数字化变电站的建设

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1、数字化数字化变电站的建站的建设谢国喜国喜2数字化数字化变电站概念站概念数字化数字化变电站是由智能化一次站是由智能化一次设备和网和网络化二次化二次设备分分层构建,建立在构建,建立在IEC61850通信通信规范基范基础上,上,能能够实现变电站内智能站内智能电气气设备间信息共享和互信息共享和互操作的操作的现代化代化变电站。站。智能化一次智能化一次设备:电子式互感器、智能化开关等子式互感器、智能化开关等过程程层、间隔隔层、站控、站控层3与与传统变电站的比站的比较4数字化数字化变电站站电子式互感器的子式互感器的实现 智能化开关的智能化开关的实现网网络化二次化二次设备及及IEC61850的的应用用数字化数

2、字化变电站建站建设中需要考中需要考虑问题5电子式互感器的定子式互感器的定义IEC60044-7/8电子式互感器子式互感器:一种装置,由一种装置,由连接到接到传输系系统和二次和二次转换器的一个或多个器的一个或多个电流流或或电压传感器感器组成,用以成,用以传输正比于被正比于被测量的量,供量的量,供给测量量仪器、器、仪表和表和继电保保护或控制装置。在数字接口的情况下,一或控制装置。在数字接口的情况下,一组电子式互感器共用一台合并子式互感器共用一台合并单元完成此功能。元完成此功能。电子式子式电流互感器(流互感器(ECT)一种一种电子式互感器,在正常使用条件下,其二次子式互感器,在正常使用条件下,其二次

3、转换器的器的输出出实质上正比于一次上正比于一次电流,且相位偏差在流,且相位偏差在联结方向正确方向正确时为已知已知相位角相位角 电子式子式电压互感器互感器(EVT)一种一种电子式互感器,在正常使用条件下,其二次子式互感器,在正常使用条件下,其二次电压实质上正上正比于一次比于一次电压,且相位差在,且相位差在联结方向正确方向正确时接近于零。接近于零。 6(1)高低高低压完全隔离,完全隔离,绝缘简单,安全性高;没有因漏油而潜在的易燃、,安全性高;没有因漏油而潜在的易燃、易爆等危易爆等危险。(2)不存在磁不存在磁饱和、和、铁磁磁谐振等振等问题。(3)频率响率响应宽,动态范范围大,精度高,可同大,精度高,

4、可同时满足足测量和量和继电保保护的需的需要。要。 (4)体体积小,重量小,重量轻,节约占地面占地面积;无;无污染,无噪声,具有染,无噪声,具有优越的越的环保保性能。性能。(5)CT二次二次输出可以开路。出可以开路。PT二次二次输出可以短路。出可以短路。(6)数字信号分享更数字信号分享更为容易,容易,带负载能力能力强。(7)成本与成本与电压等等级的关系不大。因此的关系不大。因此电压等等级越高,越高,经济性越明性越明显。(8)方便地方便地实现电压电流流组合式。合式。(9)适适应电力系力系统数字化、智能化和网数字化、智能化和网络化的需要。化的需要。电子式互感器的主要子式互感器的主要优势7电子式互感器

5、的构成子式互感器的构成 电子式互感器通常由子式互感器通常由传感模感模块和和合并合并单元元两部分构成,两部分构成,传感模感模块又称又称远端模端模块,安装在安装在高高压一次一次侧,负责采集、采集、调理一次理一次侧电压电流流并并转换成数字信号。成数字信号。合并合并单元安装在二次元安装在二次侧,负责对各相各相远端端模模块传来的信号做同步合并来的信号做同步合并处理。理。8合并合并单元的基本元的基本结构构 数字量输出合并单元时钟输入ECTa(测量)的SC电源需要时的合并单元电源ECTb(测量)的SCECTc(测量)的SCECTa(保护)的SCECTb(保护)的SCECTc(保护)的SC中性点ECT的SCE

6、VTa的SCEVTb的SCEVTc的SC中性点EVT的SC母线 EVT的SC9电子式互感器的分子式互感器的分类按一次按一次传感部分是否需要供感部分是否需要供电划分划分有源式有源式电子互感器子互感器无源式无源式电子互感器子互感器(纯光学互感器光学互感器)10电子式互感器的分子式互感器的分类按按结构及构及应用用场合划分合划分-GIS电子互感器子互感器11电子式互感器的分子式互感器的分类按按结构及构及应用用场合划分合划分-独立式独立式电子互感器子互感器12电子式互感器的分子式互感器的分类按按结构及构及应用用场合划分合划分-低低压用用电子式互感器子式互感器(Sensor)13电子式互感器子式互感器应用

