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电力系统自动化课设
电力系统自动化
——同步发电机准同期并列试验研究
院(系):
专业:
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
同组者:
实验日期2010.12.22
目录
摘要(关键词)
引言
一、实验目的
二、原理与说明
三、实验项目和方法
(一)机组启动与建压
(二)观察与分析
(三)手动准同期
(四)半自动准同期
(五)全自动准同期
(六)准同期条件的整定
(七)停机
四、结论
五、实验小节
六、实验设备
七、参考文献
摘要:
为提高供电的可靠性和电能质量,电力系统中的发电机通常都采用并联运行。
根据系统运行的需要,同步发电机经常要投入或推出电网,有时会将一台或多台退出或投入运行。
在某些情况下,甚至需要将已被解列为两部分的电力系统重新恢复并列运行。
本课题为对同步发电机准同期并列进行实验研究。
借华中科技大学自动化技术研究所研制的WDT-ⅢC电力系统综合自动化试验台为开发平台,对同步发电机准同期并列进行了实验研究。
主要目的是加深理解同步发电机准同期并列原理,掌握准同期并列条件,掌握微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法,熟悉同步发电机准同期并列过程以及观察、分析有关波形。
关键词:
电力系统及其自动化,同步发电机,准同期并列,实验
引言:
同步发电机投入电力系统并列运行的操作,或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作,被称为并列或同期操作。
随着负荷的波动,电力系统中发电机运行的台数也经常要变化。
因此,同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作,另外,当系统发生事故时,也常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。
可见,在电力系统运行中并列操作是较为频繁的。
电力系统的容量在不断增大,同步发电机的单机容量也越来越大,大型几组不恰当的并列操作将导致严重后果。
因此,对同步发电机的并列操作进行研究,提高并列操作的准确度和可靠性,对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。
并列的方式可分为两种,准同期并列和自同期并列,在本文试验中用到的并列方式都为准同期并列方式。
为使同步发电机与系统或系统与系统那个间按准同步要求自动并列,必须满足以下3个条件。
(1)发电机电压与系统电压彼此的幅值差小于允许值(实验台设有压差闭锁环节)。
(2)发电机电压与系统电压彼此的滑差频率小于允许值(实验台能实验发电机频率对系统频率实现自动跟踪)。
(3)在并列开关主闸合闸的完成瞬间,发电机电压和系统电压相位差小于允许值(实验台具有相位差闭锁环节)。
图1实验台一次系统原理接线图
图2电力系统综合实验台面板图
一、实验目的
1.加深理解同步发电机准同期并列原理,掌握准同期并列条件;
2.掌握微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法;
3.熟悉同步发电机准同期并列过程;
4.观察、分析有关波形。
二、原理与说明
将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。
准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速,当满足电压幅值和频率条件后,根据“恒定越前时间原理”,由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令,这种并列操作的合闸冲击电流一般很小,并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。
根据并列操作的自动化程度不同,又分为手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。
正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差,其幅值作周期性的正弦规律变化。
它能反映两个待并系统间的同步情况,如频率差、相角差以及电压幅值差。
线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律,其波形为三角波。
它能反映两个待并系统间的频率差和相角差,并且不受电压幅值差的影响,因此得到广泛应用。
图3合闸控制逻辑图
手动准同期并列,应在正弦整步电压的最低点(同相点)时合闸,考虑到断路器的固有合闸时间,实际发出合闸命令的时刻应提前一个相应的时间或角度。
自动准同期并列,通常采用恒定越前时间原理工作,这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。
准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差,不断地检查准同期条件是否满足,在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压均频控制脉冲。
