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法律状态
2017-10-27
授权
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2015-02-11
实质审查的生效 IPC(主分类):G06Q10/04 申请日:20141015
实质审查的生效
2015-01-14
公开
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技术领域
本发明涉及一种配电网规划方法，特别是关于一种配电网主要设备新建与改造规 划协同优化方法。
背景技术
配电网是电网的重要组成部分，直接面向终端用户，与广大人民群众的生产生活 息息相关。目前，配电网中变电设备、配电设备、线路等主要设备的改造仍然停留在 基于设备健康水平，估算改造工程量和年度改造计划的初级阶段，尚未实现与电力需 求和电网结构等的有效衔接，存在安排停电次数多、经济性水平低等问题。配电网规 划主要包括对新建和改造两类项目的规划，改造期间由于设备退出运行，会暂时削弱 配电网供电能力，降低配电网可靠性水平；新建变配电设施能够提升配电网的可靠供 电能力，可以弥补改造对于配电网供电能力的削弱，但若过早投产将降低配电网设备 利用水平。因此，配电网主要设备新建与改造安排时序需要以规划期内配电网供电能 力综合评估指标最优为目标，合理划分供电区域改造分区，优化协调安排项目改造开 工与新建投产时序。目前，还没有配电网主设备新建与改造规划协同优化算法的研究， 一般只是通过经验来安排项目新建、改造时序，这种经验往往不能全面考虑新建和改 造项目与配电网结构间的有效衔接，且易造成用户停电次数多、时间长、供电能力损 失大等问题。现有聚类分析技术和协同优化方法包括多种多样，其中：
聚类分析技术是研究“物以类聚”的一种多元统计方法，其认为所研究的样本或 指标之间存在着程度不同的相似性，根据一批样本的多个观测指标，将彼此间相似程 度较大的样本聚合为一个指标簇，再将关系密切的簇聚合到一个小的分类单位，关系 疏远的簇聚合到一个大的分类单位，直到把所有样本都聚合完毕，以达到无监督状态 下寻找最优划分的目的。聚类分析的算法主要有：1、层次聚类算法，通过逐步融合数 据点或切分数据组，而把数据分组为一棵层次树的方式获得聚类。层次的方法具体可 以分为凝聚和分裂两种形式，前一种是自下而上的，而后一种则是自上而下的；2、密 度聚类算法，认为一个点到最近邻接点的距离为随机变量，通过定义密度连通来寻找 基于密度的聚类，并且可以通过计算学习到随机变量的分布，适用于维数不高的空间 数据；3、栅格聚类算法，将数据划分为有限的区段，形成数据栅格结构，在每个子区 段上面进行聚类算法，最大优势是计算速度更快。4、划分聚类算法，一般采用贪心启 发式算法，最小化某个优化函数，通过迭代最终获取符合要求的划分分类，实际中使 用最多的K-Means法即为划分聚类算法。
协同优化方法是多学科设计多级优化方法的一种，多用于解决大规模复杂工程优 化、多学科设计优化和异地优化设计等问题，一般分为学科级优化和系统级优化。协 同优化方法将优化问题分解为多个学科优化问题，目标函数采用平方和最小形式，各 学科优化问题在一定程度上独立求解。系统级优化的目的是使原问题目标函数最优， 各学科级优化问题在满足自身约束的情况下，系统级优化使得各学科级优化变量尽可 能地靠近系统级分配的目标变量，并在协调策略影响下实现整体最优。当各学科级变 量的最优解与系统级传递下来的目标变量相重合时，各学科间达到一致，完成协同优 化。
