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文檔簡介
1、題目:電氣自動化控制系統(tǒng)目 錄提要21電氣綜合自動化系統(tǒng)的功能211斷路器和隔離開關(guān)的控制及操作21.2電氣自動化21.2.1發(fā)變組保護(hù)21.2.2發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)21.2.3 220kV/500kV開關(guān)自動同期并網(wǎng)及手動同期并網(wǎng)21.2.4 6kV高壓廠21.2.5 380V低壓廠31.2.6高壓啟/備變壓器控制和操作31.2.7柴油發(fā)電機(jī)組和保安電源控制和操作31.3. 直流系統(tǒng)和LPS系統(tǒng)的監(jiān)視32電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思想32.1集中監(jiān)控方式322遠(yuǎn)程監(jiān)控方式323現(xiàn)場總線監(jiān)控方式43 探討電氣自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢44 電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)直流電機(jī)電樞絕緣結(jié)構(gòu)441電樞繞組絕緣442匝間絕
2、緣55 電氣設(shè)備的“健康”狀況存在差異56 電力電子系統(tǒng)故障診斷方法淺析56.1故障診斷中的譜分析方法56.2參數(shù)模型與故障診斷66.2.1檢測濾波器方法66.2.2狀態(tài)估計法66.2.3參數(shù)辨識方法66.3模式識別在故障診斷中的應(yīng)用76.4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法76.5專家系統(tǒng)76.6小波變換的方法77 結(jié)束語88 參考文獻(xiàn)9提要電氣綜合自動化系統(tǒng)的功能,討論了目前電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思想(以發(fā)電廠為例子),展望了將來電氣自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。設(shè)各智能化水平的提高使得對現(xiàn)場設(shè)備狀況的精確掌握成為可能,通訊技術(shù)的發(fā)展則為大容量的數(shù)據(jù)傳輸提供了平臺。在工業(yè)自動化領(lǐng)域,基于Pc的控制系
3、統(tǒng)以其靈活性和易于集成的特點正在被更多的采納。 1電氣綜合自動化系統(tǒng)的功能11斷路器和隔離開關(guān)的控制及操作發(fā)變組出口220kV/500kV斷路器、隔離開關(guān)的控制及操作。隔離開關(guān):類似閘刀開關(guān),沒有防止過流、短路功能,無滅弧裝置; 斷路器:具有過流、短路自動脫扣功能,帶有消磁滅弧裝置,可以用來接通、切斷大電流; 一般情況下,隔離開關(guān)不能用來接通或切斷電流,它僅僅是在斷路器斷開的情況下分?jǐn)?,提供一個“明顯的斷開點”。1.2電氣自動化1.2.1發(fā)變組保護(hù)發(fā)變組保護(hù)、廠高變保護(hù)、勵磁變壓器保護(hù)控制。1.2.2發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)。包括啟勵、滅磁操作,控制方式切換,增磁、減磁操作,PSS(電力系
4、統(tǒng)穩(wěn)定器)的投退。1.2.3 220kV/500kV開關(guān)自動同期并網(wǎng)及手動同期并網(wǎng)220kV/500kV開關(guān)自動同期并網(wǎng)及手動同期并網(wǎng)。1.2.4 6kV高壓廠6kV高壓廠用電源監(jiān)視、操作、廠用電壓快切裝置的狀態(tài)監(jiān)視、投退、手動啟動等1.2.5 380V低壓廠380V低壓廠用電源監(jiān)視、操作、低壓備自投裝置控制1.2.6高壓啟/備變壓器控制和操作高壓啟/備變壓器控制和操作1.2.7柴油發(fā)電機(jī)組和保安電源控制和操作柴油發(fā)電機(jī)組和保安電源控制和操作。1.3. 直流系統(tǒng)和LPS系統(tǒng)的監(jiān)視對于發(fā)變組保護(hù)等主保護(hù)和安全自動裝置,因其設(shè)備已經(jīng)很成熟而且要求全部在DCS中實現(xiàn)其功能尚有一定難度,可能增加相當(dāng)大
5、的費用,故可以保留。但是它們與DCS間要口求接,控制采用硬接線,利用通訊方式傳輸自動裝置信息,并可以通過DCS進(jìn)行事故追憶。2電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思想2.1集中監(jiān)控方式這種監(jiān)控方式優(yōu)點是運行維護(hù)方便,控制站的防護(hù)要求不高,系統(tǒng)設(shè)計容易。但由于集中式的主要特點是將系統(tǒng)的各個功能集中到一個處理器進(jìn)行處理,處理器的任務(wù)相當(dāng)繁重,處理速度受到影響。由于電氣設(shè)備全部進(jìn)入監(jiān)控,伴隨著監(jiān)控對象的大量增加隨之而來的是主機(jī)冗余的下降、電纜數(shù)量增加,投資加大,長距離電纜引入的干擾也可能影響系統(tǒng)的可靠性。同時,隔離刀閘的操作閉鎖和斷路器的聯(lián)鎖采用硬接線,由于隔離刀閘的輔助接點經(jīng)常不到位,造成設(shè)備無法操作。這種接
