一體化電站對(duì)電力系統(tǒng)區(qū)域控制偏差指標(biāo)的響應(yīng)控制策略

解 大，賈玉健，馮俊淇，婁宇成，楊敏霞，張 宇

(1．上海交通大學(xué)電氣工程系，上海市200240;2． 華東電力設(shè)計(jì)院，上海市200063;3．上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海市200122)

0 引 言

我國(guó)電動(dòng)汽車及充電設(shè)施的推廣與建設(shè)主要集中在公交用車、公務(wù)用車等示范運(yùn)營(yíng)方面［1-4］，國(guó)內(nèi)研究人員提出了兼具充電、換電池、儲(chǔ)能、退役電池再利用功能于一體的電動(dòng)汽車智能“充放儲(chǔ)”一體化電站［5］。相比于傳統(tǒng)的單一功能充電站、換電站或儲(chǔ)能站，一體化電站能夠顯著節(jié)約土地資源、降低電池使用成本，獲得了廣泛認(rèn)可，被認(rèn)為是推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的有力保證。

一體化電站除作為電動(dòng)汽車充電、換電池電站之外，還可利用站內(nèi)大量?jī)?chǔ)能電池和變流器裝置，對(duì)電網(wǎng)提供一定的增值效益，包括削峰填谷、無(wú)功補(bǔ)償、頻率偏差調(diào)整等［6］。雖然單座一體化電站的容量有限，但是隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模推廣［7-8］，一體化電站也將大量配套建設(shè)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響會(huì)大大加強(qiáng)，采用合理的控制方法可產(chǎn)生可觀的效益［9］。

目前，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)電動(dòng)汽車功能設(shè)施的基礎(chǔ)充放電功能有了較為完善的討論和實(shí)踐，但是對(duì)于深層次的優(yōu)化、增值控制方法，卻鮮有報(bào)道［10-13］。為此，本文引入一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)，建設(shè)性地提出一體化電站參與區(qū)域控制偏差的控制策略，并通過(guò)算例分析定量計(jì)算一體化電站參與區(qū)域控制偏差時(shí)的調(diào)整效果。

1 一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)

1.1 一體化電站結(jié)構(gòu)與功能

“充放儲(chǔ)”一體化電站系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)［5］如圖1所示，它包括調(diào)度中心、多用途變流裝置、充換電站、梯次電池儲(chǔ)能電站以及儲(chǔ)能電池。

圖1 一體化電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated power station

調(diào)度中心是電站系統(tǒng)的主控中心;多用途變流裝置是電站系統(tǒng)內(nèi)部以及內(nèi)部與電網(wǎng)之間能量多向流動(dòng)的通道;電池充換電站的主要功能是對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行合理的充放電控制，對(duì)能量狀態(tài)不足的車輛進(jìn)行電池?fù)Q取;梯次電池儲(chǔ)能電站的主要功能是對(duì)退役電池做優(yōu)化重組進(jìn)行再利用。

1.2 電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與一體化電站運(yùn)行模式

根據(jù)歐洲輸電聯(lián)盟、美國(guó)紐約州電網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行規(guī)程，頻率偏差、區(qū)域控制偏差、電壓裕度、電能質(zhì)量等指標(biāo)是電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控的重要指標(biāo)［14-15］。依據(jù)這些指標(biāo)的數(shù)值可將電力系統(tǒng)劃分為:正常運(yùn)行狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急/嚴(yán)重緊急狀態(tài)、崩潰狀態(tài)、恢復(fù)狀態(tài)，其運(yùn)行模式如圖2 所示。

圖2 電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與一體化電站運(yùn)行模式Fig.2 Power system states and integrated station operating modes

根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，一體化電站具有3 種運(yùn)行模式:

(1)正常運(yùn)行模式。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)及警戒狀態(tài)下，一體化電站也應(yīng)處于正常運(yùn)行模式，運(yùn)行目標(biāo)是維持正常穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化充放電控制，并選擇性采取一些增值效益運(yùn)行模式。

(2)系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式。電力系統(tǒng)在緊急狀態(tài)和嚴(yán)重緊急下，“充放儲(chǔ)”一體化電站采用系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式，采取一系列緊急控制措施，充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)和多用途變流裝置快速控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，支持電網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)。

(3)孤島(自治)運(yùn)行模式。在電力系統(tǒng)崩潰及系統(tǒng)恢復(fù)狀態(tài)下，一體化電站主動(dòng)從電網(wǎng)解列，采取孤島運(yùn)行模式。

