最新刊期
      2024 年 第 卷 2 期

        综述

      • 宋文胜,张思慧,叶存昕,张志伟,邹宇超
        2024(2): 1-15. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.001
        摘要：随着我国轨道交通电力牵引系统的快速发展与技术成熟，其可靠性评估与智能化监控技术逐渐引起关注，数字孪生是基于数据与机器学习对实际物理系统的虚拟刻画技术，可以实现对实际物理系统的行为特征模拟与参数监测，因此将数字孪生技术引入轨道交通电力牵引系统领域，可为其数字化、智能化监控与运维提供发展思路与技术手段。文章首先对数字孪生技术目前在电力牵引系统中的应用现状进行了综述，进而列举了电力牵引系统数字孪生构建过程中所需的关键技术及其发展情况——在电力牵引系统领域，数字孪生及其相关技术仍在理论研究阶段，只有针对部分子系统的探索性研究，尚未形成完善的系统建模与智能监控体系；最后，文章展望了数字孪生技术在电力牵引系统领域的工程化实现前景，探讨了其投入工程应用可能会面临的内部技术问题与外部客观挑战，旨在为后续技术研究与实践提供参考。  
        关键词：数字孪生;电力牵引系统;系统建模;人工智能;数据处理   
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        发布时间：2024-08-02

        变流与控制

      • 蔡广瀚,杨帆,冯凌,胡亮,郑钢
        2024(2): 16-24. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.002
        摘要：针对永磁同步电机传统谐波注入方法抑制振动噪声过程中，注入谐波电流频率在奈奎斯特频率附近时存在的频率混叠问题，文章提出了一种基于同步策略的方波谐波注入振动噪声抑制优化方法。首先分析永磁同步电机噪声问题，并对传统谐波注入方法的抑制机理、控制标定以及频率混叠现象进行了介绍；其次阐述了同步策略优化方法的实现原理，即保持逆变器开关频率与注入方波谐波电流频率同步变化，实现谐波电流幅值提升与阶次固定；最后通过试验对比，同步策略优化方法能够有效地改善频率混叠现象，48阶噪声平均降低6.4 dB，96阶噪声平均降低5.6 dB，均优于传统谐波注入方法。  
        关键词：永磁同步电机;振动噪声;同步策略;方波谐波注入   
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      • 伊建辉,矫利业,田久东,王鹏,李梁京
        2024(2): 25-32. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.003
        摘要：为解决永磁牵引电机带速启动问题，文章提出了一种基于初速识别高频注入的带速启动技术，研究了脉振正弦波高频注入的技术原理及数学模型，对传统高频注入进行了改进使其适用于带速启动，并进行了仿真计算，同时给出了基于初速识别高频注入的永磁同步电机带速启动策略，设计试验对脉振正弦波高频注入技术以及带速启动策略进行了测试验证。研究得出脉振正弦波高频注入技术可以较高的精度跟踪转子实际位置和转速；基于高频注入的带速启动技术可以准确识别电机启动时的转速，并有效解决不同工况下的电机启动问题；试验验证了初速识别高频注入技术以及带速启动策略。  
        关键词：永磁同步电机;高频注入;带速启动;饱和凸极;极性辨识   
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      • 蒋威,李赵烊,殷振环,邱腾飞,王琛琛
        2024(2): 33-42. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.004
        摘要：使用三电平变流器拓扑结构，可有效降低单个开关器件所承受的电压等级，为碳化硅（SiC）器件在高压大功率牵引变流器领域的应用提供解决方案。文章根据牵引逆变器的应用需求，针对三电平二极管中点箝位（Neutral-Point-Clamped，NPC）型逆变器拓扑的电流谐波最小脉宽调制（Current harmonic minimum pulse width modulation，CHMPWM）策略开展了研究，通过求解不同开关角个数下开关角度随调制比的变化曲线，实现了三电平逆变器脉冲数较低情况下的电流谐波的总体优化，理论分析了CHMPWM不同开关角个数下的各次电流谐波和加权总谐波畸变（weighted total harmonic distortion，WTHD）特征，介绍了CHMPWM的脉冲产生方式及基于定子磁链偏差矢量的调制模式切换方法。最后，利用小功率试验平台对三电平逆变器CHMPWM及调制模式切换策略进行了试验研究，结果表明，三电平逆变器CHMPWM策略具有较好的动态和稳态性能，能满足牵引逆变器的技术应用需求。  
        关键词：三电平逆变器;脉宽调制;电流谐波最小;同步调制;调制切换   
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      • 张虎,柴英浩,张贵,苑国锋
