SHANGHAI SHIPBUILDING 上海造船2010年第2期（总第82期）
港口船舶岸电供电技术的研究与应用
袁庆林，黄细霞，张海龙 （上海海事大学，上海 200135）
摘要：以绿色集装箱港口供电技术项目开发为对象，研究靠港船舶岸电变频供电技术，将我国港口电网50Hz 交流电变换成适合于外国船舶60Hz 交流电，并实现50Hz/60Hz 双频供电。同时进行动态谐波补偿，解决向靠港船舶供电时对港口岸电电网的污染问题，满足船舶用电负荷突变要求。 关键词：岸电供电技术；变频电源；谐波抑制 中图分类号：U653.95 文献标识码：B 文章编号：1005-9962(2010) 02-0035-03
Abstract: The research object of this paper is the developement project of the green port power supply technology for container ships. The paper studies the frequency conversion technology of shore power supply for the ship in the port, which can transform the 50Hz AC of China’s port electrical network into 60Hz AC for foreign vessels. The 50Hz/60Hz dual frequency power supply could carry out. By dynamic harmonic compensation, this technology could resolve the pollution problem of shore power supply when it supports the vessels in port. It could meet the requirement of abrupt electricity load changing for the ships.
Key words: shore power ; frequency conversion power supply ; harmonic suppression
0 引 言
岸电供电技术是指船舶靠港期间，停用船舶上的发电机电源供电。由（港区）码头的岸电通过电缆对船上的电气设备供电。研究港口的岸电供电技术对节能和减排、建设绿色港口有着非常积极的意义，是解决靠岸船舶由于船上的发电对港口水域带来的污染问题的重要举措。
目前世界上的岸电主要有60Hz 和50Hz 港口电网分别向60Hz 和50Hz 的船舶电网直接供电，都不涉及变频技术。由于我国电网采用的频率和电压分别50Hz 和380V ，而大部分船舶供电采用的是60Hz 频率和440V 电压，如果直接将50Hz 的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%。通常采用岸上发电机组提供60Hz 电源，但这种方法成本高，噪音大，而且同样会造成陆上环境的严重污染，发电效率又低，维护成本高。随着现代电力电子技术、微电子控制技术的不断发展，采用IGBT 作为功率器件的大功率逆变电路（400kW 以上），特别在变频调速领域得到广泛的应用，为新型岸电供电技术——变频电源替换发电机组打下坚实基础。
基金项目： 上海市科委科技创新行动计划项目
（08dz1202502）
第一作者简介：袁庆林，男，1984年生，上海海事大学在
读硕士，研究方向船舶电力推进系统和大功率传动控制。
1 新型岸电供电技术——变频电源
经过交-直-交变换的逆变电源称为变频电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成用户所需频率。变频电源用作标准供电电源，要保证电源输出的波形稳定和纯净，提供最优良的供电环境。本文所述的变频电源技术上采用通用变频器作为整流和逆变单元、通过隔离变压器升压，具有以下特点：
1) 变频器产品质量和运行可靠，生产规模大，售后服务网络健全和备品备件充足。
2) 变频电源装置采用干式隔离变压器，能有效防止船上负载电网和岸电电网的相互干扰，并避免变频电源装置由于负载设备的故障而造成损坏。
3) 电源设计所选用的几大部件都是成熟产品，其可靠性高，而且系统的结构简单、线路清晰，便于日常的维护、诊断和维修。