7、情况用情况合并合并单元元线路保路保护14有源有源电子式互感器子式互感器利用利用电磁感磁感应等原理感等原理感应被被测信号信号CT:空心:空心线圈圈(RC);低功率;低功率线圈圈(LPCT)PT:分:分压原理原理 电容、容、电感、感、电阻阻传感感头部分具有需用部分具有需用电源的源的电子子电路路利用光利用光纤传输数字信号数字信号电子式互感器的原理子式互感器的原理15电流互感器利用空芯流互感器利用空芯线圈及低功率圈及低功率线圈圈传感被感被测一次一次电流。低功流。低功率率线圈(圈(LPCT)的工作原理与常)的工作原理与常规CT的原理相同,只是的原理相同,只是LPCT的的输出功率要求很小,因此其出功率要求

8、很小,因此其铁芯截面就芯截面就较小。空芯小。空芯线圈是一种圈是一种密密绕于非磁性骨架上的螺于非磁性骨架上的螺线管,如管,如图所示。空芯所示。空芯线圈不含圈不含铁芯,芯,具有很好的具有很好的线性度。性度。空芯空芯线圈的圈的输出信号出信号e与被与被测电流流i有如下关系:有如下关系: 电子式子式电流互感器原理流互感器原理16电压互感器利用电容分压器测量电压。为提高电压测量的精度,改善电压测量的暂态特性,在电容分压器的输出端并一精密小电阻。电容分压器的输出信号U0 与被测电压Ui有如下关系:式中C1为高压电容,C2为低压电容。利用电子电路对电压传感器的输出信号进行积分变换便可求得被测电压。电子式子式电

9、压互感器原理互感器原理17 有有别于常于常规互感器的主要参数互感器的主要参数181、远端端传感模感模块的的稳定性和可靠性(安置在室定性和可靠性(安置在室外外时温度、温度、电磁干磁干扰等)等)2、绕制在陶瓷骨架上的空芯制在陶瓷骨架上的空芯线圈圈结构的构的稳定性定性对测量精度的影响。量精度的影响。3、对独立独立结构的有源式构的有源式电子互感器的子互感器的远端模端模块取取电技技术。4、与保、与保护的通的通讯配合配合有源有源电子式互感器的关子式互感器的关键技技术19与有源式与有源式电子互感器相比,无源式子互感器相比,无源式电子互感子互感器的器的传感模感模块利用光学原理,由利用光学原理,由纯光学器件光学

10、器件构成,不含有构成,不含有电子子电路,其有着有源式无法路,其有着有源式无法比比拟的的电磁兼容性能磁兼容性能利用光利用光纤传输传感信号感信号传感感头部分不需部分不需电子子电路及其路及其电源源独立安装的互感器的理想解决方案独立安装的互感器的理想解决方案 Faraday磁光效磁光效应(电流互感器)流互感器)Pockels电光效光效应(电压互感器)互感器)无源无源电子式互感器子式互感器20无源无源电子式互感器的分子式互感器的分类磁光玻璃式优点:技术难度较小,原理简单缺点:1、系统由分立元件组成,结构复杂,抗振动能力差2、光学元件间用光学胶粘接,长期运行稳定性差3、采用的分立光学元件加工困难,一致性难

11、以保证FOCT 优点:1、无分立元件,全光纤结构简单,抗振动能力强2、光纤熔接后连接可靠,长期稳定性好3、所有光学器件基于光纤制作,工艺成熟,一致性好缺点:技术难度大,原理复杂,21无源无源电子式互感器子式互感器结构构22无源无源电子式互感器子式互感器23无源无源电子式互感器的子式互感器的应用用24电子式互感器子式互感器远端模端模块的配置的配置25电子式互感器与合并子式互感器与合并单元接口元接口26应用用电子式互感器需要面子式互感器需要面对的几个的几个问题电子式互感器的配置方案子式互感器的配置方案同步采同步采样问题采采样数据数据传送送标准的准的选择10KV侧的解决方案的解决方案电子式互感器配置

