換流變壓器差動保護異常動作仿真分析

摘要：文章在國際大電網(wǎng)會議提出的HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)中對高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器二次側(cè)發(fā)生各類故障及空載合閘進行大量仿真，通過分析合閘和故障發(fā)生的不同時刻的情況，來研究換流變壓器二次側(cè)出口故障電流波形和空載合閘時勵磁涌流的波形特性，進而深入地研究高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器差動保護誤動和拒動的原因。

關(guān)鍵詞：換流變壓器；差動保護；勵磁涌流；二次諧波制動

中圖分類號：TM773 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0052-03

HVDC輸電較之傳統(tǒng)的交流輸電沒有相位和功角，不存在穩(wěn)定性問題，在電力系統(tǒng)互聯(lián)和大容量遠距離輸電方面的優(yōu)勢突出。換流變壓器是高壓直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在傳輸電能的同時要為換流器提供相位相差30°的換相電流，降低交流側(cè)諧波電流。換流變壓器的安全穩(wěn)定運行是整個直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。與普通電力變壓器相比，換流變壓器具有以下特征：短路阻抗較大，以限制過大的短路電流損壞換流閥；由于其工作環(huán)境的特殊性，受諧波和直流偏磁的影響較大。與普通電力變壓器一樣，換流變壓器的主保護為差動保護，由于勵磁涌流可能引起變壓器差動保護誤動，以防止上述情況的出現(xiàn)，如何區(qū)分故障電流和勵磁涌流成為電力變壓器保護的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外學(xué)者對這方面也進行了大量的研究，針對勵磁涌流引起的差動保護誤動的問題，現(xiàn)行電力變壓器差動保護中主要采用二次諧波制動以克服涌流對差動保護的影響。但在直流系統(tǒng)中即便采用了二次諧波制動判據(jù)，換流變壓器差動保護非正常動作的事件也不時出現(xiàn)，例如2007年1月28日，天廣直流輸電系統(tǒng)在對換流變充電時就發(fā)生了一起由于勵磁涌流導(dǎo)致差動保護誤動的事故，經(jīng)過事后對故障錄波分析得出，這是一起由于二次諧波制動判據(jù)失效引起的誤動，對整個電網(wǎng)造成了一定影響。此外，當(dāng)換流變壓器發(fā)生不對稱故障時，差流中含有二次諧波，而使二次諧波誤制動，嚴重危害了直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本文建立了換流變壓器空載和閘和二次側(cè)出口故障的PSCAD/EMTDC模型，分析了故障電流和勵磁涌的暫態(tài)特征。分析得出：故障電流和勵磁涌流的暫態(tài)特征由于受變壓器鐵芯飽和諧波的影響而發(fā)生變化，使得二次諧波制動在換流變壓器差動保護中不適應(yīng)，使差動保護拒動或誤動。

1 CIGRE的HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型

本文用HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)I（CIGRE HVDC Benehmark mod I）在不同時刻空載合閘和發(fā)生故障時，對換流變壓器的勵磁涌流和出口故障電流波形暫態(tài)特征進行分析和研究。國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）直流輸電測試系統(tǒng)是用于直流輸電HVDC控制研究的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，可以在不同的仿真軟件及仿真器上運行，該標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，直流輸電參數(shù)如表1所示：

圖1 HVDC系統(tǒng)仿真模型

表1 CIGRE直流系統(tǒng)直流輸電參數(shù)

參數(shù) 整流側(cè) 逆變側(cè)

