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摘要:利用用户用电信息采集系统平台已采集的大量台区、用户用电数据,分类统计管理低压台区线损,现场运维人员下装线损异常工单至手持终端,手持终端与若干分支节点组成为微功率无线网,分支逐级核算线损电量,快速定位异常线损点,综合分析高损耗低压台区的线损分布情况,实现供电企业降损节能目标。
关键词:大数据;智能计算;微功率无线;低压台区;线损;GPRS;工单闭环处理;
Research on Intelligent Fault Diagnosis System Based on low power wireless ad hoc network
ABSTRACT:Classified counting and managing the line loss of low-voltage gridsbased onmass data of power distribution area and users’ consumption electricity which have been collected by the power user electric energy data acquisition system platform.Operational staffs on site can download the abnormal work lists to the hand-hold terminal which can be integrated with some branch nodes into the micro-power wireless network. This micro-power wireless network will check the gradual stage of line loss about electric energy,locate the abnormal line loss points rapidly and make comprehensive analysis about the distribution of line loss of low-voltage grids which are of high power consumption,with an aim to achieve the loss reduction and energy saving of the enterprises
KEY WORDS:Big Data;Intelligent computing;Micro-power Wireless;Low-voltage grids;Line Loss;GPRS;
1 引言
為响应国网总部建设"世界一流电网"号召,电力公司对照国网总部建设"世界一流电网"指标目标矩阵,查找不足,通过节能优化调度,降低配电环节损耗,提出建设高效、优质的智能配电网,进一步提高电力公司电力电网建设水平、运营管理水平。
智能台区是智能电网的重要组成部分,低压台区线损智能诊断装置采用远传的方式下装、处理及上装线损异常工单,实现闭环管理。利用微功率无线自组网方式将分支节点分支/台户识别、分支计量(移动电表)等设备信息数据自动采集,逐层逐级核算分支线损电量、线损率,快速定位低压台区异常线损点,将线损异常定位结果通过GPRS公网上传至用户用电信息采集系统主站平台。目前的低压台区线损诊断仅能初步进行主站分类、数据查看等简单的数据信息处理,不能实时的、动态的、系统的对辖区各分支线路进行监测和预测未来负荷电量波动情况,不能满足当前客户对供电质量诉求,进一步提高客户满意度。因此,系统化研究低压台区高损耗异常台区及用电负荷异常监测算法模型,分析、定位用电异常点,降低高耗损台区线损率,提高供电质量及辖区线损治理水平,具有重要的理论和实际意义。
2 系统主要结构与功能
低压台区线损在业务上主要分为结算线损和实时线损。结算线损,即营销系统根据台区关口月冻结电量、居民月结算电量(月冻结电量)统计计算得来。实时线损,即用户用电信息采集系统根据每天台区关口、居民日冻结电量数据统计计算而来,考虑抄表不到位、是否全覆盖等情况,根据用户表参与率计算出折算线损率,实时线损增大了线损分析的频度,提高了线损统计分析的实时性、准确性。
