CN106532746B - 一种风电场参与一次调频的控制系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种风电场参与一次调频控制的控制系统及实现方法，由风电机组数据采集单元、风电机组惯性计算单元、风电机组惯性控制单元、风电机组一次调频处理单元、远动通信控制单元、录波分析单元、频率扰动单元等模块组成。本发明针对新能源风电的实际特点，通过风电场厂站级有功功率协调控制的方式参与电网一次调频，既考虑了频率下垂控制，同时又利用了风电机组的旋转惯性，在系统频率发生波动越过门槛时，增加风电机组的出力，在不增加额外储能设备的情况下，在一定时间内快速参与一次调频，最大程度地发挥风机的作用，达到降低系统频率变化幅度，参与电网频率快速恢复的目的，适用于风电场参与系统一次调频的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于电力系统控制技术领域，具体地涉及一种风电场参与一次调频的实现方案。
背景技术
随着风力发电的迅速发展，风电在电力系统中所占比重不断提高，在解决了风电机组运行中自身的低电压穿越、不对称故障等问题以后，要求风电场参与电力系统一次调频，维护电力系统的安全稳定运行，挖掘风电场有功功率及频率控制潜力，向电力系统提供辅助服务等成为世界各国风力发电领域研究的热点问题，如：加拿大要求风电机组能够提供风电场装机5％的备用容量，持续10秒；德国要求100MW以上风电场应具备2％的备用容量参与系统频率调节；国内外的风电机组生产厂商(如Vestas、GE、SIEMENT、金风等)也正着力开发风电机组提供辅助服务的功能，对风电控制提出了更高的要求，以满足建设电网友好型风电场的需求。
风电参与系统频率控制吸引了国内外研究人员、风电机组制造商开展了许多研究，这些研究一方面集中在风电机组层面，希望充分发挥风电单机的控制性能，目前所提出的基于单机控制的方案还存在一些局限性。另一方面，基于风电场厂站级参与系统一次调频、基于调度端参与一次调频、虚拟同步等也是值得进一步研究的方案。要发挥风电机组的调频作用，需要解决两个问题：一是提供系统频率控制的额外功率来源问题，二是如何建立风电机组和系统扰动的联系，风电机组如何响应系统的扰动，以优化风电机组对系统扰动的控制。
与传统同步发电机相比，并网风电场由于风电机组通过电力电子装置并网，对电网动态表现出无惯性或弱惯性，基本不响应电网的变化，当系统发生功率不平衡时，容易引起较大的频率变化率和频率偏移量，不利于电网的稳定运行；其次为了获得最大的风电功率，并网风电机组一般都运行在最大功率跟踪状态，因而风电场没有有功功率储备。
在风电场参与电网一次调频的背景下，如何利用风机的惯性改善一次调频的控制效果，减小频率的变化幅度，需要进一步研究。
对于风电场而言，参与电力系统一次调频的方式多种多样，包括单机模式、厂站级功率控制、调度端控制模式等，到底哪一种方式一次调频调节效果最好，需要充分的研究。
风电现场在进行一次调频试验时，往往需要调度统一安排，相关厂站需要做出配合，试验对于正常的生产运行会造成一定的影响。这样就对场站级功率控制设备提出新的要求，具备离线测试功能，对频率扰动信号做出正确响应。
发明内容
为了解决现有一次调频技术中存在的单机参与的局限性、如何利用风机的惯性等问题，本发明公开了一种风电场参与一次调频控制的实现方法。
本申请具体采用以下技术方案：
一种风电场参与一次调频的控制系统，包括信号采集单元、一次调频处理单元、风机惯性计算单元、风机惯性控制单元、风电场厂站级有功功率控制器；其特征在于：
信号采集单元、一次调频处理单元、风机惯性计算单元、风机惯性控制单元、远动通讯单元、录波分析单元、频率扰动单元均与风电场厂站级有功功率控制器相连；
所述信号采集单元实时采集风电场汇集站母线功率及频率信号，并将采集信号上传至一次调频处理单元；
所述一次调频处理单元根据实时采集的风电场汇集站母线频率与额定频率的偏差量对风电场厂站级有功功率控制器接收的调度下发的风电场有功功率目标进行修正，并将修正后的风电场有功功率目标值传递给风机惯性计算单元；
