摘要： 本文介紹了環智國際大廈電力監控系統的設計過程。通過安科瑞
Acrel-2000電力監控組態軟件、ACR220ELF網絡電力儀表 、M5-F微機保護裝置、GZDW直流電源柜進行系統組網，完成了對上海天目西路147地塊環智國際大廈中低壓配電系統中安裝的電力儀表的自動監控，提高了大廈配電系統運行的可靠性。
關鍵詞：Acrel-2000；電力監控系統；環智大廈；智能儀表；
ACR220ELH；應用
1 項目背景
環智國際大廈位于上海市閘北區天目西路與恒豐路交界處，是上海著名的不夜城商業中心，可以方便快捷地通過上?；疖囌镜蔫F路、高鐵和三條地鐵線抵達上海各區乃至全國，還有上海到北京、天津、香港等地的直通快車。集高檔辦公、購物、時尚、餐飲為一體的環智國際大廈，是體驗上海高品質多元都市生活的新地標。大廈擁有 5600多平方米的購物中心及32000多平方米的辦公區域，由 29層高樓建筑和3層裙房組成。大廈樓層凈高2.7米，水平垂直線槽橋架設計方便纜線網絡自由鋪設，智能化采暖、通風空調系統，有線電視、語音及數據干線連接保證入駐企業安全、舒適地工作。在商務辦公之余更可眺望不夜城的繁華。
對于這樣一個地標性的五星級綜合性大廈，保證配電系統的安全可靠運行極為重要，為了對大廈內的中低壓配電系統實現自動監控與管理，提高物業管理的水平，使用電力監控系統對配電網絡中的智能設備進行集中監控就成了一種必然選擇。
2 用戶需求
環智國際大廈配電系統主要包括：一個10KV高壓配電室、2個0.4KV低壓配電室和132個樓層配電箱。電力監控系統需要通過T1-T4變壓器溫度控制箱的RS485接口采集變壓器繞組超溫報警信號、鐵芯超溫報警信號以及傳感器故障信號，并要具有聲音報警功能。需要采集直流柜的電池充放電狀態、電池組電壓、電池組電流、電池房溫度等信號，并通過直流屏信息表在界面上顯示出來。
能夠與10KV M5-F微機保護裝置進行通信，主要采集微機保護裝置傳來的電壓、電流、功率、頻率、功率因數、斷路器狀態、手車位置等電力參數。對于低壓開關柜和樓層配電柜內安裝的電力測量儀表，主要采集電壓、電流、功率、電能等電力參數。對本工程中所有電力系統的運行參數進行自動采集與分析，并能夠定時保存到數據庫中，保存時間間隔要求電壓、電流、功率為1分鐘一次電能值為5分鐘一次。
需要采用簡體中文Windows NT4.0/Window2000或者WindowsXP 操作系統軟件，并應提供配套的圖形化操作軟件、報警管理軟件、參數設置軟件、歷史數據記錄與管理及報表生成軟件、通訊服務軟件和繪圖軟件以及數據庫編程軟件等。管理人員能夠通過大廈地下一層監控值班室內的PC機對系統進行監控管理。
對電力監控軟件的要求如下：能在一個畫面上進行所有的操作設定作業及對系統進行監控；可由鼠標的拖拽方式，簡便的設定時間，也可在控制板上進行簡便的設置；采用易操作的拖放方式，易于編輯各控制點的平面圖；鼠標所指區域即顯示相關斷路器和群組的編號，以及顯示該區的工作狀態（開關）；提供方便的動態畫面功能，使控制區域更加生動直觀；可監測所有有關控制區的各項工作狀態信息；可發出工作異常報警，并顯示異常區域、異常工作點的具體地址；提供運行時間分析及歷史記錄分析功能；可收集一定的日志數據顯示于畫面或打??；提供對于各進線及饋線回路的電能量的查詢和導出功能；可按照國際標準協議轉發主要回路的電力參數給樓宇設備自控（BA）系統。
對于環智國際大廈電力監控系統的硬件配置要求主要如下：主機處理器Intel Core2 Quad Qx6850，內存4096 DDR2，硬盤250GB；19” TFT LCD顯示屏；配備A3激光打印機。
3 設計方案
3.1 主要設計參考標準
DL/T 814-2002 《配電自動化系統功能規范》
ISO/IEC11801 《國際綜合布線標準》
GBJ232-2005 《電測量儀表裝置設計技術規程》
DL5002-2003 地區電網電力調度自動化設計技術規范
IEC60870-5-101 遠動設備及系統傳輸規約
IEC60870-5-104 遠動網絡傳輸規約
IEC60870-6-TASE2 遠動設備及系統計算機數據通信規約
GB50171-2004 《電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路結線施工及驗收規范》
DL/T721-2006 《配電網自動化系統遠方終端》
GB/50198-2003 《監控系統工程技術規范》
GB50254～59-2002 《電氣裝置安裝工程施工及驗收規范》
GB/J63-2007 《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范》
ISARP55.1 《數字處理計算機硬件測試》
DL/T630 《交流采樣遠動終端通用技術條件》
各回路通訊端口分配與監控回路確定
根據環智國際大廈高低壓配電系統一次圖確定需要進行監控的回路，并根據現場配電柜安裝的實際位置合理確定通訊線纜的走向及通訊端口的分配，如下表所示（部分）：
|
序號
|
樓層
|
端口號
|
端口號
|
柜體編號
|
回路編號
|
回路名稱
|
|
|
28F
|
COM1
|
COM1-1
|
28PM2
|
28PM2
|
電表配電柜
|
|
2
|
28PM2-1
|
辦公樓
|
|
3
|
28PM2-2
|
|
4
|
28PM2-3
|
|
5
|
28PM2-4
|
|
6
|
28PME1
|
28PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
7
|
28PK1
|
28PK1
|
變頻控制柜
|
|
8
|
28PM1
|
28PM1
|
照明配電柜
|
|
9
|
29F
|
COM1-2
|
29PM2
|
29PM2
|
電表配電柜
|
|
10
|
29PM2-1
|
辦公樓
|
|
11
|
29PM2-2
|
|
12
|
29PM2-3
|
|
13
|
29PM2-4
|
|
14
|
29PME1
|
29PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
15
|
29PK1
|
29PK1
|
變頻控制柜
|
|
16
|
29PM1
|
29PM1
|
照明配電柜
|
|
17
|
30F
|
COM1-3
|
30PM1
|
30PM2
|
照明箱
|
|
18
|
30PME1
|
30PME1
|
照明配電箱
|
|
19
|
30PKE1-1
|
30PKE1-1
|
穩壓泵控制箱
|
|
20
|
30PLE3/A
|
30PLE3/A
|
|
|
21
|
30PK1
|
30PM2-4
|
空調控制箱
|
|
22
|
30PKE1/A
|
30PME1
|
風機控制箱
|
|
23
|
|
|
電梯房
|
|
24
|
25F
|
COM2
|
COM2-1
|
25PM2
|
25PM2
|
電表配電柜
|
|
25
|
25PM2-1
|
辦公樓
|
|
26
|
25PM2-2
|
|
27
|
25PM2-3
|
|
28
|
25PM2-4
|
|
29
|
25PM2-5
|
|
30
|
25PME1
|
25PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
31
|
25PK1
|
25PK1
|
變頻控制柜
|
|
32
|
25PM1
|
25PM1
|
照明配電柜
|
|
33
|
|
|
電梯房
|
|
34
|
26F
|
COM2-2
|
26PM2
|
26PM2
|
電表配電柜
|
|
35
|
26PM2-1
|
辦公樓
|
|
36
|
26PM2-2
|
|
37
|
26PM2-3
|
|
38
|
26PM2-4
|
|
39
|
26PME1
|
26PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
40
|
26PK1
|
26PK1
|
變頻控制柜
|
|
41
|
26PM1
|
26PM1
|
照明配電柜
|
|
42
|
27F
|
COM2-3
|
27PM2
|
27PM2
|
電表配電柜
|
|
43
|
27PM2-1
|
辦公樓
|
|
44
|
27PM2-2
|
|
45
|
27PM2-3
|
|
46
|
27PM2-4
|
|
47
|
27PME1
|
27PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
48
|
27PK1
|
27PK1
|
變頻控制柜
|
|
49
|
27PM1
|
27PM1
|
照明配電柜
|
|
50
|
23F
|
COM3
|
COM3-1
|
23PM2
|
23PM2
|
電表配電柜
|
|
51
|
23PM2-1
|
辦公樓
|
|
52
|
23PM2-2
|
|
53
|
23PM2-3
|
|
54
|
23PM2-4
|
|
55
|
23PM2-5
|
|
56
|
23PME1
|
23PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
57
|
23PK1
|
23PK1
|
變頻控制柜
|
|
58
|
23PK2
|
23PK2
|
變頻控制柜
|
|
59
|
23PM1
|
23PM1
|
照明配電柜
|
|
60
|
24F
|
COM3-2
|
24PM2
|
24PM2
|
電表配電柜
|
|
61
|
24PM2-1
|
辦公樓
|
|
62
|
24PM2-2
|
|
63
|
24PM2-3
|
|
64
|
24PM2-4
|
|
65
|
24PM2-5
|
|
66
|
24PME1
|
24PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
67
|
24PK1
|
24PK1
|
變頻控制柜
|
|
68
|
24PK2
|
24PK2
|
變頻控制柜
|
|
69
|
24PM1
|
24PM1
|
照明配電柜
|
|
70
|
21F
|
COM4
|
COM4-1
|
21PM2
|
21PM2
|
電表配電柜
|
|
71
|
21PM2-1
|
辦公樓
|
|
72
|
21PM2-2
|
|
73
|
21PM2-3
|
|
74
|
21PM2-4
|
|
75
|
21PM2-5
|
|
76
|
21PM2-6
|
|
77
|
21PME1
|
21PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
78
|
21PK1
|
21PK1
|
變頻控制柜
|
|
79
|
21PK2
|
21PK2
|
變頻控制柜
|
|
80
|
21PM1
|
21PM1
|
照明配電柜
|
|
81
|
22F