1.3 電力系統(tǒng)ACE 指標(biāo)與一體化電站ISACE指標(biāo)

由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)采取區(qū)域電網(wǎng)大范圍互聯(lián)組成大電網(wǎng)運(yùn)行方式，各區(qū)域電網(wǎng)之間通過(guò)交換功率取得系統(tǒng)有功功率的動(dòng)態(tài)平衡，因此電力系統(tǒng)區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)是調(diào)度工作重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)。

ACE 計(jì)算公式如式(1)所示。

式中:常數(shù)β 為頻率偏置系數(shù);Δf 為頻率偏差;ΔPT為聯(lián)絡(luò)線實(shí)際交換功率與計(jì)劃交換功率之間的偏差。

電力系統(tǒng)的控制目標(biāo)是通過(guò)調(diào)節(jié)自動(dòng)發(fā)電控制，使得區(qū)域控制偏差εACE為0。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生擾動(dòng)，εACE達(dá)到一定數(shù)值之后，由網(wǎng)調(diào)電廠在調(diào)節(jié)容量范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，省調(diào)按給定的計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。

AGC 依據(jù)ACE 指標(biāo)的運(yùn)行值控制，這種控制體系最早采用經(jīng)驗(yàn)體系A(chǔ) 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。北美電力可靠性委員會(huì)于1996年提出了控制性能標(biāo)準(zhǔn)(control performance standard，CPS)標(biāo)準(zhǔn)，CPS 標(biāo)準(zhǔn)包括2個(gè)部分:CPS1 和CPS2 標(biāo)準(zhǔn)［16-17］。

一體化電站具有可快速調(diào)節(jié)正負(fù)功率發(fā)電機(jī)特性，也可納入AGC 控制的范疇，在正常運(yùn)行模式下，一體化電站可采取區(qū)域控制偏差增值控制策略;在系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式下，可采取區(qū)域控制偏差緊急支持控制策略;在孤島運(yùn)行模式下，系統(tǒng)不存在ACE 指標(biāo)，不予考慮。

由于一體化電站容量較小，兼顧控制的快速性和容量2個(gè)方面，需要類似地定義應(yīng)用于一體化電站的區(qū)域控制偏差指標(biāo)(area control error of integrated station，ISACE)作為一體化電站功率控制的依據(jù)。

分析實(shí)際的電力系統(tǒng)ACE 數(shù)據(jù)可以看出。ACE數(shù)值的變動(dòng)可分成3 種分量:第1 種是變化很緩慢的持續(xù)分量，變化周期為3 ～30 min;第2 種是脈動(dòng)分量，其變化周期在15 s ～3 min;第3 種是頻率較高的隨機(jī)分量，其變化周期為7.5 ～15 s。

將原始的εACE(n)數(shù)據(jù)，采取合理的高通數(shù)字濾波器IIRHP進(jìn)行處理，可將ACE 數(shù)據(jù)中高頻部分分離出來(lái)，得到HP(εACE(n))數(shù)據(jù)，作為一體化電站運(yùn)行指標(biāo)。常用的數(shù)字濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器等，其中巴特沃斯濾波器具有通頻的頻率響應(yīng)曲線最平滑的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地保留特定頻率的信息，因此本文采用巴特沃斯數(shù)字濾波器。圖3 為巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)圖，式(2)為其振幅的平方對(duì)頻率的表達(dá)式。

圖3 巴特沃茲濾波器頻率響應(yīng)圖Fig.3 Frequency response of Butterworth filter

式中:n 為濾波器的階數(shù);ωc為截止頻率;ωp為通頻帶邊緣頻率。

ACE 數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4 所示，定義一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)如式(3)所示:

HP(εACE(n))為經(jīng)過(guò)IIRHP濾波器處理過(guò)的系統(tǒng)ACE 指標(biāo)值。

圖4 ACE 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Processing of ACE data

2 一體化電站區(qū)域控制偏差調(diào)度策略

根據(jù)電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，當(dāng)εACE小于L10，認(rèn)為系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)一體化電站處于正常運(yùn)行模式，可由調(diào)度人員選擇進(jìn)入一體化電站區(qū)域控制偏差增值控制;如果εACE大于L10超過(guò)10 min，或者大于2 倍L10，認(rèn)為電力系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)，一體化電站轉(zhuǎn)入系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式下對(duì)應(yīng)HP(εACE(n))指標(biāo)的緊急支持控制。

