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文档简介
1、太阳能发电原理及应用设计 太阳能发电原理及应用设计 第7章太阳能光伏发电的系统连系技术 7.1对光伏发电控制器的特殊要求对光伏发电控制器的特殊要求 光伏控制器是太阳能光伏发电系统中, 能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有 简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被 过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命, 充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少 的。 太阳能发电原理及应用设计 7.1对光伏发电控制器的特殊要求对光伏发电控制器的特殊要求 光伏控制器的功能光伏控制器的功能 (1)高压(HVD)断开和恢复功能:控制器应具有 输入高压断开和恢复连接的功能。 (2)欠压(LVG)告警和恢复功能:当蓄电池电
2、压 降到欠压告警点时,控制器应能自动发出声光告警信 号。 (3) 低压(LVD)断开和恢复功能:这种功能可防 止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负 载,可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安 全运行范围时,负载将自动重新接入或要求手动重新 接入。有时,采用低压报警代替自动切断。 太阳能发电原理及应用设计 7.1对光伏发电控制器的特殊要求对光伏发电控制器的特殊要求 光伏控制器的功能光伏控制器的功能 (4)保护功能: 防止任何负载短路的电路保护。 防止充电控制器内部短路的电路保护。 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路 保护。 在
3、多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。 (5)温度补偿功能:当蓄电池温度低于时, 蓄电池应要求较高的充电电压,以便完成充电过程。 相反,高于该温度蓄电池要求充电电压较低。 太阳能发电原理及应用设计 7.1对光伏发电控制器的特殊要求对光伏发电控制器的特殊要求 光伏控制器的主要参数光伏控制器的主要参数 1 太阳电池输入路数:太阳电池输入路数:112路路 2 最大充电电流:最大充电电流: 3 最大放电电流:最大放电电流: 4 控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1% 5 通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5%
4、6 输入输出开关器件:继电器或输入输出开关器件:继电器或MOSFET模块模块 7 箱体结构:台式、壁挂式、柜式箱体结构:台式、壁挂式、柜式 8 工作温度范围:工作温度范围:15C - 55 9 环境湿度:环境湿度:90 太阳能发电原理及应用设计 7.1对光伏发电控制器的特殊要求对光伏发电控制器的特殊要求 光伏控制器的分类光伏控制器的分类 光伏控制器基本上可分为五种类型:并联型、串联型、脉宽调制型、智光伏控制器基本上可分为五种类型:并联型、串联型、脉宽调制型、智 能型和最大功率跟踪型。能型和最大功率跟踪型。 并联型控制器:并联型控制器: 当蓄电池充满时,利用电子部件把光伏阵列的输出分流当蓄电池充
5、满时,利用电子部件把光伏阵列的输出分流 到内部并联电阻器或功率模块上去,然后以热的形式消耗掉。一般用于小到内部并联电阻器或功率模块上去,然后以热的形式消耗掉。一般用于小 型、低功率系统。这类控制器很可靠,没有如继电器之类的机械部件。型、低功率系统。这类控制器很可靠,没有如继电器之类的机械部件。 串联型控制器:串联型控制器: 利用机械继电器控制充电过程,并在夜间切断光伏阵列。利用机械继电器控制充电过程,并在夜间切断光伏阵列。 一般用于较高功率系统,继电器的容量决定充电控制器的功率等级。一般用于较高功率系统,继电器的容量决定充电控制器的功率等级。 脉宽调制型控制器:它以脉冲方式开关光伏阵列的输入。
6、当蓄电池趋向脉宽调制型控制器:它以脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向 充满时,脉冲的频率和时间缩短。这种充电过程形成较完整的充电状态,充满时,脉冲的频率和时间缩短。这种充电过程形成较完整的充电状态, 它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。 智能型控制器:智能型控制器: 采用单片机对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采采用单片机对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采 集,并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离集,并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接接 通控制。通控制。 最大功率跟踪型控制器:检测太阳电池的电
7、压最大功率跟踪型控制器:检测太阳电池的电压U和电流和电流I,保证太阳电池,保证太阳电池 始终运行在最大功率点,以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用始终运行在最大功率点,以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用 PWM调制方式,使充电电流成为脉冲电流,以减少蓄电池的极化,提高充调制方式,使充电电流成为脉冲电流,以减少蓄电池的极化,提高充 电效率。电效率。 太阳能发电原理及应用设计 7 太阳能路灯的优点: 1、市电照明路灯安装复杂:市电照明路灯工程中 首先要铺设电缆,需要进行电缆沟的开挖、铺设 暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进 行长时间的安装调试,如任何一条线路有问题, 则要大面
8、积返工。而且地势和线路要求复杂、人 工和辅助材料成本高昂。太阳能路灯安装简便: 太阳能安装时,不用铺设复杂的线路,只要做一 个水泥基座,然后用不锈钢螺丝固定就可。 太阳能发电原理及应用设计 8 太阳能路灯的优点: 2、市电照明路灯电费高昂:市电照明路灯工 作中需要支付固定高昂的电费,并且需要长 期不间断对线路和其它配置进行维护或更换, 维护成本逐年递增。太阳能路灯具免电费: 太阳能路灯是一次性投入,无任何维护成本, 长期受益。 太阳能发电原理及应用设计 9 太阳能路灯的优点: 3、市电照明路灯存在安全隐患:市电照明路 灯在施工质量、景观工程的改造、材料老化、 供电不正常、水电气管道的冲突等方面