4) 变频电源装置的输出频率和电压在一定范围内可调整，特别是在船厂使用时出现线路电压损耗的情况下，可调整设定值，升高电压予以补偿。
2 变频电源的技术方案
2.1 设计原理
采用芬兰V ACON 通用变频器，通过对变频器软件应用宏的编程，使普通变频器具有变频电源的使用功能。同时配置正弦波滤波器和输出变压器，
36 上海造船2010年第2期
将AC380V/50Hz岸电变换成AC440V/60Hz船电，如图1所示。
整流和逆变
正弦 滤波器
输出 变压器
2.2 典型的变频电源应用单线图
在实际应用中，一个完整的变频电源装置主要由5部分组成，即：输入进线开关柜、变频器柜（包括整流和逆变单元）、输出隔离变压器柜、正弦波滤波器和输出开关柜。如果输入为高压电源，则输入端还需增加高压开关柜和变压器。除变频器外，其他部件都采用无源器件，具有极高的可靠性和稳定性。
岸电 船电
电压反馈
图2是典型的变频电源应用单线图。
图1 变频电源设计框图
低压进线开关柜
输入3P
380V/50Hz
整流柜
EMI 滤 波 器 EMI 滤 波 器
AC Choke AC Choke AC Choke AC Choke
逆变柜
输出变压器柜 输出开关柜
正弦波 滤波器 正弦波 滤波器
输出3P 440V/60Hz
图2 变频电源单线图
3 变频电源的关键技术
3.1 谐波抑制
由于采用变频器作为变频电源的核心部件，不
可避免地会产生谐波。作为标准电源的使用，这些谐波会影响到电源的质量，进而直接影响使用设备的稳定和寿命。因此，必须采用适当的措施来抑制谐波，所谓适当就是要结构简单、成本低的谐波抑
港口船舶岸电供电技术的研究与应用 37
制方法。具体措施如下：
1) 输入侧接入EMI 滤波器，EMI 滤波器是由L 、C 构成的低通器件，主要用于控制和保证输入变频器的电网电能质量，将电源功率毫无损耗地传输到设备上，大幅衰减经电源传入的EMI 信号，保护设备免受其害；同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI 信号，防止其进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。
2) 输入侧还接入交流限流电抗器，选用通用电抗器（例如V ACON 变频器自带交流限流电抗器），其作用是抑制从电源到变频器或变频器内部产生的对电源侧的高频扰动。它同时也可改善变频器的输入电流波形。
3) 变频电源设计为12脉冲整流，可消除11次以下的输入谐波电流。具体可选用12脉冲的变频器，配套6脉冲转换为12脉冲的变压器，实现12脉冲整流变频电源的功能。
4) 变频电源输出侧采用无源正弦滤波器。可以改善变频器输出波形，与输出电抗器、DV/DT滤波器相比较，正弦波滤波器末端有一级电容滤波电路，使变频器输出波形接近正弦波。在正弦滤波器的参数设置时，根据计算，电感值在0.08~0.11mH ，电容在50~100μf 。
5) 在正弦滤波器还不能达到很理想的效果的情况下，需要分析谐波来源、负载情况、周边用电的环境以及各次谐波的比例和含量，分开滤波。 3.2 变频器应用宏
采用通用变频器，通过变频器应用宏的编程，如将通用变频器的速度（频率）PID 调节功能改编成电压PID 调节控制，使普通变频器具有变频电源的使用功能。
3.3 用电设备启动电流对变频电源的影响
一般用电设备在起动瞬间会产生大于额定电流4倍以上的起动电流，这对于发电机组来说只会降低输出电压，而对发电机的正常运行不受影响。但是对采用IGBT 作为功率器件的变频电源来说，由于电流超过极限会出现保护性跳闸。因此在设计和使用变频电源时要充分考虑具体负载的情况。
1) 设计时，要根据负载的额定功率和起动电流来选择变频器。一般变频器的最大极限电流是其额定电流的1.5倍，选择合适功率的变频器既能保护变频器、又不因为设备起动过流而跳闸。
2) 使用时，大功率设备要采用软起动措施（如降压起动等），应尽量避免多台设备同时起动和频繁起动。
3) 采取有效的散热措施，防止大功率元器件过热，特别是跳闸后不要马上再起动。
4 环境效益与经济分析
4.1 环境效益
船供电对于港口的实际意义在于废气减排。4250TEU 集装箱船停港期间平均功率消耗为1000kW 。泊位利用率按照交通部的《港口工程技术规范》确定取值范围，取折衷值0.58，全年停靠船舶366×0.58＝212d ，折成小时为24h ×212＝5088h 。GB 20891-2007规定非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值每kW·h为3.5g CO，1.0g HC ，6.0g NOx，0.2g PM，烟气总量10.7g [1]。船供电后的减排如表1所示，计算可得，单泊位年减排量为54.44t （包括CO ，HC ，NOx 和PM ）。