6、線的二次接線復(fù)雜,查線不方便,大大增加了維護(hù)量,還存在由于查線或傳動過程中由于接線復(fù)雜而造成誤操作的可能性。22遠(yuǎn)程監(jiān)控方式遠(yuǎn)程監(jiān)控方式具有節(jié)約大量電纜、節(jié)省安裝費用、,節(jié)約材料、可靠性高、組態(tài)靈活等優(yōu)點。由于各種現(xiàn)場總線(如Lonworks總線,CAN總線等)的通訊速度不是很高,而電廠電氣部分通訊量相對又比較大,所有這種方式適合于小系統(tǒng)監(jiān)控,而不適應(yīng)于全廠的電氣自動化系統(tǒng)的構(gòu)建。23現(xiàn)場總線監(jiān)控方式目前,對于以太網(wǎng)(Ethernet)、現(xiàn)場總線等計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于變電站綜合自動化系統(tǒng)中,且已經(jīng)積累了豐富的運行經(jīng)驗,智能化電氣設(shè)備也有了較快的發(fā)展,這些都為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)電廠電氣
7、系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)?,F(xiàn)場總線監(jiān)控方式使系統(tǒng)設(shè)計更加有針對性,對于不同的間隔可以有不同的功能,這樣可以根據(jù)間隔的情況進(jìn)行設(shè)計。采用這種監(jiān)控方式除了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控方式的全部優(yōu)點外,還可以減少大量的隔離設(shè)備、端子柜、I/0卡件、模擬量變送器等,而且智能設(shè)備就地安裝,與監(jiān)控系統(tǒng)通過通信線連接,可以節(jié)省大量控制電纜,節(jié)約很多投資和安裝維護(hù)工作量,從而降低成本。另外,各裝置的功能相對獨立,裝置之間僅通過網(wǎng)絡(luò)連接,網(wǎng)絡(luò)組態(tài)靈活,使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高,任一裝置故障僅影響相應(yīng)的元件,不會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此現(xiàn)場總線監(jiān)控方式是今后發(fā)電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。3 探討電氣自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢OPC(OI
8、JEforProcess Control)技術(shù)的出現(xiàn),IEC61131的頒布,以及Microsoft的Windows平臺的廣泛應(yīng)用,使得未來的電氣技術(shù)的結(jié)合,計算機(jī)日益發(fā)揮著不可替代的作用。IEC61131已成為了一個國際化的標(biāo)準(zhǔn),正被各大控制系統(tǒng)廠商廣泛采納。 Pc 客戶機(jī)服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)和Internet技術(shù)引發(fā)了電氣自動化的一次又一次革命。正是市場的需求驅(qū)動著自動化和IT平臺的融和,電子商務(wù)的普及將加速著這一過程。InternetIntranet技術(shù)和多媒體技術(shù)在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。企業(yè)的管理層利用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器可以存取企業(yè)的財務(wù)、人事等管理數(shù)據(jù),也可以對當(dāng)前生產(chǎn)過程的動態(tài)
9、畫面進(jìn)行監(jiān)控,在第一時間了解最全面和準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息。虛擬現(xiàn)實技術(shù)和視頻處理技術(shù)的應(yīng)用,將對未來的自動化產(chǎn)品,如人機(jī)界面和設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生直接的影響。相對應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)、通訊能力及易于使用和統(tǒng)一的組態(tài)環(huán)境變得重要了。軟件的重要性在不斷提高。這種趨勢正從單一的設(shè)備轉(zhuǎn)向集成的系統(tǒng)。4 電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)直流電機(jī)電樞絕緣結(jié)構(gòu)41電樞繞組絕緣目測檢查。在拆開電機(jī)取出轉(zhuǎn)子之后,通過目測的方法檢查繞組的絕緣情況,這是最簡單的方法。絕緣電阻檢查。電樞繞組對地(鐵芯)的絕緣電阻包括體積電阻和表面電阻。其阻值的大小與絕緣材料性能、絕緣結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、制造工藝、環(huán)境條件及試驗檢測方法等許多因素有關(guān)。由于絕緣電阻并不正