12、子式互感器配置27配置方案配置方案配置原配置原则是保是保证一套系一套系统出出问题不会不会导致保致保护误动,也不会,也不会导致保致保护拒拒动电子式互感器的子式互感器的远端模端模块和合并和合并单元需要冗余元需要冗余配置配置远端模端模块中中电流需要冗余采流需要冗余采样合并合并单元冗余配置并分元冗余配置并分别连接冗余的接冗余的电子式互子式互感器感器远端模端模块,合并,合并单元可以安装在开关附近元可以安装在开关附近或保或保护小室小室电子式互感器配置子式互感器配置28220kV双母双母线方式方式229同步采同步采样问题常常规互感器与互感器与电子式互感器会并存,如子式互感器会并存,如电压、电流之流之间,变压

13、器不同的器不同的电压等等级之之间三相三相电流、流、电压采采样必必须同步同步变压器差器差动保保护从不同从不同电压等等级的多个的多个间隔隔获取取数据存在同步数据存在同步问题母母线差差动保保护从多个从多个间隔隔获取数据也存在同步取数据也存在同步线路路纵差保差保护线路两端数据采路两端数据采样也存在同步也存在同步合并合并单元数据同步元数据同步30解决同步采解决同步采样的两种方案的两种方案基于基于GPS秒脉冲同步的同步采秒脉冲同步的同步采样同步方法同步方法简单秒脉冲秒脉冲丢失失时存在危存在危险二次二次设备通通过再采再采样技技术(插插值算法算法)实现同步同步采采样率要求高率要求高硬件硬件软件要求高,件要求高

14、,实现难度度较大大不依不依赖于于GPS和秒脉冲和秒脉冲传输系系统合并合并单元数据同步元数据同步31采采样数据数据传送送标准(准(1)IEC60044-8:点:点对点光点光纤串行数据接口串行数据接口传输延延时短,且确定短,且确定可以采用再采可以采用再采样技技术实现同步采同步采样硬件和硬件和软件件实现简单适合保适合保护要求要求合并合并单元数据分元数据分发32采采样数据数据传送送标准(准(2)IEC61850-9-1/2:网:网络数据接口数据接口传输延延时不确定(不确定(400us-3ms)无法准确采用再采无法准确采用再采样技技术硬件硬件软件比件比较通用,但通用,但对交交换机要求极高机要求极高硬件和

15、硬件和软件件实现都将困都将困难不同不同间隔隔间数据到达数据到达时间不确定,不利于母差、不确定,不利于母差、变压器等保器等保护的数据的数据处理理比比较适合适合测控、控、电能能仪表一表一类合并合并单元数据分元数据分发33低低压互感器的互感器的输出出为小信号小信号(保保护150-225MV、测量量4V、电压6.5V)小信号的主要小信号的主要问题:1、带负载能力弱,能力弱,长距离距离传输影响精度,影响精度,电磁磁兼容兼容问题。2、不易分享、不易分享低低压电子式互感器的配置子式互感器的配置341、全数字化,采用独立的、全数字化,采用独立的简易合并易合并单元元低低压电子式互感器的配置子式互感器的配置352

16、、采用、采用电流流电压组合式合式优点:解决了母点:解决了母线PT的共享的共享问题缺点:体缺点:体积较大,局放大,局放问题3、母、母线PT采用常采用常规,并不增加,并不增加电缆。4、采用合并、采用合并单元和保元和保护合一装置,柜外合一装置,柜外设备从从保保护装置出数字量。装置出数字量。低低压电子式互感器的配置子式互感器的配置36智能化开关智能化开关设备实施方案施方案利利用用现有有的的成成熟熟的的二二次次技技术,结合合传统开开关关设备,提升智能化水平,提升智能化水平智能化智能化GIS控制柜控制柜+GOOSE网网络 (室内室内GIS)智能智能终端端+GOOSE网网络(AIS)37智能化智能化GIS汇

