用于優(yōu)化軟件的BPA雙向數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

李凌，劉鑄峰，王德付，劉鵬飛，王亞龍，祝靖

（1.廣西電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣西南寧 530023；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

PSD-BPA軟件源于美國(guó)，后經(jīng)中國(guó)電力科學(xué)研究院引進(jìn)消化，形成中國(guó)版的BPA軟件，簡(jiǎn)稱BPA。由于中國(guó)電力科學(xué)研究院的推廣，BPA在我國(guó)電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，目前南方電網(wǎng)及相關(guān)電力科學(xué)研究院和設(shè)計(jì)院使用的仿真軟件主要是PSD-BPA[1]。一般地，使用BPA時(shí)，存在著如下一些問(wèn)題：

1）數(shù)據(jù)卡片填寫不便，BPA數(shù)據(jù)采用文本字符串的數(shù)據(jù)卡形式存儲(chǔ)，用戶對(duì)數(shù)據(jù)修改比較費(fèi)力，且修改過(guò)程一般伴有計(jì)算，數(shù)據(jù)填寫易于出錯(cuò)。用程序自動(dòng)生成BPA數(shù)據(jù)格式則能夠避免一部分上述問(wèn)題。

2）數(shù)據(jù)信息面臨信息孤島問(wèn)題，常用電力系統(tǒng)分析軟件眾多[2]，經(jīng)常需要對(duì)不同電力系統(tǒng)軟件間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃計(jì)算中，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，需要使用優(yōu)化程序?qū)\(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，但由于數(shù)據(jù)格式的不兼容，手動(dòng)遷移數(shù)據(jù)耗費(fèi)大量人力。

實(shí)際工作中有必要實(shí)現(xiàn)BPA與其他各類軟件之間的接口，有不少學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索，例如有對(duì)BPA與PSS/E進(jìn)行接口開(kāi)發(fā)的嘗試[3]，也有對(duì)BPA與辦公軟件Excel對(duì)接的接口研究[1]。

本文講述的是一種采用表格映射的接口實(shí)現(xiàn)方法，考慮現(xiàn)有電網(wǎng)較多地采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)事實(shí)，用這一方法能夠較好地融入電網(wǎng)現(xiàn)有系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，該方法可用于實(shí)現(xiàn)BPA數(shù)據(jù)與其他格式數(shù)據(jù)的接口轉(zhuǎn)換功能，并且基于該方法，實(shí)現(xiàn)了BPA數(shù)據(jù)與優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)的對(duì)接，從而在使用優(yōu)化軟件時(shí)提高工作效率。

所提方法可歸結(jié)為3步：原始、目標(biāo)數(shù)據(jù)格式表格化；表格映射；生成目標(biāo)數(shù)據(jù)。

1 原始數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)表格化

習(xí)慣做法是，用表格形式記錄數(shù)據(jù)，對(duì)于接口的實(shí)現(xiàn)，采用類似的思路：首先將數(shù)據(jù)表格化，隨后通過(guò)表格與表格之間的映射實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，即首先將BPA數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行表格化處理，形成關(guān)系數(shù)據(jù)表，進(jìn)而專注于表格之間的映射過(guò)程以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

圖1 原始數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)表格化Fig. 1 Form the tables from original and target data

對(duì)BPA而言，表格的分類依據(jù)BPA規(guī)則與用戶自定義規(guī)則，表格中的各行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的BPA數(shù)據(jù)卡片記錄，表格各列屬性對(duì)應(yīng)相應(yīng)卡片的各種信息屬性。同樣地，對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)而言，表格的分類依據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)則與自定義規(guī)則。自定義規(guī)則不能影響原軟件對(duì)數(shù)據(jù)的讀取計(jì)算。

表格化以后的數(shù)據(jù)存在于多張分類的表中，分類依據(jù)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而定，表格之間有關(guān)系約束，能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)一致，依據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)有著嚴(yán)格的數(shù)據(jù)一致性，數(shù)據(jù)能做到不易出錯(cuò)。

通過(guò)表格化過(guò)程，形成了BPA數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。一般地，BPA數(shù)據(jù)的信息量不等于目標(biāo)數(shù)據(jù)的信息量，因此，還需要形成其他的數(shù)據(jù)庫(kù)表格。