所述风机惯性计算单元，对一次调频处理单元修正后的风电场有功目标值进行再修正，计算风机转速变化时所能释放的旋转动能，利用风机本身的惯性，释放动能，参与电网频率的恢复；所述风机惯性控制单元协调控制风场多台风机的启停顺序及惯性控制时间，触发控制器使风电机组维持一定时间的附加功率输出，通过风机分组顺序控制，降低较大的功率波动。
本发明还进一步包括以下优选方案：
风电场参与一次调频的控制系统还包括远动通讯单元，所述远动通讯单元一方面通过各种通讯规约接入风电场参与一次调频所需的风机有功、风机状态信息，另一方面还通过IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、CDT种远动通讯规约与调度端进行数据通信。
所述风电场参与一次调频的控制系统还包括录波分析单元，录波分析单元采用事件触发机制，当风电场参与一次调频动作时，控制系统触发所述录波分析单元启动录波，记录动作时段的汇集站母线频率、风电场实发有功功率、风电场目标有功功率等曲线，并上传分析系统，进行一次调频动作时间、频率变化幅度等动作指标的分析评价。
所述风电场参与一次调频的控制系统还包括频率扰动单元，当一次调频控制系统工作在离线模式时，由频率扰动单元采用事先生成的频率扰动数据文件，实现在风电场频率正常工况下的提供频率扰动信号。
本申请还公开了一种风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：通过信号采集单元实时采集风电场汇集站母线频率信号；
步骤2：根据步骤1采集的风电场汇集站母线频率信号，计算风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的偏差；
步骤3：通过远动通信单元，接收调度有功功率目标指令P；
步骤4：判断风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的频率偏差是否小于一次调频死区，如果是，进入步骤7；否则进入步骤5；
步骤5：根据下式计算风电机组进行一次调频的风电场目标有功Ptarget：
Δf＝f0-fs (1)
Ptarget＝P+ΔP (3)
其中，P为调度下发风电场当前的有功功率目标指令，Ptarget为一次调频后的风电场目标有功；Δf为fo为风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的频率偏差；fo为额定频率即母线频率目标值；fs为汇集站母线频率；K1、K2分别为调节系数；ΔP为由频率变化引起的有功修正量；
步骤6：当Ptarget<＝Pmax时，则将风电场目标有功Ptarget下发给风电场监控系统，实现对风电机组的一次调频动作；同时触发录波分析单元启动录波，对汇集站母线频率、风电场实发有功功率、风电场目标有功功率进行录波，根据录波数据对本次一次调频的动作时间、频率的恢复幅度等效果进行分析评价；
当Ptarget>Pmax,则转步骤7对风电场目标有功Ptarget进行修正；
其中，Pmax为风电场最大额定出力；
步骤7：计算风电机组的旋转动能，利用风电机组的旋转动能参与一次调频控制对风电场目标有功Ptarget进行修正；
在限出力工况下，风电机组具有持续的有功功率储备从而具有一次调频的能力；在额定工况下，风电机组能够通过储存的惯性释放动能，增加风电机组的输出功率，从而提供系统一次调频的控制能力；
步骤8：将步骤7修正后的修正后的风电场目标有功P′target下发给风电场EMS监控系统，由风电场监控系统控制各台风机，实现风电场实发有功的调整。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤2中，当风电场厂站级有功功率控制系统工作在离线模式时，风电场汇集站母线频率信号由离线测试单元频率扰动信号提供；在风电现场进行一次调频试验前，采用事先生成的频率扰动数据文件，实现在频率正常工况下的频率扰动效果，进行风电场厂站级有功功率控制系统一次调频功能的动作响应及功能测试。