交流側(cè)線電壓 345（kV） 230（kV）

交流側(cè)阻抗值 19.0Ω 52.9Ω

換流變一次側(cè)分接頭 1.01 0.989

等效換相阻抗 27Ω 27Ω

觸發(fā)角 15° 15°

直流功率 1000MW 1000MW

整個高壓直流輸電系統(tǒng)包括2個直流換流站、直流輸電線路及換流器控制系統(tǒng)，直流輸電線路兩側(cè)分別與交流系統(tǒng)相連，整流側(cè)為送電端，逆變側(cè)為受電端，兩側(cè)短路比均為2.5，基本脈動數(shù)均為12，直流輸電線路上額定電壓500kV，額定電流2kA，電阻為2.5，逆變器換流電抗為9.522，固定電容器為無功裝置，濾波器采用阻尼濾波器。以整流側(cè)Y0/d-11型換流變?yōu)檠芯繉ο螅瑩Q流變參數(shù)如下：一二次側(cè)電壓為345kV/213.4557kV，額定功率603.73MVA，正序漏抗0.18p.u.，氣隙電抗0.2p.u.，勵磁電流1%。模型中各元件值均為有名值，電阻、電感及電容的單位分別是Ω、H和F。

2 換流變壓器出口故障差動保護拒動仿真分析

實際電力變壓器一般采用Y，dll的接線方式，此種接線方式使得變壓器一、二次電流相位相差30°，為了消除此相位誤差，必須通過計算才能得到相應(yīng)的差流，在不考慮TA傳變誤差的情況下，在實際變壓器差動保護中，合成差流就是變壓器星形側(cè)兩相電流做差后再與三角形側(cè)對應(yīng)相電流相減。對于本文研究的換流變壓器，其兩側(cè)差流的表達式應(yīng)為（以A相為例）：，其中和分別為星形側(cè)A相和C相的相電流，為三角形側(cè)的相電流。在PSCAD/EMTDC軟件中搭建前文所述的模型，在換流變出口處設(shè)置故障模塊來模擬換流變出口處發(fā)生各種故障的情況。故障發(fā)生時刻不同，故障電流的暫態(tài)特性就可能不同，本文針對不同類型故障在不同時刻發(fā)生故障做了大量仿真，下面僅以換流變壓器出口處發(fā)生A相接地故障為例，且二次諧波發(fā)生誤制動的仿真算例來說明差動保護拒動的原因。

換流變壓器二次側(cè)接地故障就相當(dāng)于閥短路。因換流閥內(nèi)部電力電子設(shè)備的單向?qū)щ娞匦裕苟搪冯娏鞯牟ㄐ伟l(fā)生變化，大半個周波內(nèi)幅值變大，而相鄰的半個周波內(nèi)幅值變小，從而換流變壓器差動保護的測量值兩側(cè)差流中的二次諧波含有量顯著增大，在二次諧波制動判據(jù)作用下發(fā)生誤制動，從而使換流變壓器差動保護拒動。仿真時長0.4s，故障發(fā)生時刻為0.14s。發(fā)生A接地故障時，換流變兩側(cè)的電流波形分別如圖2所示。由于是A發(fā)生接地故障，A相差流較大，合成的A相差流如圖3所示：

（a）A相接地換流變一次側(cè)電流

（b）A相接地換流變二次側(cè)電流

圖2 換流變A接地故障時兩段電流波形

圖3 A相差流波形

為分析差流的波形特性，對其作傅立葉分析得到基波幅值變化和二次諧波比值變化波形分別如圖4和圖5所示：

圖4 基波幅值變化波形endprint

圖5 二次諧波與基波的幅百分比變化波形

在變壓器差動保護中，二次諧波制動的門檻值一般設(shè)為基波的15%，一般情況下，故障電流中二次諧波含量不會達到這個門檻值，但勵磁涌流中的二次諧波的含量較大，超過了15%，因此，當(dāng)二次諧波與基波比值超過這個門檻值時二次諧波制動判據(jù)會使差動保護閉鎖，保護拒動。在本算例中，由圖4和圖5可以看出，當(dāng)故障發(fā)生后，基波幅值顯著增大，但二次諧波與基波的百分比也穩(wěn)定超過了二次諧波制動的門檻值（15%），從而使二次諧波誤制動，保護拒動。

