簡(jiǎn)婷
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和可再生能源的廣泛應(yīng)用，智慧儲(chǔ)能柜作為一種高效、可靠的儲(chǔ)能設(shè)備，正逐漸受到人們的關(guān)注。本文詳細(xì)介紹了智慧儲(chǔ)能柜的構(gòu)造，包括電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)等方面，分析了各部分的功能和作用，旨在為智慧儲(chǔ)能柜的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。
一、引言
在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能等的間歇性和不穩(wěn)定性給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。智慧儲(chǔ)能柜作為一種新型的儲(chǔ)能設(shè)備，能夠有效地解決可再生能源的間歇性問題，提高能源利用效率，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，智慧儲(chǔ)能柜還具有智能化、高效化、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足不同用戶的需求。因此，深入了解智慧儲(chǔ)能柜的構(gòu)造，對(duì)于推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。
二、智慧儲(chǔ)能柜的基本組成
智慧儲(chǔ)能柜主要由電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)等部分組成。
（一）電池系統(tǒng)
電池系統(tǒng)是智慧儲(chǔ)能柜的核心部分，其主要功能是儲(chǔ)存電能。目前，常用的電池類型有鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池等。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，是目前智慧儲(chǔ)能柜中常應(yīng)用的電池類型。
電池系統(tǒng)通常由多個(gè)電池單體組成，通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接在一起，以滿足不同的電壓和容量需求。為了提高電池系統(tǒng)的性能和安全性，還需要配備電池保護(hù)板、電池均衡器等輔助設(shè)備。
（二）電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)（BMS）是智慧儲(chǔ)能柜的重要組成部分，其主要功能是對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和保護(hù)。BMS 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行充放電管理，防止電池過充、過放、過流、過熱等情況的發(fā)生。同時(shí)，BMS 還可以對(duì)電池進(jìn)行均衡管理，提高電池的一致性和使用壽命。
BMS 通常由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括傳感器、控制器、通信模塊等，軟件部分包括算法、控制策略等。BMS 的性能直接影響著智慧儲(chǔ)能柜的安全性、可靠性和使用壽命。
（三）電氣系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)是智慧儲(chǔ)能柜的重要組成部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)與外部電網(wǎng)或負(fù)載的連接和能量轉(zhuǎn)換。電氣系統(tǒng)通常包括逆變器、充電器、斷路器、接觸器等設(shè)備。
逆變器是智慧儲(chǔ)能柜的核心設(shè)備之一，其主要功能是將電池系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足外部負(fù)載的需求。充電器的主要功能是將外部電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充電。斷路器和接觸器的主要功能是在電路發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)切斷電路，保護(hù)設(shè)備和人員的安全。
（四）散熱系統(tǒng)
散熱系統(tǒng)是智慧儲(chǔ)能柜的重要組成部分，其主要功能是對(duì)電池系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行散熱，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。散熱系統(tǒng)通常采用風(fēng)冷或液冷的方式，通過風(fēng)扇、散熱器、冷卻液等設(shè)備將熱量散發(fā)出去。
在設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時(shí)，需要考慮散熱效率、噪音、可靠性等因素。同時(shí)，還需要根據(jù)智慧儲(chǔ)能柜的使用環(huán)境和工作條件，選擇合適的散熱方式和散熱設(shè)備。
（五）安全防護(hù)系統(tǒng)
安全防護(hù)系統(tǒng)是智慧儲(chǔ)能柜的重要組成部分，其主要功能是對(duì)設(shè)備和人員進(jìn)行安全保護(hù)。安全防護(hù)系統(tǒng)通常包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)等設(shè)備。
在設(shè)計(jì)安全防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮設(shè)備的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，還需要根據(jù)智慧儲(chǔ)能柜的使用環(huán)境和工作條件，選擇合適的安全防護(hù)設(shè)備和措施。
（六）智能控制系統(tǒng)
智能控制系統(tǒng)是智慧儲(chǔ)能柜的核心部分，其主要功能是對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能化控制和管理。智能控制系統(tǒng)通常采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、自動(dòng)控制等功能。
智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求和電網(wǎng)的情況，自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化管理和優(yōu)化運(yùn)行。同時(shí)，智能控制系統(tǒng)還可以與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，提高系統(tǒng)的整體性能和效率。
三、各部分構(gòu)造的詳細(xì)分析
（一）電池系統(tǒng)構(gòu)造
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電池單體
電池單體是電池系統(tǒng)的基本組成單位，通常由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜等部分組成。正極材料通常采用鋰鈷氧化物、鋰鎳錳鈷氧化物等，負(fù)極材料通常采用石墨、硅等。電解質(zhì)通常采用有機(jī)溶劑和鋰鹽組成的液體電解質(zhì)或固體電解質(zhì)。隔膜通常采用聚乙烯、聚丙烯等材料制成，其主要作用是防止正負(fù)極短路。
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電池模組
電池模組是由多個(gè)電池單體通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接在一起組成的。電池模組通常采用金屬外殼或塑料外殼進(jìn)行封裝，以保護(hù)電池單體和提高電池模組的安全性。電池模組內(nèi)部還配備有電池保護(hù)板、電池均衡器等輔助設(shè)備，以提高電池模組的性能和安全性。
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電池包
電池包是由多個(gè)電池模組通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接在一起組成的。電池包通常采用金屬外殼或塑料外殼進(jìn)行封裝，以保護(hù)電池模組和提高電池包的安全性。電池包內(nèi)部還配備有電池管理系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等輔助設(shè)備，以提高電池包的性能和安全性。
（二）電池管理系統(tǒng)構(gòu)造
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傳感器
傳感器是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)。常用的傳感器有電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器等。
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控制器
控制器是電池管理系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是根據(jù)傳感器采集的參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行充放電管理、均衡管理、故障診斷等。控制器通常采用微處理器、單片機(jī)等芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
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通信模塊
通信模塊是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與外部設(shè)備的通信。常用的通信方式有 CAN 總線通信、RS485 通信、以太網(wǎng)通信等。通信模塊可以將電池管理系統(tǒng)采集的參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，如監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)等，以便對(duì)電池進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。
（三）電氣系統(tǒng)構(gòu)造
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逆變器
逆變器是電氣系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其主要功能是將電池系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足外部負(fù)載的需求。逆變器通常采用橋式逆變電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高效率、高可靠性、低諧波等優(yōu)點(diǎn)。逆變器還配備有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等安全保護(hù)設(shè)備，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。
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充電器