10、比于絕緣介電強(qiáng)度,與擊穿電壓沒有單值比例關(guān)系,其阻值究竟要多大電機(jī)才可安全運行或阻值降低到何值才會發(fā)生事故,并沒有一個準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。因此它只能作為估計繞組絕緣狀態(tài)的一個依據(jù)。在我國一般認(rèn)為,絕緣電阻低于05M1); 日本認(rèn)為,絕緣電阻低于01Mn,電機(jī)就會進(jìn)入危險區(qū)域,運行時繞組易發(fā)生燒損事故。耐壓試驗。將直流高壓直接加在繞組線圈的絕緣上,檢查其耐壓情況。所加電壓的大小視電的電壓等級、使用年限等隋況來決定。對于絕緣已老化或劣化的線圈,耐壓試驗時就會出現(xiàn)擊穿、表面放電、電暈、表面覆蓋物燒損等現(xiàn)象42匝間絕緣繞制變壓器的線圈時每一圈為一匝,匝之間的絕緣就是匝間絕緣。 影響匝間絕緣的主要因素是漆包線的
11、質(zhì)量以及后期的浸漆、烘干等工藝。目前,國內(nèi)關(guān)于干式空心電抗器匝間絕緣故障檢測設(shè)備的研究相對較少,國外已有成型產(chǎn)品,但是價格昂貴,達(dá)數(shù)十萬美元,國內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家沒有能力購買因此,研制一種性能優(yōu)良,成本相對較低的空心電抗器匝間絕緣故障檢測設(shè)備,已成為迫切需要對變壓器作匝間絕緣故障橙測通常是采用感應(yīng)電壓法,該法通過在一個變壓器繞組上施加較高頻率的電壓,在高壓(中壓)繞組上產(chǎn)生所要求的感應(yīng)試驗電壓,從而達(dá)到檢驗匝間絕緣的目的 但空心電抗器只有一個繞組,而且一般情況下其磁路是開放式,這就決定了無法用感應(yīng)電壓法對其匝間絕緣進(jìn)行橙然利用一個分離的變壓器產(chǎn)生正弦電壓波可對電抗器做匝間絕緣檢測,但所需變壓器
12、的容量很大,費用很高,尤其是在電抗器電感值較低的情況下更是如此盡管在這種試騎方法中采用容性補(bǔ)償裝置可以降低電源的總?cè)萘浚纱怂a(chǎn)生的總的試驗費用并沒有降低本文從介紹脈沖電壓法的基本原理人手,提出用脈沖電壓法檢測干式空心電抗器的匝間絕緣狀況并利用實際的電抗器電路模型和計算機(jī)輔助分析手段,對這種方法在實際的干式電抗器上應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析5 電氣設(shè)備的“健康”狀況存在差異首先是設(shè)備的先天條件不一樣,進(jìn)口設(shè)備和國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)狀況不一樣;同樣是國產(chǎn)設(shè)備,不同廠商因技術(shù)與管理水平不一樣,使其產(chǎn)品質(zhì)量也不一樣;即使是同一廠商,因技術(shù)、管理上的進(jìn)步,不同時期、不同批次的產(chǎn)品,其質(zhì)量也會不一樣。因此應(yīng)當(dāng)承
13、認(rèn)設(shè)備投運的初始狀態(tài)是千差萬別的。其次,設(shè)備的使用環(huán)境不一樣,不同的環(huán)境將對設(shè)備運行狀況產(chǎn)生不同的影響,這種環(huán)境主要有兩種:一是設(shè)備所處的外部自然環(huán)境不一樣,尤其是供電設(shè)備,大部分暴露在室外自然環(huán)境中,因溫度、濕度、污染、紫外線、日照等有較大差異,對設(shè)備的影響有較大不同;二是設(shè)備在電力系統(tǒng)的位置不同,所承受系統(tǒng)運行電壓、短路電流和熱穩(wěn)定時間等不盡相同,尤其是故障時系統(tǒng)短路容量差異較大。此外,新技術(shù)、新材料的使用,使得設(shè)備的技術(shù)水平、技術(shù)狀況有了較大的改善,尤其是20世紀(jì)90年代以后,我國電力設(shè)備制造引進(jìn)不少國外先進(jìn)的技術(shù)、裝備和管理,設(shè)備的改型換代較快,整體技術(shù)水平有了較大的提高,因此電力系統(tǒng)