將HP(εACE(n))按照絕對(duì)值的大小，分為如圖5所示的死區(qū)、正常區(qū)以及緊急區(qū)，一體化電站的期望充放電功率(integrated station destination generation，ISDG)與其控制方式和當(dāng)前HP(εACE(n))落入的控制區(qū)段有關(guān)。

圖5 一體化電站控制對(duì)HP(ε ACE(n))調(diào)節(jié)區(qū)域的劃分Fig.5 Division of HP(ε ACE(n))ranges based on integrated station control

結(jié)合一體化電站的正常運(yùn)行模式、系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式綜合設(shè)計(jì)出一體化電站區(qū)域偏差調(diào)度的各種調(diào)節(jié)方式，具體調(diào)節(jié)形式見(jiàn)表1。

表1 一體化電站區(qū)域偏差調(diào)度策略表Table 1 Dispatch plan of integrated station ACE

表1 中，基礎(chǔ)充放電是一體化電站正常的計(jì)劃運(yùn)行模式，不考慮ACE 的影響。響應(yīng)調(diào)節(jié)ISDG 表示一體化電站在計(jì)劃運(yùn)行模式下考慮對(duì)ACE 的要求，計(jì)算一體化電站增值期望功率ISDG，并按照計(jì)算目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。全力支持ISDG 表示一體化電站在系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式下，不再考慮運(yùn)行計(jì)劃，而是以全力支持期望功率ISDG，以期系統(tǒng)度過(guò)緊急狀態(tài)。

2.1 正常模式下一體化電站的區(qū)域控制偏差增值控制

正常運(yùn)行模式下，一體化電站除制定基本的充放電運(yùn)行計(jì)劃之外，可有選擇地進(jìn)入ACE 增值控制。在增值控制策略中，調(diào)度中心依據(jù)一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)HP(εACE(n))及一體化電站容量，實(shí)時(shí)計(jì)算并調(diào)整一體化電站的充放電有功功率，抑制電力系統(tǒng)區(qū)域控制偏差中的高頻波動(dòng)。參考電力系統(tǒng)ACE 控制的CPS 標(biāo)準(zhǔn)，類似地制訂一體化電站控制標(biāo)準(zhǔn):

式中:(εACE(n))AVE－min是1 min εACE的 平 均 值;ΔfAVE－min是1 min 頻率偏差的平均值;ε1是互聯(lián)電網(wǎng)全年1 min 頻率平均值偏差的均方根控制目標(biāo)值;BIS為根據(jù)一體化電站容量而調(diào)整設(shè)定的頻率偏差系數(shù)。

式中:B 為控制區(qū)域設(shè)定的頻率偏差系數(shù)，MW/0.1 Hz，且有負(fù)號(hào);PISei為給定控制區(qū)域內(nèi)第i個(gè)參與調(diào)節(jié)的一體化電站額定功率;PΣ為互聯(lián)電網(wǎng)全年1 min功率的平均值。

同時(shí)，規(guī)定HP(εACE(n))每10 min 的平均值必須控制在規(guī)定的范圍LIS－10內(nèi):

式中:BISΣ為含一體化電站的所有控制區(qū)即整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)的頻率偏差系數(shù);ε10為互聯(lián)電網(wǎng)對(duì)全年10 min頻率偏差的均方根值的控制目標(biāo)值;系數(shù)1.65 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布置信度為0.9 的分位點(diǎn)，概率上使頻率恢復(fù)到目標(biāo)值的可能性達(dá)到90%。

一體化電站HP(εACE(n))指標(biāo)對(duì)一體化電站與電網(wǎng)交換的有功功率調(diào)度要求包括2個(gè)部分:根據(jù)一體化電站充放電、換電池正常運(yùn)行要求制定的基礎(chǔ)充放電功率;消除一體化電站HP(εACE(n))指標(biāo)所需增減的控制調(diào)節(jié)有功功率。

含多個(gè)一體化電站的區(qū)域電網(wǎng)所需要的HP(εACE(n))稱為基于一體化電站的區(qū)域需求(area requirement based on integrated station，ISAR)，是指二次調(diào)頻中每一計(jì)算周期根據(jù)HP(εACE(k))、上次控制發(fā)出后預(yù)期響應(yīng)HP(εACE(k－1))exp和死區(qū)段及正常段之間的門檻值εDBMW計(jì)算出的調(diào)節(jié)增量。當(dāng)ISAR 在全死區(qū)段模式(full-time dead band mode，F(xiàn)DM)時(shí)和部分死區(qū)段模式(part-time dead band mode，PDM)時(shí)的取值為

