數(shù)字化變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)不同組網(wǎng)模式的比較分析

張 文，吳宗熙，鄭潤(rùn)藍(lán)，涂長(zhǎng)庚，余曉鴻，王科清，李正天

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.國(guó)家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077；3.國(guó)家電網(wǎng)北京市電力公司 物資公司，北京 100031；4.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，以過(guò)程層設(shè)備數(shù)字化為主要特征的數(shù)字化變電站受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。利用以太網(wǎng)取代并行電纜，不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)備連接方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，還可以集成原有的各種專用信息，形成統(tǒng)一的綜合信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息共享與信息集成，消除各種信息和自動(dòng)化孤島，為解決不同設(shè)備之間的互操作問(wèn)題提供了條件［1］。

過(guò)程層作為數(shù)字化變電站3層結(jié)構(gòu)的最底層，涉及變電站一次設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，如數(shù)據(jù)采集和保護(hù)跳閘等，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性在很大程度上決定了變電站全站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，意義重大［2］。

1 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵要素

1.1 組網(wǎng)的總體原則

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式多種多樣，從不同角度有不同的劃分方法［3］：①按數(shù)據(jù)報(bào)文不同來(lái)劃分，既可以采用SV，GOOSE分開(kāi)組網(wǎng)，也可以采用SV，GOOSE合并組網(wǎng)；②按電壓等級(jí)來(lái)劃分，既可以采用多電壓等級(jí)合并組網(wǎng)，也可以按不同電壓等級(jí)分開(kāi)組網(wǎng)；③按級(jí)聯(lián)方式來(lái)劃分，既可以采用間隔交換機(jī)+中心交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，也可以采用單層交換機(jī)合并組網(wǎng)；④按網(wǎng)絡(luò)類型來(lái)劃分，既可以采用站控層網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)合并組網(wǎng)，也可以采用站控層網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)組網(wǎng)。

不同的組網(wǎng)劃分方式有不同的考慮，適用于不用的場(chǎng)合，但從目前數(shù)字化變電站應(yīng)用的技術(shù)水平可以設(shè)定一個(gè)總體原則：

1）站控層與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)組網(wǎng)，可以降低網(wǎng)絡(luò)流量，減少交換機(jī)運(yùn)行壓力，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性；

2）不同電壓等級(jí)分開(kāi)組網(wǎng)，避免所有電壓等級(jí)共網(wǎng)情況下網(wǎng)絡(luò)故障帶來(lái)的嚴(yán)重后果，這點(diǎn)對(duì)于220kV及以上變電站尤為重要；

3）采用“間隔層交換機(jī)+中心交換機(jī)”模式組網(wǎng)，減少單一交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行壓力，同時(shí)可以將風(fēng)險(xiǎn)降至最低；

4）110kV變電站可以考慮SV與GOOSE合并組網(wǎng)，而220kV變電站基于安全穩(wěn)定運(yùn)行的考慮，建議SV與GOOSE分開(kāi)組網(wǎng)。

1.2 組網(wǎng)劃分的關(guān)鍵要素

不同組網(wǎng)模式有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如何把握實(shí)際工程的組網(wǎng)需求，必須考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵要素。

1）網(wǎng)絡(luò)流量。交換機(jī)是數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)的重要載體，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的安全乃至全網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。而交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量是交換機(jī)的一個(gè)重要考量指標(biāo)，當(dāng)單個(gè)交換機(jī)上所接入的MU過(guò)多，勢(shì)必會(huì)造成級(jí)聯(lián)口負(fù)擔(dān)過(guò)重。交換機(jī)級(jí)聯(lián)層級(jí)越多，級(jí)聯(lián)口的端口流量也越大。因此，組網(wǎng)模式設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮交換機(jī)端口（百兆口）流量的大小，確保在正常運(yùn)行工況以及故障工況下網(wǎng)絡(luò)流量均在一個(gè)合理水平，即交換機(jī)在各種情況下都能保持100%的吞吐量及零丟包率。

