張繼鋒 楊明 段建輝 朱小麗 陳力萍
摘要 在配網(wǎng)自動(dòng)化的饋線自動(dòng)化方案中,智能分布式 FA 是目前一種最為快速的就地型饋線自動(dòng)化方案,但是配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變,在異常情況下,各廠家的FA方案很難有效地工作。為此,本文提出了一種在異常情況下的 FA 方案,詳細(xì)闡述了該方案的在異常情況下如何繼續(xù)工作的原理,包括如何繼續(xù)故障隔離和供電恢復(fù)。從試驗(yàn)檢測(cè)看,該方案具有良好的適應(yīng)性。
關(guān)鍵詞:饋線自動(dòng)化;自適應(yīng)自愈型;故障處理
Abstract? Among the feeder automation solutions for distribution network automation, intelligent distributed FA is currently the fastest on-site feeder automation solution, but the distribution network site environment is complex and changeable. Under abnormal circumstances, the FA solutions of various manufacturers are difficult Work effectively. To this end, this paper proposes a FA scheme under abnormal conditions, and details the principle of how the scheme continues to work under abnormal conditions, including how to continue fault isolation and power restoration. From the test inspection, the program has good adaptability.
Keywords: Feeder automation; Adaptive self-healing; Fault handling
0 引言
隨著我國(guó)配電網(wǎng)智能化的快速發(fā)展,饋線自動(dòng)化技術(shù)作為重要的技術(shù)支撐,對(duì)保證配電網(wǎng)供電可靠性有著重要作用[1-2],因此對(duì)饋線自動(dòng)化技術(shù)展開研究及探討具有重要的實(shí)際意義。
目前,國(guó)內(nèi)外有很多文獻(xiàn)提出了智能分布式 FA 的模式和思路,文獻(xiàn)[3] 提出了“子站級(jí)”、“饋線級(jí) ”、“開關(guān)級(jí) ”三種智能 分布式 FA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并構(gòu)建了智能分布式 FA的 IEC61850建模思路;文獻(xiàn)[4]介紹了一種實(shí)時(shí)拓?fù)渥R(shí)別的分布式饋線自動(dòng)化控制方法,提出通過(guò) STU的接力查詢, 自動(dòng)獲得饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的理念;文獻(xiàn) [5]闡述了基于 GOOSE[6]的配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù) ,突出了此技術(shù)的快速 、易擴(kuò)展等特點(diǎn)。以上研究成果對(duì)實(shí) 施智能分布式 FA 提供了巨大的理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo),但是較少文獻(xiàn)從異常情況下詳細(xì)闡述智能分布式 FA的實(shí)用化應(yīng)用。
1 饋線自動(dòng)化異常情況簡(jiǎn)介