在步骤5中，调节系数K1的取值与调节的动态响应速度有关，可取风电场额定容量的0％～30％，或者按照用户的要求设置；调节系数K2的取值与风电场一次调频的能力有关，可取风电场额定容量的0％～40％，或者按照用户的要求设置。
在步骤7中，利用风电机组的旋转动能参与一次调频控制对风电场目标有功Ptarget进行修正包括以下内容：
7.1：计算风电机组运行时具有的旋转动能：
其中，E为风电机组具有的旋转动能，J为转动惯量，ωr为风电机组的转速；
7.2：计算风电机组转动惯量的时间常数：
ωrs为风电机组的额定转速；H为转动惯量时间常数；S表示风电机组的额定容量；
7.3：计算由于转速的变化风电机组释放的旋转动能为
ωr0表示风电机组初始转速，ωr1表示释放旋转动能后的风机最终转速；
将式(5)代入式(6)，并且将风电机组的转速转换为以同步速为基准值的标幺值，得到风电机组由于转速变化释放的旋转动能为：
其中ωr0*表示风电机组初始转速的标幺值，ωr1*表示风电机组最终转速的标幺值；
7.4：一次调频动作信号后，按式(8)对风电场目标有功Ptarget进行修正，得到修正后的风电场目标有功P′target，其中K为功率系数；
P′target＝Ptarget+ΔE*K (8)
其中，功率系数K可实现风机惯性人工调整，取值范围可为0.7～1.0。
在步骤8中，对于支持提供单机控制接口的风电场EMS监控系统，可直接对单机下发控制指令。
本申请具有以下有益效果：
在风电场自动化系统具备的前提下，不需增加储能等设备，既考虑了频率下垂控制，又利用了风机本身的惯性，最大限度地参与电力系统频率的一次调整，具有实用性。
附图说明
图1是本申请公开的风电场参与一次调频控制系统结构示意图；
图2是本申请公开的风电场参与一次调频控制实现方法流程示意图；
图3是单台风电机组输出功率控制示意图；
图4是不同风电机组输出功率控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。
如图1所示为风电场参与一次调频控制系统结构示意图。该系统实现了风电场厂站级参与一次调频，由风电场厂站级有功功率协调控制器构成，具体包括信号采集单元、一次调频处理单元、风机惯性处理单元、风机惯性控制单元、远动通信单元、录波分析单元、频率扰动单元等构成。信号采集单元通过硬接线直接采集汇集站母线频率信号；远动通信单元一方面通过与风电场监控系统通信交互数据，实现信息接入以及有功目标指令的下发，另一方面与调度中心实现远动通信；系统支持直接下发有功目标指令到风机，同时也支持下发有功目标指令到风电场EMS系统。
信号采集单元、一次调频处理单元、风机惯性计算单元、风机惯性控制单元、远动通讯单元、录波分析单元、频率扰动单元均与风电场厂站级有功功率控制器相连。所述信号采集单元实时采集风电场汇集站母线功率及频率信号，并将采集信号上传至一次调频处理单元。所述一次调频处理单元根据实时采集的风电场汇集站母线频率与额定频率的偏差量对风电场厂站级有功功率控制器接收的调度下发的风电场有功功率目标进行修正，并将修正后的风电场有功功率目标值传递给风机惯性计算单元。所述风机惯性计算单元，对一次调频处理单元修正后的风电场有功目标值进行再修正，计算风机转速变化时所能释放的旋转动能，利用风机本身的惯性，释放动能，参与电网频率的恢复；所述风机惯性控制单元协调控制风场多台风机的启停顺序及惯性控制时间，触发控制器使风电机组维持一定时间的附加功率输出，通过风机分组顺序控制，降低较大的功率波动。
所述远动通讯单元一方面通过各种通讯规约接入风电场参与一次调频所需的风机有功、风机状态信息，另一方面还通过IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、CDT种远动通讯规约与调度端进行数据通信。
所述风电场参与一次调频的控制系统还包括录波分析单元，录波分析单元采用事件触发机制，当风电场参与一次调频动作时，控制系统触发所述录波分析单元启动录波，记录动作时段的汇集站母线频率、风电场实发有功功率、风电场目标有功功率等曲线，并上传分析系统，进行一次调频动作时间、频率变化幅度等动作指标的分析评价。
所述风电场参与一次调频的控制系统还包括频率扰动单元，当一次调频控制系统工作在离线模式时，由频率扰动单元采用事先生成的频率扰动数据文件，实现在风电场频率正常工况下的提供频率扰动信号。