對(duì)于包含一體化電站的電網(wǎng)區(qū)域需求，AGC 發(fā)出的調(diào)節(jié)功率Pr按比例積分式計(jì)算:

式中:Gl、Gp分別為控制的積分增益和比例增益;Pl、Pp分別為控制的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)調(diào)節(jié)功率。Pr的分配周期與調(diào)度中心的運(yùn)行周期同步，Pr分配到一體化電站i 的功率Psi為

式中:Pbi為一體化電站i 的實(shí)際功率點(diǎn);αi為一體化電站i 的經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)，其值是成本微增率曲線在一體化電站計(jì)劃運(yùn)行點(diǎn)處斜率的倒數(shù)，且∑αi=1，βi為一體化電站i 的調(diào)節(jié)分配系數(shù)，其值是一體化電站的響應(yīng)速率，且∑βi=1，由于一體化電站的響應(yīng)速度取決于多用途變流裝置，可以認(rèn)為所有一體化電站的調(diào)節(jié)速度是一致的。αi和βi也可以由調(diào)度員人工確定。

HP(εACE(n))分配到一體化電站i 的功率增量為

一體化電站期望功率PISDG的計(jì)算公式為

式中:SBP為一體化電站運(yùn)行的基點(diǎn);為一組經(jīng)濟(jì)分配系數(shù);為一組調(diào)節(jié)分配系數(shù)，DG為自上次計(jì)算運(yùn)行以來(lái)總的發(fā)電出力變化量。

據(jù)此，一體化電站可根據(jù)式(3)至式(11)按照預(yù)先設(shè)定的周期反復(fù)運(yùn)行進(jìn)行類于AGC 的調(diào)節(jié)，上述增值控制的流程如圖6(a)所示。

首先，按照選定的ACE 算法從SCADA 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取當(dāng)前頻率遙測(cè)值并與頻率基準(zhǔn)值對(duì)比，計(jì)算出頻率偏差;從SCADA 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取當(dāng)前聯(lián)絡(luò)線交換功率的合計(jì)值并與聯(lián)絡(luò)線凈交換功率計(jì)劃值對(duì)比，計(jì)算出聯(lián)絡(luò)線有功功率偏差，求出一體化電站所在系統(tǒng)的ACE，啟用高通濾波器對(duì)原始ACE 進(jìn)行濾波，得到一體化電站頻率偏差指標(biāo)HP(εACE(n))。

其次，判斷HP(εACE(n))大小和落入的控制區(qū)段，決定控制策略，計(jì)算出控制區(qū)域的有功功率要求和規(guī)范化的分配系數(shù)。

然后，根據(jù)當(dāng)前控制區(qū)段和電站參與調(diào)節(jié)的模式組合結(jié)合分配系數(shù)分別計(jì)算各一體化電站的期望有功功率值，比較期望發(fā)電值和實(shí)際功率計(jì)算一體化電站控制偏差并判斷功率的增減方向。由于一體化電站的控制速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)電機(jī)組，因此如果需要調(diào)節(jié)則立刻向一體化電站發(fā)出調(diào)節(jié)指令，一體化電站的多用途變流裝置接收到調(diào)節(jié)指令并作出響應(yīng)。

圖6 基于一體化電站ACE 指標(biāo)的控制策略Fig.6 Integration station control strategy based on ACE

最后，從SCADA 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取機(jī)組實(shí)際發(fā)電功率，計(jì)算預(yù)期響應(yīng)情況。

2.2 一體化電站頻率偏差指標(biāo)的緊急支持控制

一體化電站保護(hù)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)εACE指標(biāo)超出合格值，一體化電站根據(jù)上級(jí)調(diào)度指令配合電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行區(qū)域調(diào)度，調(diào)整系統(tǒng)頻率。記L1、L2為一體化電站所在區(qū)域的εACE指標(biāo)合格值以及緊急閾值;T、Tm分別為εACE越限持續(xù)時(shí)間以及越限時(shí)間緊急閾值。