17、控柜控柜 38基于保基于保护及智能控制柜的及智能控制柜的变电站基本站基本结构构39智能控制柜方案的智能控制柜方案的优势1、节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资;数字化变电站建设的一个主要现实目标是为了减少变电站内控制电缆的数量,一方面由于原材料的涨价,电缆成本越来越高,一方面,光缆电磁兼容性能远好于电缆,能显著提高变电站内信号传输的可靠性。另外,变模拟信号为数字信号能大大增加传输的带宽和信息量。2、节约了保护小室及主控室等的占地面积和投资;应用智能化GIS控制柜使得保护控制下放成为可能,从而能够显著减少保护小室和主控室的占地面积,这对一些需要尽量减少变电站土地的城市变电站和地下变电站来说有明

18、显的效益。40智能控制柜方案的智能控制柜方案的优势3、GIS智能控制柜优化了二次回路和结构;原来由于一次和二次的专业细分,使得原传统汇控柜内的许多功能与保护控制二次中的功能相重复,例如防跳、压力闭锁、三相不一致等等。基于一二次整合的GIS智能控制柜能够有效地取消和简化冗余回路,提高了整个二次回路的可靠性。4、智能控制装置提供了系统的交互性;引入智能控制装置以后,友好的中文液晶人机界面以及丰富的自检和就地操作报告功能,使得运行维护人员无论在就地还是远方都能及时了解GIS的运行情况。41智能控制柜方案的智能控制柜方案的优势5、联调在出厂前完成,现场调试工作量减少;传统方案中,一次设备和二次设备的电

19、缆连接和调试只能到现场后完成,调试周期比较长,新方案中一二次设备联调在厂内完成,到现场后调试工作量极小。能够显著地缩短投运周期。6、一次二次联合设计,减轻了设计院的负担;原来一次和二次设备分别有双方厂家分别出图,中间的电缆信号连接由设计院完成,应用一二次结合的新方案后,由两个厂家联合出图并对图纸的正确性负责。42智能控制柜方案的智能控制柜方案的优势7、基于通讯和组态软件的联锁功能比传统硬接点联锁方便;智能控制装置能够采集到间隔内所有刀闸位置,且间隔间也有光缆连接,所以可以方便地实现基于软件和通讯的联锁,能显著减少机构辅助接点数量,提高系统的可靠性。8、缩小了与互感器的电气距离,减轻了互感器的负

20、载;新方案下互感器与保护控制设备的电气距离大大缩短,使得互感器的容量选择更为容易,也为小功率互感器(LPCT)的应用创造了条件。43能能够在不改在不改变开关开关现有条件下有条件下实现一次一次设备和和间隔隔级设备的数据通信的数据通信GOOSE方式方式智能智能终端扮演的角色端扮演的角色也能解决保也能解决保护间的屏的屏间连线针对不同不同应用用场合,成合,成对使用或使用或单独使用独使用可靠性、可靠性、实时性性智能智能终端及操作箱端及操作箱44GOOSE,即,即Generic Object Oriented Substation Event(通(通用面向用面向对象的象的变电站事件),是站事件),是IEC

21、61850的特色之一的特色之一,提供了网提供了网络通通讯条件下快速信息条件下快速信息传输和交和交换的手段。的手段。当当发生任何状生任何状态变化化时,智能,智能电子装置将借助子装置将借助变化化报告,高速告,高速传送二送二进制制对象、通用面向象、通用面向对象象变电站事件站事件报告,告,该报告一般告一般包含有:状包含有:状态输入、起入、起动和和输出元件、出元件、继电器等器等实际和虚和虚拟的的每一个双点命令状每一个双点命令状态。在第一次在第一次报告后,告后,该报告一般以告一般以间隔隔2,4,860,000ms顺序重序重发。(第一重。(第一重发延延时不固定,可不固定,可长可短)。可短)。GOOSE报告允

22、告允许高速高速传输跳跳闸信号,具有高信号,具有高传输成功概率。成功概率。GOOSE服服务直接映射到网直接映射到网络数据数据链路路层上,确保重要信息的上,确保重要信息的优先先级传递,使用广播地址,使用广播地址进行信息的多路行信息的多路发送。送。 GOOSE45GOOSE报文的文的发送和接收分送和接收分别由由publisher和和subscriber来来执行。行。对于于publisher,GOOSE报文的文的发送并不是按固定送并不是按固定时间间隔来隔来发送的,在没有事件送的,在没有事件发生生时,GOOSE报文文的的发送送间隔相隔相对比比较长,按固定,按固定时间间隔来隔来进行,但是在行,但是在发生事

