曹柳青，王默玉，申曉留，張秋艷，閆麗娜

（1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102200；2.華北電力大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)與電力大數(shù)據(jù)研究所，北京 102200；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院智能決策實(shí)驗(yàn)室，北京 102200）

京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)研究

曹柳青1，3，王默玉1，3，申曉留1，2，3，張秋艷1，3，閆麗娜1，3

（1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102200；2.華北電力大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)與電力大數(shù)據(jù)研究所，北京 102200；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院智能決策實(shí)驗(yàn)室，北京 102200）

能源危機(jī)和環(huán)境污染使得世界各國認(rèn)識到清潔能源的必要性和重要性。開展能源革命，減少化石能源的依賴，提高清潔能源的使用，對協(xié)調(diào)能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展道路具有重要意義。在此背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)被提出來。通過闡述能源互聯(lián)網(wǎng)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，提出了一種基于中尺度的能源互聯(lián)網(wǎng)——“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)”，并以京津冀為例，通過分析清潔能源的分布和利用情況，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)集中式儲能－抽水蓄能和分布式儲能－電動(dòng)汽車，闡述了京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過區(qū)域能量流和信息流的融合提高清潔能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)；可持續(xù)發(fā)展；清潔能源；儲能；京津冀

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展引發(fā)了能源和環(huán)境問題[1]。為解決傳統(tǒng)能源枯竭和改善環(huán)境，能源互聯(lián)網(wǎng)被提出來[2]，以德國的E-Energy[3]和美國的FREEDM[4-5]為典型。圖1為能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖，它從能源生產(chǎn)、輸送、配給、轉(zhuǎn)化和消耗等方面構(gòu)成一套完成的能源體系，在發(fā)、輸環(huán)節(jié)通過特高壓等技術(shù)對能源互聯(lián)進(jìn)行戰(zhàn)略布局，在配、用環(huán)節(jié)通過儲能替代實(shí)現(xiàn)電、氣、冷、熱等能量的相互轉(zhuǎn)化。目前，國內(nèi)開展的多以理論探討和技術(shù)研究為主。清華大學(xué)曹軍威[7]認(rèn)為，能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建的新型信息－能源融合“廣域網(wǎng)”。國家電網(wǎng)[8]更是創(chuàng)新性地提出了“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)想，華北電力大學(xué)劉吉臻院士[9]認(rèn)為全球能源互聯(lián)網(wǎng)是“智能電網(wǎng)＋特高壓電網(wǎng)＋清潔能源”。與目前開展的智能電網(wǎng)、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)研究相比，能源互聯(lián)網(wǎng)通過信息流和能量流的深度融合，以電力為核心實(shí)現(xiàn)不同承載方式的高效轉(zhuǎn)化，可以大幅度提高能源轉(zhuǎn)換效率，是保障清潔能源高效開發(fā)利用，讓人人享有可靠能源供應(yīng)的重要平臺，將帶來能源發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展路線、結(jié)構(gòu)布局、生產(chǎn)和消費(fèi)方式以及能源技術(shù)等全方位調(diào)整。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy internet

1 能源互聯(lián)網(wǎng)與3E可持續(xù)發(fā)展

可持續(xù)發(fā)展的概念來源于1980年舉辦的聯(lián)合國大會。本文中，3E可持續(xù)發(fā)展指能源（energy）、經(jīng)濟(jì)（economy）、環(huán)境（environment）的協(xié)調(diào)發(fā)展（簡稱“3E”）。為了解決能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)3E可持續(xù)發(fā)展，世界各國紛紛做出了努力?！毒┒紖f(xié)議書》[10]指出要控制溫室氣體含量；“巴黎協(xié)議”[11]強(qiáng)調(diào)了2020年后各國應(yīng)對全球氣候變化的行動(dòng)。德國堅(jiān)決放棄核能，發(fā)展可再生能源，并計(jì)劃于2030年禁止汽油車以及燃油車上路。我國大力開發(fā)利用清潔能源，2014年，我國清潔能源發(fā)電量占到全球總量的23%，世界范圍風(fēng)力發(fā)電容量增加量中，中國以年增加量23.2 GW的發(fā)電排名世界第一[12]。