9、都会 带来诸多安全隐患。 太阳能路灯没有安全隐 患:太阳能路灯是超低压产品,运行安全可 靠。太阳能路灯的其它优势:绿色环保。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯应用: 10 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯应用: 11 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的工作原理: 12 太阳能路灯是利用太阳能电池板,白天接收 太阳辐射能并转化为电能经过充放电控制器储存 在蓄电池中,夜晚当照度逐渐降低,充放电控制 器侦测到这一值后动作,蓄电池对灯头放电。蓄 电池放电10小时后,充放电控制器动作,蓄电池 放电结束。充放电控制器的主要作用是控制路灯 打开和关闭,同时保护蓄电池,延长蓄电池使用 寿命。 太阳
10、能发电原理及应用设计 太阳能路灯的工作原理: 13 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的设计原则: 14 1、从功能上道路照明系统的主要功能是保证交通 安全,提高交通运输效率、保障人身安全、提供 舒适环境。 2、在满足道路照明各项功能需要的基础上,提高 道路照明系统的能效,降低系统功耗,节约能源, 减少污染,以达到节能和环保的目的。 3、另外还要结合当地的光资源情况,当地阴雨天 气情况,电池板受灰尘覆盖、温度影响、控制器、 蓄电池的各种效率等实情况进行综合考虑。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的设计要求: 15 (1)电池板功率的计算和选用。 (2)蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显
11、示。 (3)连续阴雨天五天路灯仍能照明。 (4)光线暗时路灯自动点亮,早上光线强时路灯自 动熄灭。 (5)系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的控制方案选择: 16 太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一 样,都是为了完成晚上亮灯,早晨熄灯的作用。 国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控 器型、经纬型控制器型等,但由于其工作原理不 同,各有优缺点。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的控制方案选择: 17 单独的光控型一般采用感光探头,当晚上光 线弱时,自动开启路灯;早上光线较强时,自动 关闭路灯,达到自动控制的作用。但在实际使用 中,感光探头难
12、以判断各种干扰光线,经常会产 生误动作。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的控制方案选择: 18 采用时钟控器型的路灯控制器,要预先设 定开关时间,使路灯按时亮灯、准时熄灯,从而 达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定 的开关时间不受外界干扰,除本身故障外不会产 生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天 气情况自动变换开关时间,需人工经常调整开关 时间,费时费力,不利于节省电力。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的控制方案选择: 19 经纬型控制器采用单片机技术,模拟日照规 律,晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取 光控开关时间的优点,克服了光控开关易受干扰 的缺点,取钟控器时
13、间准确之长处,克服了定时 开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控 制常采用这种控制方式,但其价格较高,在路灯 中使用将会增加不必要的成本。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯系统的总体框图: 20 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的光源的选择: 21 光源尽量选直流光源。目前常见的光源有直 流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。 LED 作为半导体光源,其发展势头强劲,是太 阳能路灯最为理想的光源。 本系统采用LED光源,结合成都市区的实 际情况 ,我们采用高效太阳能LED路灯(光源 功率50W,DC24V),规格50只LED、每只1 W 。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路
14、灯的光源的选择: 22 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板倾角的确定: 23 由地点的经纬度及海拔等决定以下以成 都为例说明。如成都市位于东经10254 10453和北纬3005 3126之间,平均海 拔高度500m。查相关资料,纬度和太 阳能电池 板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角为38。 经验如下: 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板倾角的确定: 24 纬度和太阳能电池板倾角的关系纬度和太阳能电池板倾角的关系 纬度纬度0252640415555 倾角等于当地 纬度 等于当地纬 度加 510 等于当地 纬度加 1015 等于当地 纬度加 1520 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池
15、板组件功率的确定: 25 成都全年平均日照时数为成都全年平均日照时数为 10421412小时小时 则平均每日峰值日照时数为:则平均每日峰值日照时数为:1042365 2.87 小时小时/日日 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板组件功率的确定: 26 计算每日负载耗电量为:计算每日负载耗电量为:500Wh500Wh24V24V21Ah21Ah 计算所需太阳电池的总充电电流为:计算所需太阳电池的总充电电流为: 21Ah21Ah1.02/(2.87h1.02/(2.87h0.9)0.9)10.3A10.3A 其中:其中: 0.9: 0.9: 蓄电池的充电效率蓄电池的充电效率 1.02: 201.
