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繼電保護論文

     摘要：本文分析介紹了繼電保護'>繼電保護及故障錄波器信息處理系統(tǒng)的構(gòu)成、任務(wù)和信息傳輸?shù)奶攸c和要求、相關(guān)的國際標(biāo)準；提出了故障信息系統(tǒng)的主站和子站的通訊協(xié)議采用IEC60870-5-103和FTP組合的協(xié)議方案，分析了該通訊協(xié)議滿足所傳送信息的需要、與現(xiàn)有的電力數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)中不同類型通道的結(jié)合方式；接著分析介紹了子站系統(tǒng)內(nèi)部采用以太網(wǎng)，接進不同類型裝置和錄波器的方案，提出了協(xié)議轉(zhuǎn)換采用盡量下放到接近裝置，分散處理的原則；也介紹了與現(xiàn)有的廠、站自動化系統(tǒng)的通訊協(xié)調(diào)；最后分析了故障信息系統(tǒng)兼容或采用IEC61850標(biāo)準的題目。文中介紹了本文所提的通訊協(xié)議方案在湖南電網(wǎng)的應(yīng)用情況。 
0．引言
　　 微機型的保護、安全自動裝置和故障錄波器在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，為通過數(shù)據(jù)通訊方式傳送保護及故障錄波器信息提供了可能；另外，隨著以光纖為媒介的新的通訊產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，這幾年來，電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)獲得了前所未有的快速建設(shè)和發(fā)展，數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)的規(guī)模和容量大大增強；這些有利條件終于促使了電力部分為進步電網(wǎng)安全運行的信息化水平，實現(xiàn)快速有效地處理電網(wǎng)故障、恢復(fù)系統(tǒng)正常運行，而正在加緊建設(shè)電網(wǎng)繼電保護'>繼電保護及故障錄波器信息處理系統(tǒng)。
　　 電網(wǎng)繼電保護及故障錄波器信息處理系統(tǒng)通常由設(shè)在網(wǎng)（省、市）調(diào)度中心的主站或設(shè)在地區(qū)調(diào)度（或設(shè)備直管單位）的主站和若干個設(shè)在其所管轄的變電站、發(fā)電廠的子站，通過電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)（或?qū)＞�）連接而成（見圖1）。故障信息系統(tǒng)的任務(wù)是收集治理電網(wǎng)中各運行廠、站中的保護裝置、安全自動裝置等涉及電網(wǎng)異常時動作的裝置的動作信號、斷路器的分合信號以及裝置的運行異常信號；微機保護裝置和故障錄波器的故障錄波數(shù)據(jù)和故障報告、保護的定值等；以及對這些數(shù)據(jù)、信號的綜合、統(tǒng)計、計算和分析等處理與治理，實現(xiàn)繼電保護運行、治理和電網(wǎng)故障處理的網(wǎng)絡(luò)信息化、自動智能化，達到為調(diào)度員安全、正確、迅速處理電網(wǎng)事故提供信息支持與決策顧問；為繼保職員對保護、安全自動裝置及故障錄波器的動作行為分析和現(xiàn)代化運行治理提供必要的支持，這兩個目的。 。
1．故障信息系統(tǒng)的信息傳輸要求
　　故障信息系統(tǒng)的信息的來源為安裝在電網(wǎng)中各運行廠、站的保護裝置、安全自動裝置和故障錄波器。信息中包含有狀態(tài)（動作、告警）信息和大數(shù)據(jù)量的故障錄波數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)量較大的保護故障報告、保護的定值等；從信息要求的傳送速度，有要求快速主動上送的，也有速度要求不高的召喚調(diào)用的。因此，要求可預(yù)先設(shè)定主動上送到主站的電力系統(tǒng)故障時的跳閘信息及二次設(shè)備的異常報警信息，及以優(yōu)先級別有序上送的傳送方式和優(yōu)先順序。對于保護的具體故障報告、保護的定值、大數(shù)據(jù)量的故障錄波數(shù)據(jù)等，采用級別較低的，召喚調(diào)用上送；為了進步其通訊效率，降低網(wǎng)絡(luò)通道的干擾的影響，要求能支持斷點續(xù)傳功能。
　　通訊協(xié)議應(yīng)該使用國際標(biāo)準協(xié)議，以利于系統(tǒng)的互操縱性和實現(xiàn)無縫通訊的要求。為此，文獻[3]要求“在滿足功能要求的條件下，優(yōu)先選用IEC870-5-103規(guī)約”，“應(yīng)向61850規(guī)約為目標(biāo)，以實現(xiàn)真正的無縫通訊”。
　　鑒于目前不同廠家、不同時期生產(chǎn)的不同類型的裝置的通訊協(xié)議、信息內(nèi)容和格式均不相同，要求子站系統(tǒng)將收集到的廠站的不同類型的裝置的信息，由子站完成格式轉(zhuǎn)換后，采用同一的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式送給主站。此外，子站對大量來自裝置的數(shù)據(jù)信息經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后，還要具有過濾處理能力，遵守預(yù)先設(shè)定主動上送到主站的優(yōu)先順序傳輸原則，保進不同類型數(shù)據(jù)間的優(yōu)先有序上送。