表1 接入岸电的废气减排情况
每kW·h排放限值/ g 1000kW·h船供电减排/ g 单泊位年减排/ t
一氧化碳（CO ）
碳氢化合物（HC ）氮氧化合物（NOx ）颗粒物（PM ）
烟气总量
3.5 1.0 6.0 0.2 10.7 3500 1000 6000 200 10700
54.44
4.2 经济分析
船供电以单泊位1000kW 功率计，每度电1.10元。瓦锡兰四冲程柴油机的燃油耗率约为200l/kW·h。2009年5月20日Bunkerworld 报上海港MGO 油价为547.50美元/t，IFO 380油价为381.50美元/t，按人民币对美元汇率6.8251，也即MGO 油价为3736.74元/t，IFO 380油价为2603.77元/t。一般情况下，标准的柴油密度在
0.86kg/l左右，所以MGO 油价为3.21元/l，IFO 380油价为2.24元/l。考虑到日益严格的排放法规，如果船电全部采用海运汽油（MGO ），尤其是MGO 油价上涨至 1000美元/t以后，油费按7元/l计算，船舶年节约能源成本（1400-1100）×24×212=152.6万元，岸电则将体现其经济性，具体计算如表2所示。
（下转第48页）
４８
上海造船２０１０年第２期
５监控系统
该船的监控系统由中央控制台、驾驶室推进控
制台和机旁控制箱组成，见图２。控制箱由ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线相连，同时通过以太网与上位计算机相连形成计算机监控系统。
图２功率管理和监控系统网络配置图
监控系统通过分布在整个电力推进系统内的传感器和执行机构，用实时通信方式连接到中央处理器，驾驶室主控计算机通过光纤传输对４台变频器进行控制，监控室计算机通过网卡与驾驶室主控计算机连接实施监控，同时监控室计算机与记录仪打印机可实时记录并打印操作记录、故障记录及档案记录。
变频装置已是船舶行业运用比较多的一门新技术。变频装置在船舶电力推进系统的应用体现了船舶动力装置的重要变革与发展，也是电力电子技术与计算机数字控制技术成熟应用的必然结果。变
频装置多用于有较高航行要求的工程船舶、特别是进出港频繁的大型工程船舶、远洋运输船、油船等等。由于其所拥有的巨大优势，所以越来越多地应
６结语
用于各种船型，并被越来越多的船东认可。
－－－●…●…●＿．－●…●…●－Ｉ一●一．一－…●－－－－…－－－－●…■＿．－●…
（上接第３７页）
表２船舶柴油发电与岸电成本分析
船舶柴油发电机组（１０００ｋＷ）油耗
１ｈ１Ｙ
２００１
单泊位岸电供电（１０００ｋＷ）
电费（１．１０元／ｋＷ－ｈ）
１１００元
５５９．７万元
ＭＧＯ（７元／１）
１４００元７１２．３万元
节约成本（相对ＭＧＯ）
３００元１５２．６万元
１０１．７万１
６结语
针对港口船舶岸电供电问题，提出了采用电子变频技术将我国电网５０Ｈｚ交流电变换成适合于船舶使用的６０Ｈｚ交流电岸电供电的技术方案，解决谐波抑制，稳压以及强弱电隔离等靠岸船舶使用岸
电供电的关键技术，并举例分析了岸电的环境和经济效益。
【参考文献】
【１】ＧＢ２０８９１—２００７，非道路移动机械用柴油机排气污染物
排放限值及测量方法（中国Ｉ、ＩＩ阶段）［ｓ】．
港口船舶岸电供电技术的研究与应用
作者：袁庆林， 黄细霞， 张海龙， YUAN Qing-lin， HUANG Xi-xia， ZHANG Hai-long作者单位：上海海事大学,上海,200135刊名：上海造船
英文刊名：SHANGHAI SHIPBUILDING年，卷(期)：2010，(2)被引用次数：
0次
参考文献(1条)
1. GB 20891-2007,非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅰ、Ⅱ阶段)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_shzc201002010.aspx
授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：8270bc19-66e0-43df-bf2f-9f080097f468
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SHANGHAI SHIPBUILDING 上海造船2010年第2期（总第82期）