低压台区线损智能诊断系统主要为手持终端、多功能线损分析仪及用采主站等业务管理系统三个部分构成。手持终端作为现场台区线损诊断信息处理中心,选择待分析线损异常工单,通过无线自组网采集分支相位识别结果,自动绘制台区拓扑关系图,根据台区拓扑关系图采集分支冻结电量等业务数据,核算分支线损电量、线损率,排查异常分支节点。系统结构图如图-1所示。多功能线损分析仪完成台户、分支相位识别功能,为台区拓扑关系的绘制提供准确的相位信息。移动电表提供各分支节点电能计量功能,周期冻结(分钟)分支电能量、需量等业务数据,通过无线网络将15分钟分支电量数据传输给手持终端。用采主站分类统计线损异常清单,分派线损异常工单到运维人员的手持终端中,手持终端处理工单,将工单处理结果通过GPRS远传至用采主站。
3 系统设计与实现
本系统研究对象为电网“四分线损”中低压台区及下辖分支线路、终端用户的用电行为及电量损耗情况分析。主要研究内容为梳理档案关系资料、厘清台区户变/分支关系、现场电能计量比对、线路漏电、窃电及互感器变比核定,采用“自上而下”逐级分层分段分析、定位线损分布情况。
3.1多功能线损分析仪系统
3.1.1梳理档案关系资料
电力营销管理系统与用户用电信息采集系统、配电PMIS系统等系统中用户信息、计量表计、分支箱、开闭所、采集设备等电网节点档案维护、动态同步的管理保持档案关系的一致、清晰、准确非常重要。 3.1.2厘清台区户变/分支关系
通过低压采集设备用户所属相位(分支线)属性、具备台区/分支识别功能的移动线损分析仪等工具手段绘制准确可靠的台区拓扑关系图,上报给专用线损云分析平台。
多功能线损分析仪具有以下特点:
(1)采用工频电流调制技术实现电压畸变
由于变压器漏感的存在,变压器低压侧任何瞬时的相电流突变,都会引起对应相的相电压畸变。利用上述原理,在变压器低压侧的相线与中性点之间,电压过零点附近接入一微秒级负载,瞬时负载电流就会产生电压畸变,此畸变信号是实现户变关系识别、双向通信的基础。由于我国电力系统的中压侧采用的是小电流接地或不接地系统,所以该电压畸变不会通过变压器耦合到其他变压器的低压侧,可有效解决测试信号串台区问题。
图2为基于配电网络的双向工频通信系统的典型结构示意图。TMACS 以中低压(10 kV/220 V)配电线路为通信信号的载体,在电压过零点附近把信号叠加在基波电压或电流(50 Hz)上。具体的工作过程是在10kV 母线电压接近过零点处由调制变压器220V 侧的硅整流器件调制出一瞬时电流脉冲,产生一微弱的电压畸变信号并叠加在10 kV电压上。此畸变电压信号可自动跨过用户配电变压器,为用户端接收。该电压信号被称为下行信号或出站信号。配电变压器220 V 侧用户端的硅整流器件在电压过零点附近可类似地调制出电流信号,并可以在10kV 支线电流中检测到。此电流信号被称为上行信号或入站信号。
(2)采用DB4小波变换算法实现对畸变电压的识别
小波变换(wavelet transform,WT),是在克服傅立叶变换缺陷的基础上发展而来的,它在时域和频域均具有很好的局部化特征,它能够提供目标信号各个频率子段的幅频信息。产品核心算法采用基于DB4(Daubechies)小波基,结合畸变信号的相位、时序、幅值特性、频率特性等,与传统算法相比具有更高、更可靠的特征信号识别率。
小波变化定义函数称为基本小波,如果它满足以下的“允许”条件:
选定一个小波基函数(实验采用的是DB4函数),基于离散小波变换的原理,对接收到的信号U(t)的时间变量t离散化,得到离散序列U(k),再用滤波器组对U(k)进行处理。进行多次小波分解后,畸变有效信号均包含在高频分量中,可以采用门限阈值等形式对小波系数进行处理,从而得到有效的畸变信息。图3至图5为通过Matlab对工频畸变波形进行小波变换的结果展示图。
3.1.3现场电能计量比对
根据用户用电信息采集系统中线损分析专用模块筛选出异常用电用户(如疑似非风光互补用户产生反向有功电能示值、电表停走、飞走等异常)、多功能线损分析仪现场分析排查用电异常用户等异常来源,对现场用户计量同步对比计量,查看一段时间内用电电量曲线对比。
3.1.4互感器变比核定
通过高精度钳形电流装置对变压器一次侧、二次侧电流检测,核定现场CT等互感器标定与实际是否相符,如不符通知配电PMIS系统更改档案或CT更换。
3.1.5错接线
通过技术手段实现甄别单相、三相电能表电压、电流出现反接线、相序异常等异常情况。
3.2通信系统设计
3.2.1分支节点采用无线自组网数据通信
微功率无线自组网实现台区关口、分支节点、终端居民用户间信息通信,提高现场线损诊断灵活性,简便易于部署。无线自组网络图如图6所示。
通过无线自组网可实现功能:
1)多功能线损分析仪识别台户、分支所属关系。
2)手持终端与移动电表采用自组网小无线通信。
3)手持终端根据台区拓扑关系采集移动电表15分钟(周期)冻结电量等业务数据。
4)手持终端采集多功能线损分析仪中识别结果、CT变比核定结果、错接线排查结果。
5)手持终端自动核算分支线损电量、线损率,逐层逐级定位异常线损点。
3.2.2采用电力线双向通信技术进行通信
双向工频通信技术TWACS(Two Way Automatic Communication System),其基本原理是在工频电压过零区域加入调制信号,利用这一调制的电压或电流波形来携带信息。TWACS技术一般用于电力系统的中压侧与低压侧之间,中压侧采用电压调制方式做为下行通信信号,并配有调制变压器;低压侧采用电流调制方式做为上行通信信号。TWACS技术具有传输距离长、通信可靠等特點,但更适合欧美国家电流接地系统。本产品采用的电力线双向通信技术,是基于TWACS技术并对其进行改进,具备以下特点:
上、下行通信全部采用电流调制方式,省去调制变压器使该技术更简单、实用;
适合在小电流接地和不接地系统,适合在低压侧使用;
解决了其他电力通信技术、检测技术的串台区(台片)、串相问题;
严格的时序、相位控制,结合小波算法,使得通信更加稳定、可靠。
3.3用户用电信息采集系统
用户用电信息采集系统负责供电区域内用户用电信息全覆盖、全采集的综合采集管理平台,根据低压关口、居民、工矿企业、商业等终端用户每日、月冻结电量数据,计算分台PMS的综合线损率,分类统计线损异常类型。
线损率计算公式为:线损率=(输入电量-供出电量)/供入电量*100。
针对低压台区线损输入电量为台区关口考核电量,供出电量为台区下辖全部居民、工商业用户用电量之和。
该系统遵循"主站分类、现场定位"的设计原则。主站根据采集数据进行线损问题的分类,定性定量统计PMS台区线损率,区别处理合格线损、不合格线损及线损波动等不同情况,现场针对这些不同类型的问题进行现场线损问题定位分析。 低压台区线损在业务上主要分为结算线损和实时线损。结算线损是指营销系统根据台区关口月冻结电量、居民月结算电量(月冻结电量)统计计算得来。实时线损是指用户用电信息采集系统根据每天台区关口、居民日冻结电量数据统计计算而来,考虑抄表不到位、是否全覆盖等情况,根据用户表参与率计算出折算线损率,实时线损增大了线损分析的频度,提高了线损统计分析的實时性、准确性。
采用实时线损作为线损异常分析、分类、现场定位的数据来源,可更精确、快速地定位到线损异常问题点。
用户用电信息采集系统线损分析子模块根据台区关口、居民最近10日日冻结电能数据,统计最近10天台区实时线损率,分类统计线损异常类型,线损异常类型主要有户变关系、现场电能计量误差、CT与现场实际不符、错接线、窃电、线路漏电以及供电线路三相不平衡、抄表是否到位(采集抄表成功率<100%)、临时紧急用电电量未计入、临时追补性电量及囤积电量计入等。
4 结语
该系统产品现已应用于多个地区,2013年到2015年间帮助用户将线损率下降约1.37个百分点,大幅度提高用户资料的准确度,为国家减少损失。当前全国多省市正在开展用电信息采集线损分析与治理工作,市场前景广阔。该系统产品实施过程中还将带动相关产业的发展,如电子元器件、电子材料、计算机等行业和服务业。
参考文献:
[1]高静怀,汪文秉,朱光明. 小波变换与信号瞬时特征分析[J]. 地球物理学报,1997,40(6):821-832.
[2]王兵. 基于小波分析的提取信号瞬时特征的研究[D]. 武汉大学,2003.
[3]周世炜,张绍卿,洪文学. 一种基于电力配电网络的双向工频通信技术[J]. 电子技术,1999,22(8):25-28.
[4]鄢素云,王毅. 双向工频通信中的信号传输特性分析[J]. 北京交通大学学报,2005,29(5):103-106.
[5]马文静,孙凤杰,高波,等. 融合工频通信的电力线载波路径搜索算法[J]. 电力系统自动化,2017(3):141-146.
[6]吴强,谈健. 省级公司“世界一流电网”建设评价体系构建及实践应用[J]. 企业管理,2016(S2):350-351.
[7]程洪瑾. “标准化”:建设世界一流电网的新起点——访国家电网公司副总经理郑宝森[J]. 国家电网,2007(5):24-26.
[8]杨勇波. 超低功耗微功率无线自组网设计[J]. 电气应用,2014(21):150-153.
[9]谭新. 微功率无线自组网低压集中抄表终端设计研究[D]. 华北电力大学,2012.