饋線自動(dòng)化異常情況(Abnormal Situation Of Feeder Automation)常見(jiàn)的包括FA終端通信中斷、開關(guān)拒動(dòng)、開關(guān)誤動(dòng)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)改變等?!巴ㄐ胖袛唷鳖櫭剂x就是一個(gè)或多個(gè)FA終端的通信中斷,“開關(guān)拒動(dòng)”指斷路器在繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置動(dòng)作或在操作過(guò)程中拉合控制開關(guān)并發(fā)出指令的情況下拒絕動(dòng)作,“開關(guān)誤動(dòng)”指斷路器在繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置動(dòng)作或在操作過(guò)程中動(dòng)作錯(cuò)誤,包括動(dòng)作的位置不正確以及動(dòng)作的指令不正確等。
其中通信中斷及開關(guān)拒動(dòng)為最為常見(jiàn)也是最難處理的故障,本文就分別分析這兩種情況下的饋線自動(dòng)化的處理措施。
2 通信中斷下的FA方案
智能分布式 FA是一種系統(tǒng)性的 FA技術(shù),它不僅依賴于強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò),更要依賴強(qiáng)大的算法,提供應(yīng)用可靠性。目前各大配電設(shè)備廠商及電網(wǎng)公司出于配電網(wǎng)安全可靠的考慮,當(dāng)區(qū)域內(nèi)的任一臺(tái)配電終端檢測(cè)到通信異常時(shí),該配電終端及時(shí)上送通信異常信號(hào)給區(qū)域型配電終端,區(qū)域型配電終端通過(guò)“FA總閉鎖開出”信號(hào)[7]廣播至全區(qū)域單元型終端,以終止當(dāng)前的FA進(jìn)程。但是這種方案,確實(shí)可靠,但是卻不智能,無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的電網(wǎng)環(huán)境。
在現(xiàn)實(shí)情況下FA終端通信中斷(或退出)是很常見(jiàn)的問(wèn)題,如問(wèn)題得不到及時(shí)解決,那么現(xiàn)場(chǎng)的其他FA終端就無(wú)法繼續(xù)起作用,真發(fā)生故障也無(wú)法進(jìn)行故障定位與隔離。因此需要一套通信機(jī)制,當(dāng)一臺(tái)或多臺(tái)FA終端無(wú)法通信時(shí),其他終端仍能繼續(xù)進(jìn)行故障定位、故障隔離與故障恢復(fù)。
2.1? FA終端通信模型
以圖 1所示的一個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)為例,圖中的 3個(gè)變電站線路、7個(gè)分段開關(guān),以及2個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)均配置基于IEC61850[8-9]標(biāo)準(zhǔn)的智能分布式配電終端。配電終端通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接。在本例中,故障點(diǎn)選取在開關(guān)K2和K3之間,另外由于現(xiàn)場(chǎng)異常情況,K2所對(duì)應(yīng)的FA終端通信中斷。
2.2? 故障定位
故障定位是實(shí)現(xiàn)智能分布式 FA 的第一步,也是最為關(guān)鍵的一步,選取一個(gè)具有廣泛適用性的定位模型至關(guān)重要??紤]到配電網(wǎng)線路的繁冗復(fù)雜,若要使故障定位方案具有最大的兼容性,就要將復(fù)雜的配電網(wǎng)肢解到最小的單體。無(wú)論如何繁雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),均是通過(guò)開關(guān)一級(jí)級(jí)的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的,而其中的任一個(gè)開關(guān)即在其位置發(fā)揮著橋梁的作用,所以,本方案選取以開關(guān)接點(diǎn)為單位建立故障定位模型[10],如圖2中的開關(guān)SW為單個(gè)開關(guān)接點(diǎn)模型,在配電網(wǎng)絡(luò)中,開關(guān)SW需與兩側(cè)的其他開關(guān)相連接,于是定義開關(guān)SW兩側(cè)的連接區(qū)域分別為M鄰域和 N鄰域,其中每個(gè)鄰域考慮最大有3個(gè)開關(guān)接點(diǎn)相連接(從近到遠(yuǎn)分別為M1/N1、M2/N2、M3/N3等,可擴(kuò)展)。