当所有条件均满足时,在整定的越前时刻送出合闸脉冲。
发电机准同期并列是发电厂一项很频繁的日常操作,在发电机投入系统并列运行的瞬间,往往伴随着电流冲击和功率冲击,并将引起并列点电网电压瞬间下降。
如果操作错误,冲击电流过大,可能使机组的大轴扭曲及引起发电机的卷线变型、撕裂、绝缘损坏。
严重的非同期并列会造成机组和电网事故,所以电力部门将并网自动化列为电力系统自动化的一项重要任务,电站安全文明生产也将并网操作列为一项重要内容。
传统的手工操作相位误差较大,基于模拟电路的传统型准同期自动并网装置精度也不够高,自动调节过程较慢,装置要严格调试,定期校验。
YH系列自动准同期装置是新一代微机型数字式自动并网装置,它完全克服了模拟装置的缺点,以高精度的时标计算频差、相位差,以毫秒级的精度确定合闸提前时间。
在待并两侧压差合格,频差合格,整定的提前时间与断路器机械动作时间相吻合的情况下,可实现快速无冲击合闸。
目前国内的大部分低压机组因为成本等诸多因素不能完善机组的系列监控保护功能,XMD-500型微电脑准同期兼保护装置将自动准同期与电网的失压监控功能结合在一起,从而实现一机多用,提高了产品的性价比。
三、实验项目和方法
(一)机组启动与建压
1.检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置,如不在则应调到0位置;
2.合上操作电源开关,检查实验台上各开关状态:
各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。
调速器面板上数码管显示发电机频率,调速器上“微机正常”灯和“电源正常”灯亮;
3.按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮;
4.励磁调节器选择它励、恒UF运行方式,合上励磁开关;
5.把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置;
6.合上系统电压开关和线路开关QF1,QF3,检查系统电压接近额定值380V;
7.合上原动机开关,按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮,调速器将自动启动电动机到额定转速;
8.当机组转速升到95%以上时,微机励磁调节器自动将发电机电压建压到与系统电压相等。
(二)观察与分析
1.操作调速器上的增速或减速按钮调整机组转速,记录微机准同期控制器显示的发电机和系统频率。
观察并记录旋转灯光整步表上灯光旋转方向及旋转速度与频差方向及频差大小的对应关系;观察并记录不同频差方向,不同频差大小时的模拟式整步表的指针旋转方向及旋转速度、频率平衡表指针的偏转方向及偏转角度的大小的对应关系;
结果:
当是负频差时,模拟式整步表的指针旋转方向为逆时针;当频差增大的时候模拟式整步表的指针旋转的速度就越快。
2.操作励磁调节器上的增磁或减磁按钮调节发电机端电压,观察并记录不同电压差方向、不同电压差大小时的模拟式电压平衡表指针的偏转方向和偏转角度的大小的对应关系;
结果:
负压差的时候模拟式整步表的指针旋转方向为顺时针;压差增大的时候,偏转角度也就越大。
3.调节转速和电压,观察并记录微机准同期控制器的频差闭锁、压差闭锁、相差闭锁灯亮熄规律;
结果:
在调节转速(增大或减小)的时候,频差指示灯亮,相差指示灯闪烁;
调节的时候,相差灯亮,别的灯都灭。
4.将示波器跨接在“发电机电压”测孔与“系统电压”测孔间,观察正弦整步电压(即脉动电压)波形,观察并记录整步表旋转速度与正弦整步电压的周期的关系;观察并记录电压幅值差大小与正弦整步电压最小幅值间的关系;观察并记录正弦整步电压幅值达到最小值得时刻所对应的整步表指针位置和灯光位置;
结果:
5.用示波器跨接到“三角波”测孔与“参考地”测孔之间,观察线性整步电压(即三角波)的波形,观察并记录整步表旋转速度与线性整步电压的周期的关系;观察并记录电压幅值差大小与线性整步电压最小幅值间的关系;观察并记录线性整步电压幅值达到最小值得时刻所对应的整步表指针位置和灯光位置。
结果:
(三)手动准同期
1.按准同期并列条件合闸
将“同期方式”转换开关置“手动”位置。
在这种情况下,要满足并列条件,需要手动调节发电机电压、频率,直至电压差、频差在允许范围内,相角差在零度前某一合适位置时,手动操作合闸按钮进行合闸。
观察微机准同期控制器上显示的发电机电压和系统电压,相应操作微机励磁调节器上的增磁或减磁按钮进行调压,直至“压差闭锁”灯熄灭。
观察微机准同期控制器上显示的发电机频率和系统频率,相应操作微机调速器上的增速或减速按钮进行调速,直至“频差闭锁”灯熄灭。
此时表示压差、频差均满足条件,观察整步表上旋转灯位置,当旋转至0º位置前某一合适时刻时,即可合闸。
观察并记录合闸时的冲击电流。
具体实验步骤如下:
(1)检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置,如不在则应调到0位置;
(2)合上操作电源开关,检查实验台上各开关状态:
各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。
调速器面板上数码管显示发电机频率,调速器上“微机正常”灯和“电源正常”灯亮;