2）網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴主要包括廣播、組播、未知地址單播。它們的共同特點(diǎn)是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳播，它將占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低了網(wǎng)絡(luò)性能，有可能導(dǎo)致裝置接收到大量無(wú)用報(bào)文，使得裝置運(yùn)行異常［4］。

網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制的途徑有多種，除了IED及交換機(jī)自身可以進(jìn)行風(fēng)暴抑制之外，組網(wǎng)模式的不同也會(huì)直接影響到風(fēng)暴的傳播途徑及影響范圍。因此，如何選擇有效的組網(wǎng)模式以最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的影響范圍也成為過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式選擇必須要考慮的因素。

3）報(bào)文類型。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖荢V和GOOSE報(bào)文，SV報(bào)文主要是指采樣值數(shù)據(jù)，它強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性；GOOSE報(bào)文主要是指開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，它包含重要的網(wǎng)絡(luò)跳閘及聯(lián)閉鎖信息［5-6］。組網(wǎng)模式下，如何保證GOOSE報(bào)文可靠傳輸以及SV報(bào)文實(shí)時(shí)傳輸將直接影響到保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備的動(dòng)作準(zhǔn)確性。

4）信息共享與監(jiān)視。不同組網(wǎng)模式有不同的信息流，網(wǎng)絡(luò)劃分越粗，信息共享與監(jiān)視能力越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)也更為簡(jiǎn)單，但網(wǎng)絡(luò)壓力也越大；網(wǎng)絡(luò)劃分越細(xì)，各網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行穩(wěn)定性越好，但信息共享與監(jiān)視的能力也越差，對(duì)于站域保護(hù)、安自設(shè)備以及報(bào)文分析儀等實(shí)現(xiàn)起來(lái)也越復(fù)雜［7］。如何保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下最大程度的實(shí)現(xiàn)信息共享也是組網(wǎng)模式選擇的考慮因素。

5）成本核算。數(shù)字化變電站相對(duì)于傳統(tǒng)變電站，成本越來(lái)越多的向交換機(jī)傾斜，可以說(shuō)交換機(jī)的數(shù)量直接影響到數(shù)字化變電站的建設(shè)成本。如共享雙網(wǎng)所需交換機(jī)數(shù)量最少，雙單網(wǎng)次之，而獨(dú)立雙網(wǎng)所需交換機(jī)是雙單網(wǎng)的兩倍，由此可以看出，網(wǎng)絡(luò)的安全與成本的核算相悖。如何能在有效控制成本的同時(shí)最大限度的保證網(wǎng)絡(luò)安全成為組網(wǎng)模式選擇的又一議題。

6）交換機(jī)級(jí)聯(lián)。按照廣東電網(wǎng)數(shù)字化變電站技術(shù)規(guī)范要求，組網(wǎng)模式下交換機(jī)級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)不得超過(guò)4個(gè)［7］。這樣，網(wǎng)絡(luò)劃分過(guò)細(xì)將不滿足上述要求。例如，當(dāng)采用“中心交換機(jī)+間隔交換機(jī)”的配置模式時(shí)，如果各個(gè)間隔獨(dú)立配置間隔交換機(jī)，就極大地增加了中心交換機(jī)的接口數(shù)量，進(jìn)而必須進(jìn)行中心交換機(jī)的級(jí)聯(lián)，此時(shí)若再考慮不同電壓等級(jí)中心交換機(jī)的級(jí)聯(lián)，有可能就會(huì)出現(xiàn)交換機(jī)級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)大于4的情況［8］。因此，如何在保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的同時(shí)滿足技術(shù)規(guī)范的要求也成為組網(wǎng)模式的限制因素。