3 換流變空載合閘差動保護誤動分析

變壓器鐵芯中的磁通是不能突變的，因此，在變壓器空載合閘時，可能會發(fā)生鐵芯飽和現(xiàn)象，使得勵磁阻抗顯著變小，從而產(chǎn)生勵磁涌流，與正常工作時的電流相比，勵磁涌流的幅值很大，可達到前者的十幾倍，從而引起差動保護的誤動作，但勵磁涌流中二次諧波含量也很大，因此，通常采用二次諧波制動的方法來克服涌流對差動保護的影響。但在高壓直流系統(tǒng)中由于交流側(cè)和直流側(cè)的濾波器作用，涌流波形會發(fā)生一定的變化，二次諧波含量可能會減少，因此發(fā)生誤動的可能性更大。現(xiàn)通過仿真來分析換流變壓器空載合閘時差動保護誤動的原因。跳開直流線路上的斷路器使其空載，在一次側(cè)加入直流電源來模擬剩磁的情形，然后再閉合換流變高壓側(cè)交流線上的斷路器。合閘角與剩磁情況不同，涌流波形的特性就可能不同，合閘角可通過不在不同時刻合閘來控制，剩磁大小可通過控制加入的直流電源模擬，本文針對不同合閘時刻和剩磁大小做了大量的仿真，限于篇幅，這里僅列舉一例來分析說明二次諧波制動判據(jù)換流變差動空載合閘時存在著失效的可能。

仿真時長為1.2s，合閘時刻為0.14s，換流變壓器A相鐵芯剩磁為0.6p.u.，B相剩磁為0，C相剩磁為-0.6p.u.。空載合閘時，二次側(cè)電流幾乎為0，因此換流變兩側(cè)合成的差流波形即為一次側(cè)波形，如圖6所示：

圖6 空載合閘時換流變?nèi)嗖盍鞑ㄐ?/p>

利用傅立葉算法對各相差流進行分解得到各相差流基波幅值及二次諧波百分比分別如圖7、圖8和圖9所示，由圖可知，在變壓器空載合閘后，三相差流基波穩(wěn)態(tài)值迅速門檻整定在0.25以上，并維持穩(wěn)定，此時差動保護就有可能發(fā)生誤動。

圖7 換流變空載合閘A相保護

圖8 換流變空載合閘B相保護

圖9 換流變空載合閘C相保護

利用傅立葉算法的結(jié)果分析三相差流中的二次諧波與基波的百分比值，由圖可知，若換流變壓器差動保護動作門檻整定為0.25，二次諧波制動比整定為15%，則三相差動保護都將誤動作。由此可以畫出換流變壓器三相差動保護的跳閘信號輸出如圖7、圖8、圖9所示。顯然，換流變壓器差動保護在空載合閘后三相都會發(fā)生誤動，各相的二次諧波制動判據(jù)也會失效，即使采取一相制動三相的方案，換流變差動保護也會發(fā)生誤動作。

4 結(jié)語

本文在PSCAD/EMTDC軟件中建立了CIGRE的HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)I的仿真模型，對換流變壓器在不同時刻二次側(cè)各類出口故障和不同時刻的空載合閘情況進行了大量仿真，通過分析換流變壓器兩側(cè)的差流波形暫態(tài)特征來研究采用二次諧波制動的變壓器差動保護在高壓直流系統(tǒng)中發(fā)生誤動和拒動的原因。通過分析可知，由于換流變壓器受諧波和鐵芯飽和的影響較普通電力變壓器的影響大，采用二次諧波制動判據(jù)的HVDC系統(tǒng)換流變差動保護存在著很大的局限性，在換流變壓器出口處發(fā)生不對稱短路故障時差動保護由于二次諧波誤制動而拒動，而在系統(tǒng)空載合閘時，差動保護又有可能發(fā)生誤動，會對整個直流輸電乃至整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成很大的影響。為了克服勵磁涌流下的影響，需要尋找其他不受諧波和鐵芯飽和的判據(jù)來區(qū)分故障電流和勵磁涌流。

參考文獻

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電

力出版社，2004.