然而，单一应用聚类分析技术或协同优化方法均无法实现对任意地区内配电网项 目改造开工与新建投产时序的优化协调安排。主要是由于现有聚类分析技术并无针对 配电网设备拓扑联络关系和运行状态水平的聚类计算指标，无法将配电网划分为若干 个相对独立又能互送电力的改造分区；同时，由于地区配电网内新建或改造项目繁多， 不进行改造分区划分的情况下，应用现有协同优化方法进行优化计算量大，迭代次数 多，易产生错误解。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种对配电网改造期间供电能力影响最小， 对配电网供电能力综合评估指标最优的配电网主要设备新建与改造规划协同优化方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种配电网主要设备新建与改造规 划协同优化方法，其包括以下步骤：1)根据当前配电网规划期内新建、改造项目总量 和110kV及以下各电压等级配电网地理接线图，设定配电网设备拓扑联络关系指标和 主要设备运行状态水平指标，采用基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算法，将 配电网划分为若干个相对独立又能互送电力的改造分区；2)采用配电网供电能力评估 指标对各改造分区内新建、改造项目对配电网供电能力、供电充裕度等指标进行评估； 3)结合配电网改造和新扩建工程的特点，基于配电网供电能力评估结果，设定配电网 主要设备新建与改造协同优化目标函数与数学模型；4)对改造分区内新建、改造项目 建设时序进行随机排序，形成若干新建与改造项目建设时序方案；然后根据协同优化 数学模型，计算一定时间周期内，改造及新建项目在不同月份开始改造或建成投产的 不同时序方案的目标函数值，对不同方案目标函数计算结果，选取目标函数值最大的 方案，作为新建与改造项目建设时序的推荐方案。
所述步骤1)中，采用所述基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算法对配电 网进行改造分区划分的步骤包括：①获取当前配电网地理接线图及主要设备运行状态， 设定配电网设备拓扑联络关系指标和主要设备运行状态水平指标：配电网设备拓扑联 络关系指标是根据变电站、断路器及线路在配电网中位置与互联关系进行评分，主要 设备运行状态水平指标包括设备运行年限指标、设备健康水平指标和设备缺陷指标； ②结合配电网拓扑联络关系指标矩阵和主要设备运行状态水平指标矩阵，对110kV及 以下各电压等级配电网分别应用基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算法，划分 改造分区：a、对当前配电网设备拓扑联络关系指标矩阵及主要设备运行状态水平指标 矩阵，分别运用改进的分层凝聚聚类分析算法进行聚类，得到基于配电网设备拓扑联 络关系指标的改造分区和基于主要设备运行状态水平指标的改造分区两种方案；b、 110kV及以下各电压等级配电网基于设备拓扑联络关系指标的改造分区划分，需结合 上级变电站站址以及本级配电网拓扑联络关系设定配电网设备拓扑联络关系指标矩阵， 应用改进的分层凝聚聚类分析算法，得到相互匹配的各级配电网改造分区划分方案；c、 同理，结合主要设备运行状态水平指标评分结果，设定主要设备运行状态水平指标矩 阵，应用改进的分层凝聚聚类分析算法，得到110kV及以下各电压等级配电网基于主 要设备运行状态水平指标的改造分区划分方案；d、综合考虑配电网设备拓扑联络关系 指标和主要设备运行状态水平指标两类指标对改造分区聚类划分方案的影响因素，以 设备拓扑联络关系指标为约束判据，综合各类影响因素，遵循不同分区内设备可同时 改造，同一分区内设备有序改造的原则，在基于主要设备运行状态水平指标的改造分 区方案基础上，合理调整设备改造分区，得出最优分区方案。
所述步骤a中，所述改进的分层凝聚聚类分析算法为：采用欧几里得距离算法将 指标数据按照距离远近聚合为数据簇，采用内平方距离算法将数据簇按照距离远近聚 合为若干大类。
所述欧几里得距离算法为：式中，dst为数据或数据相量间距 离；xs和xt为数据或数据相量；所述内平方距离算法为：
式中，dvw为数据簇间距离；xv和xw为数据簇；nv和nw为数据簇中包含的数据个数。
所述步骤3)中结合配电网改造和新扩建工程的特点，基于配电网供电能力评估 结果，设定配电网主要设备新建与改造协同优化目标函数与数学模型：
maxF(f(X1,X2,X3),g(Y1,Y2))＝max(f1(X1,X2,X3)+g1(Y1,Y2),
f2(X1,X2,X3)+g2(Y1,Y2),…,fn(X1,X2,X3)+gn(Y1,Y2))，
其中，
f(X1,X2,X3)＝X1+X2+X3，
g(Y1,Y2)＝Y1+Y2，