[10]李音,王哲. 三相三线电能计量装置错误接线的简化分析[J]. 电测与仪表,2006,43(3):24-26.
关键词:大数据;智能计算;微功率无线;低压台区;线损;GPRS;工单闭环处理;
Research on Intelligent Fault Diagnosis System Based on low power wireless ad hoc network
ABSTRACT:Classified counting and managing the line loss of low-voltage gridsbased onmass data of power distribution area and users’ consumption electricity which have been collected by the power user electric energy data acquisition system platform.Operational staffs on site can download the abnormal work lists to the hand-hold terminal which can be integrated with some branch nodes into the micro-power wireless network. This micro-power wireless network will check the gradual stage of line loss about electric energy,locate the abnormal line loss points rapidly and make comprehensive analysis about the distribution of line loss of low-voltage grids which are of high power consumption,with an aim to achieve the loss reduction and energy saving of the enterprises
KEY WORDS:Big Data;Intelligent computing;Micro-power Wireless;Low-voltage grids;Line Loss;GPRS;
1 引言
為响应国网总部建设"世界一流电网"号召,电力公司对照国网总部建设"世界一流电网"指标目标矩阵,查找不足,通过节能优化调度,降低配电环节损耗,提出建设高效、优质的智能配电网,进一步提高电力公司电力电网建设水平、运营管理水平。
智能台区是智能电网的重要组成部分,低压台区线损智能诊断装置采用远传的方式下装、处理及上装线损异常工单,实现闭环管理。利用微功率无线自组网方式将分支节点分支/台户识别、分支计量(移动电表)等设备信息数据自动采集,逐层逐级核算分支线损电量、线损率,快速定位低压台区异常线损点,将线损异常定位结果通过GPRS公网上传至用户用电信息采集系统主站平台。目前的低压台区线损诊断仅能初步进行主站分类、数据查看等简单的数据信息处理,不能实时的、动态的、系统的对辖区各分支线路进行监测和预测未来负荷电量波动情况,不能满足当前客户对供电质量诉求,进一步提高客户满意度。因此,系统化研究低压台区高损耗异常台区及用电负荷异常监测算法模型,分析、定位用电异常点,降低高耗损台区线损率,提高供电质量及辖区线损治理水平,具有重要的理论和实际意义。
2 系统主要结构与功能
低压台区线损在业务上主要分为结算线损和实时线损。结算线损,即营销系统根据台区关口月冻结电量、居民月结算电量(月冻结电量)统计计算得来。实时线损,即用户用电信息采集系统根据每天台区关口、居民日冻结电量数据统计计算而来,考虑抄表不到位、是否全覆盖等情况,根据用户表参与率计算出折算线损率,实时线损增大了线损分析的频度,提高了线损统计分析的实时性、准确性。
低压台区线损智能诊断系统主要为手持终端、多功能线损分析仪及用采主站等业务管理系统三个部分构成。手持终端作为现场台区线损诊断信息处理中心,选择待分析线损异常工单,通过无线自组网采集分支相位识别结果,自动绘制台区拓扑关系图,根据台区拓扑关系图采集分支冻结电量等业务数据,核算分支线损电量、线损率,排查异常分支节点。系统结构图如图-1所示。多功能线损分析仪完成台户、分支相位识别功能,为台区拓扑关系的绘制提供准确的相位信息。移动电表提供各分支节点电能计量功能,周期冻结(分钟)分支电能量、需量等业务数据,通过无线网络将15分钟分支电量数据传输给手持终端。用采主站分类统计线损异常清单,分派线损异常工单到运维人员的手持终端中,手持终端处理工单,将工单处理结果通过GPRS远传至用采主站。
