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摘要：35kV變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要遵循電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的整體需要，其配置、功能要滿足電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、信息分層傳輸、資源共享等要求。本文以35kV及以下變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為指導(dǎo)思想，對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行相關(guān)討論。
關(guān)鍵詞：變電所；配電網(wǎng)；綜合自動(dòng)化；電氣主接線；互感器
0引言
化工廠內(nèi)35kV及以下區(qū)域變電所的建設(shè)是工廠內(nèi)非常關(guān)鍵的項(xiàng)目，在建設(shè)過(guò)程中，由于技術(shù)要求、投入資金大、電力設(shè)施較多等因素，對(duì)變電所工作人員的各項(xiàng)能力有較的要求。因此，管理部門要提變電站的運(yùn)行和管理水平，使其達(dá)到自動(dòng)化，從而提變電站運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。
在此背景下，新型微型二次裝置的使用及對(duì)傳統(tǒng)分立裝置的替代，使保護(hù)、控制、監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)等多種功能得以加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和信息的共享，使變電站設(shè)計(jì)布局更趨于簡(jiǎn)潔、緊湊，運(yùn)行也更加安全、可靠。變電所集成控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，改造原有的二次設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅簡(jiǎn)化，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，而且其布線結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)便、二次設(shè)備占用空間更少，使得35kV以下變電站呈現(xiàn)全新的面貌[1]。
1電氣主接線的方案解析
主接線應(yīng)該以工作可靠、簡(jiǎn)潔明了、易于使用為原則，并且具有發(fā)展空間。設(shè)計(jì)方案為35kV接線兩回為主的變壓器進(jìn)線和內(nèi)橋線路，10kV母線采用母線分段配線，10kV出線25條線路，其中2條電容補(bǔ)償線路，10kV線路全部為壓真空斷路器。變壓器的中性點(diǎn)接地方式是35kV側(cè)無(wú)接地，10kV側(cè)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，10kV側(cè)均為電纜出線。因此，在10kV側(cè)均為電纜，故而采用消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償。由于10kV主變側(cè)無(wú)中性點(diǎn)，故采用了變電站與消弧線圈共用的接地變壓器，并可以調(diào)整各消弧線圈的容量。本方案以300MVA的短路能力為基礎(chǔ)，對(duì)短路電流進(jìn)行了分析，確定了裝置的選型。
主變壓器選用有效節(jié)能、低損耗、有載調(diào)壓變壓器（S11-35型），容量按供電地區(qū)的實(shí)際負(fù)載及計(jì)劃負(fù)載而定，變壓器容量為20MVA。35kV裝置采用全封閉的復(fù)合絕緣金屬鎧裝式開(kāi)關(guān)柜，箱體內(nèi)部裝有壓真空開(kāi)關(guān)，主變壓器是三相雙繞組自冷卻風(fēng)機(jī)有載調(diào)壓變壓器S11-20000/35，其阻抗電壓Uk%=8.35±3×2.5%/10.5kV。10kV裝置采用金屬鎧裝移動(dòng)開(kāi)關(guān)柜，箱體內(nèi)部裝有電壓的真空開(kāi)關(guān)。從測(cè)量準(zhǔn)確度的角度來(lái)看，變壓器的測(cè)量精度都達(dá)到了0.2s級(jí)。10kV分段母線配有一套并聯(lián)電容器和一套消弧線圈設(shè)備。
在大樓樓頂安裝接閃網(wǎng)，以防止直接雷擊。在35kV、10kV母線、電容器、10kV出線等處，采用具有優(yōu)良防護(hù)性能的金屬氧化鋅避雷器。35kV區(qū)域變電所的調(diào)度和管理工作，應(yīng)當(dāng)將遙測(cè)、遙信、遙控等信息發(fā)送到上級(jí)220kV變電站。將公用的測(cè)控設(shè)備，集中于電力監(jiān)控室內(nèi)。電力供應(yīng)采用SBH15-M-630/10變電站的10kV變壓器，并將其與10kV的母線相連接。整個(gè)變電所里都安裝了工作燈和意外燈，在斷電情況下，應(yīng)急照明電路可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到EPS供電系統(tǒng)。
2 35kV變配電所主接線方案
通過(guò)對(duì)各種有關(guān)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)采用低損失的節(jié)電變壓器是減少電力損耗的有效途徑。當(dāng)電壓偏差達(dá)不到規(guī)定值時(shí)，35kV降壓變電站應(yīng)優(yōu)先選用有載調(diào)壓變壓器。35kV變電站的主接線通常為單母線、單母線分段、雙母線接線、單元接線、內(nèi)橋、外橋，具體的實(shí)現(xiàn)要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)確定[2]。35kV變電站的主接線，需要依據(jù)變電站在電網(wǎng)中的地位、進(jìn)線和出線回路數(shù)量、設(shè)備特點(diǎn)和負(fù)載特性來(lái)決定。同時(shí)還需要滿足供電可靠、操作靈活、操作維修方便、節(jié)約投資以及方便擴(kuò)建的需要。