港口船舶岸电供电技术的研究与应用
袁庆林，黄细霞，张海龙 （上海海事大学，上海 200135）
摘要：以绿色集装箱港口供电技术项目开发为对象，研究靠港船舶岸电变频供电技术，将我国港口电网50Hz 交流电变换成适合于外国船舶60Hz 交流电，并实现50Hz/60Hz 双频供电。同时进行动态谐波补偿，解决向靠港船舶供电时对港口岸电电网的污染问题，满足船舶用电负荷突变要求。 关键词：岸电供电技术；变频电源；谐波抑制 中图分类号：U653.95 文献标识码：B 文章编号：1005-9962(2010) 02-0035-03
Abstract: The research object of this paper is the developement project of the green port power supply technology for container ships. The paper studies the frequency conversion technology of shore power supply for the ship in the port, which can transform the 50Hz AC of China’s port electrical network into 60Hz AC for foreign vessels. The 50Hz/60Hz dual frequency power supply could carry out. By dynamic harmonic compensation, this technology could resolve the pollution problem of shore power supply when it supports the vessels in port. It could meet the requirement of abrupt electricity load changing for the ships.
Key words: shore power ; frequency conversion power supply ; harmonic suppression
0 引 言
岸电供电技术是指船舶靠港期间，停用船舶上的发电机电源供电。由（港区）码头的岸电通过电缆对船上的电气设备供电。研究港口的岸电供电技术对节能和减排、建设绿色港口有着非常积极的意义，是解决靠岸船舶由于船上的发电对港口水域带来的污染问题的重要举措。
目前世界上的岸电主要有60Hz 和50Hz 港口电网分别向60Hz 和50Hz 的船舶电网直接供电，都不涉及变频技术。由于我国电网采用的频率和电压分别50Hz 和380V ，而大部分船舶供电采用的是60Hz 频率和440V 电压，如果直接将50Hz 的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%。通常采用岸上发电机组提供60Hz 电源，但这种方法成本高，噪音大，而且同样会造成陆上环境的严重污染，发电效率又低，维护成本高。随着现代电力电子技术、微电子控制技术的不断发展，采用IGBT 作为功率器件的大功率逆变电路（400kW 以上），特别在变频调速领域得到广泛的应用，为新型岸电供电技术——变频电源替换发电机组打下坚实基础。
基金项目： 上海市科委科技创新行动计划项目
（08dz1202502）
第一作者简介：袁庆林，男，1984年生，上海海事大学在
读硕士，研究方向船舶电力推进系统和大功率传动控制。
1 新型岸电供电技术——变频电源
经过交-直-交变换的逆变电源称为变频电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成用户所需频率。变频电源用作标准供电电源，要保证电源输出的波形稳定和纯净，提供最优良的供电环境。本文所述的变频电源技术上采用通用变频器作为整流和逆变单元、通过隔离变压器升压，具有以下特点：
1) 变频器产品质量和运行可靠，生产规模大，售后服务网络健全和备品备件充足。
2) 变频电源装置采用干式隔离变压器，能有效防止船上负载电网和岸电电网的相互干扰，并避免变频电源装置由于负载设备的故障而造成损坏。
3) 电源设计所选用的几大部件都是成熟产品，其可靠性高，而且系统的结构简单、线路清晰，便于日常的维护、诊断和维修。