3 系统设计与实现
本系统研究对象为电网“四分线损”中低压台区及下辖分支线路、终端用户的用电行为及电量损耗情况分析。主要研究内容为梳理档案关系资料、厘清台区户变/分支关系、现场电能计量比对、线路漏电、窃电及互感器变比核定,采用“自上而下”逐级分层分段分析、定位线损分布情况。
3.1多功能线损分析仪系统
3.1.1梳理档案关系资料
电力营销管理系统与用户用电信息采集系统、配电PMIS系统等系统中用户信息、计量表计、分支箱、开闭所、采集设备等电网节点档案维护、动态同步的管理保持档案关系的一致、清晰、准确非常重要。 3.1.2厘清台区户变/分支关系
通过低压采集设备用户所属相位(分支线)属性、具备台区/分支识别功能的移动线损分析仪等工具手段绘制准确可靠的台区拓扑关系图,上报给专用线损云分析平台。
多功能线损分析仪具有以下特点:
(1)采用工频电流调制技术实现电压畸变
由于变压器漏感的存在,变压器低压侧任何瞬时的相电流突变,都会引起对应相的相电压畸变。利用上述原理,在变压器低压侧的相线与中性点之间,电压过零点附近接入一微秒级负载,瞬时负载电流就会产生电压畸变,此畸变信号是实现户变关系识别、双向通信的基础。由于我国电力系统的中压侧采用的是小电流接地或不接地系统,所以该电压畸变不会通过变压器耦合到其他变压器的低压侧,可有效解决测试信号串台区问题。
图2为基于配电网络的双向工频通信系统的典型结构示意图。TMACS 以中低压(10 kV/220 V)配电线路为通信信号的载体,在电压过零点附近把信号叠加在基波电压或电流(50 Hz)上。具体的工作过程是在10kV 母线电压接近过零点处由调制变压器220V 侧的硅整流器件调制出一瞬时电流脉冲,产生一微弱的电压畸变信号并叠加在10 kV电压上。此畸变电压信号可自动跨过用户配电变压器,为用户端接收。该电压信号被称为下行信号或出站信号。配电变压器220 V 侧用户端的硅整流器件在电压过零点附近可类似地调制出电流信号,并可以在10kV 支线电流中检测到。此电流信号被称为上行信号或入站信号。
(2)采用DB4小波变换算法实现对畸变电压的识别
小波变换(wavelet transform,WT),是在克服傅立叶变换缺陷的基础上发展而来的,它在时域和频域均具有很好的局部化特征,它能够提供目标信号各个频率子段的幅频信息。产品核心算法采用基于DB4(Daubechies)小波基,结合畸变信号的相位、时序、幅值特性、频率特性等,与传统算法相比具有更高、更可靠的特征信号识别率。
小波变化定义函数称为基本小波,如果它满足以下的“允许”条件:
选定一个小波基函数(实验采用的是DB4函数),基于离散小波变换的原理,对接收到的信号U(t)的时间变量t离散化,得到离散序列U(k),再用滤波器组对U(k)进行处理。进行多次小波分解后,畸变有效信号均包含在高频分量中,可以采用门限阈值等形式对小波系数进行处理,从而得到有效的畸变信息。图3至图5为通过Matlab对工频畸变波形进行小波变换的结果展示图。
3.1.3现场电能计量比对
根据用户用电信息采集系统中线损分析专用模块筛选出异常用电用户(如疑似非风光互补用户产生反向有功电能示值、电表停走、飞走等异常)、多功能线损分析仪现场分析排查用电异常用户等异常来源,对现场用户计量同步对比计量,查看一段时间内用电电量曲线对比。
3.1.4互感器变比核定
通过高精度钳形电流装置对变压器一次侧、二次侧电流检测,核定现场CT等互感器标定与实际是否相符,如不符通知配电PMIS系统更改档案或CT更换。
3.1.5错接线
通过技术手段实现甄别单相、三相电能表电压、电流出现反接线、相序异常等异常情况。
3.2通信系统设计
3.2.1分支节点采用无线自组网数据通信
微功率无线自组网实现台区关口、分支节点、终端居民用户间信息通信,提高现场线损诊断灵活性,简便易于部署。无线自组网络图如图6所示。
通过无线自组网可实现功能:
1)多功能线损分析仪识别台户、分支所属关系。
2)手持终端与移动电表采用自组网小无线通信。
3)手持终端根据台区拓扑关系采集移动电表15分钟(周期)冻结电量等业务数据。