變電站的主要線路應(yīng)滿足安全可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)的基本需求。其中，安全包含了設(shè)備和人員的安全?？煽慷葢?yīng)符合一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷對(duì)供電可靠性的要求。靈活運(yùn)用小的開(kāi)關(guān)，可適應(yīng)多種工況，維修時(shí)使用方便，并可以適應(yīng)負(fù)載發(fā)展，方便擴(kuò)展，盡可能簡(jiǎn)化接線，減少投資，減少占地，降低運(yùn)行費(fèi)用。35kV變電站一般有兩種類型，一種是戶內(nèi)式，另一種是室外式。戶內(nèi)式操作簡(jiǎn)單，維修簡(jiǎn)單，占用空間少。而室外式的建筑成本較低，能安裝報(bào)警裝置，散熱狀況良好。由此可見(jiàn)，戶內(nèi)式的優(yōu)勢(shì)和室外式的優(yōu)勢(shì)相輔相成，因?yàn)閺S房占地面積有限，所以采用了戶內(nèi)布局，即35kV和10kV配電裝置，主變壓器采用戶內(nèi)安裝。
3供電可靠性分析
電力供應(yīng)的可靠性是指不中斷的電力供應(yīng)。電力供應(yīng)中斷不但會(huì)對(duì)化工廠生產(chǎn)造成一定的影響，還會(huì)對(duì)設(shè)備形成損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人員傷亡、發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。比如，電力供應(yīng)中斷對(duì)主要生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵工序的連續(xù)性，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，即便是恢復(fù)了電力供應(yīng)，也需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。為了保證供電的可靠性，對(duì)這些關(guān)鍵的用電設(shè)備，需要采用雙回路的供電模式。保證供電質(zhì)量，保證電壓波動(dòng)的技術(shù)指標(biāo)。
交流電的頻率直接影響到交流電機(jī)的工作性能，而頻率的變化則會(huì)對(duì)其速度產(chǎn)生一定的影響?！峨娔苜|(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》中，對(duì)50Hz額定頻率的交流電要求標(biāo)準(zhǔn)是其頻率與標(biāo)稱值的偏差不允許超出±0.2~±0.5Hz，也就是±0.4%~±1%[3]。電壓限制是衡量電網(wǎng)質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)。電壓偏差是指電氣裝置的實(shí)際電壓與運(yùn)行中的額定電壓之間的差異。耗電設(shè)備對(duì)電壓偏差有一定的適應(yīng)性，但當(dāng)電壓偏差增大時(shí)，會(huì)影響電氣設(shè)備的性能，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備故障。例如，白熾燈在超過(guò)其額定電壓5%的情況下運(yùn)行，則會(huì)減去一半的使用壽命。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)電氣設(shè)備的電壓偏差有明確的規(guī)定。如電機(jī)的電壓偏差不得超過(guò)額定電壓的±5％，燈泡的電壓偏差不得超過(guò)額定值的-3％和-2.5％。
4變電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路整體設(shè)計(jì)分析
4.1綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息資源共享，充分發(fā)揮和利用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體資源和效率，是目前監(jiān)控系統(tǒng)的主流方式。該系統(tǒng)包括一個(gè)隔離層和一個(gè)站控層，該隔離層與站控層之間采用雙以太網(wǎng)相互連接。符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。隔離裝置包括：I/0測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置、多功能電表、低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等智能化設(shè)備。通過(guò)通信管理器和以太網(wǎng)交換器將所有的智能裝置連接到站控層，所有的智能設(shè)備支持Modbus通信規(guī)約。在間隔層分別設(shè)置若干臺(tái)通信管理機(jī)，該通信管理機(jī)應(yīng)采用嵌入式應(yīng)用的工業(yè)通信計(jì)算機(jī)，所有的串口設(shè)備通過(guò)通信管理機(jī)（通信協(xié)議采用Modbus）和以太網(wǎng)交換機(jī)接入站控層，所有的以太網(wǎng)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)接口與本地交換機(jī)連接后接入站控層，所有的通信接口具有隔離保護(hù)功能。
站控層設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類監(jiān)控圖像、圖形曲線的調(diào)用、控制指令的發(fā)布、各類報(bào)告、操作票、數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生、管理、打印事故報(bào)警、控制間隔層設(shè)備的打印、監(jiān)控、管理、控制間隔層等，構(gòu)成全站監(jiān)控、管理中心、與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。站控層主要包括監(jiān)控主站、工程師站、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、保護(hù)管理工作站、OPC服務(wù)器、通信服務(wù)器、打印機(jī)、等設(shè)備組成。監(jiān)控主站采用雙機(jī)熱備模式，正常情況下由監(jiān)控主站完成整個(gè)變電所監(jiān)控功能，備用主站處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)控主站一旦出現(xiàn)故障，備用主機(jī)立即提升為監(jiān)控主站，完成監(jiān)控主站的一切功能，當(dāng)監(jiān)控主站恢復(fù)正常后，備用主機(jī)又將監(jiān)控權(quán)交給監(jiān)控主站，備用主站繼續(xù)處于熱備用狀態(tài)，雙機(jī)切換無(wú)擾動(dòng)。