[2] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用[M].北

京：中國電力出版社，2002.

[3] 張杰，羅隆福，R.K.Aggarwal，李勇，劉福生.新

型換流變壓器保護方案設(shè)計[J].電力系統(tǒng)及其自動化

學(xué)報，2010，（6）.

[4] 朱韜析，夏擁，何杰，郭衛(wèi)明.逆變側(cè)換流變壓器

閥側(cè)接地故障特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，

（1）.

[5] 肖燕彩，文繼鋒，袁源，等.超高壓直流系統(tǒng)中換流

變壓器保護[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（9）.

[6] 翁漢琍.復(fù)雜電磁暫態(tài)下變壓器差動保護異常動作行

為分析及對策研究[D].華中科技大學(xué)，2009.

作者簡介：代景龍（1981—），男（回族），吉林長春人，江蘇省電力公司盱眙縣供電公司工程師（中級），碩士，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)基建項目管理及電網(wǎng)技術(shù)改造施工管理、電網(wǎng)設(shè)備安全管理。endprint

圖5 二次諧波與基波的幅百分比變化波形

在變壓器差動保護中，二次諧波制動的門檻值一般設(shè)為基波的15%，一般情況下，故障電流中二次諧波含量不會達到這個門檻值，但勵磁涌流中的二次諧波的含量較大，超過了15%，因此，當(dāng)二次諧波與基波比值超過這個門檻值時二次諧波制動判據(jù)會使差動保護閉鎖，保護拒動。在本算例中，由圖4和圖5可以看出，當(dāng)故障發(fā)生后，基波幅值顯著增大，但二次諧波與基波的百分比也穩(wěn)定超過了二次諧波制動的門檻值（15%），從而使二次諧波誤制動，保護拒動。

3 換流變空載合閘差動保護誤動分析

變壓器鐵芯中的磁通是不能突變的，因此，在變壓器空載合閘時，可能會發(fā)生鐵芯飽和現(xiàn)象，使得勵磁阻抗顯著變小，從而產(chǎn)生勵磁涌流，與正常工作時的電流相比，勵磁涌流的幅值很大，可達到前者的十幾倍，從而引起差動保護的誤動作，但勵磁涌流中二次諧波含量也很大，因此，通常采用二次諧波制動的方法來克服涌流對差動保護的影響。但在高壓直流系統(tǒng)中由于交流側(cè)和直流側(cè)的濾波器作用，涌流波形會發(fā)生一定的變化，二次諧波含量可能會減少，因此發(fā)生誤動的可能性更大。現(xiàn)通過仿真來分析換流變壓器空載合閘時差動保護誤動的原因。跳開直流線路上的斷路器使其空載，在一次側(cè)加入直流電源來模擬剩磁的情形，然后再閉合換流變高壓側(cè)交流線上的斷路器。合閘角與剩磁情況不同，涌流波形的特性就可能不同，合閘角可通過不在不同時刻合閘來控制，剩磁大小可通過控制加入的直流電源模擬，本文針對不同合閘時刻和剩磁大小做了大量的仿真，限于篇幅，這里僅列舉一例來分析說明二次諧波制動判據(jù)換流變差動空載合閘時存在著失效的可能。

仿真時長為1.2s，合閘時刻為0.14s，換流變壓器A相鐵芯剩磁為0.6p.u.，B相剩磁為0，C相剩磁為-0.6p.u.。空載合閘時，二次側(cè)電流幾乎為0，因此換流變兩側(cè)合成的差流波形即為一次側(cè)波形，如圖6所示：

圖6 空載合閘時換流變?nèi)嗖盍鞑ㄐ?/p>

利用傅立葉算法對各相差流進行分解得到各相差流基波幅值及二次諧波百分比分別如圖7、圖8和圖9所示，由圖可知，在變壓器空載合閘后，三相差流基波穩(wěn)態(tài)值迅速門檻整定在0.25以上，并維持穩(wěn)定，此時差動保護就有可能發(fā)生誤動。