充電器是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是將外部電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行充電。充電器通常采用開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高效率、高可靠性、體積小等優(yōu)點(diǎn)。充電器還配備有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等安全保護(hù)設(shè)備，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。
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斷路器、接觸器
斷路器和接觸器是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是在電路發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)切斷電路，保護(hù)設(shè)備和人員的安全。斷路器通常采用空氣斷路器、塑殼斷路器等，接觸器通常采用交流接觸器、直流接觸器等。
（四）散熱系統(tǒng)構(gòu)造
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風(fēng)冷散熱系統(tǒng)
風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是一種常用的散熱方式，其主要由風(fēng)扇、散熱器等組成。風(fēng)扇通過強(qiáng)制對(duì)流的方式將空氣吹過散熱器，將熱量散發(fā)出去。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但散熱效率相對(duì)較低，噪音較大。
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液冷散熱系統(tǒng)
液冷散熱系統(tǒng)是一種高效的散熱方式，其主要由冷卻液、泵、散熱器等組成。冷卻液在泵的作用下循環(huán)流動(dòng)，通過散熱器將熱量散發(fā)出去。液冷散熱系統(tǒng)具有散熱效率高、噪音低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維護(hù)難度較大。
（五）安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)造
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過壓保護(hù)
過壓保護(hù)是安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是在電池系統(tǒng)的電壓超過設(shè)定值時(shí)，及時(shí)切斷電路，防止電池過充。過壓保護(hù)通常采用電壓比較器、繼電器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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過流保護(hù)
過流保護(hù)是安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是在電池系統(tǒng)的電流超過設(shè)定值時(shí)，及時(shí)切斷電路，防止電池過放、短路等情況的發(fā)生。過流保護(hù)通常采用電流傳感器、繼電器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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過熱保護(hù)
過熱保護(hù)是安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是在電池系統(tǒng)的溫度超過設(shè)定值時(shí)，及時(shí)切斷電路，防止電池過熱。過熱保護(hù)通常采用溫度傳感器、繼電器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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短路保護(hù)
短路保護(hù)是安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是在電路發(fā)生短路時(shí)，及時(shí)切斷電路，防止設(shè)備損壞和人員傷亡。短路保護(hù)通常采用熔斷器、斷路器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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接地保護(hù)
接地保護(hù)是安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是在設(shè)備發(fā)生漏電時(shí)，及時(shí)將漏電電流引入大地，防止人員觸電。接地保護(hù)通常采用接地電阻、漏電保護(hù)器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（六）智能控制系統(tǒng)構(gòu)造
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傳感器
智能控制系統(tǒng)通常配備有多種傳感器，如電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。
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控制器
控制器是智能控制系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是根據(jù)傳感器采集的參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能化控制和管理。控制器通常采用微處理器、單片機(jī)等芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
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通信模塊
通信模塊是智能控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)與外部設(shè)備的通信。常用的通信方式有 CAN 總線通信、RS485 通信、以太網(wǎng)通信等。通信模塊可以將智能控制系統(tǒng)采集的參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，如監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)等，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。
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人機(jī)界面
人機(jī)界面是智能控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備的交互。人機(jī)界面通常采用觸摸屏、顯示屏等設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有操作簡(jiǎn)單、直觀方便等優(yōu)點(diǎn)。
四、Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)
（一）系統(tǒng)概述
安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。
（三）系統(tǒng)功能
1.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。
2.設(shè)備監(jiān)控
系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。
PCS監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。
空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。
UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。
3.曲線報(bào)表
系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。
4.策略配置
滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。
5.實(shí)時(shí)報(bào)警
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
6.事件查詢統(tǒng)計(jì)
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
7.遙控操作
可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無(wú)效狀態(tài)。
8.用戶權(quán)限管理
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
9.安科瑞配套產(chǎn)品
五、結(jié)論
智慧儲(chǔ)能柜作為一種新型的儲(chǔ)能設(shè)備，具有高效儲(chǔ)能、智能化管理、安全可靠、靈活應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地解決可再生能源的間歇性問題，提高能源利用效率，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文詳細(xì)介紹了智慧儲(chǔ)能柜的構(gòu)造，包括電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及智能控制系統(tǒng)等方面，分析了各部分的功能和作用。同時(shí)，本文還分析了智慧儲(chǔ)能柜構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，為智慧儲(chǔ)能柜的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供了參考。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的不斷降低，智慧儲(chǔ)能柜將會(huì)在未來(lái)的能源領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
參考文獻(xiàn)
[1]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.
作者介紹
簡(jiǎn)婷，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)?span pingfang="" font-size:="" line-height:="" font-weight:="" font-style:="" vertical-align:="" background-image:="" background-position:="" background-size:="" background-repeat:="" background-attachment:="" background-origin:="" background-clip:="" appearance:="" color:="" style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; font-family: " background:="">企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。
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