最新PLC在自动重合闸中的应用

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P L C在自动重合闸中
的应用
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工业企业供电课程报告PLC在自动重合闸中的应用
学生姓名：
班级学号：
任课教师：刘云静
提交日期：2011.12.8
成绩：
目录
1.应用背景、现状和意义[1-3]
近几年来, 工业企业对供电可靠性及电能质量的要求越来越高。

电网容量和电压等级也不断扩大，电网结构也变得越来越复杂。

220kV输电线路，由于其具有电能输送效率高、输送距离较适中等优点，被广泛应用到区域配电网建设中，成为区域经济生产发展的重要能源支柱。

电能供电质量水平要求的进一步提高，对电网供电可靠性也提出更苛刻的要求。

电力系统中通常采用继电保护装置实现纵联差动保护来快速准确的操作分支运断路器切除输电线路故障或事故分支节点，防止事故的进一步扩大。

由于计算机技术的高速发展, 一些大型工业企业已实现了对其各级变电站进行远方集中控制, 企业内部的分散变电站实现了无人值班。

但在实际运行过程中发现，220KV输电线路所发生的绝大部分故障均是临时或者瞬时性的，对于这类瞬时性故障而跳闸的线路, 如能在故障消失后迅速恢复送电, 则可大大提高供电的可靠性。

因此，可以利用自动重合闸装置在线路发生故障通过继电保护装置跳闸后，延时操作断路器重新合闸以恢复输电线路供电，提高输电线路综合供电质量水平。

这给自动重合闸装置提供了良好的发展平台。

传统的自动重合闸装置由各种继电器及控制开关构成,由于连接导线繁多,继电器的寿命有限, 容易发生装置的误动和拒动, 影响电力系统的可靠性; 其定时单元由机电式或晶体管式时间继电器构成, 误差大且调整不方便,影响上下级保护装置动作时限的配合；装置的功能单一,不利于实现电力系统自动化,且体积大, 有色金属消耗多, 噪音大。

PLC是一种性能较好的控制器，在恶劣的工作环境下能可靠地工作，其平均故障时间间隔(MTBF)在5~10000h以上。

用PLC实现自动重合闸，可用其内部已定义的各种辅助继电器代替传统的机械触点继电器,通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接线,从根本上简化动作的物理链条。

从继电过流保护动作启动开始,仅经过PLC的逻辑处理后就可直接发出重合闸动作信号,动作过程无触点参与。

PLC控制方式既克服了使用传统继电器所带来的种种弊端,又兼容传统继电器的设计思想和技术方案。

而且PLC构成的自动重合闸装置调试简单,组态灵活,可靠性高,具有扩展性，且具有连线简单,工作可靠,便于调试、调整和维护,可实现远程通讯。

因此, PLC 构成的自动重合闸装置具有广阔的应用前景。

2.认识自动重合闸装置[1]
自动重合闸装置（ZCH）又称自动重合器，是用于配电网自动化的一种智能化开关设备，它能够检测到故障电流、在给定时间内断开故障电流并能进行给定次数重合的一种“自具”能力的控制开关。

所谓“自具”是只重合闸装置本身具有故障电流检测和操作顺序控制与执行的能力，无需附加继电保护装置和另外的操作电源，也不需要和外界通信。

当线路发生短路故障时，它按顺序及时间间隔进行开断及重合的操作。

当遇到永久性的故障，在完成预定复位才能解除闭锁。

若重合失败，则闭锁在分闸状态，把事故区段隔开；当故障接触后，需要手动复位才能解除闭锁。

如果是瞬时性故障，则在循环分、合闸的操作中，无论哪次重合成功，则终止后续
的分、合闸，并经过一定延时后恢复初始的整定状态，为下次故障的来临做好准备。

重合闸装置课按预先整定的动作顺序进行多次分、合闸的循环操作。

2.1重合闸装置的分类
按照不同的的分类标准，重合闸装置有如下一些分类：
（1）按相分类——单相和三相。

两者动作原理类似，使用时根据配电网结构不同而进行选择，对于三相中性点不接地系统，一般不宜采用单相重合闸装置，否则造成非三相运行；单相重合器主要用于中性点直接接地系统，允许电气设备作为单相运行。