2．相關(guān)國際標(biāo)準介紹
　　由于故障信息系統(tǒng)的所傳送的信息為保護裝置、安全自動裝置的動作信號、斷路器的分合信號以及它們的運行異常信號；微機保護裝置和故障錄波器的故障錄波數(shù)據(jù)和故障報告、保護的定值等。目前與這些信息相關(guān)的，應(yīng)用已較多國際標(biāo)準主要有IEC60870-5-103繼電保護設(shè)備信息接口配套標(biāo)準[1][2]、IEC60255-24 電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換（COMTRADE）公用格式[6]（即等同ANSI/IEEE C37.111-1991 COMTRADE 暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式）。以后，IEC61850變電站通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)國際標(biāo)準，也會逐步在變電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用，不過，目前實在際應(yīng)用還很少。
    3．故障信息系統(tǒng)的主站和子站系統(tǒng)的通訊協(xié)議
3.1 故障錄波數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議
　　故障信息系統(tǒng)的故障錄波數(shù)據(jù)主要是數(shù)字式故障錄波器記錄的電網(wǎng)故障前后的模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)，以及記錄高頻保護通道的直流量和開關(guān)量數(shù)據(jù)。由于微機保護裝置出現(xiàn)以及其內(nèi)存容量的日益增大，很多保護裝置也具有記錄保護動作前后的有關(guān)模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于分析電網(wǎng)故障時，該保護裝置的動作行為的正確性，同樣具有非常重要的價值。所以，故障信息系統(tǒng)的故障錄波數(shù)據(jù)還應(yīng)包括微機保護裝置所記錄的電網(wǎng)故障前后的模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)。
　　這部分數(shù)據(jù)的特點是信息量大，以及為了方便數(shù)據(jù)分析時的交換方便，，要求按照COMTRADE 暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式，以文件方式存儲[3，4]；因而故障信息系統(tǒng)主站和子站的故障錄波數(shù)據(jù)存儲格式經(jīng)常均采用COMTRADE 暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用文件格式；因此，故障信息系統(tǒng)的故障錄波數(shù)據(jù)部分的通訊協(xié)議，原則上可采用傳送COMTRADE 格式文件的方式。為了更好地實現(xiàn)通訊標(biāo)準化，進步通訊的可靠性和互操縱性，同時便于實現(xiàn)和使用，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接方式下提供虛電路的主站和子站之間，建議采用FTP文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol）。
　　FTP文件傳輸協(xié)議的任務(wù)是從一臺計算機將文件傳送到另一臺計算機，它與這兩臺計算機所處的位置、聯(lián)系的方式、以及所使用的操縱系統(tǒng)無關(guān)。FTP已是一個廣泛用于INTERNET的文件傳輸協(xié)議標(biāo)準。它屬于TCP/IP協(xié)議族，是一種穩(wěn)定、可靠、成熟的文件傳輸協(xié)議；既可以主動發(fā)送（上傳）單/多個文件，也可下載單/多個文件，很輕易支持斷點續(xù)傳、文件目錄服務(wù)等；它完全適合于故障信息系統(tǒng)的故障錄波數(shù)據(jù)文件的傳送。另外，現(xiàn)已有豐富的FTP軟件支持這一協(xié)議，它能給故障信息系統(tǒng)的研發(fā)者和使用者帶來不少方便。現(xiàn)有的操縱系統(tǒng)如：Window，UNIX和大部分瀏覽器，如IE、Netscape也均支持FTP協(xié)議。支持FTP協(xié)議的工具軟件也在不斷更新，功能不斷增強，界面更為友好。
　　由于故障錄波數(shù)據(jù)的信息量大，主站經(jīng)常采用召喚故障錄波數(shù)據(jù)的方式[3，4]。主站可根據(jù)此錄波數(shù)據(jù)的文件列表中的文件名，采用FTP下載方式，召喚子站中故障錄波文件。FTP文件傳輸協(xié)議支持的文件斷點續(xù)傳也能使故障錄波文件傳輸?shù)男蔬M步。