1.1 BPA數(shù)據(jù)表格

BPA數(shù)據(jù)表是由BPA卡片數(shù)據(jù)通過(guò)定義規(guī)則形成。為實(shí)現(xiàn)這部分程序，依據(jù)數(shù)據(jù)卡片的格式定義，表格的生成規(guī)則可以固定或者非固定。這里的固定和非固定的含義用BPA中的B卡來(lái)解釋如下：

1）固定的方式。B卡的格式如表1所示，要形成以“所有者”、“節(jié)點(diǎn)名”、“分區(qū)”……為列字段的表格，可以用默認(rèn)規(guī)則（B卡的定義）把表格生成的程序固定，這源于B卡格式固定不會(huì)改變。

表1 B卡定義Tab. 1 The definition of B card

2）非固定的方式。為了有較好的擴(kuò)展性，程序讀取用戶可修改生成規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)BPA數(shù)據(jù)的表格化，即所謂的“非固定”。生成規(guī)則中，基本數(shù)據(jù)卡片部分與潮流手冊(cè)[4-8]所說(shuō)的卡片定義嚴(yán)格一致，其他擴(kuò)展部分自定義。采用非固定的生成規(guī)則能有較好的擴(kuò)展性和遷移性：可以充分利用BPA如注釋規(guī)則等特點(diǎn)，在BPA潮流數(shù)據(jù)中，利用注釋規(guī)則，可以用小數(shù)點(diǎn)加上特殊標(biāo)志符，自定義擴(kuò)充的數(shù)據(jù)記錄方式（例如自定義“.G……”記錄表示什么型號(hào)的發(fā)電機(jī)），從而可以動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)充數(shù)據(jù)記錄，規(guī)則遷移也較容易實(shí)現(xiàn)[9-10]。

表格化的數(shù)據(jù)內(nèi)容反向生成BPA文件過(guò)程遵循生成規(guī)則，反向進(jìn)行，即生成一一對(duì)應(yīng)的字符串記錄，寫入BPA文件，并且考慮編碼方式（ASCII碼而非Unicode碼），編程容易實(shí)現(xiàn)。

BPA潮流程序有規(guī)則如下：

1）數(shù)據(jù)中，“（POWERFLOW，CASEID，……）”與“（END）”之間數(shù)據(jù)內(nèi)容有效，它們之外的內(nèi)容BPA忽略。

2）命名長(zhǎng)度受限。如表2所示，短的命名導(dǎo)致信息含量受限。

表2 命名長(zhǎng)度限制Fig. 2 Name length restrictions

為保證基本數(shù)據(jù)規(guī)則與自定義規(guī)則的一一對(duì)應(yīng)的有效性，能夠利用數(shù)字簽名中的一些思想。

考慮簡(jiǎn)化的名字字典有限性驗(yàn)證：根據(jù)規(guī)則1、2，擴(kuò)展自定義數(shù)據(jù)記錄，如圖2所示，提取BPA節(jié)點(diǎn)卡中的節(jié)點(diǎn)名，節(jié)點(diǎn)名排序，并且連接生成字符串，用字符串生成哈希數(shù)值，生成的哈希數(shù)值認(rèn)為是排序后節(jié)點(diǎn)名生成字符串的指紋，對(duì)BPA某一節(jié)點(diǎn)的更名，哈希（Hash）值將應(yīng)該改變，其中不考慮兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互換名字的情況（互換名字的情況時(shí)，哈希值不改變，但在BPA中互換節(jié)點(diǎn)名的情況一般不會(huì)出現(xiàn)）。對(duì)于區(qū)域、分區(qū)、所有者，它們的名字同節(jié)點(diǎn)名相似處理。

名字字典表寫入BPA文件，方式是：用XML記錄附加信息追加在BPA文件中“（END）”之后（規(guī)則2），追加的信息包括節(jié)點(diǎn)名、區(qū)域名、分區(qū)名、所有者名的字典鍵值對(duì)與它們的哈希值（上節(jié)所述），以及其他類型數(shù)據(jù)。自定義的數(shù)據(jù)與BPA潮流數(shù)在同一個(gè)文件中，數(shù)據(jù)有非易失性。