在線路模型中的開關(guān)分為分段開關(guān)、首開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)及分界開關(guān)等,其中:線路首開關(guān)因?yàn)樘幱陴伨€的首級(jí),所以鄰域只有一個(gè),要么無(wú)M鄰域,要么無(wú)N鄰域。同樣的道理,分界開關(guān)也只有1個(gè)鄰域,且分界開關(guān)在線路中已定位,分界開關(guān)故障時(shí)直接隔離,不參與FA邏輯判斷,故不再敘述。所以常說(shuō)的FA方案都是由首開關(guān)、分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)組成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。
配電網(wǎng)的任何一個(gè)開關(guān)均存在M 鄰域和 N鄰域,只要這兩個(gè)鄰域內(nèi)任何一處發(fā)生故障,那么該開關(guān)即處于故障區(qū)段內(nèi)。故障區(qū)段的定位判據(jù)為:故障后的開關(guān)(開關(guān)的1個(gè)鄰域均有故障且另外一個(gè)鄰域無(wú)故障)到故障前的開關(guān)(開關(guān)的2個(gè)鄰域均有故障,且離故障后的開關(guān)最近的開關(guān))的區(qū)間。
綜上,圖 2中的開關(guān) K3的M鄰域包括K2和K1接點(diǎn),N鄰域包括K4和K7接點(diǎn)。同理開關(guān)K2的M鄰域包括K1接點(diǎn),N鄰域包括K3、K4和K7接點(diǎn)。
當(dāng)故障發(fā)生在開關(guān)K2和K3之間時(shí),對(duì)于K2來(lái)說(shuō)M鄰域的K1檢測(cè)到故障信息,N鄰域的K3檢測(cè)到故障信息,對(duì)于K3來(lái)說(shuō)M鄰域的K1、K2檢測(cè)到故障信息,N鄰域無(wú)開關(guān)檢測(cè)到故障信息,N鄰域滿足故障定位判據(jù),因此故障發(fā)生在K2和K3之間。
2.3? 故障隔離
一旦FA終端確定了自身所屬的開關(guān)接點(diǎn)處于故障區(qū)段,接下來(lái)只需隔離故障前開關(guān)和故障后開關(guān)即可,并根據(jù)拓?fù)湮恢蒙筛綦x順序:
隔離故障前區(qū)域:隔離順序?yàn)镵2---K1,隔離成功后停止;
隔離故障后區(qū)域,隔離順序?yàn)镵3,隔離成功后停止;
在此例中,由于監(jiān)控K2的FA終端掉線,因此K2無(wú)法跳閘隔離,繼續(xù)隔離K1。
因此最終K1跳閘、K3跳閘,隔離的結(jié)果如圖3所示:
2.4? 供電恢復(fù)
一 恢復(fù)非故障區(qū)段供電是實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化的最后一個(gè)環(huán)節(jié),它涉及到故障隔離結(jié)果的檢測(cè)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)的偵查與切換、負(fù)荷轉(zhuǎn)供的預(yù)判以及轉(zhuǎn)供后的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)等。所有FA終端進(jìn)行GOOSE信息交換,統(tǒng)計(jì)每個(gè)開關(guān)的負(fù)荷及首開關(guān)負(fù)荷冗余狀況,在故障隔離完成后,選擇負(fù)荷冗余大的聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。
整個(gè)恢復(fù)供電過(guò)程中,聯(lián)絡(luò)開關(guān)選擇至關(guān)重要。首先要找到聯(lián)絡(luò)對(duì)應(yīng)的首開關(guān),通過(guò)M鄰域關(guān)系可找到最終的M鄰域,就是最終的首開關(guān)。如聯(lián)絡(luò)開關(guān)K7的M鄰域?yàn)镵8、K9,開關(guān)K8的M鄰域?yàn)镵9,開關(guān)K9的M鄰域無(wú),因此聯(lián)絡(luò)開關(guān)K7對(duì)應(yīng)的首開關(guān)為K9。同理聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4對(duì)應(yīng)的首開關(guān)為K6。