3.2 非故障錄波數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議
　　鑒于越來越多的保護裝置已采用了IEC60870-5-103繼電保護設(shè)備信息接口配套標(biāo)準，此標(biāo)準也是繼電保護設(shè)備信息通訊協(xié)議的發(fā)展方向，因而我們以為故障信息系統(tǒng)的主站和子站系統(tǒng)的通訊協(xié)議的主體，采用IEC60870-5-103通訊協(xié)議標(biāo)準比較合適：它能非常方便地傳送除故障錄波數(shù)據(jù)之外的保護裝置、安全自動裝置的動作信號、斷路器的分合信號以及它們的運行異常信號和故障報告、保護的定值等；能滿足向主站主動傳送及調(diào)用故障信息的要求，能夠滿足按用戶需要設(shè)定不同類型數(shù)據(jù)，采用不同優(yōu)先級有序傳送的要求；而且由于子站系統(tǒng)中的繼電保護工程師站（或保護治理機）最大限度地將保護裝置的IEC60870-5-103通訊協(xié)議與故障信息系統(tǒng)的主站、子站系統(tǒng)間的通訊協(xié)議協(xié)調(diào)一致，簡化了子站系統(tǒng)中的繼電保護工程師站將保護裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給故障信息系統(tǒng)主站的處理。從上述不丟臉出，它也能與FTP文件傳輸協(xié)議有機地結(jié)合起來。
　　采用IEC60870-5-103通訊協(xié)議標(biāo)準也是文獻[3]優(yōu)先推薦采用的標(biāo)準。
3.3 不同通訊通道、網(wǎng)絡(luò)類型和通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的考慮
　　 在實際的故障信息系統(tǒng)中，由于有不同地域的子站，各自的通訊通道有可能會不一樣。文獻[3]提到了通訊通道可以是采用專線方式或數(shù)據(jù)網(wǎng)方式。實際中的通訊通道物理層可能為微波、載波、光纖、專線、無線等多種數(shù)據(jù)通訊通道，在通訊接口的連接中必須按實際中的通道進行配置。
　　IEC60870-5-103通訊協(xié)議標(biāo)準的鏈路層協(xié)議所采用FT1.2幀格式以及其鏈路傳輸規(guī)則，只能適合于無連接方式、具有永久連接電路的RS-485（光纖）專線數(shù)據(jù)通道，通常其速度為9.6Kbps或19.2Kbps。它對于提供虛電路的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、撥號電話網(wǎng)以及高速的、支持TCP/IP接口的專線數(shù)據(jù)通道不太適合。 
    TCP/IP協(xié)議標(biāo)準除了用在日益廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)和INTERNET外，可以看到，在TCP/IP框架內(nèi)，還可以運用不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型，包括X.25，F(xiàn)R（幀中繼），ATM（異步傳輸模式）和ISDN（綜合服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）；也包括光纖（OPGW，ADSS）、微波、電話網(wǎng)絡(luò)中的MODEM、無線衛(wèi)星通道；包括波分復(fù)用（WDM，DWDM）、數(shù)字體系（PDH，SDH）；也可包括可以面向連接的（租用）專線。在目前我國的電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)SPDnet中的不同類型的網(wǎng)絡(luò)，幾乎都在以上所列的網(wǎng)絡(luò)類型之中，大部分路由器為X.25或X.25DDN型路由器，通訊線路的速率也從384K~2M、8M、16 x 2M、155M不等。因此，可以不丟臉出采用TCP/IP協(xié)議標(biāo)準最適合于我國的電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)SPDnet。
　　鑒于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，IEC 60870-5-104標(biāo)準已為遠動設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問IEC 60870-5-101協(xié)議數(shù)據(jù)集，制定了將IEC 60870-5-101協(xié)議所定義的ASDU與TCP/IP相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)訪問標(biāo)準[7]。這為我們在故障信息系統(tǒng)的主站和子站間采用的IEC60870-5-103通訊協(xié)議標(biāo)準提供了很好的支持和鑒戒。IEC 60870-5-104標(biāo)準中ASDU與TCP/IP相結(jié)合的方式，不局限于IEC 60870-5-101協(xié)議所定義的ASDU。根據(jù)相同的定義，不同的ASDU，包括IEC 60870-5全部配套標(biāo)準（例如IEC 60870-5-102、103）所定義的ASDU，都可以與TCP/IP相結(jié)合。
