摘要：本文針對(duì)大型工業(yè)企業(yè)變電站的設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)研究。通過(guò)分析大型工業(yè)企業(yè)變電站的特點(diǎn)和功能，探討了變電站的選址、設(shè)備選型、自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，對(duì)變電站的運(yùn)行管理模式、維護(hù)策略和能效優(yōu)化方法進(jìn)行了深入分析。研究表明，科學(xué)合理的變電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化能夠顯著提高供電可靠性、降低運(yùn)營(yíng)成本，為大型工業(yè)企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。本研究為大型工業(yè)企業(yè)變電站的規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。
關(guān)鍵詞：大型工業(yè)企業(yè)；變電站設(shè)計(jì)；運(yùn)行優(yōu)化；自動(dòng)化系統(tǒng)；能效管理
0引言
隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大型工業(yè)企業(yè)對(duì)電力供應(yīng)的可靠性和質(zhì)量提出了更高要求。變電站作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)效率和運(yùn)營(yíng)成本。本研究旨在探討大型工業(yè)企業(yè)變電站的設(shè)計(jì)原則和運(yùn)行優(yōu)化策略，以提高變電站的供電可靠性和運(yùn)行效率。
針對(duì)大型工業(yè)企業(yè)特殊需求的變電站設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化研究仍顯不足。本研究將結(jié)合大型工業(yè)企業(yè)的特點(diǎn)，深入探討變電站設(shè)計(jì)與運(yùn)行中的關(guān)鍵問(wèn)題，為企業(yè)提供切實(shí)可行的解決方案。
1大型工業(yè)企業(yè)變電站概述
大型工業(yè)企業(yè)變電站是為滿足企業(yè)大規(guī)模用電需求而設(shè)計(jì)建造的專(zhuān)用變電站。與普通民用變電站相比，它具有負(fù)荷集中、容量大、可靠性要求高等特點(diǎn)。這類(lèi)變電站通常采用高壓或高壓供電，電壓等級(jí)可達(dá)110kV甚至更高，以滿足企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的電力需求。
變電站的主要功能包括電壓變換、電能分配、功率因數(shù)補(bǔ)償和保護(hù)控制等。通過(guò)變壓器將高壓電能轉(zhuǎn)換為適合生產(chǎn)設(shè)備使用的電壓等級(jí)，并通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)將電能分配到各個(gè)用電單元。同時(shí)，變電站還配備有完善的保護(hù)和控制裝置，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于大型工業(yè)企業(yè)而言，變電站不僅是電力供應(yīng)的樞紐，更是保障生產(chǎn)連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)施。
2大型工業(yè)企業(yè)變電站設(shè)計(jì)
變電站設(shè)計(jì)是確保其安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。首先，選址和布局應(yīng)考慮負(fù)荷、進(jìn)出線方便、地質(zhì)條件等因素，同時(shí)要預(yù)留發(fā)展空間。設(shè)備選型是設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，需要根據(jù)負(fù)荷特性、短路容量等參數(shù)選擇合適的變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、保護(hù)裝置等。主變壓器容量應(yīng)滿足負(fù)荷需求，并考慮一定的裕度。
自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代變電站的重要特征。應(yīng)配置完善的SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、保護(hù)和控制功能。同時(shí)，可考慮引入智能診斷、負(fù)荷預(yù)測(cè)等應(yīng)用，提高變電站的智能化水平。此外，還需重視接地系統(tǒng)、防雷保護(hù)等安全設(shè)施的設(shè)計(jì)，確保人員和設(shè)備安全。
3大型工業(yè)企業(yè)變電站運(yùn)行優(yōu)化
運(yùn)行管理是變電站發(fā)揮效能的關(guān)鍵。應(yīng)建立完善的運(yùn)行管理制度，包括值班制度、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等。采用先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和異常情況的快速響應(yīng)。維護(hù)策略方面，可結(jié)合狀態(tài)檢修和預(yù)防性維護(hù)，提高設(shè)備可靠性，降低維護(hù)成本。
能效優(yōu)化是變電站運(yùn)行管理的重要內(nèi)容。可通過(guò)優(yōu)化變壓器運(yùn)行方式、合理配置無(wú)功補(bǔ)償裝置、功率因數(shù)等措施提高能源利用效率。同時(shí)，可利用能源管理系統(tǒng)對(duì)變電站的能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，找出節(jié)能潛力，制定針對(duì)性的改進(jìn)措施。此外，還可考慮引入新能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)一步提高變電站的能源利用效率和供電可靠性。
4安科瑞Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
4.1方案綜述
Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設(shè)備組成，并用分層、開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接。站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)聯(lián)系界面，實(shí)現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠(yuǎn)方監(jiān)控、調(diào)度通信；間隔層由若干個(gè)二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨(dú)立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。
針對(duì)工程具體情況，設(shè)計(jì)方案具有高可靠性，易于擴(kuò)充和友好的人機(jī)界面，較好的性價(jià)比，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控層網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)雙機(jī)熱備配置。
4.2應(yīng)用場(chǎng)所
適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級(jí)的用戶端配、用電系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視和控制管理。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4、系統(tǒng)功能
4.4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
Acrel-1000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。
4.4.2 報(bào)警處理
監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報(bào)警功能。事故報(bào)警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)；預(yù)告報(bào)警包括一般設(shè)備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。
1） 事故報(bào)警。事故狀態(tài)方式時(shí)，事故報(bào)警立即發(fā)出音響報(bào)警（報(bào)警音量任意調(diào)節(jié)），操作員工作站的顯示畫(huà)面上用顏色改變并閃爍表示該設(shè)備變位，同時(shí)彈窗顯示紅色報(bào)警條文，報(bào)警分為實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警，歷史報(bào)警條文具備選擇查詢并打印的功能。
事故報(bào)警通過(guò)手動(dòng)，每次確認(rèn)一次報(bào)警。報(bào)警一旦確認(rèn)，聲音、閃光即停止。
次事故報(bào)警發(fā)生階段，允許下一個(gè)報(bào)警信號(hào)進(jìn)入，即次報(bào)警不覆蓋上一次的報(bào)警內(nèi)容。報(bào)警處理具備在主計(jì)算機(jī)上予以定義或退出的功能。
2） 對(duì)每一測(cè)量值（包括計(jì)算量值），由用戶序列設(shè)置四種規(guī)定的運(yùn)行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預(yù)告報(bào)警和事故報(bào)警。
3） 開(kāi)關(guān)事故跳閘到該次數(shù)或開(kāi)關(guān)拉閘到該次數(shù)，推出報(bào)警信息，提示用戶檢修。
4）報(bào)警方式。
報(bào)警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫(huà)面閃爍、聲光報(bào)警器、語(yǔ)音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報(bào)警信息。
4.4.3 調(diào)節(jié)與控制
操作員對(duì)需要控制的電氣設(shè)備進(jìn)行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護(hù)功能，允許監(jiān)護(hù)人員在操作員工作站上實(shí)施監(jiān)護(hù)，避免誤操作。
操作控制分為四級(jí)：
第控制，設(shè)備就地檢修控制。具有優(yōu)先級(jí)的控制權(quán)。當(dāng)操作人員將就地設(shè)備的遠(yuǎn)方/就地切換開(kāi)關(guān)放在就地位置時(shí)，將閉鎖所有其他控制功能，只進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作。
級(jí)控制，間隔層后備控制。其與第三級(jí)控制的切換在間隔層完成。
第三級(jí)控制，站控層控制。該級(jí)控制在操作員工作站上完成，具有遠(yuǎn)方/站控層的切換。
第四級(jí)控制，遠(yuǎn)方控制，優(yōu)先級(jí)。
原則上間隔層控制和設(shè)備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級(jí)層設(shè)置操作員、監(jiān)護(hù)員口令及線路代碼，以確保操作的安全性和正確性。對(duì)任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進(jìn)行下一步操作。同一時(shí)間只允許一種控制方式。
納入控制的設(shè)備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開(kāi)關(guān)及帶電動(dòng)機(jī)構(gòu)的接地開(kāi)關(guān)；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護(hù)裝置的遠(yuǎn)方復(fù)歸及遠(yuǎn)方投退連接片。
3）定時(shí)控制。操作員對(duì)需要控制的電氣設(shè)備進(jìn)行定時(shí)控制操作，設(shè)定啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間，完成定時(shí)控制。
4） 監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出。控制輸出的接點(diǎn)為無(wú)源接點(diǎn)，接點(diǎn)的容量對(duì)直流為110V（220V）、5A，對(duì)交流為220V、5A。