|
COM4-2
|
22PM2
|
22PM2
|
電表配電柜
|
|
82
|
22PM2-1
|
辦公樓
|
|
83
|
22PM2-2
|
|
84
|
22PM2-3
|
|
85
|
22PM2-4
|
|
86
|
22PM2-5
|
|
87
|
22PME1
|
22PME1
|
照明配電柜雙電源
|
|
88
|
22PK1
|
22PK1
|
變頻控制柜
|
|
89
|
22PK2
|
22PK2
|
變頻控制柜
|
|
90
|
22PM1
|
22PM1
|
照明配電柜
|
3.3 通訊線纜綜合布線過程
環智國際大廈布線平面圖
施工前的檢查：
1．在工程開始之前，必須對設備間的建筑和環境條件進行檢查，具備下列條件方可開工：
（1）設備間的土建工程已全部竣工，室內墻壁已充分干燥。設備間門的高度和寬度應不妨礙設備的搬運，房門鎖和鑰匙齊全；
（2）設備間地面應平整光潔，預留暗管、地槽和孔洞的數量、位置、尺寸均應符合工藝設計要求；
（3）電源已經接入設備間，應滿足施工需要；
（4）設備間的通風管道應清掃干凈，空氣調節設備應安裝完畢，性能良好；
（5）在鋪設活動地板的設備間內，應對活動地板進行專門檢查，地板板塊鋪設嚴密堅固，符合安裝要求，每平米水平誤差應不大于2mm，地板應接地良好，接地電阻和防靜電措施應符合要求。
屏蔽雙絞線傳輸通道施工：
1. 金屬管的敷設
（1）金屬管的要求
金屬管應符合設計文件的規定，表面不應有穿孔、裂縫和明顯的凹凸不平，內壁應光滑，不允許有銹蝕。在易受機械損傷的地方和在受力較大處直埋時，應采用足夠強度的管材。
（2）金屬管的切割套絲
在配管時，根據實際需要長度，對管子進行切割。管子的切割可使用鋼鋸、管子切割刀或電動切管機，嚴禁用氣割。管子和管子連接，管子和接線盒、配線箱的連接，都需要在管子端部進行套絲。套絲時，先將管子在管鉗上固定壓緊，然后在套絲，套完后應立即清掃管口，將管口端面和內壁的毛刺銼光，使管口保持光滑。
（3）金屬管的敷設
金屬管的暗設應符合下列要求：預埋在墻體中間的金屬管內徑不宜超過50mm，樓板中的管徑宜為15-25mm，直線布管30mm處設置暗線盒。金屬管連接時，管孔應對準，接縫應嚴密，不得有水泥、沙漿滲入。管孔對準、無錯位，以免影響管、線、槽的有效管理，保證敷設線纜時穿設順利。
雙絞線線纜布線：
1. 線纜布放的一般要求
（1）線纜布放前應核對規格及位置是否與設計規定相符合；
（2）布放的線纜應平直，不得產生扭絞、打圈等現象，不應受到外力擠壓和損傷；
（3）在布放前，線纜兩端應貼有標簽，標明起始和終端位置以及信息點的標號，標簽書寫應清晰、端正和正確；
（4）信號電纜、電源線、雙絞線纜、光纜及建筑物內其它弱電線纜應分離布放。
（5）布放線纜應有冗余。在二級交接間、設備間雙絞電纜預留長度一般為3-6m，工作區為0.3-0.6m。特殊要求的應按設計要求預留。
2. 線纜牽引
用一條拉線將線纜牽引穿入墻壁管道、吊頂和地板管道稱為線纜牽引。在施工中，應使拉線和線纜的連接點盡量平滑，所以要采用電工膠帶在連接點外面緊緊的纏繞，以保證平滑和牢靠。
3. 雙絞線連接和通訊服務器的端接
雙絞線端接的一般要求：線纜在端接前，必需檢察標簽顏色和數字的含義，并按順序端接；線纜中間不得產生接頭現象；線纜端接處必需卡接牢靠，接觸良好；線纜端接處應符合設計和廠家安裝手冊要求；雙絞電纜與儀表和通訊服務器連接時，應按照紅色線接485+黑色線接485-的原則，不得顛倒和錯接。
3.4 高壓10KV配電部分設計
10KV配電一次圖
10KV配電間主要包括2路10KV進線柜、2個量電柜、2個避雷器柜、4個10/0.4KV變壓器饋線柜。10KV配電間總共使用了8臺M5-F微機保護裝置。
M5為通用型保護測控裝置，采用大容量、資源冗余設計，適用于110KV及以下電壓等級電網的保護、控制、測量和監視，可配置為線路、電容器組、電動機保護，變壓器保護，備用電源自投等功能的數字微機繼電保護控制裝置。它們可用于不同的主接線方式，如單母線、雙母線及多母線接線。保護功能也支持不同類型的電網，如中性點不接地系統、經消弧線圈接地系統和小電阻接地系統。M5還能應用于中型的三相異步電動機保護，以及用于無功補償的并聯電容器組的保護和控制。
除了具有保護，測量，控制和狀態監視功能之外，M5還提供支持IEC-61131-3圖形可編程標準的PLC邏輯可編程功能。另外，M5可存儲4組保護定值，組別切換功能使其快速方便地適應多種運行方式。M5支持RS485總線、PROFIBUS總線、光纖、以太網通信網絡形態，以滿足不同用戶、不同工業現場、不同網絡環境、不同規模的系統對通信和網絡結構的要求。支持雙網模式，并行或以熱備用方式工作。從而進一步提高了通信的可靠性?？梢允褂肐EC60870-5-103規約和Modbus RTU規約實現與上層設備的通信。
3.5 0.4KV低壓配電部分設計（部分）
0.4KV T1變壓器配電間一次圖
0.4KV總進線部分選用ACR330ELH網絡電力儀表。該儀表主要能夠完成如下電參量的采集：三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率；四象限電能、復費率電能；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）。該儀表還具有4DI+3DO，可以接入斷路器分合閘信號；儀表的通訊接口為RS485，支持Modbus協議或DL/T645規約。