　　由于故障信息系統(tǒng)要傳送象故障錄波數(shù)據(jù)這樣信息量大的數(shù)據(jù)文件，加上現(xiàn)在的電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的水平的不斷進步，故障信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道固然在物理形式上還會存在有專線或撥號電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)方式之分，但在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸上都應(yīng)可作到支持TCP/IP接口才行�？紤]到電力數(shù)據(jù)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，很多省的故障信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)都采用數(shù)據(jù)網(wǎng)為主、撥號為輔的數(shù)據(jù)傳輸方式。例如湖南省電網(wǎng)[4]的故障信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)網(wǎng)為主，在暫時沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)連接的地方（或者是數(shù)據(jù)網(wǎng)失敗時的備用通道），采用撥號電話網(wǎng)，并逐步過渡到完全采用數(shù)據(jù)網(wǎng)。浙江省電網(wǎng)[8]的故障信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)網(wǎng)為主、撥號為輔的數(shù)據(jù)傳輸方式，行政交換網(wǎng)撥號方式為降低需求的后備方式。
　　在這種情況下，故障信息系統(tǒng)的主站和子站間的IEC60870-5-103通訊協(xié)議，只采用IEC 60870-5-103標(biāo)準所定義的ASDU，而采用IEC 60870-5-104標(biāo)準中ASDU與TCP/IP相結(jié)合的方式，來取代IEC60870-5-103通訊協(xié)議標(biāo)準的鏈路層協(xié)議。
　　另外可以看出，采用TCP/IP方式后，IEC 60870-5-103所定義的ASDU和故障錄波數(shù)據(jù)部分的COMTRADE 格式文件，在通訊協(xié)議上也做到了有機地組合。
4.1 子站系統(tǒng)內(nèi)部的通訊協(xié)議
　　位于廠站的子站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。子站是子站系統(tǒng)中的保護工程師站，通過以太網(wǎng)與廠站中的各個保護裝置（安全自動化裝置）、故障錄波器和接口裝置連接�？紤]到廠站內(nèi)經(jīng)常存在有不同廠家、不同安裝時期、不同型號的裝置，其通訊協(xié)議和接口方式不一樣的實際情況，在系統(tǒng)中有新設(shè)計的、可直接上以太網(wǎng)的裝置，也有已由保護治理機集中轉(zhuǎn)換后，接進以太網(wǎng)的裝置，以及有經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器接進以太網(wǎng)的裝置和故障錄波器。協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式采用盡量下放到接近裝置，分散處理的原則。這樣，在以太網(wǎng)上就已經(jīng)同一為IEC60870-5-103/TCP/IP協(xié)議，避免規(guī)約轉(zhuǎn)換集中到保護工程師站處理，以充分利用分布式處理的靈活性和簡化單個協(xié)議轉(zhuǎn)換中的復(fù)雜度和處理量，更好地滿足系統(tǒng)的開放性和進步協(xié)議標(biāo)準化程度的要求。在裝置層次，仍可保存各自不同的通訊協(xié)議。協(xié)議轉(zhuǎn)換器可設(shè)計各種裝置的通訊接口和協(xié)議。
　　保護工程師站收集處理子系統(tǒng)內(nèi)各裝置的信息，同時負責(zé)與遠方調(diào)度真?zhèn)�主站通訊，轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過過濾，整理后的保護、故障錄波數(shù)據(jù)。由于子站系統(tǒng)的IEC60870-5-103/TCP/IP協(xié)議和遠方協(xié)議非常接近，轉(zhuǎn)換工作量大大減少。
　　子站系統(tǒng)的IEC60870-5-103/TCP/IP協(xié)議中的故障錄波數(shù)據(jù)采用IEC60870-5-103標(biāo)準中的擾動數(shù)據(jù)通訊格式。保護工程師站收集負責(zé)轉(zhuǎn)化成COMTRADE 格式文件。這樣做更符合保護裝置使用的IEC60870-5-103通訊接口標(biāo)準的要求，也很好地滿足了保護工程師站的故障錄波數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析交換時的復(fù)制要求。
    4.2 子站系統(tǒng)與廠、站自動化系統(tǒng)的通訊