（2）按结构分类——整体式和分布式
所谓整体式是指重合闸装置中得断路器本体与其控制部分是密不可分的。

整体式重合闸装置采用高压（10KV）操动机头，可用于户外10KV电杆上，无需另外的操作电源，直接由所控制的10KV线路供给；但因为采用高压合闸线圈，对绝缘水平要求高，有时会因绝缘水平难以保证导致线圈发热，匝间绝缘损坏，造成重合闸装置爆炸的事故。

所谓分布式是指重合闸装置采用积木式结构，例如本体、操动机构、控制电路是分开的3个部分。

分布式重合闸装置采用低电压（220V）操动机构，这样避免了高压电源进行调试的复杂性和危险性，安装、检修都较为方便。

（3）按灭弧介质分——油、真空、SF6。

油重合闸装置出现的最早，运行历史最长，一般采用液压控制。

油重合闸装置有两个固有缺点：因油属非自恢复绝缘介质，故其维修较频繁，至少3年需要换油、检修一次；有火灾危险。

现在来看其技术相对落后，国内已基本淘汰。

真空灭弧室于20世纪60年代用于重合闸装置设计。

真空灭弧室的有点是开断寿命长，无需检修，无火灾危险。

到了90年代后期，随着真空泡制造技术的飞速发展，真空重合闸装置已逐步成为国内外重合闸装置市场上的主流产品。

SF6重合闸装置将干燥的SF6充入密闭的开关本体中，作为开关设备的绝缘和灭弧介质。

SF6气体具有极好的绝缘和灭弧性能，但其分解物具有一定的毒性，其本身也是温室效应的主要因素之一，如果泄漏将会对人和环境造成一定的损害，因此做好开关箱体的密封和SF6气体的回收、处理工作。

（4）按控制方式分类——液压控制、电子控制
液压控制有单液压系统和双液压系统两种。

液压控制的主要有点是简单、可靠、经济、耐用，不受电磁的干扰，这些优点对于农村电网和距离配电站较远的设备很有用。

液压控制的缺点，是保护特性无法做到足够稳定、精确和快速，选择范围窄，受温度影响较大，特性调整不方便等。

电子控制有分立电路和集成电路两种。

分立式电子电路与集成式电路相比，其优点是价格便宜，元件耐用，维修简单；其缺点是体积大，功能少，插件多，选择范围窄，调整不便，可靠性差。

以集成电路为基础的微机控制于20世纪80年代应用于重合闸装置，其典型产品为英国的ESR型和PMR型重合器。

重合闸装置控制所用微机为单片机，其主要优点是体积小，功能强，重合器的分闸电流、分闸次数、操作顺序、分闸时延、合闸间隔、复位时间等特性的整定，都可以简单地在控制箱上通过控制面板整定，使用极为方便，这对改善保护配合，提高供电可靠性，提高运行自动化程度意义很大。

（5）按重合闸的控制器安装方式分类
①室外就地安装：安装在断路器下面的水泥杠上。

②集控态势安装：室内集中控制，安装在集控台内。

③集控屏式安装：安装在集控屏内。

④10KV配电线路：安装在电杆上，并配有装用电源给重合闸装置供交流220V 电源。

3.传统的自动重合闸装置[3]
3.1 电气一次自动重合闸装置的工作原理
YR--跳闸线圈；YO--合闸线圈；KO--合闸接触器；KAR--重合闸继电器；
KM—保护装置出口触点；SB1—合闸按钮；SB2—跳闸按钮
（1）电气式一次自动重合闸基本原理的电器简图如图所示。

手动合闸时，按下合闸按钮SB1，使合闸接触器KO通电动作，从而使合闸线圈YO动作，使断路器QF合闸。

手动跳闸时，按下跳闸按钮SB2，使跳闸线圈YR通电动作，使断路器QF跳闸。

当一次电路发生短路故障时，保护装置动作，其出口触点KM闭合，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF自动跳闸。