(3)按调速器上的“模拟方式”按钮按下,使“模拟方式”灯亮;
(4)缓慢调节“模拟调节”电位器指针,使原动机转速达到起额定;
(5)励磁调节器在选择“手动励磁”开关之前需要检查手动励磁调压器是否在0位置,如不在应调在0位置,再合上励磁开关;
(6)缓慢调节手动励磁调压器,使发电机电压达到380V,并维持原动机转速为其额定;
(7)合上系统电压开关和线路开关QF1,QF3,检查系统电压接近额定值380V;
(8)选择实验台上“同期方式”为“手动同期”档;
(9)测同期表,其频差,压差和相差指针在中间平衡位置时合上“发电机开关”按钮。
2.偏离准同期并列条件合闸
实验分别在单独一种并列条件不满足的情况下合闸,记录功率表冲击情况:
具体实验步骤如下:
(1)检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置,如不在则应调到0位置;
(2)合上操作电源开关,检查实验台上各开关状态:
各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。
调速器面板上数码管显示发电机频率,调速器上“并网”灯和“微机故障”灯均为熄灭状态;
(3)按调速器上的“模拟方式”按钮按下,使“模拟方式”灯亮;
(4)缓慢调节“模拟调节”电位器指针,使原动机转速达到起额定;
(5)励磁调节器在选择“手动励磁”开关之前需要检查手动励磁调压器是否在0位置,如不在应调在0位置,再合上励磁开关;
(6)缓慢调节手动励磁调压器,使发电机电压达到380V,并维持原动机转速为其额定;
(7)合上系统电压开关和线路开关QF1,QF3,检查系统电压接近额定值380V;
(8)选择实验台上“同期方式”为“手动同期”档;
(9)观测同期表,按下a,b,c三种情况实验。
a.电压差、相角差条件满足,频率差不满足,在fF>fX和fF 频率差不要大于0.5Hz)。 b.频率差、相角差条件满足,电压差不满足,VF>VX和VF 电压差不要大于额定电压的10%)。 c.频率差、电压差条件满足,相角差不满足,顺时针旋转和逆时针旋转时手动合闸,观察实验台上有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小(注意: 相角差不要大于30º)。 (四)半自动准同期 将“同期方式”转换开关置“半自动”位置,按下准同期控制器上的“同期”按钮即向准同期控制器发出同期并列命令,此时,同期命令指示灯亮,微机正常灯闪烁加快。 准同期控制器将给出相应操作指示信息,运行人员可以按这个指示进行相应操作。 调速调压方法同手动准同期。 当压差、频差条件满足时,整步表上旋转灯光旋转至接近0º位置时,整步表圆盘中心灯亮,表示全部条件满足,准同期控制器会自动发出合闸命令,“合闸出口”灯亮,随后DL灯亮,表示已经合闸。 同期命令指示灯熄,微机正常灯恢复正常闪烁,进入待命状态。 具体实验步骤如下: (1)检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置,如不在则应调到0位置; (2)合上操作电源开关,检查实验台上各开关状态。 各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。 调速器面板上数码管显示发电机频率,调速器上“微机正常”灯和“电源正常”灯亮; (3)按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮按下,即微机手动方式开机,调速器面板上“微机手动”灯亮; (4)按住“增速”按钮,使原动机转速达到起额定(按住“增速”或“减速”按钮5秒钟内微机会自动增,减速; (5)励磁调节器在选择“手动励磁”开关之前需要检查手动励磁调压器是否在0位置,如不在应调在0位置,再合上励磁开关; (6)缓慢调节手动励磁调压器,使发电机电压达到380V,并维持原动机转速为其额定; (7)合上系统电压开关和线路开关QF1,QF3,检查系统电压接近额定值380V; (8)选择实验台上“同期方式”为“手动同期”档; (9)观测同期表,其频差,压差和相差指针在中间平衡位置时合上“发电机开关”按钮。 (五)全自动准同期 将“同期方式”转换开关置“全自动”位置;按下准同期控制器的“同期”按钮,同期命令指示灯亮,微机正常灯闪烁加快,此时,微机准同期控制器将自动进行均压、均频控制并检测合闸条件,一旦合闸条件满足即发出合闸命令。 在全自动过程中,观察当“升速”或“降速”命令指示灯亮时,调速器上有什么反应;当“升压”或“降压”命令指示灯亮时,微机励磁调节器上有什么反应。 当一次合闸过程完毕,控制器会自动解除合闸命令,避免二次合闸;此时同期命令指示灯熄,微机正常灯恢复正常闪烁。 具体实验步骤如下: (1)检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置,如不在则应调到0位置; (2)合上操作电源开关,检查实验台上各开关状态: 各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。 