7）設(shè)備關(guān)聯(lián)性?？紤]到不同設(shè)備與設(shè)備之間有信息交換的需求，如安自設(shè)備、站域保護(hù)等需要與多個(gè)電壓等級(jí)的多個(gè)設(shè)備聯(lián)系，220kV雙回線之間也有相互的聯(lián)閉鎖信息，如果組網(wǎng)模式設(shè)計(jì)不合理，同時(shí)又要滿足交換機(jī)層級(jí)不大于4的需求，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)特定情況下的光纖直連以滿足站內(nèi)的信息交互。這種光纖直連將無(wú)法進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，不滿足全站所有設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息共享。這一問(wèn)題也必須在組網(wǎng)模式選擇時(shí)加以考慮。

8）設(shè)備組網(wǎng)口數(shù)量。對(duì)于安自、母差等設(shè)備由于同時(shí)需要接入多個(gè)MU的采樣數(shù)據(jù)，為了避免單個(gè)光口流量過(guò)大，有時(shí)需要配置多個(gè)組網(wǎng)口共同完成MU的接入。但設(shè)備組網(wǎng)口數(shù)量增加的同時(shí)也會(huì)加重中心交換機(jī)的負(fù)擔(dān)，由于中心交換機(jī)光口數(shù)量有限，任意2個(gè)IED之間的級(jí)聯(lián)層級(jí)又不得超過(guò)4級(jí)，這樣當(dāng)單一設(shè)備組網(wǎng)口過(guò)多時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)交換機(jī)接口數(shù)量不夠的情況，這一問(wèn)題對(duì)于220kV及以上數(shù)字化變電站尤為突出。如何保證設(shè)備與交換機(jī)的光口數(shù)量配合成為組網(wǎng)模式選擇的又一限制因素。

9）間隔檢修。考慮到日常運(yùn)行維護(hù)中的設(shè)備檢修操作，往往需要將某一間隔停運(yùn)檢修，這種情況下，希望在退出該間隔保護(hù)測(cè)控設(shè)備的同時(shí)也能將其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)停運(yùn)檢修。此時(shí)，如果多個(gè)間隔接入同一交換機(jī)時(shí)，該交換機(jī)將無(wú)法同步停運(yùn)。尤其是對(duì)于GOOSE網(wǎng)絡(luò)，由于設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)性多，這種問(wèn)題暴露得尤為突出，組網(wǎng)模式選擇時(shí)也必須加以考慮。

2 不同組網(wǎng)模式分析

2.1 典型220kV數(shù)字化變電站主接線

以典型的220kV數(shù)字化變電站為例討論其組網(wǎng)模式，其主接線如圖1所示。

圖1 220kV數(shù)字化變電站典型主接線示意Figure 1 Typical main wiring diagram of 220kV digital substation

2.2 220kV數(shù)字化變電站設(shè)備典型配置

根據(jù)圖1對(duì)該站進(jìn)行典型配置（站控層設(shè)備按傳統(tǒng)配置，在此不列出；10kV設(shè)備除變低、分段、接地變外，由于不進(jìn)入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)暫不考慮；另因該文研究?jī)?nèi)容不涉及電子式互感器及電度表，其配置也不考慮）：

1）220kV線路、母線及斷路器失靈、母聯(lián)和分段均配置雙重化保護(hù)，測(cè)控裝置按單套配置。

2）220kV主變配置雙重化電氣量保護(hù)和一套非電量保護(hù)；主變各側(cè)的測(cè)控裝置按單套配置。非電量保護(hù)測(cè)控一體化裝置按單套配置。

3）110kV線路、母線及母聯(lián)和分段配置雙套保護(hù)裝置，測(cè)控裝置按單套配置。

4）110～220kV電壓等級(jí)合并單元按雙重化配置。

5）主變各側(cè)、中性點(diǎn)合并單元按雙重化配置。

6）110～220kV電壓等級(jí)智能終端按斷路器雙重化配置，與雙重化保護(hù)、雙跳閘線圈配合。

7）主變220，110kV側(cè)智能終端按雙重化配置，主變本體智能終端單套配置，10kV側(cè)雙重化智能終端與合并單元合一配置。

8）安穩(wěn)裝置及220，10kV備自投單套配置。

9）故障錄波器及報(bào)文分析儀合一，按電壓等級(jí)雙套配置。

2.3 220kV數(shù)字化變電站組網(wǎng)模式分析

根據(jù)典型220kV數(shù)字化變電站主接線及其系統(tǒng)配置進(jìn)行組網(wǎng)模式探討。站內(nèi)設(shè)備統(tǒng)計(jì)如表1所示（按單套最大化統(tǒng)計(jì)，雙重化部分類似）。