4)手持终端采集多功能线损分析仪中识别结果、CT变比核定结果、错接线排查结果。
5)手持终端自动核算分支线损电量、线损率,逐层逐级定位异常线损点。
3.2.2采用电力线双向通信技术进行通信
双向工频通信技术TWACS(Two Way Automatic Communication System),其基本原理是在工频电压过零区域加入调制信号,利用这一调制的电压或电流波形来携带信息。TWACS技术一般用于电力系统的中压侧与低压侧之间,中压侧采用电压调制方式做为下行通信信号,并配有调制变压器;低压侧采用电流调制方式做为上行通信信号。TWACS技术具有传输距离长、通信可靠等特點,但更适合欧美国家电流接地系统。本产品采用的电力线双向通信技术,是基于TWACS技术并对其进行改进,具备以下特点:
上、下行通信全部采用电流调制方式,省去调制变压器使该技术更简单、实用;
适合在小电流接地和不接地系统,适合在低压侧使用;
解决了其他电力通信技术、检测技术的串台区(台片)、串相问题;
严格的时序、相位控制,结合小波算法,使得通信更加稳定、可靠。
3.3用户用电信息采集系统
用户用电信息采集系统负责供电区域内用户用电信息全覆盖、全采集的综合采集管理平台,根据低压关口、居民、工矿企业、商业等终端用户每日、月冻结电量数据,计算分台PMS的综合线损率,分类统计线损异常类型。
线损率计算公式为:线损率=(输入电量-供出电量)/供入电量*100。
针对低压台区线损输入电量为台区关口考核电量,供出电量为台区下辖全部居民、工商业用户用电量之和。
该系统遵循"主站分类、现场定位"的设计原则。主站根据采集数据进行线损问题的分类,定性定量统计PMS台区线损率,区别处理合格线损、不合格线损及线损波动等不同情况,现场针对这些不同类型的问题进行现场线损问题定位分析。 低压台区线损在业务上主要分为结算线损和实时线损。结算线损是指营销系统根据台区关口月冻结电量、居民月结算电量(月冻结电量)统计计算得来。实时线损是指用户用电信息采集系统根据每天台区关口、居民日冻结电量数据统计计算而来,考虑抄表不到位、是否全覆盖等情况,根据用户表参与率计算出折算线损率,实时线损增大了线损分析的频度,提高了线损统计分析的實时性、准确性。
采用实时线损作为线损异常分析、分类、现场定位的数据来源,可更精确、快速地定位到线损异常问题点。
用户用电信息采集系统线损分析子模块根据台区关口、居民最近10日日冻结电能数据,统计最近10天台区实时线损率,分类统计线损异常类型,线损异常类型主要有户变关系、现场电能计量误差、CT与现场实际不符、错接线、窃电、线路漏电以及供电线路三相不平衡、抄表是否到位(采集抄表成功率<100%)、临时紧急用电电量未计入、临时追补性电量及囤积电量计入等。
4 结语
该系统产品现已应用于多个地区,2013年到2015年间帮助用户将线损率下降约1.37个百分点,大幅度提高用户资料的准确度,为国家减少损失。当前全国多省市正在开展用电信息采集线损分析与治理工作,市场前景广阔。该系统产品实施过程中还将带动相关产业的发展,如电子元器件、电子材料、计算机等行业和服务业。
参考文献:
[1]高静怀,汪文秉,朱光明. 小波变换与信号瞬时特征分析[J]. 地球物理学报,1997,40(6):821-832.
[2]王兵. 基于小波分析的提取信号瞬时特征的研究[D]. 武汉大学,2003.
[3]周世炜,张绍卿,洪文学. 一种基于电力配电网络的双向工频通信技术[J]. 电子技术,1999,22(8):25-28.
[4]鄢素云,王毅. 双向工频通信中的信号传输特性分析[J]. 北京交通大学学报,2005,29(5):103-106.
[5]马文静,孙凤杰,高波,等. 融合工频通信的电力线载波路径搜索算法[J]. 电力系统自动化,2017(3):141-146.
[6]吴强,谈健. 省级公司“世界一流电网”建设评价体系构建及实践应用[J]. 企业管理,2016(S2):350-351.
[7]程洪瑾. “标准化”:建设世界一流电网的新起点——访国家电网公司副总经理郑宝森[J]. 国家电网,2007(5):24-26.
[8]杨勇波. 超低功耗微功率无线自组网设计[J]. 电气应用,2014(21):150-153.
[9]谭新. 微功率无线自组网低压集中抄表终端设计研究[D]. 华北电力大学,2012.
[10]李音,王哲. 三相三线电能计量装置错误接线的简化分析[J]. 电测与仪表,2006,43(3):24-26.