23、件生事件时,数据,数据发生了生了变化,化,发送送时间间隔就隔就会会设置置为最小,在此最小,在此阶段,段,发送送时间间隔会逐隔会逐渐增大,直到事件状增大,直到事件状态稳定,定,GOOSE报文的文的发送又送又变为固固定定长时间间隔。隔。该过程如下程如下图所示:所示:GOOSE46网网络结构比构比较和和选择总线型型47网网络结构比构比较和和选择星型星型48网网络结构比构比较和和选择环型型49网网络结构比构比较和和选择三种网三种网络结构中,构中,总线结构网构网络可靠性及可靠性及传输速速度最差,不适合作度最差,不适合作为GOOSE网网络实施方案,施方案,仅适用于适用于对实时性和可靠性要求不高的控制系性和

24、可靠性要求不高的控制系统;星型星型结构和构和环形形结构从可靠性上构从可靠性上满足足变电站站GOOSE网网络的要求,均可作的要求,均可作为实施方案。施方案。星型星型结构与构与环型型结构技构技术对比比从前面的分析可看出,星型从前面的分析可看出,星型结构在运行构在运行维护、传输时间及可靠性等多方面及可靠性等多方面优于于环型型结构,宜采用构,宜采用星型星型结构构建构构建变电站的站的GOOSE网网络。 50网网络结构比构比较和和选择星型星型结构的构的选择1、按、按间隔配置隔配置or按按电压等等级配置配置2、低、低压侧(10-35KV)的考的考虑3、单网和双网的考网和双网的考虑4、与、与MMS网或网或SM

25、V共网的共网的问题51GOOSE网网络交交换机的机的选择1. Goose网交网交换机机应符合符合IEC 61850-3 中中规定的定的电磁兼容磁兼容标准以保准以保证在在变电站站环境下可靠运行。境下可靠运行。Goose网交网交换机与保机与保护功能是否正常直接功能是否正常直接相关,相关,应在各种在各种电磁干磁干扰下保下保证通通讯正确,不正确,不发生生丢包或包或错包。包。2. Goose网交网交换机机应具具备管理功能,支持以下二管理功能,支持以下二层和三和三层特性,用以特性,用以确保关确保关键报文文传输的的实时性性a)IEEE 802.3 全双工模式工作(无冲突)全双工模式工作(无冲突)b)IEEE

26、 802.1p 优先先级队列列c)IEEE 802.1Q VLAN网交网交换机机应支持将多个端口的支持将多个端口的报文文镜像到一个端口的功能,以像到一个端口的功能,以满足足报文文监视和和录波的需要。波的需要。4.单网网应用用时,Goose网交网交换机机应支持支持实现链路冗余的相关路冗余的相关协议,如,如IEEE802.1w RSTP等,以保等,以保证数据数据传输的可靠性。的可靠性。52 智能智能终端及端及GOOSE交交换机机53IEC61850的的应用用IEC61850是国是国际电工委工委员会会(IEC)TC57工作工作组制制定的定的变电站通信网站通信网络和系和系统系列系列标准,是基准,是基于

27、网于网络通信平台的通信平台的变电站自站自动化系化系统唯一的国唯一的国际标准。准。IEC61850规范了数据的命名、数据定范了数据的命名、数据定义、设备行行为、设备的自描述特征和通用配置的自描述特征和通用配置语言,使不同言,使不同智能智能电气气设备间的信息共享和互操作成的信息共享和互操作成为可能。可能。不不仅规范保范保护测控装置的模型和通信接口,而且控装置的模型和通信接口,而且还定定义了了电子式子式CT、PT、智能化开关等一次、智能化开关等一次设备的模型和通信接口。的模型和通信接口。54IEC61850的的应用用特点特点信息分信息分层(站控(站控层、间隔隔层、过程程层)面面向向对象象建建模模和和

28、信信息息自自我我描描述述,适适应开开放放互互操操作作性要求性要求采采用用抽抽象象通通信信服服务接接口口,适适应通通信信网网络技技术迅迅猛猛发展展传输采采样测量量值快速快速传输变化化值(GOOSE)55IEC61850的服的服务和和协议栈 Client /Server 通讯通讯 模拟量采样值模拟量采样值 (SAV) 模型模型 对象对象 服务服务 实时性要求以太链路层以太链路层带优先级的以太物理层带优先级的以太物理层IP TCP MMS 特定通讯服务映射特定通讯服务映射(SCSM) 通用变电站对象事件通用变电站对象事件GOOSE 56互操作互操作试验国国调中心中心组织国内各大厂家国内各大厂家进行了