4) 变频电源装置的输出频率和电压在一定范围内可调整，特别是在船厂使用时出现线路电压损耗的情况下，可调整设定值，升高电压予以补偿。
2 变频电源的技术方案
2.1 设计原理
采用芬兰V ACON 通用变频器，通过对变频器软件应用宏的编程，使普通变频器具有变频电源的使用功能。同时配置正弦波滤波器和输出变压器，
36 上海造船2010年第2期
将AC380V/50Hz岸电变换成AC440V/60Hz船电，如图1所示。
整流和逆变
正弦 滤波器
输出 变压器
2.2 典型的变频电源应用单线图
在实际应用中，一个完整的变频电源装置主要由5部分组成，即：输入进线开关柜、变频器柜（包括整流和逆变单元）、输出隔离变压器柜、正弦波滤波器和输出开关柜。如果输入为高压电源，则输入端还需增加高压开关柜和变压器。除变频器外，其他部件都采用无源器件，具有极高的可靠性和稳定性。
岸电 船电
电压反馈
图2是典型的变频电源应用单线图。
图1 变频电源设计框图
低压进线开关柜
输入3P
380V/50Hz
整流柜
EMI 滤 波 器 EMI 滤 波 器
AC Choke AC Choke AC Choke AC Choke
逆变柜
输出变压器柜 输出开关柜
正弦波 滤波器 正弦波 滤波器
输出3P 440V/60Hz
图2 变频电源单线图
3 变频电源的关键技术
3.1 谐波抑制
由于采用变频器作为变频电源的核心部件，不
可避免地会产生谐波。作为标准电源的使用，这些谐波会影响到电源的质量，进而直接影响使用设备的稳定和寿命。因此，必须采用适当的措施来抑制谐波，所谓适当就是要结构简单、成本低的谐波抑
港口船舶岸电供电技术的研究与应用 37
制方法。具体措施如下：
1) 输入侧接入EMI 滤波器，EMI 滤波器是由L 、C 构成的低通器件，主要用于控制和保证输入变频器的电网电能质量，将电源功率毫无损耗地传输到设备上，大幅衰减经电源传入的EMI 信号，保护设备免受其害；同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI 信号，防止其进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。
2) 输入侧还接入交流限流电抗器，选用通用电抗器（例如V ACON 变频器自带交流限流电抗器），其作用是抑制从电源到变频器或变频器内部产生的对电源侧的高频扰动。它同时也可改善变频器的输入电流波形。
3) 变频电源设计为12脉冲整流，可消除11次以下的输入谐波电流。具体可选用12脉冲的变频器，配套6脉冲转换为12脉冲的变压器，实现12脉冲整流变频电源的功能。
4) 变频电源输出侧采用无源正弦滤波器。可以改善变频器输出波形，与输出电抗器、DV/DT滤波器相比较，正弦波滤波器末端有一级电容滤波电路，使变频器输出波形接近正弦波。在正弦滤波器的参数设置时，根据计算，电感值在0.08~0.11mH ，电容在50~100μf 。
5) 在正弦滤波器还不能达到很理想的效果的情况下，需要分析谐波来源、负载情况、周边用电的环境以及各次谐波的比例和含量，分开滤波。 3.2 变频器应用宏
采用通用变频器，通过变频器应用宏的编程，如将通用变频器的速度（频率）PID 调节功能改编成电压PID 调节控制，使普通变频器具有变频电源的使用功能。
3.3 用电设备启动电流对变频电源的影响
一般用电设备在起动瞬间会产生大于额定电流4倍以上的起动电流，这对于发电机组来说只会降低输出电压，而对发电机的正常运行不受影响。但是对采用IGBT 作为功率器件的变频电源来说，由于电流超过极限会出现保护性跳闸。因此在设计和使用变频电源时要充分考虑具体负载的情况。
1) 设计时，要根据负载的额定功率和起动电流来选择变频器。一般变频器的最大极限电流是其额定电流的1.5倍，选择合适功率的变频器既能保护变频器、又不因为设备起动过流而跳闸。
2) 使用时，大功率设备要采用软起动措施（如降压起动等），应尽量避免多台设备同时起动和频繁起动。
3) 采取有效的散热措施，防止大功率元器件过热，特别是跳闸后不要马上再起动。
4 环境效益与经济分析
4.1 环境效益
船供电对于港口的实际意义在于废气减排。4250TEU 集装箱船停港期间平均功率消耗为1000kW 。泊位利用率按照交通部的《港口工程技术规范》确定取值范围，取折衷值0.58，全年停靠船舶366×0.58＝212d ，折成小时为24h ×212＝5088h 。GB 20891-2007规定非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值每kW·h为3.5g CO，1.0g HC ，6.0g NOx，0.2g PM，烟气总量10.7g [1]。船供电后的减排如表1所示，计算可得，单泊位年减排量为54.44t （包括CO ，HC ，NOx 和PM ）。