找到所有首開關(guān)后,核對(duì)首開關(guān)的當(dāng)前負(fù)荷以及對(duì)應(yīng)的線路允許負(fù)荷(首開關(guān)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況配置的參數(shù)),再計(jì)算故障區(qū)域需轉(zhuǎn)供的負(fù)荷[11-12],計(jì)算首開關(guān)線路允許負(fù)荷減去轉(zhuǎn)供負(fù)荷再減去當(dāng)前負(fù)荷的結(jié)果,結(jié)果為正則允許轉(zhuǎn)供,為負(fù)則不允許轉(zhuǎn)供。多個(gè)選擇時(shí),選擇結(jié)果大的那個(gè)轉(zhuǎn)供方案。
如本例中,轉(zhuǎn)供負(fù)荷為20A,當(dāng)前的負(fù)荷K6為15A,K9為20A,K6對(duì)應(yīng)線路允許的最大負(fù)荷為100A,K9對(duì)應(yīng)線路允許的最大負(fù)荷為120A,那么可見(jiàn)通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4轉(zhuǎn)供后的線路冗余為100A-15A-20A=65A,而通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)K7轉(zhuǎn)供后的線路冗余為120A-20A-20A=80A。因此非故障區(qū)域恢復(fù)供電優(yōu)先選擇對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)7合閘。
2.5? 后續(xù)處理
一 故障后FA終端向主站上報(bào)相關(guān)故障信息,由主站通知運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)搶修,故障排除后,可由運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)供電,并匯報(bào)給主站。本例中,故障排除后,需對(duì)K1進(jìn)行合閘操作,由于K3已經(jīng)分閘,無(wú)需恢復(fù)原來(lái)的聯(lián)絡(luò)開關(guān),避免再次停電。這樣,后續(xù)的線路的聯(lián)絡(luò)就發(fā)生改變了,因此可設(shè)置相關(guān)條件,讓開關(guān)自行轉(zhuǎn)換開關(guān)模式,如開關(guān)的2側(cè)線路有壓且電流為0,則轉(zhuǎn)換為聯(lián)絡(luò)開關(guān)模式[13]。
3 開關(guān)拒動(dòng)情況下的FA方案
電力線路或運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),開關(guān)的正確開斷是保護(hù)電網(wǎng)能夠正常運(yùn)行的重要手段。然而某些型號(hào)開關(guān)拒動(dòng)的情況、FA終端遙控執(zhí)行異常等情況依然不時(shí)出現(xiàn),電網(wǎng)中運(yùn)行設(shè)備的開關(guān)拒動(dòng)以及保護(hù)的多重拒動(dòng)或誤動(dòng),都可能引起電網(wǎng)事故,甚至可能迫使電網(wǎng)瓦解并造成大面積的停電事故。
因此當(dāng)FA隔離故障過(guò)程出現(xiàn)開關(guān)拒動(dòng)的情況,仍需擴(kuò)大處理,保證故障隔離。
開關(guān)拒動(dòng)只會(huì)發(fā)生在故障隔離過(guò)程,因此之前的故障定位邏輯都是一致的,在此不再贅述。
3.1? 故障隔離處理
接上文中故障處理后,在開關(guān)K7和開關(guān)K8發(fā)生故障,故障示意圖如下:
當(dāng)故障發(fā)生在開關(guān)K7和K8之間時(shí),對(duì)于K7來(lái)說(shuō)M鄰域的K8、K9開關(guān)檢測(cè)到故障信息,N鄰域的無(wú)開關(guān)檢測(cè)到故障信息,對(duì)于K8來(lái)說(shuō)M鄰域的K9檢測(cè)到故障信息,N鄰域的K7開關(guān)檢測(cè)到故障信息。由于K7的N鄰域滿足故障定位判據(jù),因此故障發(fā)生在K7和K8之間。
在此例中,設(shè)定K8的開關(guān)拒動(dòng),那么FA終端在發(fā)出隔離指令40ms后,未收到隔離成功信號(hào)(分閘信號(hào)),那么繼續(xù)隔離上一級(jí)的開關(guān)K9,因此最終的將是開關(guān)K7和開關(guān)K9進(jìn)行隔離:
3.2? 非故障區(qū)域恢復(fù)供電
本例中,K3和K4為聯(lián)絡(luò)開關(guān),首先通過(guò)鄰域關(guān)系可找到首開關(guān)K1和K6,并計(jì)算需轉(zhuǎn)供的負(fù)荷(故障前K8和K7的負(fù)荷差)。再計(jì)算通過(guò)不同聯(lián)絡(luò)開關(guān)轉(zhuǎn)供后的線路的冗余(各首開關(guān)線路允許負(fù)荷減去轉(zhuǎn)供負(fù)荷再減去當(dāng)前負(fù)荷的結(jié)果,結(jié)果為正則允許轉(zhuǎn)供,為負(fù)則不允許轉(zhuǎn)供),多個(gè)選擇時(shí),選擇線路的冗余大的那個(gè)轉(zhuǎn)供方案[14-15]。
如本例中,轉(zhuǎn)供負(fù)荷為10A,當(dāng)前的負(fù)荷K6為15A,K1為20A,K6對(duì)應(yīng)線路允許的最大負(fù)荷為100A,K1對(duì)應(yīng)線路允許的最大負(fù)荷為120A,那么可見(jiàn)通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4轉(zhuǎn)供后的線路冗余為100A-15A-10A=75A,而通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)K3轉(zhuǎn)供后的線路冗余為120A-10A-20A=90A。因此非故障區(qū)域恢復(fù)供電優(yōu)先選擇對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)1合閘。
3.3? 后續(xù)處理
一 故障后FA終端向主站上報(bào)相關(guān)故障信息,由主站通知運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)搶修,故障排除后,可由運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)供電,并匯報(bào)給主站。本例中,故障排除后,需對(duì)K8進(jìn)行分閘操作,對(duì)K9進(jìn)行合閘操作。故障恢復(fù)后,由于K7兩側(cè)電壓正常,電流為0,轉(zhuǎn)換為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
圖 8是梧州供電公司針對(duì)架空線智能分布式饋線自動(dòng)化的檢測(cè)拓?fù)鋱D,拓?fù)鋱D中有三條 10kV變電站出線,9個(gè)負(fù)荷開關(guān)和 1個(gè)分界開關(guān) ,針對(duì)這10個(gè)開關(guān)各配置 1臺(tái)智能分布式FA終端。
第一步,將上述拓?fù)鋱D形進(jìn)行圖模、文本轉(zhuǎn)換 ,并生成3條供電路徑信息:
i1={K1,P1進(jìn),P1出,P2進(jìn),P2出,K2};
j2={K1,P1進(jìn),P1出,P3出,P3進(jìn),K3};
j3={K2,P2出,P2進(jìn),P3出,P3進(jìn),K3};
第二步,將“支線1”對(duì)應(yīng)的終端設(shè)為分界開關(guān), 將“K1”、“K2”、“K3”對(duì)應(yīng)的終端設(shè)為首開關(guān)。
第三步,擬定圖 8中 M、N標(biāo)識(shí)為各開關(guān)的 M、?N鄰域,并進(jìn)行 G00SE工程化配置,其中 “K1”?的 N鄰域有 “P1進(jìn)”、“P1出”和 “P2進(jìn)”、“P3出”四個(gè)開關(guān)接點(diǎn),進(jìn)行 GOOSE配置時(shí),分別對(duì)應(yīng)N1、N2、N3和N4。“P1進(jìn)”的 N鄰域有 “P1出”、“P2進(jìn)”和“P3出”三個(gè)開關(guān)接點(diǎn),進(jìn)行 GOOSE配置時(shí),進(jìn)行配置時(shí),分別對(duì)應(yīng)N1、N2和N3;“P1進(jìn)”的 M鄰域有“K1”一個(gè)開關(guān)接點(diǎn),進(jìn)行 GOOSE配置時(shí),對(duì)應(yīng)M1。同理其他開關(guān)進(jìn)行配置時(shí),M 鄰域和N鄰域亦然。