式中，X1为配电网改造期间，改造分区内线路改造后配电网供电充裕度与正常方式下 配电网供电充裕度比值之和，用于评估改造期间配电网的线路供电能力；PNSAIi-month为 第i条线路在年度内某月开始改造后，改造期间，配电网的供电充裕度；PNSAIyear-maxload为正常方式下，预计当年配电网最大负荷水平下，配电网供电充裕度；X2为配电网改 造期间，改造分区内变电设备改造后配电网供电充裕度与正常方式下配电网供电充裕 度比值之和，用于评估改造期间配电网的变电设备供电能力；TRj-month为第j台主变压 器在年度内某月开始改造后，改造期间配电网变电容载比；TRyear-maxload为正常方式下， 预计当年配电网最大负荷水平下，配电网变电容载比；X3为配电网改造期间，改造分 区内线路改造后配电网主干线转供率与配电网当年最大负荷水平时主干线转供率比值 之和，用于评估改造期间配电网的线路转供能力；TCNLk-month为第k条主干线路在年度 内某月开始改造后，改造期间，配电网转供率；SDTCyear-maxload为正常方式下，预计当 年配电网最大负荷水平下，中压主干线路的转供率；Y1为改造分区内，若干新建变电 站投运时变电容载比与《配电网规划设计技术导则》规定容载比和规划目标容载比中 较大值的比值之和；TRi-month为第i座新建变电站时，对应供电区投运月的变电容载比， TRguide为《配电网规划设计技术导则》规定容载比，TRtarget为规划目标容载比；Y2为改 造分区内，若干新建线路投运时配电网主干线转供率与上一年度实际值和规划目标值 中较大值的比值之和；TCRNLj-month为第j条线路投运时，对应供电区投运月的配电网 主干线转供率，TCRNLlast-year为上一年度配电网主干线转供率实际值，TCRNLtarget为配 电网主干线转供率规划目标值。
所述步骤2)中评估步骤包括：①获取规划区域当前配电网规划期内新建项目、 改造项目总量及建设时序；②采用配电网供电能力评估指标进行评估，评估指标为： 网络供电充裕度、变电供电充裕度、配电网供电能力变化率和配电网主干线负荷转供 率。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于将配电网划分为 若干个相对独立又能互送电力的改造分区，因此能够在各个分区内协调开展新建、改 造项目，同时实现对配电网供电能力影响最小的发明目的。2、本发明结合配电网设备 改造项目与电力需求和电网结构的衔接需求，既满足供电区域负荷发展需要，降低设 备改造造成的供电能力与可靠性损失，同时又避免新建项目投产过早造成设备利用水 平偏低，确保配电网规划的技术经济整体最优。本发明可广泛用于配电网规划中。
附图说明
图1是本发明配电网主要设备新建与改造规划协同优化方法流程示意图；
图2是本发明某区域110kV配电网地理接线示意图,图中◎表示220kV变电站，位 于左侧的220kV梅梁变所出两条较粗实线表示220kV线路，○表示110kV变电站，由 ◎出线连接各○较细的实线表示110kV线路，虚线所围绕的○表示将要异地迁建的 110kV变电站；
图3是本发明某区域10kV配电网地理接线示意图，图中表示110kV变电站， 连接各的实线表示10kV线路；
图4是本发明某区域110kV配电网改造分区划分示意图；
图5是本发明某区域10kV配电网改造分区划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1)根据当前配电网规划期内新建、改造项目总量和110kV及以下各电压等级配电 网地理接线图，设定配电网设备拓扑联络关系指标和主要设备运行状态水平指标，采 用基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算法，将配电网划分为若干个相对独立又 能互送电力的改造分区，以达到各个分区内能够协调开展新建、改造项目，同时对配 电网供电能力影响最小的目的。采用基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算法对 配电网进行改造分区划分包括以下步骤：
①获取当前配电网地理接线图及主要设备运行状态，设定配电网设备拓扑联络关 系指标和主要设备运行状态水平指标：