表1 接入岸电的废气减排情况
每kW·h排放限值/ g 1000kW·h船供电减排/ g 单泊位年减排/ t
一氧化碳（CO ）
碳氢化合物（HC ）氮氧化合物（NOx ）颗粒物（PM ）
烟气总量
3.5 1.0 6.0 0.2 10.7 3500 1000 6000 200 10700
54.44
4.2 经济分析
船供电以单泊位1000kW 功率计，每度电1.10元。瓦锡兰四冲程柴油机的燃油耗率约为200l/kW·h。2009年5月20日Bunkerworld 报上海港MGO 油价为547.50美元/t，IFO 380油价为381.50美元/t，按人民币对美元汇率6.8251，也即MGO 油价为3736.74元/t，IFO 380油价为2603.77元/t。一般情况下，标准的柴油密度在
0.86kg/l左右，所以MGO 油价为3.21元/l，IFO 380油价为2.24元/l。考虑到日益严格的排放法规，如果船电全部采用海运汽油（MGO ），尤其是MGO 油价上涨至 1000美元/t以后，油费按7元/l计算，船舶年节约能源成本（1400-1100）×24×212=152.6万元，岸电则将体现其经济性，具体计算如表2所示。
（下转第48页）
４８
上海造船２０１０年第２期
５监控系统
该船的监控系统由中央控制台、驾驶室推进控
制台和机旁控制箱组成，见图２。控制箱由ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线相连，同时通过以太网与上位计算机相连形成计算机监控系统。
图２功率管理和监控系统网络配置图
监控系统通过分布在整个电力推进系统内的传感器和执行机构，用实时通信方式连接到中央处理器，驾驶室主控计算机通过光纤传输对４台变频器进行控制，监控室计算机通过网卡与驾驶室主控计算机连接实施监控，同时监控室计算机与记录仪打印机可实时记录并打印操作记录、故障记录及档案记录。
变频装置已是船舶行业运用比较多的一门新技术。变频装置在船舶电力推进系统的应用体现了船舶动力装置的重要变革与发展，也是电力电子技术与计算机数字控制技术成熟应用的必然结果。变
频装置多用于有较高航行要求的工程船舶、特别是进出港频繁的大型工程船舶、远洋运输船、油船等等。由于其所拥有的巨大优势，所以越来越多地应
６结语
用于各种船型，并被越来越多的船东认可。
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（上接第３７页）
表２船舶柴油发电与岸电成本分析
船舶柴油发电机组（１０００ｋＷ）油耗
１ｈ１Ｙ
２００１
单泊位岸电供电（１０００ｋＷ）
电费（１．１０元／ｋＷ－ｈ）
１１００元
５５９．７万元
ＭＧＯ（７元／１）
１４００元７１２．３万元
节约成本（相对ＭＧＯ）
３００元１５２．６万元
１０１．７万１
６结语
针对港口船舶岸电供电问题，提出了采用电子变频技术将我国电网５０Ｈｚ交流电变换成适合于船舶使用的６０Ｈｚ交流电岸电供电的技术方案，解决谐波抑制，稳压以及强弱电隔离等靠岸船舶使用岸
电供电的关键技术，并举例分析了岸电的环境和经济效益。
【参考文献】
【１】ＧＢ２０８９１—２００７，非道路移动机械用柴油机排气污染物
排放限值及测量方法（中国Ｉ、ＩＩ阶段）［ｓ】．
港口船舶岸电供电技术的研究与应用
作者：袁庆林， 黄细霞， 张海龙， YUAN Qing-lin， HUANG Xi-xia， ZHANG Hai-long作者单位：上海海事大学,上海,200135刊名：上海造船
英文刊名：SHANGHAI SHIPBUILDING年，卷(期)：2010，(2)被引用次数：
0次
参考文献(1条)
1. GB 20891-2007,非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅰ、Ⅱ阶段)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_shzc201002010.aspx
授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：8270bc19-66e0-43df-bf2f-9f080097f468
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