4.2控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流
控制系統(tǒng)按需要分為多層結(jié)構(gòu)，分別為底層的設(shè)備層、間隔層、站控層。各層次內(nèi)部及層次之間采用速網(wǎng)絡(luò)通信，通信媒介為網(wǎng)絡(luò)線或光纖。
平臺(tái)軟件按作業(yè)區(qū)、采油區(qū)、計(jì)量站的管理方式設(shè)計(jì)，*與實(shí)際的管理方式吻合。同時(shí)還考慮到該系統(tǒng)是一個(gè)平臺(tái)，各個(gè)頁(yè)面采取數(shù)據(jù)庫(kù)管理的方式進(jìn)行管理，非常適應(yīng)第三方軟件的嵌入等擴(kuò)展性。
4.3子系統(tǒng)相關(guān)說(shuō)明
4.3.1監(jiān)控功能
數(shù)據(jù)的收集與處理：從生產(chǎn)工藝中獲取模擬量、數(shù)字量、溫度測(cè)量等，其中包括CT、PT、配電設(shè)備保護(hù)、直流系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。報(bào)警處理分為事故報(bào)警和預(yù)先報(bào)警兩類。打印和記錄由電腦站控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)定的格式，將所需的各項(xiàng)資料，通過(guò)打印機(jī)向打印紙張輸出。統(tǒng)計(jì)計(jì)算是統(tǒng)計(jì)、分析和計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視是對(duì)斷路器位置，隔離開(kāi)關(guān)位置等開(kāi)關(guān)量信號(hào)監(jiān)視，同時(shí)還能對(duì)裝置本身的自檢、斷路器事故跳閘、母線接地、各種保護(hù)動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視。操作員工作站能對(duì)各回路主要電力參數(shù)、通信狀態(tài)、故障、保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)，以數(shù)字、文字、圖形、表格、曲線等形式的動(dòng)態(tài)顯示。監(jiān)控每一環(huán)，監(jiān)控期間的運(yùn)行參數(shù)的變化和狀態(tài)都會(huì)在顯示屏上顯示。
當(dāng)通信出現(xiàn)故障時(shí)，可將通信中斷時(shí)的數(shù)據(jù)全部自動(dòng)或喚醒，并在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行提示，以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)、完整、準(zhǔn)確。還可以監(jiān)測(cè)多種供電系統(tǒng)參數(shù)，除了可以監(jiān)測(cè)電壓、電流、頻率等常規(guī)電力參數(shù)外，還可以測(cè)有功、無(wú)功、MD等，諧波分量顯示等，使各回路處在綜自系統(tǒng)的監(jiān)視之下[4]。
數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)是工程師可以通過(guò)互動(dòng)的方法，在線對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)目進(jìn)行修改、添加和刪除。圖形接口是將顯示在顯示屏上的各類信息以報(bào)告、圖形、聲光等不同方式向操作人員實(shí)時(shí)顯示。時(shí)鐘同步由變電所控制的電腦監(jiān)視系統(tǒng)，從導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的定時(shí)信號(hào)，并對(duì)每一臺(tái)有時(shí)鐘的設(shè)備，如隔離層和站級(jí)電腦，進(jìn)行同步，以確保各部分的時(shí)鐘同步率，滿足要求。維護(hù)職能是由變電站的管理人員在工作站上進(jìn)行管理、維護(hù)、擴(kuò)充等工作。事故記錄是保護(hù)動(dòng)作信息，斷路器/斷路器狀態(tài)的改變，保護(hù)功能的輸入/退出，本地/遠(yuǎn)程切換，連鎖控制命令，自動(dòng)報(bào)警等。
電能管理是能按日/自然月/自然年自動(dòng)地計(jì)算各裝置的用電量。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出各裝置的能效，方便用戶添加/減少用電回路。操作票能按工作票自動(dòng)生成操作票，并具有操作模擬功能，驗(yàn)證操作正確性。仿真培訓(xùn)是運(yùn)用文字解說(shuō)、圖像、視頻、視頻、二維動(dòng)畫(huà)、虛擬仿真等多種形式，以圖文并茂、視聽(tīng)結(jié)合、虛擬互動(dòng)等多種形式進(jìn)行創(chuàng)作。
4.3.2管理功能
設(shè)備管理：建立統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)設(shè)備臺(tái)賬，關(guān)注所有設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)、制定檢修維護(hù)計(jì)劃、檢修歷史、缺陷信息、更換歷史、維護(hù)歷史、備件情況等數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)備出入庫(kù)流程、設(shè)備安裝卸載流程、設(shè)備維修維護(hù)更換流程對(duì)設(shè)備臺(tái)賬進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，保證設(shè)備臺(tái)賬與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際情況相符，為設(shè)備的全生命周期管理提供支撐。