如图2所示为基于风电场厂站级参与一次调频控制的实现方法的流程示意图。
第一步：通过信号采集单元，实现对风电场汇集站高压母线频率的采集和处理，交流采样模块提供4路交流电压4路交流电流通道，主要完成风电场汇集站高压母线A、B、C相电压电流有效值、A、B、C三相有功功率和无功功率，A、B、C三相电压电流的频率信号采集功能。
第二步：根据第一步采集的风电场汇集站母线频率信号，计算风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的偏差；当风电场厂站级有功功率控制系统工作在离线模式时，风电场汇集站母线频率信号由离线测试单元频率扰动信号提供；在风电现场进行一次调频试验前，采用事先生成的频率扰动数据文件，实现在频率正常工况下的频率扰动效果，进行风电场厂站级有功功率控制系统一次调频功能的动作响应及功能测试。
第三步：通过远动通信单元，实现风电场厂站级有功功率控制系统与上级调度中心间的远动通信功能，在线接收调度的风电厂目标有功指令P；实现与风电场监控系统之间的信息接入功能。第四步：判断风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的频率偏差是否小于一次调频死区，如果是，进入第七步；否则进入第五步；第五步：首先根据测量得到的频率偏差Δf＝f0-fs，当|Δf|大于一次调频死区时，采用系统频率变化率和系统频率变化量作为频率控制器的输入获得额外功率叠加到目标有功功率上，如下式所示：
Ptarget＝P+ΔP (2)
通过这种方法来模拟惯量响应和频率下垂控制，其中P为调度下发的当前有功功率指令，Ptarget为一次调频修正后风电场目标有功；Pmax为风电场最大额定出力；fo为额定频率；fs为系统频率；K1、K2分别为调节系数，调节系数K1的取值与调节的动态响应速度有关，可取风电场额定容量的0％～30％，或者按照用户的要求设置；调节系数K2的取值与风电场一次调频的能力有关，可取风电场额定容量的0％～40％，或者按照用户的要求设置；ΔP为由频率变化引起的有功修正量。
第六步：当Ptarget<＝Pmax时，则将风电场目标有功Ptarget下发给风电场监控系统，实现对风电机组的一次调频动作；同时触发录波分析单元启动录波，对汇集站母线频率、风电场实发有功功率、风电场目标有功功率进行录波，根据录波数据对本次一次调频的动作时间、频率的恢复幅度等效果进行分析评价；
当Ptarget>Pmax,则转第七步对风电场目标有功Ptarget进行修正；
其中，Pmax为风电场最大额定出力；
第七步：计算风电机组的旋转动能，利用风电机组的旋转动能参与一次调频控制对风电场目标有功Ptarget进行修正；
在限出力工况下，风电机组具有持续的有功功率储备从而具有一次调频的能力；在额定工况下，风电机组能够通过储存的惯性释放动能，增加风电机组的输出功率，从而提供系统一次调频的控制能力；
为了对风电机组的频率控制进行定量分析，充分利用风电机组的转子动能对系统频率进行控制，需要根据风电机组的运行状态，由风电机组的惯性时间常数和风电机组的变速运行范围计算风电机组可用旋转动能。从能量和功率的角度出发，计算变速风电机组在不同的风速条件下的旋转动能。
第7.1步：计算风电机组运行时具有的旋转动能：
其中E为风电机组具有的能量单位J，J为转动惯量单位kg*m2，ωr为风电机组的转速单位rad/s。
第7.2步：计算风电机组转动惯量的时间常数：
ωrs为风力发电机转子的额定转速。H为转动惯量时间常数，S表示风电机组的额定容量。
第7.3步：计算由于转速的变化风电机组释放的旋转动能为
将式(4)代入式(5)，并且将风电机组的转速转换为以同步速为基准值的标幺值，可以得到风电机组由于转速变化释放的旋转动能为：
其中ωr0*表示风电机组初始转速的标幺值，ωr1*表示风电机组最终转速的标幺值。
第7.4步：一次调频动作信号后，按式(8)对风电场目标有功Ptarget进行修正，得到修正后的风电场目标有功P′target，其中K为功率系数；