對于0.4KV的饋線回路選用了ACR220ELF網絡電力儀表。該儀表主要具備如下功能：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；4DI+2DO；RS485通訊接口、支持Modbus通訊協議。
系統結構設計
對于環智大廈電力監控系統由于樓層配電箱中電力儀表安裝比較分散，表與表之間的距離通常在幾十米到一百米之間。因此該項目設計在現場設備層，各柜體及樓層配電箱中安裝的電力儀表之間的通訊連線采用485總線結構。
RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。
配電間485總線結構網絡拓撲圖
與樓宇設備自控系統之間數據交互設計
BA系統和本電力監控系統之間數據交互協議采用Modbus TCP協議，該協議的數據傳輸是通過以太網，因此BA系統和電力監控系統之間只需要通過一根網線連接即可。
環智國際大廈電力監控系統基于Acrel-2000電力監控組態軟件平臺進行開發設計。Acrel-2000電力監控組態軟件具有數據轉發組件，可以方便的將電力監控系統中實時數據庫中的數據以Modbus TCP協議進行發送，樓宇設備自控系統可以通過該數據接口接收電力監控系統發送來的數據。在電力監控系統的轉發設備配置界面，通訊方式要選擇TCP/IP網絡服務器模式，設置好本地IP地址和發送數據使用的端口號。
數據交換通訊協議格式
數據交互點表，數據類型和通道編號如下表所示：
|
變壓器
|
電表
編號
|
功能說明
|
變量
類型
|
通道名稱
|
寄存器名稱
|
數據
類型
|
寄存器地址
|
|
T1
|
1P1
|
T1總開關
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0002
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
2
|
|
T1
|
1P4
|
1~3F商業租戶照明小動力
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0004
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
4
|
|
T1
|
1P5
|
應急負荷（常）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0006
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
6
|
|
T1
|
1P6-1
|
廚房冷庫預留（備）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0008
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
8
|
|
T1
|
1P6-2
|
10KV配電所用電（常）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0010
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
10
|
|
T1
|
1P6-3
|
1#變電所用電（常）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0012
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
12
|
|
T1
|
1P6-4
|
4#變電所用電（常）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0014
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
14
|
|
T1
|
1P7
|
T1和T2母聯柜
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0016
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
16
|
|
T2
|
2P1
|
T2總開關
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0018
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
18
|
|
T2
|
2P4-1
|
1~4F商業租戶照明小動力
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0020
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
20
|
|
T2
|
2P4-2
|
3F商業租戶照明小動力
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0022
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
22
|
|
T2
|
2P5
|
1#低壓變配電站應急負荷（備）
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SINGLE