与此同时，断路器辅助触点QF3-4闭合，而且重合闸继电器KAR起动，经整定的时间后其延时闭合的动作触点闭合，使合闸接触器KO通电动作，从而使断路器QF重合闸。

如果一次电路上的短路故障是瞬时性的，及经消除，则可重合成功。

如果短路故障尚未消除，则保护装置又要动作，KM的触点闭合又使断路器QF再次跳闸，由于一次自动重合闸采取了防跳措施，因此不会再次重合闸。

3.2 电气式一次自动重合闸装置示例
WC-控制小母线；SA1-控制开关；SA2选择开关；KAR─DH-2型重合闸继电器（内含KT时间继电器、KM中间继电器、HL指示灯及电阻R、电容C等）；KM1-防跳继电器（DZB-115型中间继电器）；KM2-后加速继电器（DZS-145型中间继电器）；KS-DX-11型信号继电器；KO-合闸接触器；YR-跳闸继电器；XB-连接片；
QF-短路器辅助触点
(2) 电气式一次自动重合闸装置示例
1）电气式一次自动重合闸装置的工作原理：
线路正常运行时，控制开关SA1和选择开关SA2都扳倒合闸（ON）位置，自动合闸装置投入工作。

这时重合闸继电器KAR中的电容C经R4充电，同时指示灯HL亮，表示控制小母线WC的电压正常，电容C处于充电状态。

当一次电路发生短路故障而使断路器QF自动跳闸时，断路器辅助触点QF 1-2闭合，而控制开关SA1仍处在合闸位置，从而接通KAR的起动回路，使KAR中的时间继电器KT经其本身的动断触点KT 1-2而动作。

KT动作后，其动断触点KT 1-2断开，串入电阻R5，使KT保持动作状态。

时间继电器KT动作后，经一定延时，其延时闭合的动合触点KT3-4闭合，这时电容C对KAR中的中间继电器KM的电压线圈放电，使KM动作。

中间继电器KM动作后，其动断触点KM 1-2断开，使指示灯HL熄灭，这表示KAR已经动作，其出口回路已经接通。

合闸接触器KO由控制小母线WC经SA2、KAR 中的KM 3-4、KM 5-6两对触点及KM的电流线圈、KS线圈、连接片XB/触点KM1的3-4和断路器辅助触点QF3-4而获得电源，从而使断路器QF重新合闸。

由于中间继电器KM是电容C放电而动作的，但电容C的放电时间不长，因此为了使KM能够自保持，在KAR的出口回路窜入了KM的电流线圈，借KM本身的动合触点KM3-4和KM5-6闭合使之接通，以保持KM动作状态。

在断路器QF合闸后，其辅助触点QF3-4断开而使KM得自保持解除。

在KAR的出口回路中串联信号继电器KS是为了记录KAR的动作，并未对KAR动作发出灯光信号和音响信号。

断路器重合成功以后，所有继电器自动返回，电容C又恢复充电。

要使自动重合闸装置退出工作，可将SA2扳倒断开（OFF）位置，同时将出口回路中的连接片XB断开。

2）图2-2所示的电器一次自动重合闸装置电路中，采用了两项“防跳”措
施：
①在KAR的中间继电器KM的电流圈回路（及其自保持回路）中，串接了它自身的两对动合触点KM3-4和KM5-6，这样，万一其中一对动合触点被粘住，另一对动合触点仍能正常工作，不致发生断路器“跳动”现象。

②为了防止万一KM的两对触点KM3-4和KM5-6同时呗粘住时断路器仍可能“跳动”，故在断路器的跳闸线圈YR回路中，又串接了防跳继电器KM1的电流线圈。

3.3 提出用新的方法来改进传统自动重合闸装置的不足
传统的输电线路三相自动重合闸装置常采用继电器控制方式, 由于继电器元件应用较多, 而且是有触点元件, 运行中会造成触点的拒动作、误动作、粘连和卡住现象, 使自动重合闸装置的工作可靠性差.利用PLC构成自动重合闸装置的控制系统, 可以克服传统控制方式的不足, 而且具有连线简单, 工作可靠, 便于调试、调整和维护, 还可以和计算机联网进行远程集中控制等优点。