14、的裝備水平得到較大的改善。6 電力電子系統(tǒng)故障診斷方法淺析6.1故障診斷中的譜分析方法電力電子電路的實際運行表明,大多數(shù)故障表現(xiàn)為功率開關(guān)器件的損壞,其中以功率開關(guān)器件的開路和直通最為常見。電力電子電路故障診斷與一般的模擬電路、數(shù)字電路的故障診斷存在較大差別,由于電力電子器件過載能力小,損壞速度快,其故障信息僅存在于發(fā)生故障到停電之前數(shù)十毫秒之內(nèi),因此,需要實時監(jiān)視、在線診斷;另外電力電子電路的功率已達(dá)數(shù)千千瓦,模擬電路、數(shù)字電路診斷中采用的改變輸入看輸出的方法不再適用,只能以輸出波形來診斷電力電子電路是否有故障及有何種故障。 故障診斷的關(guān)鍵是提取故障的特征。故障特征是指反映故障征兆的信號經(jīng)過
15、加工處理后所得的反映設(shè)備與系統(tǒng)的故障種類、部位與程度的綜合量。故障診斷方法按提取特征的方法的區(qū)別,可分為譜分析方法、基于動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法、采用模式識別的方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、專家系統(tǒng)的方法、小波變換的方法和利用遺傳算法等。這些方法將在下文具體介紹。6.2參數(shù)模型與故障診斷如果系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是已知的,就可以通過測量,估計系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù),確定狀態(tài)變量和系統(tǒng)參量是否變化。采用基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法,可以從較少的測量點去估計系統(tǒng)的多個狀態(tài)量或系統(tǒng)參數(shù),從而實現(xiàn)故障診斷。 進(jìn)一步又可以分為檢測濾波器方法、狀態(tài)估計法和參數(shù)辨識方法三種.6.2.1檢測濾波器方法它將部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器
16、的故障的輸出方向分別固定在特定的方向或平面上。6.2.2狀態(tài)估計法狀態(tài)估計法 通過監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)變化,也能反映由系統(tǒng)參數(shù)變化引起的故障,并對故障進(jìn)行診斷。與一般的狀態(tài)估計不同,在進(jìn)行故障診斷時,并不是去估計未知的狀態(tài)信息,而是借助觀測器或卡爾曼濾波器去重構(gòu)系統(tǒng)的輸出,以便取得系統(tǒng)輸出的估計值。這個估計值與實際輸出值之差就叫量測殘差。殘差中含有大量的系統(tǒng)內(nèi)部變化的信息,因此可以作為故障診斷的依據(jù)。狀態(tài)估計法的優(yōu)點是在線計算量小,診斷速度快。6.2.3參數(shù)辨識方法實時辨識出系統(tǒng)模型的參數(shù),與正常時模型的參數(shù)比較,確定故障。常用的有最小二乘法。故障的模式識別就是從那些反映系統(tǒng)的信息中抽取出反映故障的
17、特征,并根據(jù)這些特征的不同屬性,對故障進(jìn)行分類。用模式識別方法進(jìn)行故障診斷,是根據(jù)樣本的數(shù)學(xué)特征來進(jìn)行的,因此它不需要精確的數(shù)學(xué)模型。對于一些被診斷對象數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜、不易求解的問題,模式識別方法也是適用的。另外,在對工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷中應(yīng)盡量利用非數(shù)學(xué)(包括物理和結(jié)構(gòu))方面的特征,設(shè)計出各種各樣的特征提取器,這樣將有利于利用對已有系統(tǒng)的知識,有利于減少計算工作量。由于特征的選擇和提取與待識別的模式緊密相關(guān),故很難有某種泛泛的規(guī)律可循。目前常用的方法有:最小距離分類法,Bayes分類法,F(xiàn)isher判別法,從參數(shù)模型求特征,用K-L變換提取特征等6.3模式識別在故障診斷中的應(yīng)用故障的模式識別
18、就是從那些反映系統(tǒng)的信息中抽取出反映故障的特征,并根據(jù)這些特征的不同屬性,對故障進(jìn)行分類。用模式識別方法進(jìn)行故障診斷,是根據(jù)樣本的數(shù)學(xué)特征來進(jìn)行的,因此它不需要精確的數(shù)學(xué)模型。對于一些被診斷對象數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜、不易求解的問題,模式識別方法也是適用的。另外,在對工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷中應(yīng)盡量利用非數(shù)學(xué)(包括物理和結(jié)構(gòu))方面的特征,設(shè)計出各種各樣的特征提取器,這樣將有利于利用對已有系統(tǒng)的知識,有利于減少計算工作量。由于特征的選擇和提取與待識別的模式緊密相關(guān),故很難有某種泛泛的規(guī)律可循。目前常用的方法有:最小距離分類法,Bayes分類法,F(xiàn)isher判別法,從參數(shù)模型求特征,用K-L變換提取特征等6.