1）組網(wǎng)模式1。從保證網(wǎng)絡(luò)可靠性為重點(diǎn)進(jìn)行劃分，結(jié)果如表2所示，組網(wǎng)模式1考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性和設(shè)備的獨(dú)立性，各間隔配有獨(dú)立的間隔交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)劃分清晰，同時(shí)，SV采用獨(dú)立雙網(wǎng)配置，形成四重網(wǎng)絡(luò)傳輸，既保證了網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性，也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕籊OOSE采用共享雙網(wǎng)配置，保證了GOOSE報(bào)文傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2）組網(wǎng)模式2。以保證成本最優(yōu)為首要考慮進(jìn)行劃分，結(jié)果如表3所示，組網(wǎng)模式2按交換機(jī)數(shù)量最少的方式進(jìn)行配置，節(jié)省了成本，同時(shí)，能最大程度實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備的信息共享，這點(diǎn)對(duì)于GOOSE網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換優(yōu)勢(shì)明顯。

3）組網(wǎng)模式3。以電壓等級(jí)為首要考慮，不同電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)采取不同的組網(wǎng)模式，結(jié)果如表4所示，組網(wǎng)模式3按電壓等級(jí)劃分網(wǎng)絡(luò)，可以滿足不同電壓等級(jí)配置不同組網(wǎng)模式，配置靈活，網(wǎng)絡(luò)劃分清晰。220kV電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全性要求高，采用SV獨(dú)立雙網(wǎng)+GOOSE共享雙網(wǎng)的模式進(jìn)行配置，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?10kV間隔數(shù)量大，單間隔接入設(shè)備少，按2～3個(gè)間隔接入一個(gè)間隔交換機(jī)的方式進(jìn)行配置既保證了網(wǎng)絡(luò)端口流量不超過(guò)合理水平，同時(shí)也節(jié)省了交換機(jī)數(shù)量，控制了成本。

表1 220kV數(shù)字化變電站典型系統(tǒng)配置Table 1 Typical system configuration of 220kV digital substation

表2 組網(wǎng)模式1劃分方法Table 2 Classification method for networking mode 1

表3 組網(wǎng)模式2劃分方法Table 3 Classification method for networking mode 2

表4 組網(wǎng)模式3劃分方法Table 4 Classification method for networking mode 3

4）組網(wǎng)模式4。將主變間隔獨(dú)立組網(wǎng)，同時(shí)考慮到10kV設(shè)備少，將其合并進(jìn)入110kV電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，再按照電壓等級(jí)區(qū)分，不同電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)采取不同的組網(wǎng)模式，結(jié)果如表5所示，組網(wǎng)模式4考慮主變跨越3個(gè)電壓等級(jí)，但同屬一個(gè)間隔，采取獨(dú)立配置方式，減少了不同電壓等級(jí)之間的信息交換，確保級(jí)聯(lián)端口流量不越限；另一方面，由于10kV電壓等級(jí)設(shè)備少，且與主變關(guān)聯(lián)性最大，采取與相應(yīng)主變間隔合并組網(wǎng)的方式既滿足了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，也減少了網(wǎng)絡(luò)層級(jí)及交換機(jī)數(shù)量。