采用新方法：
1.用PLC来控制自动重合闸。

2.用单片机来控制自动重合闸。

考虑到个人因素以及PLC简单实用，可靠性高的特点，选用了用PLC来控制
自动重合闸。

4.PLC在自动重合闸控制中的应用[5-10]
4.1 对自动重合闸的一些基本要求
1) 当手动操作或遥控操作将断路器断开时, 重合闸不应动作。

2) 当手动或遥控操作断路器合上“永久性”故障线路时, 继电保护动作断路器立
即断开, 此时重合闸不应动作。

3) 除上述原因外, 由于继电保护动作或其它原因使断路器跳闸时, 自动重合闸应动作使断路器重合闸。

4) 自动重合闸次数应符合预先规定。

一般重合闸只动作1次, 即当断路器重新
合上后, 由于线路“永久性”故障, 继电保护再次动作断开断路器, 此时重合闸
不应再动作。

5) 应能和保护装置配合, 实现前加速或后加速保护, 缩短故障存在的时间。

6) 对于线路“瞬时性”故障, 重合闸动作成功恢复供电后, 应能自动延时复归,
准备好下一次动作。

7) 对于线路“永久性”故障, 继电保护加速跳闸后, 重合闸功能被故障信号闭锁, 直至人工(包括遥控)复归。

4.2 PLC型号选择及I/O端子分配
由自动重合闸装置的功能可知，系统的控制输入信号有：过流保护、自动重合闸装置投入选择、前加速选择、重合闸闭锁复位按钮、手动合闸按钮、手动分闸按钮。

输出信号有：合闸线圈、跳闸线圈、报警灯、跳闸状态显示灯、合闸状态显示灯。

共6个输入，4个输出，且都是开关量。

由于输入点较少，因此PLC的选型范围较宽，这里以我们学过的西门子S7系列产品为例，其I/O分配表格以及外部接线图如下：
I/O端子定义
4.3 控制过程流程图分析
PLC 外部接线图
Q0.3
Q0.4
从流程图上，我们便可清晰的知道所设计的自动重合闸装置的功能以及控制顺序和方式。

4.4PLC控制的自动重合闸梯形图设计
当所采用的PLC产品系列不同，则梯形图设计有差别，这里以我们学过的西门子产品系列为例，做出自动重合闸装置的梯形图。

自动重合闸PLC梯形图
4.4.1 工作原理分析
系统处于允许自动重合闸方式时KC(I0.2) 闭合,反之处于手动状态KC(I0.2)断开；系统处于前加速保护状态时开关KJ(I0.3)闭合, 反之KJ(I0.3)断开；为了能表示出断路器分闸合闸的瞬间状态，设置Q0.3和Q0.4，分别代表断路器跳闸和合闸状态显示，并且实验仿真让其作为输出点，用小灯显示其的得电与否；当线路发生故障时,过电流保护继电器GL动作, I0.1常开触点闭合。

（1）当KC闭合且系统处于前加速保护状态发生故障时,有电流经过I0.3→
M0.2→I0.1→Q0.3→Q0.1线圈,使Q0.1得电动作,跳闸线圈TQ受电动作,断路器跳闸; 断路器断开后Q0.3亮,第一次条闸，其常闭触点切断Q0.1供电,跳闸指令结束。

断路器分闸后,系统动作情况取决于是否处于自动重合闸状态；若系统处于不自动重合闸状态,则系统分闸后不再重合闸；若系统处于自动重合闸方式,在断路器跳闸后,电流经I0.2→Q0.3→M0.1→M0.2→T38 线圈,使T38得电计时,T38
延时时间到达后,接通Q0.0线圈,发出自动重合闸指令,合闸线圈HQ动作, 断路器重合闸，同时Q0.4亮，Q0.3灭，代表第一次合闸。

当Q0.0线圈动作,其常开触点Q0.0 经过Q0.0→T39→M0.2线圈,使得M0.2得
电并自锁,其常闭触点断开,T38线圈电路将不能再得电,这样就可以避免系统反
复重合于永久性故障电路。

断路器合闸后,Q0.0常闭触点闭合,时间继电器T39开始计时,只有经过25s后,断路器触头周围介质绝缘强度回复,切断能力获得恢复, 系统才又可以继续进行下一次自动重合闸。

若此时发生的是瞬时故障,在分闸合闸期间,故障消失,则I0.1断开,系统重合闸成功。

若此时发生的是永久故障,则I0.1仍然是闭合的,虽然M0.2的常闭触点断开了, 但经过T37延时后,经T37常开触点→I0.1常开触点→Q0.3常闭触点→Q0.1线圈, 使Q0.1得电动作,再次发出跳闸指令，同时Q0.3亮，Q0.4灭，说明第二次跳闸成功。