讀取BPA文件，會(huì)遇到如下2種情況：

1）BPA文件未經(jīng)過(guò)圖2所示的處理，文件中“（END）”后面沒(méi)有或有不識(shí)別的內(nèi)容。

2）BPA文件被處理過(guò)，“（END）”之后有XML描述的名字字典。提取其中的節(jié)點(diǎn)名，排序生成字符串，生成哈希值，與XML中提取的哈希值對(duì)比，以哈希值是否一致，檢測(cè)字典表是否有改動(dòng)，如若字典表發(fā)生改變，程序額外處理（如更新、修復(fù)）形成新的節(jié)點(diǎn)名字典表。對(duì)于區(qū)域名、分區(qū)名、所有者名進(jìn)行同樣的處理。

變壓器元件有雙繞組和三繞組之分，三繞組變壓器中性點(diǎn)的處理方法：一般地，若BPA中變壓器卡片的漏抗值為負(fù)，則這張卡片的2個(gè)節(jié)點(diǎn)中有1個(gè)是中性點(diǎn)，遍歷所有的T（包含TP）卡所形成的表格，查找出這2個(gè)節(jié)點(diǎn)中連接數(shù)正好等于3的節(jié)點(diǎn)，則這個(gè)點(diǎn)是變壓器中性點(diǎn)，選出這類節(jié)點(diǎn)并形成三繞組變壓器中性點(diǎn)表。

經(jīng)過(guò)上述處理，BPA數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)庫(kù)包括有區(qū)域表、節(jié)點(diǎn)類表、線路類表、變壓器類表和名字字典表等。

1.2 目標(biāo)數(shù)據(jù)表格

目標(biāo)數(shù)據(jù)依據(jù)自身的分類、各記錄的屬性等形成數(shù)據(jù)庫(kù)表格，或者可依據(jù)E-R模型建立數(shù)據(jù)庫(kù)表格。如站點(diǎn)的出力、負(fù)荷、廠站名、地理位置、變壓器容量、型號(hào)等，將它們分類記錄在不同的表格中，目標(biāo)數(shù)據(jù)（這里指優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式，見(jiàn)圖3）表格的格式依據(jù)優(yōu)化程序所需的數(shù)據(jù)格式確定，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。一般地，使用表格映射形成數(shù)據(jù)接口的方法亦能夠用于BPA與其他數(shù)據(jù)模型之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如可用于CIM數(shù)據(jù)[7-8]，如圖4所示?？梢詫?shí)現(xiàn)如文獻(xiàn)[5]所說(shuō)的BPA到CIM的映射。

圖3 優(yōu)化軟件包括的數(shù)據(jù)Fig. 3 The main data of the OPF software

圖4 轉(zhuǎn)換成CIM模型數(shù)據(jù)Fig. 4 Converting to CIM data

2 數(shù)據(jù)表格之間的映射

在建立1.1節(jié)、1.2節(jié)中所描述的表格之后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交互只需專注于表格與表格之間的映射，BPA文件中導(dǎo)出數(shù)據(jù)過(guò)程為：從BPA的數(shù)據(jù)表格到目標(biāo)數(shù)據(jù)表格的映射；數(shù)據(jù)導(dǎo)入BPA文件的過(guò)程為從目標(biāo)數(shù)據(jù)表格到BPA數(shù)據(jù)表格的映射。

表格間的映射過(guò)程包括：創(chuàng)建表、篩選表、篩選字段、表與表之間的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)賦值等內(nèi)容，映射包括一對(duì)一、多對(duì)一、一對(duì)多3種，表格之間的映射需要熟悉源、目標(biāo)數(shù)據(jù)之間數(shù)據(jù)模型的關(guān)系。映射過(guò)程采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，也即接口的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的編程，如圖5所示。

表格映射的過(guò)程中可加一些功能，如提示添加實(shí)際中文站名、形成BPA節(jié)點(diǎn)名，其中BPA節(jié)點(diǎn)名采用漢字拼音壓縮方法[1]規(guī)范命名，形成良好的節(jié)點(diǎn)名字典表，區(qū)域名、分區(qū)名類似。映射過(guò)程中可以對(duì)節(jié)點(diǎn)表、變壓器表、線路表等表中的編號(hào)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化[1]，以便于加快優(yōu)化程序的計(jì)算速度。實(shí)現(xiàn)過(guò)程基于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)，接口的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能夠規(guī)范數(shù)據(jù)管理，簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖5 用數(shù)據(jù)庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)表格映射Fig. 5 Manipulating the tables by database technology