　　子站系統(tǒng)與廠、站自動化系統(tǒng)的通訊網(wǎng)彼此各自獨立，各自獨立地與下屬的相關(guān)裝置采集數(shù)據(jù)信息，因此，也不需要工程師站轉(zhuǎn)發(fā)保護等裝置的監(jiān)視信息數(shù)據(jù)給廠、站自動化系統(tǒng)的監(jiān)控、遠動主站，達到了減輕工程師站的處理量，同時進步廠、站自動化系統(tǒng)的通訊可靠性的目的。即使是在子站系統(tǒng)與廠、站自動化系統(tǒng)公用同一個以太網(wǎng)時，它們也僅僅是網(wǎng)絡(luò)物理層公用，子站系統(tǒng)與廠、站自動化系統(tǒng)的通訊也仍保持邏輯上的彼此各自獨立。廠、站自動化系統(tǒng)的通訊協(xié)議采用與IEC60870-5-103/TCP/IP協(xié)議無關(guān)的IEC60870-5-104協(xié)議。
5．故障信息系統(tǒng)使用IEC61850標(biāo)準的看法
　　考慮到IEC61850標(biāo)準只是一個變電站內(nèi)協(xié)議，以及故障信息系統(tǒng)僅是處理與保護有關(guān)的信息，因此，設(shè)計故障信息系統(tǒng)的主站與子站間的通訊協(xié)議，采用IEC60870-5-103標(biāo)準較為公道和便于應(yīng)用。而站內(nèi)子系統(tǒng)在目前采用IEC60870-5-103標(biāo)準較為公道，將來考慮結(jié)合IEC61850標(biāo)準則比較公道（目前采用IEC61850標(biāo)準的變電站還很少）。未來變電站內(nèi)必定會推廣IEC61850標(biāo)準。
。
6．結(jié)束語 
　　故障信息系統(tǒng)的通訊協(xié)議是故障信息系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計和實際應(yīng)用中的核心之一，也是最主要的工作之一，具有很大的意義。由于故障信息系統(tǒng)的實際應(yīng)用剛開始不久，不象變電站自動化系統(tǒng)的應(yīng)用那么多和早，目前，故障信息系統(tǒng)的通訊協(xié)議的研究工作開展還不夠，積累的經(jīng)驗也還未幾。
　　由于故障錄波數(shù)據(jù)在子站和主站的存儲和交換的需要，子站與主站之間的故障錄波數(shù)據(jù)的傳送，采用COMTRADE 格式文件傳送，較為方便。
　　由于故障信息系統(tǒng)所傳送的信息數(shù)據(jù)都是與電網(wǎng)異常時動作的裝置的信息，可回結(jié)到保護信息和故障錄波數(shù)據(jù)/文件，故障信息系統(tǒng)的通訊協(xié)議總體采用IEC60870-5-103標(biāo)準協(xié)議較為公道。也輕易與越來越多地采用了IEC60870-5-103協(xié)議標(biāo)準保護裝置相協(xié)調(diào)。今后的錄波器也可以采用IEC60870-5-103協(xié)議標(biāo)準中擾動數(shù)據(jù)格式傳送方式，這比現(xiàn)有的錄波器的通訊協(xié)議，更輕易與保護裝置集成到一個故障信息系統(tǒng)中。
　　面對數(shù)據(jù)通道的形式多樣，采用TCP/IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，較為輕易同一和實現(xiàn)，在實現(xiàn)IEC60870-5-103/TCP/IP協(xié)議時，采用IEC60870-5-104標(biāo)準中的結(jié)合方式，是一種很好的方式。
　　采用TCP/IP協(xié)議族中的FTP協(xié)議，傳送COMTRADE 格式文件具有較多的方便。
　　采用標(biāo)準實現(xiàn)的通訊協(xié)議具有通訊可靠、易于實現(xiàn)互操縱性等優(yōu)點，所以，本文提出的方案中所采用的所有的協(xié)議部分都來自于相關(guān)的標(biāo)準。
　　故障信息系統(tǒng)的主站與子站間的通訊協(xié)議，采用IEC60870-5-103標(biāo)準較為公道和便于應(yīng)用。而站內(nèi)子系統(tǒng)在目前采用IEC60870-5-103標(biāo)準較為公道，將來考慮結(jié)合IEC61850標(biāo)準則比較公道。
　　子站系統(tǒng)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式采用盡量下放到接近裝置，分散處理的原則，有利于充分利用分布式處理的靈活性和簡化單個協(xié)議轉(zhuǎn)換中的復(fù)雜度和處理量，更好地滿足系統(tǒng)的開放性和進步整個系統(tǒng)的通訊協(xié)議的標(biāo)準化程度的要求。
　　經(jīng)過實際應(yīng)用檢驗，故障信息系統(tǒng)的通訊協(xié)議總體采用IEC60870-5-103/TCP/IP協(xié)議標(biāo)準，組合FTP協(xié)議，傳送COMTRADE 格式的故障錄波數(shù)據(jù)文件較為公道。

參考文獻
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收錄時間:2011年03月05日 15:36:09 來源:未知 作者:

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