4.4.4 用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員、維護(hù)員、值班員組等），在每個(gè)權(quán)限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
4.5系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場(chǎng)合 | 型號(hào) | 圖 片 | 保護(hù)功能 |
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35kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng) | Acrel- 1000 | 
| 可顯示變電站主接線圖，模擬配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班模式；根據(jù)順序事件記錄、歷史曲線、故障錄波，協(xié)助運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)快速故障分析、定位和排除問(wèn)題，盡量縮短停電時(shí)間；實(shí)時(shí)采集各回路、設(shè)備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動(dòng)等參數(shù)，對(duì)配電系統(tǒng)和用電設(shè)備進(jìn)行用能分析和能效管理 |
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網(wǎng)關(guān) | ANet- 2E8S1 | 
| 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等協(xié)議上傳，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳、XML、JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、支持標(biāo)準(zhǔn)8GB SD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；每個(gè)設(shè)備的多個(gè)報(bào)警設(shè)置。輸入電源：AC/DC 220V，導(dǎo)軌式安裝。 |
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35kV/10kV/6kV 弧光保護(hù) | ARB6-A6 | 
| 動(dòng)作時(shí)間： 弧光單判據(jù)≤3.8ms 弧光電流雙判據(jù)≤7.8ms | 0.4kV~35kV：每段母線配置1臺(tái)主機(jī)。 |
ARB6-A12 |
ARB6-A18 |
ARB6-A24 |
ARB6-A30 |
選配 | 2、3路以太網(wǎng)接口 |
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ARB-S0 | 
| 無(wú)源型廣角寬光譜探頭 （不含電池、免維護(hù)） 自帶濾光功能 全絕緣、不含金屬成分 （沒(méi)有電氣安全隱患） 配套雙股阻燃光纖（20米） | 高壓柜：母線室配置1個(gè)弧光探頭，手車(chē)室和電纜室可按需各配置1個(gè)弧光探頭。 低壓柜：正對(duì)主母排處配置1個(gè)弧光探頭。 |
ARB-S1 | 
| 無(wú)源型廣角紫外光探頭 （不含電池、免維護(hù)） 自帶濾光功能 ST標(biāo)準(zhǔn)接口 （國(guó)網(wǎng)應(yīng)用） 配套雙股阻燃光纖（20米） |
35kV/10kV/6kV 進(jìn)線柜電能質(zhì)量 在線監(jiān)測(cè) | APView500 | 
| 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無(wú)功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動(dòng)/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點(diǎn)波形采樣、觸發(fā)及定時(shí)錄波，波形實(shí)時(shí)顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲(chǔ)，內(nèi)存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護(hù)網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤(pán)讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 間隔智能操控、 節(jié)點(diǎn)測(cè)溫 | ASD500 | 
| 5寸大液晶彩屏動(dòng)態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲(chǔ)能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗(yàn)電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠(yuǎn)方/就地、分合閘、儲(chǔ)能旋鈕預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測(cè)量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對(duì)時(shí)、高壓柜內(nèi)電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫、全電參量測(cè)溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測(cè)量 | APM830 | 
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實(shí)時(shí)及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報(bào)警類(lèi)型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴(kuò)展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
變壓器繞組 溫度檢測(cè) | ARTM-8 | 
| 8路溫度巡檢，預(yù)埋PT100，RS485接口，2路繼電器輸出； |