        2024(2): 43-50. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.005
        摘要：在大功率轨道交通装备领域中，三电平变换器因具有众多优点，在实际中得到广泛应用，但是也存在中点电压不平衡这一固有问题。为解决三电平中点箝位（NPC）型变换器存在的中点电压不平衡问题，减少输出相电流畸变情况，提高系统运行稳定性，文章提出了一种基于分析中点电荷量的双自由度新型中点电压平衡调制策略。该调制策略首先从数学分析的角度介绍了三电平变换器直流侧中点电压不平衡问题的原因；之后分析了在空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术中，电压矢量输出序列对中点电压的影响；最后基于上述分析结果，改进传统的电压矢量输出序列，并基于改进序列的特点提出了一种新的双自由度中点电压平衡调制策略，通过双自由度的平衡因子调节作用时间。理论上，所提出的新型调制策略具有更多可控电荷量，相较于传统方法具有更良好的控制效果；仿真和试验结果验证了所提的新型调制策略对中点电压的控制效果具有更好的快速性和稳定性。综上所述，文章所提的新型双自由度调制策略可更有效解决三电平变换器存在的中点电压不平衡问题。  
        关键词：三电平;NPC变换器;空间矢量脉宽调制;中点电压平衡;平衡因子   
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      • 金淼鑫,杜京润,范子寅,向超群
        2024(2): 51-58. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.006
        摘要：受限于散热条件，为了防止功率器件产生过大的开关损耗，进而减少服役寿命，轨道交通牵引逆变器开关频率通常低于1 kHz。逆变器运行至中、高频区域时，载波比下降导致其输出谐波增加，造成输出性能下降的同时导致电流峰值增大，使得绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT）产生较大功率损耗，影响行车安全。针对现有低载波比的调制策略较多考虑输出性能的优化，而对IGBT功率损耗抑制考量较少的问题，文章提出一种针对牵引逆变器在五分频下的多目标优化调制策略，保证逆变器输出加权总谐波畸变较小的同时，降低总功率损耗。首先，根据逆变器负载模型建立输出电压与电流的数值与相位关系，根据器件厂商所提供的数据手册，从功率损耗产生机理出发，建立精确的IGBT功率损耗离散计算模型；其次，以逆变器输出电流谐波和功率损耗为优化目标，保证逆变器输出电压基波幅值与参考一致的前提下对开关角进行求解，实现逆变器多目标优化调制的目的。仿真结果表明，在工作区间内，与传统策略相比，所提优化调制策略显著降低了IGBT的功率损耗并保证了较优的输出性能。  
        关键词：变流器;功率损耗;五分频;多目标优化调制;加权总谐波畸变;开关角   
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      • 董士帆,蒋威,王晓帆,邱腾飞,周明磊,王琛琛
        2024(2): 59-65. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.007
        摘要：文章提出了一种永磁同步电机低开关频率下利用注入的高频方波电压在低速工况下估计转子位置的方法。通过注入电压产生的q轴电流变化量获得估算转子位置误差的结论，设计龙贝格状态观测器利用q轴电流变化量估算转子位置，并给出了一种简单的龙贝格状态观测器零极点的设计方法。试验结果表明，文章所提的无位置传感器控制策略在低开关频率下估算转速与转子位置能准确跟踪真实值。  
        关键词：永磁同步电机;无位置传感器控制;低开关频率;高频方波电压注入;龙贝格状态观测器   
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      • 胡亮,梅文庆,吕永灿,付翔宇,肖新宇
        2024(2): 66-74. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.008
        摘要：为满足大功率牵引电传动应用场景对电机输出转矩高精度、快响应等要求，文章提出一种基于间接定子量控制（Indirect Stator Quantities Control，ISC）的牵引电机三电平驱动控制方法。首先，结合ISC控制特点和异步电机模型提出了一种动态弱磁控制方法，保证了电机在高速弱磁区转矩的高动态响应。其次，为有效解决传统三电平算法存在的中点电位不平衡问题，根据中点箝位型（Neutral Point Clamped, NPC）三电平逆变器不同开关矢量对中性点电位的不同作用，基于电荷周期平衡精准计算和比例积分（Proportional Integral, PI）控制器原理，提出了一种具有平衡精度高、抗干扰性能强的新型中点电位平衡控制策略。最后通过仿真研究与某轨道交通大功率异步电机对拖试验测试，试验结果表明文章所提出的控制方法具有高动态响应、高中点电位平衡度、高转矩控制精度等优点。  
        关键词：牵引电机;间接定子量控制;弱磁控制;中点电位平衡   