16、02: 20年内太阳电池衰降,方阵组合损失,年内太阳电池衰降,方阵组合损失, 尘埃遮挡等综合系数。尘埃遮挡等综合系数。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板组件功率的确定: 27 保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此,保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此, 太阳能电池组件在太阳能电池组件在任何季节的工作电压须满足任何季节的工作电压须满足 V V V Vf f +V +Vd d +V +Vi i =27.4+0.7V+4.5V =27.4+0.7V+4.5V =32.6V =32.6V 式中,式中,V Vf f 为蓄电池组件浮充电压为蓄电池组件浮充电压; V Vd d 为因阻塞为因阻塞 二
17、极管和线路直流损耗引起的压降二极管和线路直流损耗引起的压降; V Vi i 为因温度升为因温度升 高引起的压降。高引起的压降。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板组件功率的确定: 28 厂商出售的太阳能电池组件所标出的标厂商出售的太阳能电池组件所标出的标 称工作电压和输出功率最大值(称工作电压和输出功率最大值( Wp ),都),都 是在标准状态下测试的结果。由太阳能电池是在标准状态下测试的结果。由太阳能电池 组件的温度特性曲线可知,当组件的温度特性曲线可知,当温度升高时,温度升高时, 其工作电压有较明显的下降其工作电压有较明显的下降,可用,可用下式计算下式计算 因温度升高而引起的压降因温度
18、升高而引起的压降Vi 。 Vi= a(tmax-25)Va 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板组件功率的确定: 29 式中,式中,a 是太阳能电池组件的温度系数,对是太阳能电池组件的温度系数,对单晶单晶 硅和多晶硅电池组件硅和多晶硅电池组件来说,来说,a=0.005,对非晶硅电池对非晶硅电池 组件来说组件来说,a=0.003; Tmax 为太阳能电池组件的最为太阳能电池组件的最 高工作温度(高工作温度(4560);); Va 为太阳能电池组件为太阳能电池组件 的标称工作电压。的标称工作电压。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能电池板组件功率的确定: 30 太阳能电池组件板的功率:太阳能电池组
19、件板的功率: Pa=IaPa=IaVaVaK/1-a(Tmax-25)K/1-a(Tmax-25) =5 =5* *3636* *1.2/1-0.0051.2/1-0.005(50-2550-25) =216/0.875=216/0.875 =246W =246W 式中,式中,a a、T maxT max取值与上面相同,取值与上面相同,K K 为考虑一些未为考虑一些未 知工作因素,而引入的安全系数知工作因素,而引入的安全系数,可根据电压等,可根据电压等 级,数据准确程度,运行环境等,在级,数据准确程度,运行环境等,在1.051.30 1.051.30 之之 间选取。间选取。 太阳能发电原理及应
20、用设计 太阳能电池板组件功率的确定: 31 根据上述计算本设计可选两块TW180(35D) 单晶硅电池板并联TW180(35D)的技术参数 如下: 太阳能发电原理及应用设计 太阳能蓄电池容量的选择: 32 =21Ah*(5+1)/0.68=186Ah 0.68为放电深度。 因此选择12V,200Ah免维护式铅酸蓄电 池,2块 串联。串联后电压24V,200Ah 太阳能发电原理及应用设计 太阳能控制器的选择: 33 本系统控制器选用本系统控制器选用TYK-3 SDRCTYK-3 SDRC型型 太阳太阳 能路灯智能控制器。能路灯智能控制器。 该控制器当没有阳光时,该控制器当没有阳光时,光强降到启动
21、光强降到启动 点,控制器延时点,控制器延时1010分钟确认启动信号后分钟确认启动信号后,开,开 通负载,负载开始工作;当有阳光时,通负载,负载开始工作;当有阳光时,光强光强 升到启动点,控制器延时升到启动点,控制器延时1010分钟确认关闭输分钟确认关闭输 出信号后关闭输出,负载停止工作出信号后关闭输出,负载停止工作。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能控制器的技术参数: 34 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯照明方式的设计: 35 道路及与其有关的特殊场所的照明方式道路及与其有关的特殊场所的照明方式 分分常规照明常规照明和和高杆照明高杆照明两种。常规照明有两种。常规照明有单单 侧布置、双侧交