至此,即完成 了從實(shí)驗(yàn)拓?fù)涞窖b置工程化配置的轉(zhuǎn)化。
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別針對(duì)正常工況和異常
工況下各個(gè)位置故障進(jìn)行檢測(cè) ,該方案均能活、
正確地進(jìn)行處理 ,下面針對(duì)幾種特殊情況進(jìn)行說(shuō)明。
1)負(fù)荷不轉(zhuǎn)供
如圖8中的G2處故障,試驗(yàn)過(guò)程中開關(guān)K1、P1進(jìn)有故障信息,其他開關(guān)無(wú)故障信息。根據(jù)上文的FA故障定位模型,最終“P1出”判斷出處于故障區(qū)域之后,發(fā)出“本接點(diǎn)相鄰跳閘”信號(hào),?等“P1出”和“P1進(jìn)”跳閘后,“P2進(jìn)”和在“P3出”滿足聯(lián)絡(luò)開關(guān)的合閘條件,計(jì)算相關(guān)負(fù)荷轉(zhuǎn)供,若結(jié)果2個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)均不滿足負(fù)荷轉(zhuǎn)供條件,則發(fā)“FA閉鎖”信號(hào),F(xiàn)A運(yùn)算結(jié)束。
2)通信中斷
如圖8中的G3處故障,試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置中開關(guān)K3對(duì)應(yīng)的FA終端通信中斷。試驗(yàn)過(guò)程中開關(guān)K1、P1進(jìn)、P1出有故障信息,其他開關(guān)無(wú)故障信息。根據(jù)上文的FA故障定位模型,在“P2進(jìn)”判斷出處于故障區(qū)域之后,發(fā)出“本接點(diǎn)相鄰跳閘”信號(hào), 由于K3不在故障區(qū)域,F(xiàn)A繼續(xù)隔離P1出開關(guān),最終隔離如下:
3)通信中斷和開關(guān)拒動(dòng)
如圖8中的G4處故障,試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置開關(guān)P3出、P3進(jìn)對(duì)應(yīng)的FA終端通信中斷,且開關(guān)P2出拒動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中開關(guān)K2、P2出有故障信息,其他開關(guān)無(wú)故障信息。根據(jù)上文的FA故障定位模型斷在“P2進(jìn)”判斷出處于故障區(qū)域之后,發(fā)出“本接點(diǎn)相鄰跳閘”信號(hào),由于開關(guān)P2出拒動(dòng),40ms后無(wú)反饋信息,進(jìn)行故障擴(kuò)大化處理,最終隔離如下:
5 結(jié)論
采用本文所提出的自適應(yīng)自愈型智能饋線自動(dòng)化終端,在發(fā)生故障時(shí)能夠自動(dòng)迅速將故障隔離在最小范圍 ,并自動(dòng)恢復(fù)受故障影響的健全區(qū)域供電。且設(shè)備有較強(qiáng)地適應(yīng)性,在部分設(shè)備通信中斷、開關(guān)拒動(dòng)等異常情況下,沒(méi)有將FA邏輯中止,而是將故障擴(kuò)大化隔離并將恢復(fù)一次進(jìn)行到位 ,因此顯著加快了故障處理速度并減少了故障造成的影響,可以滿足對(duì)供電可靠性要求很高的用戶的需要。該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室模擬配電網(wǎng)上進(jìn)行了全面測(cè)試 ,結(jié)果表明了其可行性。
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作者簡(jiǎn)介
張繼鋒(1986-),男,安徽省合肥市蜀山區(qū)人,學(xué)士,工程師,主要從事電力設(shè)備研究與開發(fā)工作。
楊明(1983-),男,安徽省合肥市蜀山區(qū)人,學(xué)士,工程師,主要從事電力設(shè)備研究與開發(fā)工作。
段建輝(1982-),男,河南省南陽(yáng)市臥龍區(qū)人,碩士,工程師,主要從事電力設(shè)備研究與開發(fā)工作。
朱小麗(1986-),女,安徽省合肥市蜀山區(qū)人,碩士,工程師,主要從事電力設(shè)備研究與開發(fā)工作。
陳力萍(1987-),女,湖北省黃岡市人,碩士,工程師,主要從事電力設(shè)備研究與開發(fā)工作。