a、配电网拓扑联络关系指标：根据变电站、断路器及线路在配电网中位置与互联 关系进行评分，并将评分结果以设备联络关系指标矩阵的形式表示；联络关系指标评 分分值为0、1、50和100，其中0分表示联络设备为设备自身，1分表示设备之间具 有直接联络关系，50分表示设备之间具有间接联络关系，100分表示设备之间无联络 关系。通过设备联络关系指标的矩阵，能够清晰的以数据形式反映配电网的网络拓扑 结构与设备间转供转带负荷的能力。
b、主要设备运行状态水平指标：其包括设备运行年限、健康水平、是否存在家族 质量缺陷或老化缺陷等各类状态指标。本发明是根据设备健康水平指标、设备运行年 限指标、设备缺陷指标进行评分，并将评分结果以主要设备运行状态水平指标矩阵的 形式表示，通过主要设备运行状态水平指标矩阵能够清晰的以数据形式反映配电网主 要设备运行状态。其中：
设备健康水平指标评分，分值为0～1，0表示所有设备运维监测数据均远离注意 值或与优质产品的出厂值相近，既没有经历不良工况，又没有家族质量不合格史，无 需改造更换，1表示设备需要立即安排改造，其他情形的状态评分介于0分与1分之 间；
设备运行年限指标评分，对设备运行年限评分公式为t＝C/L，其中，t为设备运 行年限指标，C为设备运行实际年限，L为设备设计寿命；变压器、线路、开关设备的 设计寿命一般为30年
设备缺陷指标评分，分值为0和1，0表示既没有经历不良工况后产生的缺陷，又 没有家族性缺陷，无需改造更换，1表示设备经检修存在严重缺陷，需优先安排改造 更换。
②结合配电网拓扑联络关系指标矩阵和主要设备运行状态水平指标矩阵，对 110kV及以下各电压等级配电网分别应用基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算 法，合理划分改造分区：
a、对当前配电网设备拓扑联络关系指标矩阵及主要设备运行状态水平指标矩阵， 分别运用改进的分层凝聚聚类分析算法进行聚类，进而得到基于配电网设备拓扑联络 关系指标的改造分区和基于主要设备运行状态水平指标的改造分区两种方案。改进的 分层凝聚聚类分析算法进行聚类为：采用欧几里得距离算法将指标数据按照距离远近 聚合为数据簇，采用内平方距离算法将数据簇按照距离远近聚合为若干大类。
其中，欧几里得距离算法：
式中，dst为数据或数据相量间距离(相似度)；xs和xt为数据或数据相量。
内平方距离算法：
式中，dvw为数据簇间距离(相似度)；xv和xw为数据簇；nv和nw为数据簇中包含 的数据个数。
b、110kV及以下各电压等级配电网基于设备拓扑联络关系指标的改造分区划分， 需结合上级变电站站址以及本级配电网拓扑联络关系设定配电网设备拓扑联络关系指 标矩阵，应用改进的分层凝聚聚类分析算法，进而得到相互匹配的各级配电网改造分 区划分方案。
c、同理，结合主要设备运行状态水平指标评分结果，设定主要设备运行状态水平 指标矩阵，应用改进的分层凝聚聚类分析算法，得到110kV及以下各电压等级配电网 基于主要设备运行状态水平指标的改造分区划分方案。
d、综合考虑配电网设备拓扑联络关系指标和主要设备运行状态水平指标两类指标 对改造分区聚类划分方案的影响因素，给出配电网设备改造分区最优方案：
若单一考虑配电网设备拓扑联络关系指标或主要设备运行状态水平指标对改造分 区进行聚类划分，其分区结果均存在一定缺陷。例如仅依据配电网设备拓扑联络关系 指标的分区方案未考虑设备改造需求的紧急程度，可能导致某一分区设备改造需求较 大，集中开展改造将会导致用户停电风险增加，配电网安全运行水平降低；仅依据主 要设备运行状态水平指标的分区方案无法兼顾设备间负荷转供关系，改造项目较为分 散可能造成安排停电次数多、停电损失大等问题。因此设备改造分区方案须在考虑设 备改造需求紧急程度的基础上，以设备拓扑联络关系指标为约束判据，综合考虑以上 几类影响因素(如配电网设备拓扑联络关系、设备运行状态水平、负荷转供关系等)， 遵循不同分区内设备可同时改造，同一分区内设备有序改造的原则，在基于主要设备 运行状态水平指标的改造分区方案基础上，合理调整设备改造分区，得出最优分区方 案。