隨著我國清潔能源發(fā)展步伐加快，光電、風(fēng)電、水電等能源發(fā)電面臨的并網(wǎng)消納問題也日益嚴(yán)重，成為了清潔能源的瓶頸制約。2015年，我國損失電量超過了300億kW·h。局部地區(qū)的棄光和棄風(fēng)比例超過了20%，在南方存在著嚴(yán)重棄水現(xiàn)象。能源互聯(lián)網(wǎng)為解決上述問題提供了契機(jī)（如圖2所示），通過信息交換，儲能設(shè)備將多余的電能轉(zhuǎn)化為其他能量存儲起來，在負(fù)荷增加時(shí)，轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用，從而降低了清潔能源的棄風(fēng)棄光等，提高了能源利用率，降低了經(jīng)濟(jì)成本，減少了替代化石能源發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境污染，從而推動(dòng)3E可持續(xù)發(fā)展。如果說體制改革是推動(dòng)能源革命，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的“軟平臺”，那么能源互聯(lián)網(wǎng)就是“硬平臺”[13]。

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)與3E可持續(xù)發(fā)展關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the relationship between energy internet and 3E sustainable development

2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)離不開小尺度、中尺度能源互聯(lián)網(wǎng)的支持。我國清潔能源發(fā)展存在著很多問題，尤其是能源接入的低效率問題。不僅如此，“十三五規(guī)劃綱要”[14]指出區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡等現(xiàn)象。因此，“十三五”指出要構(gòu)建多種區(qū)域?yàn)橹蔚木W(wǎng)絡(luò)化區(qū)域發(fā)展格局，逐步緩解問題區(qū)域的突出矛盾。在此背景下，“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)”概念衍生出來，它是以“區(qū)域”作為切入點(diǎn)，發(fā)展分布式能源、微網(wǎng)等先進(jìn)能源技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等技術(shù)，充分考慮區(qū)域自然條件和地理位置，從而協(xié)調(diào)優(yōu)化多種分布式能源和儲能裝置一種能源互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展態(tài)勢多集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的區(qū)域或城市群，如長三角、珠三角等，通過統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)外分布式能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化資源配置，從而推動(dòng)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，推動(dòng)區(qū)域的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展。

3 京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開珠三角、長三角和京津冀的帶動(dòng)，其中，珠三角以電力建設(shè)為中心，已經(jīng)構(gòu)建出開放、多元、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)的能源保障體系，長三角通過上海的“借風(fēng)生電”，浙江的高溫秸稈集中處理，江蘇的太陽能電池基地等，以能源革命為契機(jī)，大有發(fā)展區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)之勢。京津冀區(qū)域概念產(chǎn)生已將近三十年，其協(xié)同發(fā)展步調(diào)卻蹣跚緩慢，區(qū)域的要素資源配置關(guān)聯(lián)度不高，相互之間不協(xié)調(diào)[15]、不聯(lián)合，北京人口密度大，資源短缺，加上過度依賴傳統(tǒng)能源，造成了北京及周邊地區(qū)嚴(yán)重的霧霾天氣和環(huán)境污染[16]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年北京空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的已經(jīng)達(dá)到179 d，其中重度污染達(dá)到31 d，嚴(yán)重污染達(dá)到15 d。因此，接入可再生清潔能源，依據(jù)多種儲能形式的支持，優(yōu)化峰谷平抑，“因地制宜”，“按需優(yōu)化”，“協(xié)同發(fā)展”，成為了京津冀區(qū)域3E可持續(xù)發(fā)展的首要前提。