3 BPA數(shù)據(jù)與電力系統(tǒng)優(yōu)化軟件接口

電力系統(tǒng)中廣泛使用BPA，其計(jì)算快速穩(wěn)定，但BPA中沒(méi)有集成最優(yōu)潮流的計(jì)算模塊，因此，建立BPA數(shù)據(jù)與最優(yōu)潮流計(jì)算系統(tǒng)的接具用有現(xiàn)實(shí)意義。電網(wǎng)運(yùn)行方式規(guī)劃制定過(guò)程需要使用BPA來(lái)計(jì)算潮流情況。通過(guò)建立優(yōu)化軟件與BPA的接口，優(yōu)化軟件可直接讀取BPA數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果生成新的BPA數(shù)據(jù)，從而取得優(yōu)化效果，整個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程僅需用戶少量控制操作，無(wú)需人工移植數(shù)據(jù)，避免了因信息孤島而引起增加的工作量。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的優(yōu)化方法多采用現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)法，潮流優(yōu)化軟件需要的數(shù)據(jù)包括目標(biāo)函數(shù)、等式約束、不等式約束。其中，目標(biāo)函數(shù)可變，等式約束一般為潮流方程，不等式約束即電壓、電流、功率等的上下限值約束。典型的數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

其中包含有：系統(tǒng)參數(shù)（節(jié)點(diǎn)數(shù)、變壓器總數(shù)、基準(zhǔn)容量、計(jì)算精度、目標(biāo)函數(shù)模型等）；等式約束的數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)參數(shù)、線路參數(shù)、變壓器參數(shù)、節(jié)點(diǎn)功率參數(shù)等）；不等式約束的數(shù)據(jù)（出力限制、電壓限制、線路變壓器功率限制、聯(lián)絡(luò)線功率限制等）；目標(biāo)函數(shù)的數(shù)據(jù)（煤耗系數(shù)、負(fù)荷經(jīng)濟(jì)費(fèi)用系數(shù)等）。

用變壓器參數(shù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)說(shuō)明BPA數(shù)據(jù)與電力系統(tǒng)優(yōu)化軟件的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)，其中優(yōu)化軟件的數(shù)據(jù)文件中變壓器參數(shù)格式如表3所示。

表3 變壓器數(shù)據(jù)格式Tab. 3 Transformer data format

3.1 導(dǎo)出BPA數(shù)據(jù)過(guò)程

BPA中變壓器數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入優(yōu)化軟件的變壓器數(shù)據(jù)格式，其表格映射如圖6所示，接口執(zhí)行如下步驟：遍歷“T卡表”→遍歷查詢相關(guān)表格→映射添加到優(yōu)化軟件的“變壓器表”中→生成優(yōu)化軟件可讀取的變壓器數(shù)據(jù)。

圖6 BPA到潮流優(yōu)化軟件變壓器數(shù)據(jù)的表格映射Fig. 6 Mapping for the transformer data in BPA files converting to OPF software

圖6表述的是用BPA 的T卡、R卡對(duì)應(yīng)的表格生成優(yōu)化軟件變壓器參數(shù)表格，從左到右用表“①②③④”來(lái)表述其過(guò)程為：③依據(jù)VarTap生成④，①依據(jù)2端節(jié)點(diǎn)名查詢節(jié)點(diǎn)編號(hào)表得到節(jié)點(diǎn)編號(hào)，將R、X、Tap2/Tap1的值分別賦值給在優(yōu)化軟件對(duì)應(yīng)②表的R、X、K0。③中依據(jù)VarTap的值（0或1或2）確定Kmin與Kmax（依據(jù)VarTap選擇Tap_max/Tap1與Tap_min/Tap1或者選擇Tap_max/Tap2與Tap_min/Tap2），LTC抽頭數(shù)對(duì)應(yīng)賦與Taps，最后將②轉(zhuǎn)換生成優(yōu)化軟件所需格式。類似地，節(jié)點(diǎn)、線路等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程與上述相近。最后接口導(dǎo)出過(guò)程可描述為：BPA數(shù)據(jù)生成表格→映射生成目標(biāo)數(shù)據(jù)表格→轉(zhuǎn)換成優(yōu)化數(shù)據(jù)格式。

3.2 導(dǎo)入BPA數(shù)據(jù)過(guò)程

完成優(yōu)化運(yùn)算，優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入BPA數(shù)據(jù)，其表格映射如圖7所示，接口執(zhí)行如下步驟：優(yōu)化結(jié)果形成表格→遍歷查詢相關(guān)表格→導(dǎo)入BPA卡片對(duì)應(yīng)的表格→形成BPA卡片數(shù)據(jù)。