P′target＝Ptarget+ΔE*K (8)
其中，功率系数K可实现风机惯性人工调整，取值范围可为0.7～1.0。
测量系统频率，一次调频动作信号后，控制风机输出功率为常数(如在风机的输出功率上增加10％功率并且持续10s)。风机的输出功率波形如附图3所示。
另一方面，对于风电场中不同的风力发电机组，为了避免所有机组从减速到加速过程引起较大的功率变化，对风场的风力发电机组进行分组，并采用不同的频率控制持续时间，从而降低风电场从减速到加速切换过程中的功率降低，不同的风力发电机组输出功率如附图4所示。满足一次调频动作触发条件时，第一分组风机提升功率10％，动作时间持续10s，然后出力降低到额定出力的95％，持续设定时间后返回正常值；第二分组收到一次调频动作触发信号，延迟1s后重复上述控制策略；后续分组依次动作；
第八步：一次调频修正后的风电场目标有功P′target，下发给风电场EMS监控系统，由风电场监控系统控制各台风机，实现风电场实发有功的调整，从而实现一次调频；对于支持提供单机控制接口的系统，可直接对单机下发控制指令。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风电场参与一次调频的控制系统，包括信号采集单元、一次调频处理单元、风机惯性计算单元、风机惯性控制单元、风电场厂站级有功功率控制器；其特征在于：
信号采集单元、一次调频处理单元、风机惯性计算单元、风机惯性控制单元、远动通信单元、录波分析单元、频率扰动单元均与风电场厂站级有功功率控制器相连；
所述信号采集单元实时采集风电场汇集站母线功率及频率信号，并将采集信号上传至一次调频处理单元；
所述一次调频处理单元根据实时采集的风电场汇集站母线频率与额定频率的偏差量对风电场厂站级有功功率控制器接收的调度下发的风电场有功功率目标进行修正，并将修正后的风电场有功功率目标值传递给风机惯性计算单元；
所述风机惯性计算单元，对一次调频处理单元修正后的风电场有功功率目标值进行再修正，计算风机转速变化时所能释放的旋转动能，利用风机本身的惯性，释放旋转动能，参与电网频率的恢复；所述风机惯性控制单元协调控制风电场多台风机的启停顺序及惯性控制时间，触发风电场厂站级有功功率控制器使风电机组维持一定时间的附加功率输出，通过风机分组顺序控制，降低较大的功率波动。
2.根据权利要求1所述的一种风电场参与一次调频的控制系统，其特征在于：
风电场参与一次调频的控制系统还包括远动通信单元，所述远动通信单元一方面通过各种通讯规约接入风电场参与一次调频所需的风机有功、风机状态信息，另一方面还通过IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、CDT远动通讯规约与调度端进行数据通信。
3.根据权利要求2所述的一种风电场参与一次调频的控制系统，其特征在于：
所述风电场参与一次调频的控制系统还包括录波分析单元，录波分析单元采用事件触发机制，当风电场参与一次调频动作时，控制系统触发所述录波分析单元启动录波，记录动作时段的风电场汇集站母线频率、风电场实发有功功率、风电场有功功率目标值曲线，并上传分析系统，进行一次调频动作时间、频率变化幅度动作指标的分析评价。
4.根据权利要求1或3所述的一种风电场参与一次调频的控制系统，其特征在于：
所述风电场参与一次调频的控制系统还包括频率扰动单元，当控制系统工作在离线模式时，由频率扰动单元采用事先生成的频率扰动数据文件，实现在风电场频率正常工况下的提供频率扰动信号。
5.一种风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
步骤1：通过信号采集单元实时采集风电场汇集站母线频率信号；
步骤2：根据步骤1采集的风电场汇集站母线频率信号，计算风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的偏差；
步骤3：通过远动通信单元，接收调度有功功率目标指令P；
步骤4：判断风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的频率偏差是否小于一次调频死区，如果是，进入步骤7；否则进入步骤5；