當(dāng)L1時(shí)，εACE介于合格值與緊急閾值之間，但越限時(shí)間超過(guò)緊急閾值，或者εACE嚴(yán)重越限，此時(shí)一體化電站參與有功調(diào)度，且以最大能力對(duì)所在電網(wǎng)進(jìn)行支持。系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式下一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)的緊急支持控制算法流程如圖6(b)所示。

3 算例分析

圖7(a)為依據(jù)CPS 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制的某實(shí)際電力系統(tǒng)ACE 指標(biāo)1 h 的數(shù)據(jù)，εACE數(shù)值每15 s 計(jì)算1次，2 400 ～3 000 s 期間，電力系統(tǒng)由正常狀態(tài)進(jìn)入緊急狀態(tài)，ACE 指標(biāo)變化幅度大幅增加。

根據(jù) ACE 數(shù)據(jù)的頻譜分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)Butterworth 濾波器IIRHP參數(shù)如下:

通帶截止頻率fp=1/5 Hz;

通帶最大衰減Ap=1 dB;

阻帶截止頻率fs=1/20 Hz;

阻帶最小衰減As=40 dB。

將圖7(a)所示的ACE 數(shù)據(jù)，采用上述IIRHP濾波器進(jìn)行處理，得到ISACE 數(shù)據(jù)，如圖7(b)所示。對(duì)比圖7(a)、7(b)可以看出，經(jīng)過(guò)高通濾波處理后，ISACE 的絕對(duì)值在20 以內(nèi)，貼合一體化電站的調(diào)整容量。

圖7 依據(jù)CPS 標(biāo)準(zhǔn)的電力系統(tǒng)ACE 數(shù)據(jù)及ISACE 數(shù)據(jù)Fig.7 ACE data and ISACE of power system according to CPS

以上述某實(shí)際區(qū)域電網(wǎng)的數(shù)據(jù)為算例，假設(shè)一體化電站群參與區(qū)域控制偏差調(diào)整的容量額度為20 MW。在正常運(yùn)行模式下按照?qǐng)D6(a)給出增值控制策略，計(jì)算一體化電站響應(yīng)ISACE 指標(biāo)所作出的輸出功率調(diào)整量ΔPIS;在系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式下，按照?qǐng)D6(b)給出的緊急支持控制策略，計(jì)算ΔPIS。圖8給出了ΔPIS的變化曲線。

圖8 一體化電站集群響應(yīng)ISACE 指標(biāo)的輸出功率調(diào)整曲線Fig.8 Output power curve of integrated stations responding to ISACE

通過(guò)圖8 可以看出，正常模式下一體化電站輸出功率數(shù)值較小，持續(xù)時(shí)間較短;系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行模式下，功率值較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

圖9 則給出了一體化電站集群參與區(qū)域控制偏差調(diào)整前后的對(duì)比圖。

圖9 一體化電站集群參與調(diào)整前后的效果對(duì)比圖Fig.9 Effect comparison before and after integrated station participating adjustment

圖9(a)、9(b)分別為一體化電站調(diào)整前后的ISACE 指標(biāo)曲線，對(duì)比可知，在正常運(yùn)行模式下，一體化電站的增值控制策略有效削減了ISACE 的幅值;圖9(c)、9(d)分別為一體化電站參與調(diào)整前后的系統(tǒng)頻率偏差指標(biāo)，可見(jiàn)，當(dāng)電力系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)后，一體化電站在緊急支持策略控制下，調(diào)整有功功率，大大削減了系統(tǒng)頻率偏差數(shù)值，使之回歸正常狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)應(yīng)電力區(qū)域控制偏差指標(biāo)，本文定義了一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)，該指標(biāo)由原始ACE 數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理得出。

(2)對(duì)應(yīng)電力系統(tǒng)正常狀態(tài)，一體化電站運(yùn)行于正常模式，可采用增值控制策略;當(dāng)電力系統(tǒng)進(jìn)入緊急或嚴(yán)重緊急狀態(tài)時(shí)，一體化電站運(yùn)行于系統(tǒng)保護(hù)模式，可采用緊急支持控制策略。

(3)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，依據(jù)本文所提出的一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)，按照本文提出的控制策略模擬計(jì)算一體化電站參與系統(tǒng)ACE 控制的增值效果，算例表明，本文所提出的一體化電站區(qū)域控制偏差指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的控制策略科學(xué)合理、易于實(shí)現(xiàn)、控制效果顯著。

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