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變壓器接頭測(cè)溫低壓進(jìn)出線柜接頭測(cè)溫 | ARTM-Pn-E | 
| 無(wú)線測(cè)溫采集可接入60個(gè)無(wú)線測(cè)溫傳感器；U、I、P、Q等全電參量測(cè)量；2路告警輸出；1路RS485通訊； |
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ATE400 | 
| 合金片固定，CT感應(yīng)取電，啟動(dòng)電流大于5A，測(cè)溫范圍-50-125C，測(cè)量精度±1℃；無(wú)線傳輸距離空曠150米； |
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應(yīng)用場(chǎng)合 | 型號(hào) | 圖 片 | 保護(hù)功能 | 其他功能 |
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35kV/10kV/ 6kV進(jìn)線 | AM6-L | 
| 三段式過(guò)流保護(hù)（帶方向、低壓閉鎖）、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、PT斷線告警、逆功率保護(hù)、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)； | 操作回路、 雙以太網(wǎng)口、 雙485口、 2路4-20mA變 送輸出、 故障錄波、 GPS對(duì)時(shí)、 全電量測(cè)量 直流量測(cè)量
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35kV/10kV/ 6kV饋線 | AM6-L | 三段式過(guò)流保護(hù)（帶方向、低壓閉鎖）、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、PT斷線告警、逆功率保護(hù)、三相一次重合閘、低頻減載、檢同期、合環(huán)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)； |
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35kV主變 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 兩圈變/三圈變差動(dòng)速斷保護(hù)、比例制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)； |
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AM6-TB | 變壓器后備保護(hù)測(cè)控、三段式過(guò)流保護(hù)（帶方向、復(fù)合電壓閉鎖）、非電量保護(hù)、啟動(dòng)通風(fēng)保護(hù)、PT斷線告警、遙調(diào)升檔、遙調(diào)降檔、遙調(diào)急停； |
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35kV/10kV/ 6kV廠用變 | AM6-S | 三段式過(guò)流保護(hù)（帶方向、復(fù)合電壓閉鎖）、零序過(guò)流、過(guò)負(fù)荷保護(hù)（告警/跳閘）、控故障告警、PT斷線告警、非電量保護(hù)； |
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35kV電機(jī) （2000kW以上） | AM6-MD | 差動(dòng)速斷保護(hù)、比例差動(dòng)保護(hù)、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)等電機(jī)綜合保護(hù)； |
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10kV/6kV 異步電機(jī) | AM6-M | 兩段式過(guò)流/零序過(guò)流/負(fù)序過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)（告警/跳閘）、低電壓保護(hù)、PT斷線告警、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、啟動(dòng)超時(shí)、熱過(guò)載保護(hù)、電壓不平衡； |
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35kV/10kV/6kV PT監(jiān)測(cè) | AM6-UB | PT并列/解列、PT監(jiān)測(cè)； |
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10kV/6kV 電容器 | AM6-C | 兩段式過(guò)流/零序過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)（告警/跳閘）、PT斷線告警、過(guò)電壓/欠電壓跳閘、不平衡電壓/電流保護(hù)； |
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35kV/10kV/ 6kV母聯(lián) | AM6-B | 兩進(jìn)線備投/母聯(lián)備投/自適應(yīng)備投、聯(lián)切備投、三段式過(guò)流保護(hù)（帶方向、復(fù)合電壓閉鎖）、PT斷線告警、過(guò)負(fù)荷聯(lián)切/告警、檢同期、合環(huán)保護(hù)； |
5總結(jié)
科學(xué)合理的變電站設(shè)計(jì)是確保其安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，應(yīng)關(guān)注選址布局、設(shè)備選型和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；運(yùn)行管理策略和能效優(yōu)化措施能夠顯著提高變電站的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益；未來(lái)，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大型工業(yè)企業(yè)變電站將朝著更加智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，為企業(yè)提供更加可靠的電力供應(yīng)。
參考文獻(xiàn)
【1】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2022.05版