19、4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自歸納能力,經(jīng)過一定的訓(xùn)練,建立起故障信號與故障分類之間的映像關(guān)系。利用學(xué)習(xí)后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)故障診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的神經(jīng)元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò),這里以BP網(wǎng)絡(luò)為例加以介紹。BP網(wǎng)絡(luò)是單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò),它由輸入層、中間層和輸出層組成,中間層可有若干層,每一層的神經(jīng)元只接受前一層神經(jīng)元的輸出。BP網(wǎng)絡(luò)中沒有反饋,同一層的節(jié)點之間沒有耦合,每一層的節(jié)點只影響下一層節(jié)點的輸入。 BP網(wǎng)絡(luò)一般采取的學(xué)習(xí)算法是:網(wǎng)絡(luò)的輸出和希望的輸出進(jìn)行比較,然后根據(jù)兩者之間的差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值,最終使誤差變?yōu)樽钚?。?dāng)電力電子電路發(fā)生故障時,如果能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的
20、學(xué)習(xí)能力,使故障波形與故障原因之間的關(guān)系通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)后保存在其結(jié)構(gòu)和權(quán)中,然后將學(xué)習(xí)好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就可以通過對當(dāng)前電壓或電流波形的分析,得出故障原因,從而實現(xiàn)故障的在線自動診斷。6.5專家系統(tǒng)由于故障診斷是從被監(jiān)測和診斷的對象表征去尋找故障的成因、部位,并確定故障的嚴(yán)重程度的,因此,如 果把由已知故障去分析系統(tǒng)或設(shè)備的運行特性與表征叫做正問題,那么故障診斷就是逆問題了。這種逆問題的求解明顯不同于正問題的求解,而人工智能AI(Artificial Intelligence)技術(shù)中的專家系統(tǒng)ES(Expert System)正是解這種逆問題的有利工具。專家系統(tǒng)是人工智能研
21、究的一個分支,它是通過模擬專家的經(jīng)驗,實現(xiàn)故障診斷。專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下表所示:一個典型的診斷專家系統(tǒng)通過在線監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存貯,然后傳送到診斷運行中心,在這里由專家系統(tǒng)進(jìn)行處理、分析和診斷,最后將診斷結(jié)果和處理建議自動地反饋回運行現(xiàn)場。因此,專家系統(tǒng)是診斷系統(tǒng)中最核心的部分。本文后面將介紹作者在實際中應(yīng)用專家系統(tǒng)方法進(jìn)行故障診斷的實例。6.6小波變換的方法在故障診斷中,突變信號往往對應(yīng)著設(shè)備的某種故障,分析和識別系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種波形信號,并判別其狀態(tài),是進(jìn)行電路故障診斷中的有效方法之一。設(shè)備正常運行時發(fā)出的信號較平穩(wěn),一旦設(shè)備出現(xiàn)故障,就將發(fā)出具有奇異性的動態(tài)非平穩(wěn)信號。為了實現(xiàn)設(shè)備故障
22、的快速、準(zhǔn)確檢測,必須有效地識別故障發(fā)生瞬間的非平穩(wěn)信號。信號的處理與分析是故障預(yù)測和診斷的基礎(chǔ),提高診斷的準(zhǔn)確度需要信號處理和分析方法,小波變換以其對非平穩(wěn)信號局部化分析,及良好的時頻定位功能的突出優(yōu)點,為故障診斷提供了新的、強(qiáng)有力的分析手段,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)故障診斷中因為專家的經(jīng)驗知識很難精確描述,存在知識獲取的“瓶頸”問題。 七、遺傳算法 遺傳算法GA(Genetic Algorithm)是一種新發(fā)展起來的優(yōu)化算法,目前它已經(jīng)成為人們用來解決高度復(fù)雜問題的一個新思路和新方法。它依據(jù)適者生存、優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化規(guī)則,對包含可能解的群體進(jìn)行基于遺傳學(xué)的操作,不斷生產(chǎn)新的群體并使群體不斷進(jìn)化,同時以全局并行搜索優(yōu)化群
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