跳闸指令发出后,由于M0.2 得电自锁尚未断开,经过M0.2→Q0.1→M0.1, M0.1得电自锁,使得T38不能得电,自然也就不能在出现第二次自动重合闸了,实
现了分闸,并通过Q0.2发出报警信号。

(2) 当KC闭合且系统处于后加速保护状态系统处于后加速保护状态时,由于
I0.3断开,I0.3→M0.2→I0.1→Q0.3→Q0.1线圈不能得电,只有等T37延时时间达到后, 电流经T37→I0.1→Q0.3→Q0.1,使Q0.1得电动作,跳闸线圈TQ受电动作,
断路器跳闸，Q0.3亮，代表断路器跳闸。

若系统处于自动重合闸方式,电流经过I0.2→I0.0 常闭触点(断路器已断开) →M0.1常闭触点→M0.2常闭触点→T38线圈,T38得点,延时时间到达后,接通Q0.0线圈,发出自动重合闸指令，同时Q0.4亮，Q0.3灭，表示第一次合闸。

当Q0.0线圈动作,其常开触点Q0.0 经过Q0.0→T39→M0.2线圈,使得M2得电, 为拒绝重合作准备。

当断路器闭合后其断路器常开触点I0.0闭合,其常闭触点断开, 切除T38线圈供电,T38复位,切除Q0.0线圈供电,重合闸指令执行结束。

若此时是永久故障,则I0.1仍然是闭合的,而且此时T37延时时间也早到了,经T37常开触点→I0.1常开触点→Q0.3常开触点→Q0.1线圈,使Q0.1得电动作,发出快速分闸指令，Q0.3亮，表示第二次跳闸；分闸指令发出后,由于M0.2得电尚未复位,经过M0.2→Q0.1→M1, M1得电自锁,使得T38不能得电,自然也就不能在出现第二次自动重合闸了,实现了分闸,并通过Q0.2发出报警信号。

若此时发生的是瞬时故障,在分闸合闸期间,故障消失,则I0.1断开,系统重合闸成功。

(3) 当开关KC(I0.2)断开,系统处于手动控制方式,不能自动重合闸。

按下手动合闸按钮,电流经I0.6→Q0.4常闭触点→I0.2→I0.5→Q0.0 线圈,使得Q0.0得电,实现合闸动作，同时Q0.4亮，切断了Q0.0合闸线圈，保证其不会第二次动作。

当Q0.0线圈动作,其常开触点Q0.0经过Q0.0→T39→M0.2线圈,使得M0.2得电,为拒绝重合闸作准备。

按下手动分闸按钮，电流经I0.5常开触点→I0.2常闭触点→I0.6常闭触点→Q0.3常闭触点→Q0.1线圈,使Q0.1线圈通电,Q0.3亮，断路器实现分闸，Q0.3常闭触点动作，切断Q0.1,由于系统处于手动控制方式,I0.2处于断开,T38不能得电,不会出现Q0.0得电的情况,也就不会出现误合闸的情况。

当出现了自动重合闸失败后,系统出现自动重合闸装置闭锁合报警后, 必须按下SB1(I0.4),解除M0.1的自锁状态，自动重合闸才能再次工作。

(4) 远距离控制
系统中自动重合闸控制方式( 或手动控制方式)KC(I0.2)控制信号及自动重合闸复位信号( SB1(I0.4))均可以来自远程控制信号,可以实现自动重合闸的远距离控制, 可以满足了无人值班变电站的技术要求。

4.4.2 时限参数整定[11-14]
（1）动作时限
自动重合闸的动作时限就是延时合闸( tO )的延时时间,原则上应越短越好,但必须考虑以下两个因素：1)要使故障点的绝缘强度来得及恢复,即动作时限应大于故障点介质的去游离时间；2)断路器触头周围介质绝缘强度的恢复及灭弧室充满油的时间,以及操作机构恢复原位做好合闸准备的时间。