圖7表述的過(guò)程（同樣從左到右用表“①②③”來(lái)描述）：優(yōu)化結(jié)果修改優(yōu)化軟件的原始數(shù)據(jù)→形成②→程序遍歷②→查詢節(jié)點(diǎn)編號(hào)表得到節(jié)點(diǎn)名→查找節(jié)點(diǎn)名字典表得到BPA數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)名→查詢可變抽頭表（見(jiàn)圖6中的第4個(gè)表）得到可變抽頭→依據(jù)②“是否可調(diào)”決定是否生成③→依據(jù)②的各個(gè)參數(shù)生成對(duì)應(yīng)①、③表的相應(yīng)值，其過(guò)程近似于圖6的反向過(guò)程，最后將①、③表格生成對(duì)應(yīng)的T卡、R卡數(shù)據(jù)，完成將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BPA文件。

如3.1、3.2小節(jié)所述，接口對(duì)變壓器數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束。

BPA數(shù)據(jù)中三類卡片記錄與潮流優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4—6所示。

圖7 優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入BPA文件的表格映射Fig. 7 Mapping for OPF results converting to BPA files

表4 交流節(jié)點(diǎn)卡與優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)Tab. 4 Accompanying Tab. 1: the relationship between B cards and OPF software

表5 交流節(jié)點(diǎn)卡與優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)Tab. 5 Accompanying Tab. 2 :the relationship between L cards and OPF software

表6 變壓器卡與優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)Tab. 6 Accompanying Table 5: the relationship between T cards（including TP Cards）and OPF software

對(duì)于其他的數(shù)據(jù)，通過(guò)類似變壓器的轉(zhuǎn)換過(guò)程，依據(jù)數(shù)據(jù)模型之間的關(guān)系使用數(shù)據(jù)庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)接口的雙向轉(zhuǎn)換。

4 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

在自行開(kāi)發(fā)的潮流優(yōu)化軟件上采用上述接口方法，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)讀取電網(wǎng)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，軟件更新BPA數(shù)據(jù)，優(yōu)化軟件對(duì)某電網(wǎng)2011年枯小運(yùn)行方式進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化計(jì)算，接口轉(zhuǎn)換該方式下的BPA數(shù)據(jù)文件到優(yōu)化軟件所定義的數(shù)據(jù)格式文件，優(yōu)化分析計(jì)算結(jié)束后接口將優(yōu)化結(jié)果生成新的BPA文件，新的BPA文件能夠被PSD-BPA讀取運(yùn)算且潮流收斂、N-1校驗(yàn)通過(guò)，優(yōu)化后電壓處于合理范圍，說(shuō)明了接口方法及潮流優(yōu)化軟件的有較好的魯棒性。測(cè)試結(jié)果如表7—8所示。

5 結(jié)論

電力系統(tǒng)需要使用比較多的分析計(jì)算軟件，開(kāi)發(fā)軟件之間的接口，對(duì)多個(gè)分析計(jì)算軟件的混合使用具有重要的意義，本文描述一種用表格映射的方法實(shí)現(xiàn)BPA數(shù)據(jù)與其他格式數(shù)據(jù)的接口交換，并且基于這一方法，實(shí)現(xiàn)了BPA與電力系統(tǒng)優(yōu)化軟件的雙向數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換。

表7 母線最高電壓Tab. 7 The highest voltage of the bus bar

表8 部分220 kV等級(jí)母線電壓Tab. 8 Parts of the 220 kV grade bus voltages

BPA數(shù)據(jù)與其他格式數(shù)據(jù)之間交互對(duì)應(yīng)，可以通過(guò)表格映射的方法實(shí)現(xiàn)，這一方法專注基于數(shù)據(jù)庫(kù)的編程，數(shù)據(jù)的管理相對(duì)規(guī)范，轉(zhuǎn)換過(guò)程較為清晰，而且依據(jù)BPA的數(shù)據(jù)規(guī)則，能夠獲得一些擴(kuò)展功能。

依據(jù)BPA數(shù)據(jù)與潮流優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)中的共同性來(lái)定義表格中的映射規(guī)則，使得BPA數(shù)據(jù)能夠較好的與優(yōu)化軟件對(duì)接，通過(guò)接口極大地提高工作效率。

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