3.1 京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)倡導(dǎo)清潔替代和電能替代[8]。清潔替代指用清潔能源替代傳統(tǒng)的化石能源；電能替代指用電能替代傳統(tǒng)能源的直接消費(fèi)，清潔能源大多需要轉(zhuǎn)化為電能的形式才能夠高效利用，電能替代是清潔能源發(fā)展的必然要求，是實(shí)施清潔替代的必然結(jié)果，具有安全、便捷等優(yōu)勢。儲能技術(shù)可以平抑清潔能源發(fā)電的波動(dòng)，在能源消費(fèi)上，儲能技術(shù)通過充放電可以滿足用戶負(fù)荷的需求?？梢钥闯?，儲能技術(shù)是實(shí)施清潔替代和電能替代的技術(shù)保障，更是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本基礎(chǔ)。京津冀區(qū)域資源的分布和開發(fā)利用存在差異，通過建立京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)[17]，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)分布式清潔能源的就地采集與消納。圖3為以京津冀區(qū)域?yàn)槔膮^(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖，通過區(qū)域內(nèi)的可再生清潔能源轉(zhuǎn)換為電能加以利用，可以對區(qū)域用戶供電，提高能源的利用效率，從而廣度和深度上實(shí)現(xiàn)京津冀區(qū)域發(fā)展的長效共贏[18]。

圖3 京津冀區(qū)域能源互聯(lián)示意圖Fig.3 Schematic diagram of regional energy internet

3.2 京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

3.2.1 清潔能源

用可再生的清潔能源替代傳統(tǒng)能源[19]已經(jīng)成為京津冀區(qū)域發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急，除了加快特高壓建設(shè)，提升西部電力遠(yuǎn)距離傳輸能力之外，統(tǒng)籌規(guī)劃和利用以清潔能源為主的分布式能源，不僅可以減緩能源和電力輸送壓力，降低傳統(tǒng)能源帶來的污染物排放，通過互聯(lián)網(wǎng)[20]和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)，更對協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展起到積極作用。通過分析目前區(qū)域內(nèi)的清潔能源和傳統(tǒng)能源的分布利用情況，可以為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1）太陽能

京津冀區(qū)域太陽能資源比較豐富，由于光伏發(fā)電的建設(shè)成本較高，太陽能的利用多以分布式為特點(diǎn)，表1列出了京津冀區(qū)域的分布式光伏發(fā)電信息，繼2009年的光伏補(bǔ)貼政策發(fā)布之后，北京市連續(xù)實(shí)施了“金太陽示范工程”、“陽光校園示范工程”，并啟動(dòng)建設(shè)海淀、順義兩個(gè)國家級光伏示范區(qū)建設(shè)，建成密云20 MW光伏地面電站、全國首個(gè)兆瓦級太陽能熱電站等一批項(xiàng)目。截止2015年底，北京市太陽能光伏裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了165 MW。天津市太陽能相對豐富。2013年，天津市并網(wǎng)投運(yùn)了最大容量的光伏發(fā)電項(xiàng)目。2014年，并網(wǎng)運(yùn)營首個(gè)地面光伏發(fā)電項(xiàng)目。河北省太陽能較豐富。其中，張家口的尚義縣、康?？h太陽能最為豐富。截止2015年底，河北省新增18個(gè)并網(wǎng)投產(chǎn)項(xiàng)目，已并網(wǎng)投產(chǎn)24個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目。通過區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，融合能量流和信息流，實(shí)時(shí)掌握光伏發(fā)電信息，可以實(shí)現(xiàn)太陽能的就地采集與消納，從而減少用戶購電，實(shí)現(xiàn)電的自給自足。

表1 京津冀100 MW以上光伏發(fā)電信息Tab.1 SolarpowerinformationofBeijing-Tianjing-Hebei

2）風(fēng)能

京津冀區(qū)域風(fēng)能資源主要集中在河北省。北京市風(fēng)能缺乏，風(fēng)能主要集中在密云、延慶等郊縣地區(qū)，2015年，北京市已建成官廳風(fēng)電場一二三期等一批工程。天津市風(fēng)能資源一般，2014年，4座大型風(fēng)電場總裝機(jī)容量為179 MW。河北省風(fēng)能非常豐富，主要集中在張家口、承德、滄州以及唐山等地區(qū)[21]，截止2015年底，該省風(fēng)電的裝機(jī)容量達(dá)到917萬kW，發(fā)電量為168億kW·h。京津冀既有集中式的張北風(fēng)電場，又有分布式的小型風(fēng)電場，通過配備集中式和分布式儲能設(shè)備，平抑清潔能源發(fā)電，可以提高區(qū)域內(nèi)清潔能源的利用，從而降低對主電網(wǎng)的依賴。表2列出了京津冀的風(fēng)電場信息。