5.1概述
基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺(tái)，滿足用戶或運(yùn)維公司監(jiān)測(cè)眾多變電所回路運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運(yùn)行溫度、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或環(huán)境場(chǎng)景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一個(gè)中心，集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過(guò)電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問(wèn)、接收警報(bào)，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
5.2應(yīng)用場(chǎng)所
適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)可分為四層：即感知層、傳輸層、應(yīng)用層和展示層。
感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監(jiān)測(cè)裝置、攝像頭、開(kāi)關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設(shè)備通過(guò)RS485總線接入現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。
傳輸層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。
應(yīng)用層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，若變電所數(shù)量小于30個(gè)則應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。
展示層：用戶通過(guò)手機(jī)、平板、電腦等多終端的方式訪問(wèn)平臺(tái)信息。
5.4系統(tǒng)功能
5.4.1用能月報(bào)
用能月報(bào)支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號(hào)等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設(shè)置為月。
5.4.2站點(diǎn)監(jiān)測(cè)
站點(diǎn)監(jiān)測(cè)包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時(shí)用電曲線、用電概況。
5.4.3變壓器狀態(tài)
變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。
5.4.4運(yùn)維
運(yùn)維展示當(dāng)前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。
5.4.5配電圖
配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運(yùn)行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)查詢。
5.4.6監(jiān)控
監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫(huà)面（直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)信息。
5.4.7電力運(yùn)行報(bào)表
電力運(yùn)行報(bào)表顯示選定站所選定設(shè)備各回路采集間隔運(yùn)行參數(shù)和電能抄表的實(shí)時(shí)值及平均值行統(tǒng)計(jì)。
5.4.8警報(bào)信息
對(duì)平臺(tái)所有警報(bào)信息進(jìn)行分析。
5.4.9任務(wù)管理
任務(wù)管理頁(yè)面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。
5.4.10用戶報(bào)告
用戶報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、警報(bào)事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。
5.4.11APP監(jiān)測(cè)
6結(jié)語(yǔ)
化工廠區(qū)35kV變電所綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)保護(hù)裝置無(wú)法與外部通信的不足，將控制、保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)主要模塊整合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。該系統(tǒng)包括保護(hù)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、事件和故障錄波裝置、控制操作閉鎖裝置、同步裝置、通信裝置、數(shù)據(jù)處理及記錄裝置和自診斷裝置等。
近幾年，越來(lái)越多的化工廠區(qū)35kV變電所采用了計(jì)算機(jī)集成自動(dòng)化，并且陸續(xù)投入運(yùn)行，這也充分體現(xiàn)了化工廠區(qū)35kV變電所自動(dòng)化技術(shù)的日趨成熟和*的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到減人增效、降低工程造價(jià)的目的，以保障變電站可靠運(yùn)行和提經(jīng)濟(jì)效益。
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