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讀寫4DUB0024
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[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
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24
|
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T2
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2P6-1
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B1~3F廚房冷庫預留（常）
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SINGLE
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讀寫4DUB0026
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[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
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26
|
|
T3
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3P1
|
T3總開關
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SINGLE
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讀寫4DUB0028
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
28
|
|
T3
|
3P4
|
3~14F辦公租戶照明及小動力（奇數層）
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SINGLE
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讀寫4DUB0030
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
30
|
|
T3
|
3P5
|
16~29F辦公租戶照明及小動力（偶數層）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0032
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
32
|
|
T3
|
3P6-1
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1#變電所空調（常）
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SINGLE
|
讀寫4DUB0034
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
34
|
|
T4
|
4P1
|
T4總開關
|
SINGLE
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讀寫4DUB0036
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
36
|
|
T4
|
4P4
|
3~14F辦公租戶照明及小動力（偶數層）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0038
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
38
|
|
T4
|
4P5
|
16~29F辦公租戶照明及小動力（奇數層）
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0040
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
40
|
|
T4
|
4P6-1
|
1#變電所空調（備）
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SINGLE
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讀寫4DUB0042
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
42
|
|
T4
|
4P7
|
T3和T4母聯柜
|
SINGLE
|
讀寫4DUB0044
|
[4區]輸出寄存器
|
32位無符號二進制
|
44
|
參考文獻
任致程、周中編著 電力電測數字儀表原理與應用指南 中國電力出版社 2007.4