调速器面板上数码管显示发电机频率,调速器上“微机正常”灯和“电源正常”灯亮; (3)把调速器上的“模拟方式”和“微机方式自动/手动”按钮松开,使“微机自动”灯亮; (4)按下“停机/开机”按钮,此时控制量开始缓慢增加,直至原动机转速达到额定; (5)励磁调节器选择“微机它励”方式,励磁调节器选择恒Uf方式,再合上励磁开关; (6)调节“增磁”/“减磁”按钮使数码显示管上Ug参数为380,松开“灭磁”按钮,使发电机电压达到380V; (7)合上系统电压开关和线路开关QF1,QF3,检查系统电压接近额定值380V; (8)选择实验台上“同期方式”为“微机全自动同期”档; (9)调节“同期开关时间”与微机同期装置中参数一的时间整定相同,然后按下“同期命令”按钮,等待微机自动并网。 (六)准同期条件的整定 按“参数设置”按钮使“参数设置”灯亮进入参数设置状态,(再按一下“参数设置”按钮即可使“参数设置”灯熄退出参数设置状态)共显示8个参数,可供修改的参数共有7个,即开关时间、频差允许值、压差允许值、均压脉冲周期、均压脉冲宽度、均频脉冲周期、均频脉冲宽度。 另第8个参数是实测上一次开关合闸时间,单位为毫秒。 以上7个参数按“参数选择”按钮可循环出现,按上三角或下三角按钮可改变其大小。 改变某些参数来重复做一下全自动同期(参数整定参见《WDT-ⅢC电力系统综合自动化实验台说明书》)。 1.整定频差允许值△f=0.3Hz。 压差允许值△U=3V超前时间tyq=0.1s,通过改变实际开关动作时间,即整定“同期开关时间”的时间继电器。 重复进行全自动同期实验,观察在不同开关时间tyq下并列过程有何差异,并记录三相冲击电流中最大的一相的电流值I 整定同期开关时间(s) 0.1 0.2 0.3 0.4 实测开关时间(s) 0.18 0.28 0.38 0.48 据此,估算出开关操作回路固有时间的大致范围,根据上一次开关的实测合闸时间,整定同期装置的越前时间。 在此状态下,观察并列过程时的冲击电流的大小。 2.改变频差允许值△f,重复进行全自动同期实验。 频差允许值△f(Hz) 0.1 0.2 0.3 0.4 冲击电流Im(A) 0.062 0.082 0.119 0.186 3.改变压差允许值△V,重复进行全自动同期实验。 压差允许值△V(V) 2 3 4 5 冲击电流Im(A) 0.066 0.112 0.142 0.177 (七)停机 当同步发电机与系统解列之后,按调速器的“停机/开机”按钮使“停机”灯亮,即可自动停机,当机组转速降到85%以下时,微机励磁调节器自动逆变灭磁。 待机组停稳后断开原动机开关,跳开励磁开关以及线路和无穷大电源开关。 切断操作电源开关。 四、结论 从准同期实验的整定各项实验分析,我们可以得到以下结论。 横向比较而言,当频差允许值、电压差允许值不变的情况下,整定同期开关的时间由0.1s至0.4s,其冲击电流的大小变化趋势为由小到大。 当我们改变频差允许值、电压差允许值,使其在原来的基础上上下变化,整定同期开关的时间由0.1s至0.4s时,其冲击电流的变化趋势亦然。 纵向比较时,当频差、压差变小时,冲击电流的值也会变小,反之则会变大。 横向比较而言,当电压差允许值、整定同期开关时间不变的情况下,频差允许值由0.4Hz至0.1Hz,其冲击电流的大小变化趋势为由大到小。 当我们改变整定同期开关时间、电压差允许值,使其在原来的基础上上下变化,频差允许值由0.4Hz至0.1Hz时,其冲击电流的变化趋势亦然。 纵向比较时,当频差,压差变小时,冲击电流的值也会变小,反之则会变大。 通过以上实验横纵结果的比较,可以看出频差整定值、压差整定值、越前时间整定值越小时,冲击电流越小,但越前时间一定要考虑断路器主触头动作时间。 五、实验小节 在本次课程设计中,对电气自动化有了进一步的了解。 特别是在电机组与电网并网这一方面。 由于电机组和电网存在着频差,相差和压差。 因此,在并网的时候要考虑到这一方面。 还有就是对模拟设备有了一定的了解,本次使用的设备是WDT-ⅢC型电力系统,它具有反映现代电能的生产、传输、分配和使用的全过程,充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点。 总之,在这次课程设计中,我学到了很多,收获了很多。 六、实验设备 1.直流电机的额定数值: 2.电机实物图: 3.实验设备实物图: 4.WDT-ⅢC电力系统综合自动化试验台简介 ⑴发电机组 它是由同在一个轴上的三相同步发电机(SN=2.5kVA,VN=400V,nN=1500r.p.m),模拟原动机用的直流电动机(PN=2.2kW,VN=220V)以及测速装置和功率角指示器组成。 直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。 具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优点,机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮,将支脚旋下即可固定安放。 ⑵试验操作台 试验操作台是由输电线路单元、YHB-A型微机线路保护单元、负荷调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。 其中负荷调节和同期单元是由“TGS-03B型微机调速装置”、“WL-04B微机磁励调节器”、“HGWT-03B微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。 (1)输电线路采用双回路远距离输电线路模型,每回线路分成两段,并设置中间开关站,使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗,便于实验分析比较。 (2)“YHB-A微机保护装置”是专为实验教学设计,具有过流选相跳闸、自动重合闸功能,备有事故记录功能,有利于实验分析。 在实验中可以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。 (3)“TGS-03B型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计的,能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。 具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。 (4)“WL-04B微机励磁调节器”其励磁方式可选择: 它励、自并励两种;控制方式可选择恒UF、恒IL、恒、恒Q等四种;设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能;设有按有功功率反馈的电力系统稳定器(PSS);励磁调节器控制参数可在线修改、在线固化,灵活方便,并具有实验录波功能,可以记录UF、IL、UL、P、Q、等信号的时间响应曲线,供实验分析用。 (5)HGWT-03B微机准同期控制器,它按恒定越前时间原理工作,主要特点如下: ①可选择全自动准同期合闸;②可选择半自动准同期合闸;③可测定断路器的开关时间;④可测定合闸误差角;⑤可改变频差允许值,电压差允许值,观察不同整定值时的合闸效果;⑥按定频调宽原理实现均频均压控制,自由整定均频均压脉冲宽度系数,自由整定均频均压脉冲周期;观察不同整定值时的均频均压效果;⑦可观察合闸脉冲相对于三角波的位置,测定越前时间和越前角度;⑧可自由整定越前(开关)时间;⑨输出合闸出口电平信号,供实验录波之用。 (6)仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。 试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图,操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合起来,并用灯光颜色表示其工作状态,具有直观的效果。 试验数据可以通过测量仪表和LED数码显示得出,还可显示出同步发电机功率角、可控硅角等量。 同时可以通过数字存贮示波器,观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形,甚至可以观测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形,还可以同时观测到同步发电机短路时的电流、电压波形等。 ⑶无穷大系统 无穷大电源是由15kVA的自耦调压器组成。 通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。 试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。 操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起,并用灯光颜色表示其工作状态,具有直观的效果。 红色灯亮表示开关在合闸位置,绿色灯亮表示开关在分闸位置,试验操作台“台体的平面布置示意图”见附录二。 在试验操作台的“操作面板”左下方有一个“电源开关”(开关对应的图中符号为“QA”),此开关向整个台体提供操作电源和动力电源,以及四台微机装置的工作电源,并给信号灯用直流24V稳压电源供电。 因此,在下面叙述的各部分操作之前,都必须先投入“电源开关”(向上扳至ON),此时反映各开关位置的绿色指示灯亮,同时四台微机装置上电、数码管均能正确显示;在结束试验时,其它操作都正确完成之后,同样必须断开操作电源开关(向下扳至OFF)。 综合自动化试验教学平台的研制,更新与加强了专业实验内容,改进了实验方法与手段,创建了一套能进行专业课程和综合研究实验的实验装置,建立一个开放式、研究性、综合型的专业实验现代教学体系,提高专业实验的教学质量和水平,更有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力。 此外,本装置在设计中充分发挥各设备的作用,考虑到模型操作的灵活性和方便性以及接口的通用性,在制造上符合电力系统规范,在设计中增加一些与外部联接的功能,以便对外来设备进行性能考核实验,例如: 对线路保护、励磁或同期等自动装置进行考核实验,这在一定程度上扩大其使用范围。 5.微机准同期控制器的参数整定 HGWT-03微机准同期装置提供了22个可整定参数: 越前时间、允许频率差、允许电压差、均压脉宽、均压周期、均频脉宽、均频周期以及上一次开关实际合闸时间显示。 整定方法及操作步骤如下: 1.进入参数整定状态 按参数设置按钮,参数设置指示灯亮,表示已进入参数整定状态。 2.选择待修改的参数 按“参数选择”按钮,显示器向下循环显示以下22个参数的当前数
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- 电力系统 自动化