29、行了6次互次互操作操作试验。南瑞。南瑞继保全程参与并通保全程参与并通过了了互操作互操作试验外外陈变、蓝溪溪变的互的互联互操作互操作IEC61850的的应用用57国内第一家通国内第一家通过KEMA Level A级认证试验承接海外工程承接海外工程IEC61850的的KEMA认证58网网络化二次化二次设备网网络化二次化二次设备要求要求具有数字化接口具有数字化接口满足足电子式互感器的要求子式互感器的要求满足智能开关的要求足智能开关的要求网网络通信功能通信功能满足足IEC61850的要求的要求基于基于IEC61850的的间隔隔层和站控和站控层设备RCS-9700变电站自站自动化系化系统PCS-900系

30、列保系列保护装置装置PCS-9700系列系列测控装置控装置RCS-9000C系列四合一保系列四合一保护测控装置控装置RCS-9700系列通信系列通信设备59数字化数字化变电站建站建设的一些的一些实际问题电子式互感器的校子式互感器的校验电子式互感器子式互感器对线路差路差动的影响的影响电压切切换和和电压并列并列故障故障录波器的波器的实现故障信息子站的故障信息子站的实现数字式数字式电度表的度表的实现保保护测试手段的手段的实现60电子式互感器的校子式互感器的校验 被试ECTP1V1数字帧P2基准CTP1KrP2S1S2注传输系统Ip二次转换器基准A/D转换器R1IsRc合并单元求值单元(例如,微机)i

31、s (n)iref (n)时钟 , e61电压切切换和和电压并列并列62电压切切换和和电压并列并列63故障故障录波器的波器的实现故障故障录波器波器 故障故障录波器波器应具有采具有采样数据网接口,从合并器接数据网接口,从合并器接收数字化的交流采收数字化的交流采样信号,信号,进行交流量行交流量录波;波;开关量的采集有两种方式:开关量的采集有两种方式:采用常采用常规电缆接接线方式,增加大量方式,增加大量电缆,但是保,但是保证了了录波数据的波数据的实时性。性。通通过从从GOOSE网网络记录开关量信息从技开关量信息从技术上是上是可行的,目前部分可行的,目前部分录波波设备厂家正在做厂家正在做这方面的方面的

32、工作。工作。64数字式数字式电度表的度表的实现数字式数字式电度表的精度高于常度表的精度高于常规电度表,一度表,一是不存在二次是不存在二次电缆压降的降的问题,二是没有,二是没有电表自身的表自身的误差,只要差,只要电子互感器精度子互感器精度满足足级,电表的精度就能保表的精度就能保证到到级。数字式数字式电度表通度表通过RS485接口,接口,标准准规约(DL645)和和电表表处理器通信,理器通信,对处理器没有理器没有特殊要求。特殊要求。65数字式数字式电度表的度表的实现数字式数字式电能表首先能表首先应获得国家得国家质量技量技术监督局督局颁发的制造的制造计量器具量器具许可可证,即,即获得得国家有关部国家

33、有关部门对于新的于新的计量原理的量原理的认可;可;目前部分厂家目前部分厂家产品已取得国家品已取得国家质量技量技术监督局督局颁发的制造的制造计量器具量器具许可可证,国家,国家级认证不存在不存在问题。在得到国家在得到国家计量部量部门认可的基可的基础上,数字上,数字式式电能表能表还需通需通过省省电力研究院的力研究院的计量量检测,以,以获得本省的入网得本省的入网许可可证。66保保护测试手段手段可提供数字信号的新型可提供数字信号的新型测试设备(omicron、博、博电等)等)通通过转换设备(HELP2000等)等)两种方案的两种方案的优缺点比缺点比较67结论数字化变电站是变电站自动化技术的发展方向和必然趋势数字化是手段,而不是目的数字化是一个不断发展的过程数字化变电站的建设应从生产上的迫切需要出发,考虑技术上、管理上的现实可能,积极探索,稳妥推进。谢谢大家!大家!

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