圖7 換流變空載合閘A相保護

圖8 換流變空載合閘B相保護

圖9 換流變空載合閘C相保護

利用傅立葉算法的結(jié)果分析三相差流中的二次諧波與基波的百分比值，由圖可知，若換流變壓器差動保護動作門檻整定為0.25，二次諧波制動比整定為15%，則三相差動保護都將誤動作。由此可以畫出換流變壓器三相差動保護的跳閘信號輸出如圖7、圖8、圖9所示。顯然，換流變壓器差動保護在空載合閘后三相都會發(fā)生誤動，各相的二次諧波制動判據(jù)也會失效，即使采取一相制動三相的方案，換流變差動保護也會發(fā)生誤動作。

4 結(jié)語

本文在PSCAD/EMTDC軟件中建立了CIGRE的HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)I的仿真模型，對換流變壓器在不同時刻二次側(cè)各類出口故障和不同時刻的空載合閘情況進行了大量仿真，通過分析換流變壓器兩側(cè)的差流波形暫態(tài)特征來研究采用二次諧波制動的變壓器差動保護在高壓直流系統(tǒng)中發(fā)生誤動和拒動的原因。通過分析可知，由于換流變壓器受諧波和鐵芯飽和的影響較普通電力變壓器的影響大，采用二次諧波制動判據(jù)的HVDC系統(tǒng)換流變差動保護存在著很大的局限性，在換流變壓器出口處發(fā)生不對稱短路故障時差動保護由于二次諧波誤制動而拒動，而在系統(tǒng)空載合閘時，差動保護又有可能發(fā)生誤動，會對整個直流輸電乃至整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成很大的影響。為了克服勵磁涌流下的影響，需要尋找其他不受諧波和鐵芯飽和的判據(jù)來區(qū)分故障電流和勵磁涌流。

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閥側(cè)接地故障特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，

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[6] 翁漢琍.復(fù)雜電磁暫態(tài)下變壓器差動保護異常動作行

為分析及對策研究[D].華中科技大學(xué)，2009.

作者簡介：代景龍（1981—），男（回族），吉林長春人，江蘇省電力公司盱眙縣供電公司工程師（中級），碩士，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)基建項目管理及電網(wǎng)技術(shù)改造施工管理、電網(wǎng)設(shè)備安全管理。endprint

圖5 二次諧波與基波的幅百分比變化波形

在變壓器差動保護中，二次諧波制動的門檻值一般設(shè)為基波的15%，一般情況下，故障電流中二次諧波含量不會達到這個門檻值，但勵磁涌流中的二次諧波的含量較大，超過了15%，因此，當(dāng)二次諧波與基波比值超過這個門檻值時二次諧波制動判據(jù)會使差動保護閉鎖，保護拒動。在本算例中，由圖4和圖5可以看出，當(dāng)故障發(fā)生后，基波幅值顯著增大，但二次諧波與基波的百分比也穩(wěn)定超過了二次諧波制動的門檻值（15%），從而使二次諧波誤制動，保護拒動。

3 換流變空載合閘差動保護誤動分析

變壓器鐵芯中的磁通是不能突變的，因此，在變壓器空載合閘時，可能會發(fā)生鐵芯飽和現(xiàn)象，使得勵磁阻抗顯著變小，從而產(chǎn)生勵磁涌流，與正常工作時的電流相比，勵磁涌流的幅值很大，可達到前者的十幾倍，從而引起差動保護的誤動作，但勵磁涌流中二次諧波含量也很大，因此，通常采用二次諧波制動的方法來克服涌流對差動保護的影響。但在高壓直流系統(tǒng)中由于交流側(cè)和直流側(cè)的濾波器作用，涌流波形會發(fā)生一定的變化，二次諧波含量可能會減少，因此發(fā)生誤動的可能性更大。現(xiàn)通過仿真來分析換流變壓器空載合閘時差動保護誤動的原因。跳開直流線路上的斷路器使其空載，在一次側(cè)加入直流電源來模擬剩磁的情形，然后再閉合換流變高壓側(cè)交流線上的斷路器。合閘角與剩磁情況不同，涌流波形的特性就可能不同，合閘角可通過不在不同時刻合閘來控制，剩磁大小可通過控制加入的直流電源模擬，本文針對不同合閘時刻和剩磁大小做了大量的仿真，限于篇幅，這里僅列舉一例來分析說明二次諧波制動判據(jù)換流變差動空載合閘時存在著失效的可能。