步骤5：根据下式计算风电机组进行一次调频的风电场目标有功Ptarget：
Δf＝f0-fs (1)
Ptarget＝P+ΔP (3)
其中，P为调度下发风电场当前的有功功率目标指令，Ptarget为一次调频后的风电场目标有功；Δf为风电场汇集站母线频率与母线频率目标值之间的频率偏差；fo为额定频率即母线频率目标值；fs为汇集站母线频率；K1、K2分别为调节系数；ΔP为由频率变化引起的有功修正量；
步骤6：当Ptarget<＝Pmax时，则将风电场目标有功Ptarget下发给风电场监控系统，实现对风电机组的一次调频动作；同时触发录波分析单元启动录波，对风电场汇集站母线频率、风电场实发有功功率、风电场目标有功功率进行录波，根据录波数据对本次一次调频的动作时间、频率的恢复幅度进行分析评价；
当Ptarget>Pmax,则转步骤7对风电场目标有功Ptarget进行修正；
其中，Pmax为风电场最大额定出力；
步骤7：计算风电机组的旋转动能，利用风电机组的旋转动能参与一次调频控制对风电场目标有功Ptarget进行修正；
在限出力工况下，风电机组具有持续的有功功率储备从而具有一次调频的能力；在额定工况下，风电机组能够通过储存的惯性释放旋转动能，增加风电机组的输出功率，从而提高系统一次调频的控制能力；
步骤8：将步骤7修正后的风电场目标有功P′target下发给风电场监控系统，由风电场监控系统控制各台风机，实现风电场实发有功的调整。
6.根据权利要求5所述的风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于：
在步骤2中，当风电场厂站级有功功率控制系统工作在离线模式时，风电场汇集站母线频率信号由离线测试单元频率扰动信号提供；在风电现场进行一次调频试验前，采用事先生成的频率扰动数据文件，实现在频率正常工况下的频率扰动效果，进行风电场厂站级有功功率控制系统一次调频功能的动作响应及功能测试。
7.根据权利要求5所述的风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于：
在步骤5中，调节系数K1的取值与调节的动态响应速度有关，取风电场额定容量的0％～30％，或者按照用户的要求设置。
8.根据权利要求7所述的风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于：
在步骤5中，调节系数K2的取值与风电场一次调频的能力有关，取风电场额定容量的0％～40％，或者按照用户的要求设置。
9.根据权利要求5所述的风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于：
在步骤7中，利用风电机组的旋转动能参与一次调频控制对风电场目标有功Ptarget进行修正包括以下内容：
7.1：计算风电机组运行时具有的旋转动能：
其中，E为风电机组具有的旋转动能，J为转动惯量，ωr为风电机组的转速；
7.2：计算风电机组转动惯量的时间常数：
ωrs为风电机组的额定转速；H为转动惯量时间常数；S表示风电机组的额定容量；
7.3：计算由于转速的变化风电机组释放的旋转动能为
ωr0表示风电机组初始转速，ωr1表示释放旋转动能后的风机最终转速；
将式(5)代入式(6)，并且将风电机组的转速转换为以同步速为基准值的标幺值，得到风电机组由于转速变化释放的旋转动能为：
其中ωr0*表示风电机组初始转速的标幺值，ωr1*表示风电机组最终转速的标幺值；
7.4：一次调频动作信号后，按式(8)对风电场目标有功Ptarget进行修正，得到修正后的风电场目标有功P′target，其中K为功率系数；
P′target＝Ptarget+ΔE*K (8)
其中，功率系数K可实现风机惯性人工调整，取值范围可为0.7～1.0。
10.根据权利要求5所述的风电场参与一次调频控制的实现方法，其特征在于：
在步骤8中，对于支持提供单机控制接口的风电场监控系统，可直接对单机下发控制指令。
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