于觀察和控制的形式;負(fù)荷采集模塊在第三部分將進(jìn)行用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)的匯總和存儲(chǔ)。經(jīng)由電網(wǎng)設(shè)備提供負(fù)荷數(shù)據(jù)的原理與圖3類似,其區(qū)別僅在于采集方式是用戶自主提供還是模塊自動(dòng)采集。

      1.3 負(fù)荷控制模塊設(shè)計(jì)

      負(fù)荷控制模塊能夠進(jìn)行問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)的分析工作,并為用戶和電網(wǎng)設(shè)備提供最終控制指令,如圖4所示。

      由圖4可知,負(fù)荷控制模塊在Hadoop云計(jì)算的控制下,構(gòu)造分布式計(jì)算模型,利用該模型有選擇性地進(jìn)行問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和問(wèn)題挖掘操作。以上操作并不是模塊的固定分析流程,無(wú)先后操作順序。不同類型設(shè)備所產(chǎn)生的差異性問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù),將在此進(jìn)行不同的分析。

      通過(guò)分析問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù),負(fù)荷控制模塊將給出控制指令。該控制指令會(huì)存儲(chǔ)到Hadoop云計(jì)算的云端存儲(chǔ)器,進(jìn)而反饋給用戶和電網(wǎng)設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制。

      2 云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

      云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)面向用戶的不同需求,為其提供了多種多樣的軟件,分為低級(jí)應(yīng)用軟件和高級(jí)控制軟件,如圖5所示。

      云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)利用圖5中的平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件和計(jì)算支持軟件,為平臺(tái)設(shè)計(jì)算法和工作流程;用戶所接收到的電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)時(shí)狀況則由負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件給出;設(shè)備控制軟件對(duì)電網(wǎng)中出現(xiàn)負(fù)荷問(wèn)題設(shè)備進(jìn)行控制,其控制流程如圖6所示。

      由圖6可知,云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)中負(fù)荷問(wèn)題設(shè)備的控制流程為:當(dāng)控制指令給出,云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)首先進(jìn)行問(wèn)題負(fù)荷設(shè)備的定位,并對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè),找尋設(shè)備問(wèn)題點(diǎn)。若檢測(cè)后并未發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題點(diǎn),則將結(jié)果反饋給用戶,并隨即重新進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)。此時(shí),用戶可給定平臺(tái)設(shè)備的問(wèn)題范圍,以提高平臺(tái)控制效率;若設(shè)備問(wèn)題點(diǎn)被順利檢測(cè)出來(lái),平臺(tái)將通知用戶進(jìn)行設(shè)備整修,并將處理流程存儲(chǔ)到云端存儲(chǔ)器。

      高級(jí)控制軟件包括電網(wǎng)監(jiān)控軟件、學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件和商業(yè)分析軟件,高級(jí)控制軟件是專門為電網(wǎng)調(diào)試人員設(shè)計(jì)的,其功能較為專業(yè)且算法復(fù)雜,在此不做過(guò)多介紹。

      3 實(shí) 驗(yàn)

      控制能力和電網(wǎng)對(duì)平臺(tái)的響應(yīng)效果是評(píng)價(jià)分布式平臺(tái)性能好壞的重要指標(biāo),也是用戶在選購(gòu)分布控制平臺(tái)較為注重的因素。為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)的性能,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)基于對(duì)比分析方法,對(duì)本文設(shè)計(jì)的云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)的控制能力,以及電網(wǎng)對(duì)平臺(tái)的響應(yīng)效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

      3.1 控制能力驗(yàn)證

      節(jié)能效果是分布控制平臺(tái)控制能力的直接體現(xiàn),其既能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)節(jié)省成本,又實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大力提倡的“節(jié)能減排”目標(biāo)。圖7為本文平臺(tái)與不同算法平臺(tái)節(jié)能效果的對(duì)比曲線。

      由圖7可知,控制能力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了本文平臺(tái)同最小化算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)、聚合算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)節(jié)能效果的對(duì)比。圖7中的最小化算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)節(jié)能曲線最低,其平均節(jié)能百分比約為5.2%。但該曲線在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)呈下降趨勢(shì),節(jié)能效果預(yù)測(cè)值不足5.0%,說(shuō)明該平臺(tái)的控制能力較弱。

      聚合算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)節(jié)能曲線位于中間位置,其平均節(jié)能百分比約為7.9%,該節(jié)能效果滿足“節(jié)能減排”目的,能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)較好地節(jié)省成本。

      本文平臺(tái)的平均節(jié)能百分比約為10.4%,高出聚合算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)2.5%,證明本文平臺(tái)的控制能力較強(qiáng),具有一定市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

      3.2 響應(yīng)效果驗(yàn)證

      電網(wǎng)對(duì)云計(jì)算負(fù)荷分布控制平臺(tái)的響應(yīng)效果直接體現(xiàn)在中斷性的好壞,即平臺(tái)是否能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行持續(xù)控制。

      實(shí)驗(yàn)利用聚合算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)和本文平臺(tái),對(duì)同一電網(wǎng)進(jìn)行同時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為36 h。表1描述的是電網(wǎng)對(duì)兩平臺(tái)中斷時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。

      由于在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,存在的較多不可控因素均會(huì)影響到電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷分布控制平臺(tái)的響應(yīng)效果。因此,實(shí)驗(yàn)在雷雨暴風(fēng)天氣下再次進(jìn)行了電網(wǎng)對(duì)平臺(tái)響應(yīng)效果驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

      對(duì)比表1和表2可知,本文平臺(tái)在正常天氣下和雷雨暴風(fēng)天氣下的控制中斷時(shí)長(zhǎng),均遠(yuǎn)低于聚合算法負(fù)荷分布控制平臺(tái)的控制中斷時(shí)長(zhǎng),且本文平臺(tái)的控制中斷時(shí)長(zhǎng)更為穩(wěn)定,證明電網(wǎng)對(duì)本文平臺(tái)的響應(yīng)效果較好。

      4 結(jié) 論

      本文設(shè)計(jì)能夠合理兼顧電網(wǎng)響應(yīng)能力和控制能力的負(fù)荷分布控制平臺(tái)。該平臺(tái)利用Hadoop云計(jì)算實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的有效控制。當(dāng)電網(wǎng)設(shè)備對(duì)平臺(tái)發(fā)起控制請(qǐng)求,Hadoop云計(jì)算將調(diào)用負(fù)荷采集模塊和負(fù)荷控制模塊,對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行控制。負(fù)荷采集模塊從用戶或電網(wǎng)設(shè)備中采集負(fù)荷數(shù)據(jù),并對(duì)所采集到的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)而得到問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)。負(fù)荷控制模塊通過(guò)對(duì)問(wèn)題負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為用戶和電網(wǎng)設(shè)備提供最終控制指令。平臺(tái)為用戶提供低級(jí)應(yīng)用軟件和高級(jí)控制軟件,并給出負(fù)荷問(wèn)題設(shè)備控制流程圖。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)負(fù)荷具有較強(qiáng)的控制能力,且電網(wǎng)對(duì)平臺(tái)的響應(yīng)效果較好。

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