2)采用配电网供电能力评估指标对各改造分区内新建、改造项目对配电网供电能 力、供电充裕度等指标进行评估，评估新建项目对配电网供电能力是否提升和转供能 力是否加强，以及改造项目在改造期间对配电网供电充裕度的影响和供电损失对供电 可靠性带来的风险，包括以下步骤：
①获取规划区域当前配电网规划期内新建项目、改造项目总量及建设时序；
②采用配电网供电能力评估指标进行评估，评估指标包括：
a、网络供电充裕度(PNSAI—Power Network Supplying Abundance Index)，用 于评估配电网中各级电网的供电能力，评估对象为配电网中由线路部分构成的各级电 网网络。计算方法如下：
式中：PNSAI为配电网供电充裕度；MNSPL(Max Net Supplying Power Load) 为配电网所能供给的最大有功负荷，表示正常运行方式下，在配电网电压水平满足限 值和输配电线路满足极限传输容量条件下，配电网能送出的电力负荷合计的最大值； MPL(Max Present Power Load)为最大现状有功负荷，表示当前负荷水平条件下， 配电网中负荷节点的有功负荷的合计数最大值。
b、变电供电充裕度(TR—Transform capacity-load ratio)，即本级电网变电容 载比，反映本级电网现有变电容量保障负荷供电的充裕度。计算方法如下：
式中：TR为本级电网变电容载比；MAX(∑TPi)为本级电网中变电站主变高压卷 同一时刻的电力负荷合计最大值；∑TSei为本级电网中变电站主变容量合计。
c、配电网供电能力变化率(PGSPCR—Power Grid Supplying Power Change Rate)， 反映对比正常网络结构，配电网失去任一条线路的情况下，配电网供电充裕度变化。 用于评估配电网结构的合理性。计算方法如下：
式中：PGSPCRi为第i条线路停运后，配电网供电能力变化率；MNSPL(Power Grid Max Supplying Power Load)为对应正常网络结构的配电网所能提供的最大供电负荷； MNSPLi为第i条线路停运后，配电网所能供给的最大负荷。
d、配电网主干线负荷转供率(TCRNL—Transferable Capacity Ratio by Neighbouring Middle Voltage Trunk Line)，反映N-1条件下(即配电网失去一条线 路的条件下)，相邻中压(10kV)线路保障停运线路所带负荷的能力。计算方法如下：
式中：TCRNLi为第i条线路的主干负荷转供率；TCNLi(i-th line Transferable Capacity by Neighbouring Middle Voltage Trunk Line)为第i条线路能够被相邻线 路转供负荷的配变负荷；SDTCi(i-th line Supplying Distribution Transformer Capacity)为正常运行方式下，第i条路供电的配变总负荷。
3)结合配电网改造和新扩建工程的特点，基于配电网供电能力评估结果，设定配 电网主要设备新建与改造协同优化目标函数与数学模型：
maxF(f(X1,X2,X3),g(Y1,Y2))＝max(f1(X1,X2,X3)+g1(Y1,Y2),
f2(X1,X2,X3)+g2(Y1,Y2),…,fn(X1,X2,X3)+gn(Y1,Y2))
其中：
f(X1,X2,X3)＝X1+X2+X3
g(Y1,Y2)＝Y1+Y2
式中，X1为配电网改造期间，改造分区内线路改造后配电网供电充裕度与正常方 式下配电网供电充裕度比值之和，用于评估改造期间配电网的线路供电能力。 PNSAIi-month为第i条线路在年度内某月开始改造后，改造期间，配电网的供电充裕度； PNSAIyear-maxload为正常方式下，预计当年配电网最大负荷水平下，配电网供电充裕度。
X2为配电网改造期间，改造分区内变电设备改造后配电网供电充裕度与正常方式 下配电网供电充裕度比值之和，用于评估改造期间配电网的变电设备供电能力。 TRj-month为第j台主变压器在年度内某月开始改造后，改造期间配电网变电容载比； TRyear-maxload为正常方式下，预计当年配电网最大负荷水平下，配电网变电容载比。