表2 京津冀區(qū)域風(fēng)電場信息Tab.2 WindpowerinformationofBeijing-Tianjing-Hebei

3）水能

京津冀區(qū)域水資源相對短缺。其中，北京市水能貧乏，人均水資源占有量不到300 m3。在水能利用領(lǐng)域，主要有水力發(fā)電站和抽水蓄能電站兩種形式。其中，水力發(fā)電站主要集中在北部潮白河流域和西南部山區(qū)的永定河，拒馬河主千流域以及京密引水渠等地區(qū)。包括黑龍?zhí)端娬?，五渡水電站，琉璃廟水電站，花盆水電站，寶山電站，密云縣北莊水電站。天津市水能貧乏，人均水資源占有量僅為160 m3，小水電主要有北辰區(qū)天穆鎮(zhèn)水電站，北辰區(qū)宜興埠鎮(zhèn)水電站，北辰區(qū)小淀鄉(xiāng)水電站。河北省水能貧乏，小水電主要有引崗渠首水電站，易縣官座嶺水電站。表3列出了京津冀區(qū)域的抽水蓄能電站信息。

表3 京津冀抽水蓄能信息Tab.3 Pumped storage of Beijing-Tianjin-Hebei

通過對京津冀區(qū)域的清潔能源分布和利用情況，擬繪出基于清潔能源的京津冀示意圖（如圖4所示）。

圖4 基于清潔能源的京津冀區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of Beijing-Tianjin-Hebei based on clean energy

3.2.2 儲能

由于清潔能源的波動(dòng)性，能源互聯(lián)網(wǎng)配備了相應(yīng)容量的儲能設(shè)備（如圖5所示），將負(fù)荷低峰多余的電能轉(zhuǎn)化為其他能量存儲起來，在負(fù)荷高峰期將存儲的能量轉(zhuǎn)化為電能供用戶利用，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[22]。類似于互聯(lián)網(wǎng)中的內(nèi)容“緩存”會提高互聯(lián)網(wǎng)的性能，能源互聯(lián)網(wǎng)中的“緩存”就靠儲能。通過分析儲能技術(shù)和設(shè)備，可以為構(gòu)建區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)提供支撐。

圖5 儲能示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy storage

1）電池儲能

目前，電池儲能方式應(yīng)用最廣泛。全國第一個(gè)風(fēng)光儲輸綜合示范項(xiàng)目中，儲能電池?fù)?dān)負(fù)著重大的儲電和輸電的工作，不僅可以儲存風(fēng)能、光伏發(fā)出的電，更能實(shí)時(shí)平抑風(fēng)電和光電，減少對電網(wǎng)的沖擊。電動(dòng)汽車的快速發(fā)展促進(jìn)了分布式儲能的發(fā)展，它可以作為一種重要的靈活負(fù)荷和儲能設(shè)施，向微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)輸電并參與局部的電網(wǎng)平衡。京津冀電動(dòng)汽車的快速發(fā)展得益于京津冀一體化規(guī)劃，該規(guī)劃出臺后，霧霾治理成了重中之重，清潔能源電動(dòng)汽車行業(yè)迎來了發(fā)展機(jī)遇。2016年8月發(fā)布的《北京市“十三五”時(shí)期節(jié)能降耗及應(yīng)對氣候變化規(guī)劃》提出：到2020年，北京市純電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用規(guī)模要達(dá)到40萬輛左右。政策的推動(dòng)使得電動(dòng)汽車和充電樁的規(guī)模不斷擴(kuò)大，截止2016年9月底，北京累計(jì)已建成5.07萬輛充電樁。青島特銳德研制的充電樁可以實(shí)現(xiàn)多輛汽車同時(shí)充電，更加促進(jìn)了電動(dòng)汽車的消納。隨著儲能技術(shù)的不能發(fā)展，電動(dòng)汽車的充放電策略成為了研究熱點(diǎn)，它不僅可以儲存多余的電能，也將實(shí)現(xiàn)釋放多余電能，從而達(dá)到能量的雙向流動(dòng)，促進(jìn)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