根据运行经验, 一般取t0=0.8~1s。

(2)返回时限
返回时限是指在重合闸成功后,断路器能够进行下一个跳闸--闸的间隔时间( t1 )。

这需要考虑断路器切断能力的恢复。

根据运行经验,一般取t1= 15~ 25 s。

（3）过流保护动作时限
在过流保护装置中,当被保护元件中的电流超过预先整定的某一数值后,经过一定的延时时间( t2 ) ,才使断路器跳闸,过流保护的动作时限就是指这一延时时间. 由于电网中过流保护装置的动作时限是按照时间阶梯的原则来选择的,即从电网的最末端的过流保护装置数起,向电源方向沿短路电流流经的路径,逐级增加一个时间阶段Δt, 形成一个阶梯形的时限特性。

因此,过流保护装置的动作时限应根据自动重合闸机构安装在电网的哪一级来确定。

这里的过流保护采用带时限的过流保护。

带时限的过流保护是将被保护的线路的电流接入过流继电器，在线路发生短路时，线路中的电流剧增，当线路中的短路电流增大到整定值（即保护装置的动作电流）时，过流继电器动作。

并且用时间继电器来保证动作的选择性。

按动作时间特性分，有定时限过流保护和反时限过流保护两种。

1）定时限过流保护即是动作时间按整定的动作时间固定不变，与故障电流大小无关。

2）反时限过流保护即是动作时间与故障电流大小成反比，短路电流越大，动作时间越短。

根据所处情况选择不同的过流保护继电器，让继电器保护动作，启动PLC的逻辑控制，使分闸跳闸线圈控制断路器的动作。

5.梯形图仿真结果
由于在仿真中，动作的变化和延时过程不能在图上体现出来。

所以，这里不分前加速和后加速进行仿真，只例出了瞬时性故障、永久性故障、手动合闸、手动分闸这四个过程仿真的结果。

但其前加速和后加速状态，以及中间延时过程实际存在，这一点已去实验室进行验证，并得到了正确的结论。

1．瞬时性故障（I0.2闭合、I0.1闭合后断开、I0.3闭合或者断开）
结论：Q0.3亮几秒后，Q0.3灭、Q0.4亮，表示合闸成功。

2．永久性故障（I0.2闭合、I0.1闭合、I0.3闭合或者断开）
结论：Q0.3亮几秒后，Q0.3灭、Q0.4亮，接着Q0.3第二次亮，Q0.2亮。

表示合闸不成功，并且报警。

3．手动合闸（I0.6闭合）
结论： Q0.4亮，表示合闸成功。

4．手动分闸（I0.5闭合）
结论：Q0.3亮，表示分闸成功。

6.结论
优点：
将传统的ZCH 装置与PLC构成的ZCH装置进行比较,不难看出,由PLC构成的ZCH 装置具有以下优点:
( 1) PLC除了要进行简单的I/O外接线外,其所完成的逻辑功能是由软件完成的, 因此PLC构成的ZCH可节省许多继电器,减少大量的中间连线,从而减少了故障点, 提高了系统的可靠性。

( 2) 由于PLC内部有许多辅助继电器,利用这些软继电器可充分施展各种连锁保护,使系统的控制功能更加完善,控制精度进一步提高。

( 3) 由PLC构成的ZCH是靠内部软件完成各种逻辑控制的,因此使用寿命远高于由继电器硬件构成的ZCH,且PLC编程容易,调试简单,使用方便。

缺点：此梯形图设计比较简单，实现功能也比较单一，并且只是理论构想，并没有运用于实际的自动重合闸控制中，在实际运用中可能会存在很多不足之处，所以，有很多地方还需改进。

7.心得体会
通过这次论文的撰写，我了解了供电系统中自动重合闸装置的概念、分类、实现功能以及应用场合。

通过查阅各种图书和资料，我将学过的PLC的知识运用到其中，实现了PLC对自动重合闸的控制。

在撰写的途中也遇到很多困难，资料的查找很不容易，因为大家都撰写报告，所以图书馆的书籍所剩无几。

其次，老师要求所有的图都要自己绘制，以前从来没有绘过图的我，在这里吃了很多苦头。

但是通过网上教程的学习，我还是用WORD将自己所需要的图形都绘制了出来，虽然有的地方可能不是很规范，很到位，但是这已经是一次很大的进步。

我想，如果老师没有这样的要求，我是不会自己去绘制的。

在最后，设计完梯形图之后，第一次仿真出现错误，并且由于我的程序定时器比较多，仿真结果不是很准确，所以特意去了实验室，经过调试和修正，最后终于得到了。