22、错布置、双侧对称布置、横侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、横 向悬索布置、和中心对称布置向悬索布置、和中心对称布置五种基本布灯五种基本布灯 方式:如下图所示:方式:如下图所示: 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯照明方式的设计: 36 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯照明方式的设计: 37 采用常规照明方式时灯具的配光类型布采用常规照明方式时灯具的配光类型布 灯方式安装高度和间距应满足下表表的规灯方式安装高度和间距应满足下表表的规 定。且定。且灯具的悬挑长度不宜超过安装高度灯具的悬挑长度不宜超过安装高度 的的1/41/4, ,灯具的仰角不宜超过灯具的仰角不宜超过1515。 太阳能发电原
23、理及应用设计 太阳能路灯照明方式的设计: 38 表灯具的配光类型及布灯方式与安装高度间距的关系表灯具的配光类型及布灯方式与安装高度间距的关系 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯照明方式的设计: 39 本系统中所用灯具属于截光型灯具,本系统中所用灯具属于截光型灯具, 且采用单侧布置。所以该路灯的安装高且采用单侧布置。所以该路灯的安装高 H=WeffH=Weff Weff Weff为路面有效宽度,假设路面的有为路面有效宽度,假设路面的有 效宽度为效宽度为5 5米,则米,则安装高度为安装高度为H =5H =5米。米。 安装间距安装间距=3=3* *5=155=15米。米。 太阳能发电原理及应用设计
24、 太阳能灯具照度和亮度均度的要求: 40 安装灯具的照度和亮度均度应符合 城市道路照明标准规定 太阳能发电原理及应用设计 太阳能灯具照度和亮度均度的要求: 41 太阳能发电原理及应用设计 太阳能的最终效果: 42 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的安装: 43 地基浇筑: 1、确定立灯位置;勘察地质情况,如 果地表1米2皆是松软土质,那么开挖深度 应加深;同时要确认开挖位置以下没有其 他设施(如电缆、管道等),要求路灯顶 部没有长时间遮阳物体,否则要适当更换 位置。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的安装: 44 2、在立灯具的位置预留(开挖)符合标准的1米3坑; 进行予埋件定位浇筑。
25、预埋件放置在方坑正中, PVC穿线管一端放在预埋件正中间、另端放在蓄电 池储存处。注意保持预埋件、地基与原地面在同一 水平面上(或螺杆顶端与原地面在同一水平面上, 根据场地需要而定),有一边要与道路平行;这样 方可保证灯杆竖立后端正而不偏斜。然后以C20混凝 土浇筑固定,浇筑过程中要不停用震动棒震动,保 证整体的密实性,牢固性。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的安装: 45 3、施工完毕,及时清理定位板上残留泥渣, 并以废油清洗螺栓上杂质。 4、混泥土凝固过程中,要定时浇水养护;待 混凝土完全凝固(一般72小时以上),才 能进行吊灯安装。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能组件的安装: 4
26、6 电池组件的输出正负极在连接到控制器前须 采取措施避免短接; 太阳电池组件与支架连接时要牢固可靠; 组件的输出线应避免裸露,并用扎带扎牢; 1.电池组件的朝向要朝正南,以指南针指向为 准。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能蓄电池的安装: 47 蓄电池置于控制箱内时须轻拿轻放,防止砸 坏控制箱; 蓄电池之间的连接线必须用螺栓压在蓄电池 的接线柱上并使用 铜垫片以增强导电性; 输出线连接在蓄电池后在任何情况下禁止短 接,避免损坏蓄电池; 蓄电池的输出线与电线杆内的控制器相联时 必须通过PVC穿线管; 太阳能发电原理及应用设计 太阳能蓄电池的安装: 48 上述完成后,检查控制器端的接线, 防止短路