仿真時長為1.2s，合閘時刻為0.14s，換流變壓器A相鐵芯剩磁為0.6p.u.，B相剩磁為0，C相剩磁為-0.6p.u.。空載合閘時，二次側(cè)電流幾乎為0，因此換流變兩側(cè)合成的差流波形即為一次側(cè)波形，如圖6所示：

圖6 空載合閘時換流變?nèi)嗖盍鞑ㄐ?/p>

利用傅立葉算法對各相差流進行分解得到各相差流基波幅值及二次諧波百分比分別如圖7、圖8和圖9所示，由圖可知，在變壓器空載合閘后，三相差流基波穩(wěn)態(tài)值迅速門檻整定在0.25以上，并維持穩(wěn)定，此時差動保護就有可能發(fā)生誤動。

圖7 換流變空載合閘A相保護

圖8 換流變空載合閘B相保護

圖9 換流變空載合閘C相保護

利用傅立葉算法的結(jié)果分析三相差流中的二次諧波與基波的百分比值，由圖可知，若換流變壓器差動保護動作門檻整定為0.25，二次諧波制動比整定為15%，則三相差動保護都將誤動作。由此可以畫出換流變壓器三相差動保護的跳閘信號輸出如圖7、圖8、圖9所示。顯然，換流變壓器差動保護在空載合閘后三相都會發(fā)生誤動，各相的二次諧波制動判據(jù)也會失效，即使采取一相制動三相的方案，換流變差動保護也會發(fā)生誤動作。

4 結(jié)語

本文在PSCAD/EMTDC軟件中建立了CIGRE的HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)I的仿真模型，對換流變壓器在不同時刻二次側(cè)各類出口故障和不同時刻的空載合閘情況進行了大量仿真，通過分析換流變壓器兩側(cè)的差流波形暫態(tài)特征來研究采用二次諧波制動的變壓器差動保護在高壓直流系統(tǒng)中發(fā)生誤動和拒動的原因。通過分析可知，由于換流變壓器受諧波和鐵芯飽和的影響較普通電力變壓器的影響大，采用二次諧波制動判據(jù)的HVDC系統(tǒng)換流變差動保護存在著很大的局限性，在換流變壓器出口處發(fā)生不對稱短路故障時差動保護由于二次諧波誤制動而拒動，而在系統(tǒng)空載合閘時，差動保護又有可能發(fā)生誤動，會對整個直流輸電乃至整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成很大的影響。為了克服勵磁涌流下的影響，需要尋找其他不受諧波和鐵芯飽和的判據(jù)來區(qū)分故障電流和勵磁涌流。

參考文獻

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型換流變壓器保護方案設(shè)計[J].電力系統(tǒng)及其自動化

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[4] 朱韜析，夏擁，何杰，郭衛(wèi)明.逆變側(cè)換流變壓器

閥側(cè)接地故障特性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，

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變壓器保護[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（9）.

[6] 翁漢琍.復(fù)雜電磁暫態(tài)下變壓器差動保護異常動作行

為分析及對策研究[D].華中科技大學(xué)，2009.

作者簡介：代景龍（1981—），男（回族），吉林長春人，江蘇省電力公司盱眙縣供電公司工程師（中級），碩士，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)基建項目管理及電網(wǎng)技術(shù)改造施工管理、電網(wǎng)設(shè)備安全管理。endprint