2）抽水蓄能

目前，抽水蓄能是最成熟的大規(guī)模儲能技術(shù)，一般的抽水蓄能電站（以下簡稱“抽蓄電站”）都有建在高處的上水庫和建在電站下游的下水庫，通過負(fù)荷低谷將水抽至上水庫，負(fù)荷高峰放水發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷。由于抽水蓄能機(jī)組啟停速度快、負(fù)荷調(diào)整靈活，在火力發(fā)電廠、核電廠比重較大的電網(wǎng)中，其削峰填谷的作用就顯得尤為重要。圖6和7顯示了河北潘家口和北京十三陵抽蓄電站的日負(fù)荷曲線。其中，潘家口的負(fù)荷曲線典型地反映了抽蓄電站的特征，即在夜間抽水蓄“電”，在白天高峰期放水發(fā)電，高峰期一般為9∶00—13∶00和15∶00—22∶00時(shí)段，其中，十三陵的負(fù)荷在19∶30—20∶00為全天最高負(fù)荷，為380 MW。通過抽水儲能來平抑風(fēng)電、光電的隨機(jī)性成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

圖6 潘家口抽水蓄能電站日負(fù)荷曲線Fig.6 Daily load curve of Panjiakou Pumped Storage Power Station

圖7 十三陵抽水蓄能電站日負(fù)荷曲線Fig.7 Daily load curve of Shi San Ling Pumped Storage

4 結(jié)論

能源互聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)能源革命，走3E可持續(xù)發(fā)展的可行性道路。本文提出了一種中尺度的新型能源互聯(lián)網(wǎng)－“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)”，并結(jié)合京津冀區(qū)域，分析了其清潔能源的分布和利用，通過對京津冀區(qū)域的抽水蓄能和電動(dòng)汽車等儲能方式的研究，說明了京津冀區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成，并構(gòu)建出一個(gè)基于京津冀清潔能源和儲能的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，對未來能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有一定的借鑒意義。

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（編輯 李沈）

Research on Regional Energy Internet of Beijing-Tianjin-Hebei

CAO Liuqing1，3，WANG Moyu1，3，SHEN Xiaoliu1，2，3，ZHANG Qiuyan1，2，YAN Lina1，3
（School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102200，China；2.Research Institute of Energy Internet and Electricity Big Data，North China Electric Power University，Beijing 102200，China；3.Intelligent Decisions Laboratory of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102200，China）

Energy crisis and environmental pollution make the world recognize the necessity and importance of clean energy.It is of great significance to the coordination of Energy-E－conomic-Environmental System（3E）and the sustainable development to carry out the energy revolution，reduce the dependence on fossil energy，and improve the use of clean energy.In this context，the energy internet is proposed.This paper describes the relationship between Energy Internet and the sustainable development，and proposes a concept based on a medium scale which is called"Regional-Energy Internet".Take Beijing-Tianjin-Hebei region as an example，we expound the regional energy internet architecture by analyzing the distribution and utilization of clean energy with emphases on the pumped storage and electric vehicle.The regional energy internet architecture could achieve the efficient utilization of clean energy through integrating energy and information flows，and improve the coordinated development of.Energy-Economic-Environment.

regional energy internet；sustainable development；clean energy；energy storage；Beijing-Tianjin-Hebei

2017-01-10。

曹柳青（1993—），女，碩士研究生，主要研究方向：清潔能源，能源互聯(lián)網(wǎng)，智能決策等。

王默玉（1961—），女，副教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫與管理信息系統(tǒng)、人工智能及應(yīng)用。

申曉留（1950—），男，教授，工學(xué)碩士學(xué)位，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：能源互聯(lián)網(wǎng)、智能決策、大型數(shù)據(jù)庫管理、GIS應(yīng)用等。

張秋艷（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向：清潔能源，京津冀可持續(xù)發(fā)展等。

閆麗娜（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向：清潔能源，京津冀可持續(xù)發(fā)展等。

國家自然基金項(xiàng)目（71071053）；北京市自然基金項(xiàng)目（9122021）。

Project Supported by the National Natural Foundation of China（71071053）；the Natural Foundation of Beijing Municipality（9122021）.

1674-3814（2017）03-0125-06

TP301

A