27、。正常后关好控制箱的门。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能灯具的安装: 49 1、进行各部位组件固定:太阳板固定在太阳板支架 上,灯头固定到挑臂上,然后将支架与挑臂固定 到主杆,并将连接线穿引到控制箱(电池箱)。 2、灯杆起吊之前,先检查各部位紧固件是否牢固, 灯头安装是否端正,光源工作是否正常。然后在 简易调试系统工作是否正常;松开控制器上太阳 板连接线,光源工作;接上太阳板连接线,灯熄; 同时仔细观察控制器上各指示灯的变化;一切属 于正常,方可起吊安装。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能灯具的安装: 50 3、主灯杆起吊时,注意安全防范;螺丝绝对紧固好, 如组件朝阳角度有所偏差,需要上去端
28、调整其朝阳 方向完全朝正南。 4、将蓄电池放进电池箱,按照技术要求将连接线连 接到控制器;先接蓄电池,再接负载,然后接太阳 板;接线操作时一定要注意各路接线与控制器上标 明的接线端子不能接错,正负两极性不能碰撞,不 能接反;否则控制器将被损坏。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能灯具的安装: 51 5、调试系统工作是否正常;松开控制器上 太阳板连接线,灯亮;接上太阳板连接线, 灯熄;同时仔细观察控制器上各指示灯的 变化;一切属于正常,方可封好控制箱。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯的安装: 52 太阳能发电原理及应用设计 太阳能灯具的安装注意事项: 53 1、太阳能路灯以太阳辐射为能源,照
29、射在光电池 组件上的阳光是否充裕直接影响灯具的照明效 果,因此在选择灯具的安装位置时,电池组件 在任何时间段都能够照射到阳光,且无树叶等 遮挡物。 2、穿线时一定要注意导线勿夹在灯杆的连接处。 导线的连接处应该连接牢固,且用PVC胶带缠 绕。 太阳能发电原理及应用设计 太阳能路灯拓展(了解): 54 与市电互补与市电互补 太阳能发电原理及应用设计 7.2系统连系系统连系(并网并网)的类别的类别 7.3系统连系(并网)需解决的课题 7.3.1系统保护问题 7.3.2电压问题 7.3.3电量平衡和调峰问题 7.4智能电网 7.4.1智能电网的定义 7.4.2各国对智能电网研究现状 7.4.3国内研
30、究动态 太阳能发电原理及应用设计 7.47.4智能电网智能电网 智能电网(智能电网(smart power grids),就是电网的智),就是电网的智 能化,也被称为能化,也被称为“电网电网2.0”,它是建立在集成的、高,它是建立在集成的、高 速双向速双向通信网络通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技的基础上,通过先进的传感和测量技 术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决决 策支持系统策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经技术的应用,实现电网的可靠、安全、经 济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征济、高效、环境友好和使用安全
31、的目标,其主要特征 包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21 世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的 接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。 太阳能发电原理及应用设计 7.47.4智能电网智能电网 7.4.17.4.1智能电网的定义智能电网的定义 在现代电网的发展过程中,各国结合其电力工业发展的具体情况,通在现代电网的发展过程中,各国结合其电力工业发展的具体情况,通 过不同领域的研究和实践,形成了各自的发展方向和技术路线,也反映出过不同领域的研究和实践,形成了各自的发展方向和技术路线,也反映出 各国对未来电网发展模式的不同理解。近年来,随着各种先进技术在电网各国对未来电网发展模式的不同理解。近年来,随着各种先进技术在电网 中的广泛应用,智能化已经成为电网发展的必然趋势,发展智能电网已在中的广泛应用,智能化已经成为电网发展的必然趋势,发展智能电网已在 世界范围内形成共识。世界范围内形成共识。 从技术发展和应用的角度看,世界各国、各领域的专家、学者普遍认从技术发展和应用的角度看,世界各国、各领域的专家、学者普遍认 同以下观点:智能电网是将先进的传感测量技术、信息通信技术
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