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      • 刘东辉,赵雷廷,王永翔,刘衎
        2024(2): 75-80. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.009
        摘要：针对城市轨道交通车辆启停频繁的特点，为实现精准停车、提升乘坐舒适度、降低损耗、节约能源等目的，文章提出一种异步电机纯电制动至零速停车的控制策略。在车辆运行全速范围内，利用数据与模型双驱动技术预测车辆最大可用减速度；在车辆电制动低速区段，设计减速度控制器针对电机制动转矩指令值进行实时调节；采用离散化闭环全阶转子磁链观测器辨识电机运行频率，从而利用辨识频率值替代速度传感器采集频率值完成停车过程。最终，通过半实物仿真平台和车辆运行试验证明上述研究策略的有效性。  
        关键词：城市轨道交通;零速电制动;数据与模型双驱动;减速度控制器;全阶转子磁链观测器;半实物仿真平台   
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      • 陈志博,李学明,甘韦韦,高剑,黄守道
        2024(2): 81-91. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.010
        摘要：在电力机车及动车组的牵引传动控制系统中，网侧变流器通过锁相环获取相位信息并进行精确控制。牵引供电网电压的幅值及频率存在波动，而且网压经常出现严重畸变及含有大量谐波，复杂的电网环境对锁相环性能提出了很高的要求。文章结合同步采样，提出一种基于SDFT的高性能锁相环方法，并通过数字仿真及半实物仿真对所述方法的性能进行了验证。仿真结果表明，与其他几种主流的锁相环对比，该方法稳态锁相精度高，动态响应速度快，并有较强的谐波抑制能力与抗偏置能力，适宜在轨道交通领域应用。  
        关键词：四象限变流器;同步采样;SDFT;锁相环;谐波抑制;抗扰性   
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      • 李向超,冯继营,李正辉
        2024(2): 92-100. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.011
        摘要：以级联H桥变流器为前级拓扑的电力电子变压器是未来列车牵引的重要发展方向，降低牵引级联变流器的低次谐波对提高电力电子变压器的控制性能具有重要意义。然而，引起级联H桥变流器低次谐波的影响因素与常规四象限变流器存在差异，其机理分析和抑制策略尚未得到深入研究。对此，文章详细探究了电力牵引网侧级联H桥变流器低次电流谐波产生机理，揭示了除直流电压波动、器件死区和管压降外，其低次谐波还与H桥级联的模块数及拓扑结构有关。在此基础上，设计一种兼顾直流电压波动和电路拓扑特性的低次谐波抑制算法。同时，结合功率器件的死区效应与管压降影响，提出级联H桥变流器低次电流谐波综合抑制策略。最后，搭建小功率试验平台进行测试，试验结果验证了理论分析的正确性和优化抑制方案的有效性。  
        关键词：牵引级联H桥变流器;低次谐波分析;谐波抑制策略;直流电压波动;器件死区;开关管压降   
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      • 范荣辉,付建辉,康子剑,林珍君
        2024(2): 101-107. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.012
        摘要：针对高原型内燃机车运行海拔高、散热工况复杂和轻量化要求高的特点，文章介绍了一种复兴号高原双源动力集中动车组内燃车牵引变流器的主电路结构、工作原理及其设计方法。对于运行海拔高的特点，使用海拔修正的方法对柜内电气绝缘性能进行加强；对于散热工况复杂的特点，选择合理的冷却方案，并对整柜的损耗和散热能力进行精细化热设计，确保其散热能力；对于轻量化要求高的特点，使用模块化布局和有限元结构仿真的方法，在保证结构强度的同时实现轻量化设计。试验表明，牵引变流器能满足各项性能指标要求。  
        关键词：双源;高原;环境适应性;内燃;牵引变流器;主电路;结构强度;试验   
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        健康与诊断

      • 戴计生,胡德安,徐海龙,朱文龙,廖启术
        2024(2): 108-117. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.013