X3为配电网改造期间，改造分区内线路改造后配电网主干线转供率与配电网当年 最大负荷水平时主干线转供率比值之和，用于评估改造期间配电网的线路转供能力。 TCNLk-month为第k条主干线路在年度内某月开始改造后，改造期间，配电网转供率； SDTCyear-maxload为正常方式下，预计当年配电网最大负荷水平下，中压主干线路的转供 率。
Y1为改造分区内，若干新建变电站投运时变电容载比与《配电网规划设计技术导 则》规定容载比和规划目标容载比中较大值的比值之和。TRi-month为第i座新建变电站 时，对应供电区投运月的变电容载比，TRguide为《配电网规划设计技术导则》规定容载 比，TRtarget为规划目标容载比。
Y2为改造分区内，若干新建线路投运时配电网主干线转供率与上一年度实际值和 规划目标值中较大值的比值之和。TCRNLj-month为第j条线路投运时，对应供电区投运 月的配电网主干线转供率，TCRNLlast-year为上一年度配电网主干线转供率实际值， TCRNLtarget为配电网主干线转供率规划目标值。
4)不考虑检修及运行方式改变的情况下，对改造分区内新建、改造项目建设时序 进行随机排序，形成若干新建与改造项目建设时序方案。根据协同优化数学模型，计 算一定时间周期内，改造及新建项目在不同月份开始改造或建成投产的不同时序方案 的目标函数值，对不同方案目标函数计算结果，选取目标函数值最大的方案，作为新 建与改造项目建设时序的推荐方案。
上述协同优化规划方法综合评估了配电网在改造期间不同的新建与改造项目建设 时序对于配电网网络供电充裕度、变电供电充裕度、供电能力变化率、主干线负荷转 供率等配电网供电能力评估指标的影响，能够寻优得到最佳的新建与改造项目建设时 序安排方案，最大程度避免改造项目对于配电网供电能力的影响，保障配电网安全可 靠运行。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的描述：
某电压序列为110/10kV的区域配电网，其110/10kV配电网地理接线图如图2和 图3所示，区域内已有若干近一年内需新建与改造的配电网项目。其中，图2中◎表 示220kV变电站，位于图2左侧的220kV梅梁变所出两条较粗实线表示220kV线路， ○表示110kV变电站，由◎出线连接各○较细的实线表示110kV线路，虚线所围绕的 ○表示将要异地迁建的110kV变电站；图3中表示110kV变电站，连接各的实线 表示10kV线路。在此区域内应用基于配电网拓扑结构聚类的改造分区划分算法，将区 域配电网划分为四个改造分区。
如图4和图5所示，分区一包括110kV横街变、110kV联络线，及其10kV配套联 络线、配变；分区二包括110kV仕港变、110kV联络线，及其10kV配套联络线、配变； 分区三包括110kV新庄变、110kV联络线，及其10kV配套联络线、配变；分区四包括 110kV云林变、布政变、110kV联络线，及其10kV配套联络线、配变。在四个分区内 分别完成改造、新建项目建设时序优化安排，例如，分区二内原有项目建设改造时序 如下(如表1所示)：
表1 配电网项目新建与改造时序优化结果
改造项目多集中于4、5月，新建项目多集中于7、8月。如果采用本发明的配电 网主要设备新建与改造规划的协同优化方法，实现第二分区内项目改造与建设时序安 排，目标函数计算结果由原有改造时序的12.57提高至时序优化后的19.23，相较未 优化方案各项配电网供电能力评估指标得到明显改善，即按照优化方案安排新建与改 造项目时序，配电网在改造期间受到的影响最小，最大限度保障配电网安全、可靠运 行。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各个步骤等都是可以有所变化的，凡是在 本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之 外。
机译： 处理从主要设备到备用发送器设备的操作转移，而无需重新建立数据链路。
机译： 密封框架，即单件式密封框架，用于房屋建筑（即新建筑物），其弹簧部分布置在密封条部分的侧面并布置在主要部件的凹槽中，用于将框架固定在主要部件上
机译： 用于在配电网中进行配电时连接到配电网的风轮机的方法，一种配电网风轮机