        摘要：定子绕组匝间短路是影响永磁牵引电机安全稳定运行的主要故障之一，受运行工况、供电与电机本体不平衡的影响，现有方法难以实现永磁牵引电机匝间短路在线精准评估，这成为永磁电机推广应用迫切需要解决的关键技术难题。因此，文章提出一种基于多特征融合的深度高斯过程永磁牵引电机匝间短路分级评估方法：首先通过建立永磁牵引电机匝间短路故障模型，提取电流不平衡、电流三次谐波与dq电流的二次谐波特征；然后采用一种双随机变分推断深度高斯过程（Doubly Stochastic Deep Gaussian Processes, DSDGP）方法对提取特征进行融合训练建模，实现永磁牵引电机匝间短路劣化状态在线分级评估；最后通过永磁电机匝间短路试验与现场案例进行算法验证。结果表明，文章所提方法在多特征融合条件下的评估准确率达到95%以上，相较于支持向量机（support vector machine, SVM）和反向传播神经网络（back-propagation neural, BPN）等分类方法，具有准确率高，适用于变工况、小样本的工程实际应用环境等优点，解决了永磁牵引电机匝间短路早期故障检测及故障严重程度评估的行业难题。  
        关键词：永磁牵引电机;多维特征融合;匝间短路;分级评估;深度高斯过程   
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      • 白龙,刘睿超,王永翔,邱腾飞,周义杰
        2024(2): 118-125. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.014
        摘要：为了更好地提高高速动车组永磁牵引系统接地故障诊断的准确性，文章提出了一种适用于永磁牵引系统的接地检测新方法。通过结合接地检测电路的拓扑结构，分析了不同接地情况下接地电压的特点，并在此基础上提出了优化接地电压超限判定算法、采用各轴逆变器分步检测和增加永磁接触器诊断节点等措施，通过该方法可以准确诊断出电机侧、变压器侧和变流器侧具体的接地点，提高了故障点定位的准确性。半实物仿真和地面机组试验结果验证了该方法的可行性。  
        关键词：高速动车组;牵引系统;接地检测;半实物仿真;机组试验   
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      • 李政达,张旭浩,江周余,王梦谦,霍柯,林子棋
        2024(2): 126-131. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.015
        摘要：在变频驱动系统中，由于功率器件高速开关产生的高dv/dt和瞬态过电压，会使电机绝缘部件承受较高的电应力，加速电机绝缘材料的老化，进而增加绝缘故障发生概率并危害驱动系统的整体可靠性。相较于传统的离线监测方法，对电机绝缘状态进行在线监测可以提高监测的实时性并减小停机维修的损失。因此，文章提出一种基于逆变器开关振荡电流的交流电机主绝缘在线监测方法。首先，建立了交流电机绝缘等效电路，分析了绝缘老化对电机阻抗特性的影响，并通过外部并联电容的方法模拟了绝缘老化的过程。然后，采用脉冲宽度调制（PWM），研究了电机主绝缘参数对开关振荡电流的影响，提出了以开关振荡电流频域偏差作为老化特征指标的在线监测方法。试验证明，该方法在不影响电机正常运行的前提下，可以对电机主绝缘老化状态进行有效监测。  
        关键词：交流电机;绝缘老化;在线监测;电流响应;逆变器;高速列车   
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      • 兰尉尹,崔巍,陈文轩,邹盈巧,李佳诚,葛兴来
        2024(2): 132-139. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.016
        摘要：实现准确的结温监测对增强绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块的可靠性、延长器件寿命至关重要。文章提出了一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法，具有不受负载电流干扰的特性。该方法首先验证了关断电压作为温敏电参数的合理性；其次，采用深度神经网络（DNN），排除关断电压对负载电流的依赖，达到不同工况下保持准确结温预测的目的；最后，通过单相脉宽调制（PWM）进行试验验证。结果显示，该结温监测方法误差在±5 ℃的范围内，这表明利用DNN优化结温监测是可行的。  
        关键词：绝缘栅双极晶体管;结温监测;深度神经网络;温敏电参数;关断电压   
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      • 王楠清,漆宇,忻兰苑,宋金川,田行军
        2024(2): 140-150. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.017
        摘要：针对地铁直流进线的振荡电流容易引起继电保护系统频繁误动作的问题，文章提出以变分模态分解、样本熵、TOPSIS为核心的故障诊断分析算法，并搭建实时数字仿真试验平台，以地铁继电保护装置为应用场景，通过将改进的进线保护算法与传统逆流保护算法进行试验对比分析，验证了方法在工程实践中的可行性和有效性。结果表明，该方法可有效识别直流进线特殊振荡电流，提高继电保护的可靠性。  
        关键词：地铁牵引供电系统;直流进线谐振电流;短路电流;进线保护;变分模态分解   
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        发布时间：2024-08-02
      • 施以旋,毛庆洲,戴焕云,汪群生,施翔宇
        2024(2): 151-157. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.018
        摘要：牵引逆变器的安全性和可靠性对高速动车组车辆的稳定运行至关重要，为了对逆变器工作状态进行识别，文章结合车辆系统动力学，提出了一种基于电机振动信号分析的故障诊断方法。将电机振动信号作为监测对象，通过检测逆变器故障时电流畸变引起电机异常振动的特征信号来进行判断。以CRH2型动车组牵引传动系统为例，建立了基于空间矢量脉宽调制策略下的三电平牵引逆变器电路仿真模型，对逆变器结构故障模式进行仿真。仿真结果表明，逆变器故障会显著影响交流侧输出电流谐波含量，尤其是5倍频、7倍频、11倍频、13倍频电流谐波；而这些谐波电流输入到牵引电机后转化为6P(1-s)倍频、12P(1-s)倍频的脉动转矩，并作用于电机，使得其输出振动中含有相应频率的谐波成分。通过对高速动车组实际运行过程中的牵引电机振动信号进行分析可发现，在正常情况下振动信号不明显含有此类谐波频率成分，而当逆变器存在故障时，则会导致在振动信号中该频率信号含量非常明显。因此，文章所提出的基于振动信号分析法能够有效地监测并诊断牵引逆变器工作状态，并具有一定的工程应用价值。  
        关键词：高速动车组;牵引逆变器;电机振动;电流谐波;故障诊断;仿真   
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        发布时间：2024-08-02
      • 耿民,秦嘉翼,刘明杰,张川宝,王喜莲
        2024(2): 158-164. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.01.142
        摘要：为了实现对牵引电机定子绕组匝间短路早期故障的可靠诊断，文章提出了一种基于阶跃激励稳态响应电流的故障诊断方法。首先根据牵引电机三相定子绕组匝间短路模型，对定子绕组任意两相施加阶跃激励，推导出3种情况下的响应电流表达式，并依据响应电流稳态值的变化特征提出新的故障特征分量；然后，搭建故障电机仿真模型，分析短路电阻和短路故障严重程度对响应电流的影响，研究故障特征分量对早期匝间短路故障诊断的有效性与可靠性；最后搭建试验平台，分析当电机固有不对称时，匝间短路故障对故障特征分量的影响。仿真与试验结果表明，该故障特征分量可以表示早期的匝间短路故障及其严重程度，并且能滤除电机固有不对称的影响。基于阶跃激励稳态响应电流的诊断方法操作便捷，结果可靠性高，对保护牵引系统的安全具有极大意义，且具备极大的工程应用价值。  
        关键词：牵引电机;定子绕组匝间短路;故障诊断;阶跃响应   
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        发布时间：2024-08-02
      • 刘杰,谢舜蒙,漆宇
        2024(2): 165-170. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.01.126
        摘要：文章基于离散积分原理实现对基波周期内的结温量化表达，开发了一种简化结温曲线方法，将包含详细结温信息的结温波动曲线转换为仅含关键结温信息的简化结温波动曲线，计算精度高，同时能够快速确定最大/最小结温及其出现时刻，极大地降低了计算负担。通过不同基波频率的结温仿真分析，文章所提方法能很好反映结温波动变化，计算精度高。相较于其他结温计算方法，文章所提方法的计算速度优势明显，适应于长时间尺度计算。最后，通过功率考核试验实测结温波动，验证了该方法的准确性。  
        关键词：基波周期结温波动;简化结温曲线;IGBT;等效正弦半波损耗;等效热路法   
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        发布时间：2024-08-02
      • 刘洋,李水昌,王永翔,殷振环,马驰,程龙
        2024(2): 171-177. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2024.02.021
        摘要：电气化铁路车辆运行过程中，受电弓与接触网之间的短暂分离（即弓网离线）易引发过电流问题，产生安全隐患、影响铁路运营秩序。文章基于既有动车组牵引电传动系统，介绍其主电路结构及网侧整流器的控制方法，分析弓网离线对系统的影响，着重研究弓网离线后恢复接触时产生过电流问题的原因，提出弓网离线在线快速识别及应对策略。文章搭建了包含电弧模型的牵引电传动系统全数字实时仿真模型，首先通过与实测波形对比证明模型的准确性，然后基于该模型验证文中提出的弓网离线在线识别及应对策略。  
        关键词：高速铁路;弓网离线;牵引系统;电弧;四象限;高速动车组   
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        发布时间：2024-08-02
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