5）組網(wǎng)模式5。考慮間隔之間的關(guān)聯(lián)性，將聯(lián)系緊密的不同間隔納入同一網(wǎng)絡(luò)中，打破電壓等級(jí)的劃分方式進(jìn)行組網(wǎng)，結(jié)果如表6所示，組網(wǎng)模式5按設(shè)備之間關(guān)聯(lián)緊密性進(jìn)行劃分，將全站GOOSE網(wǎng)絡(luò)納入同一個(gè)網(wǎng)內(nèi)，繼承了組網(wǎng)模式2的優(yōu)點(diǎn)，最大程度的滿足了站內(nèi)設(shè)備GOOSE信息的交互，信息共享能力強(qiáng)，既保證了級(jí)聯(lián)端口流量不越線，同時(shí)也減少了網(wǎng)絡(luò)層級(jí)和交換機(jī)數(shù)量；另一方面，SV網(wǎng)絡(luò)也繼承了組網(wǎng)模式3和4的優(yōu)點(diǎn)。

表5 組網(wǎng)模式4劃分方法Table 5 Classification method for networking mode 4

表6 組網(wǎng)模式5劃分方法Table 6 Classification method for networking mode 5

6）組網(wǎng)模式6。按照設(shè)備停電檢修時(shí)能同時(shí)將間隔交換機(jī)停運(yùn)的劃分方式進(jìn)行組網(wǎng)，結(jié)果如表7所示，組網(wǎng)模式6以間隔停運(yùn)檢修的便利性為首要考慮因素，保證了間隔停運(yùn)的同時(shí)其過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)也可以同步停運(yùn)，便于日常運(yùn)維管理，同時(shí)考慮到主變與接地變停運(yùn)的同步性，將接地變單獨(dú)接入相應(yīng)主變間隔交換機(jī)中。同時(shí)，它也繼承了組網(wǎng)模式3和4的優(yōu)點(diǎn)。

7）組網(wǎng)模式7。為規(guī)避單一設(shè)備跨接雙網(wǎng)可能引起的雙網(wǎng)癱瘓進(jìn)行組網(wǎng)模式劃分，結(jié)果如表8所示，組網(wǎng)模式7按照單個(gè)IED只允許接入單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的要求進(jìn)行配置，保證了單一設(shè)備故障不會(huì)同時(shí)造成雙重化的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)發(fā)生故障；另一方面，它也繼承了組網(wǎng)模式3和4的優(yōu)點(diǎn)。

表7 組網(wǎng)模式6劃分方法Table 7 Classification method for networking mode 6

2.4 不同組網(wǎng)模式比較分析

通過(guò)對(duì)7種組網(wǎng)模式的劃分方法進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，組網(wǎng)模式1，2相對(duì)極端，網(wǎng)絡(luò)的安全性和網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性本身就是一個(gè)矛盾點(diǎn)，如何將二者融合，尋求一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)才是目前數(shù)字化變電站的正確技術(shù)指導(dǎo)路線。

組網(wǎng)模式4將主變間隔獨(dú)立組網(wǎng)，在遵循不同電壓等級(jí)配置不同組網(wǎng)模式的原則下進(jìn)行一定程度的整合，它是組網(wǎng)模式3的升級(jí)版，也是組網(wǎng)模式1，2的基本平衡點(diǎn)。

表8 組網(wǎng)模式7劃分方法Table 8 Classification method for networking mode 7

組網(wǎng)模式5，6，7是在組網(wǎng)模式4的基礎(chǔ)上按照不同的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行劃分，三者各有利弊?，F(xiàn)將其進(jìn)一步比較分析，如表9所示。

綜合來(lái)講，組網(wǎng)模式5，6都是比較好的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式，不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以選取不同的組網(wǎng)方式，而且還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更為人性化的劃分，以滿足實(shí)際工程需要；組網(wǎng)模式7由于過(guò)多的強(qiáng)調(diào)了單一網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的唯一性，雖然降低了雙網(wǎng)同時(shí)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的概率，但也犧牲了很多其他方面需要考慮的要素，其中，GOOSE報(bào)文采用雙單網(wǎng)傳輸以及單套配置的安自設(shè)備只能單網(wǎng)接入，極大降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，增加了設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此，該種組網(wǎng)模式不做推薦。

表9 組網(wǎng)模式5，6，7對(duì)比分析Table 9 Comparative analysis of networking mode 5，6，7

3 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字化變電站的廣泛應(yīng)用，其過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性在很大程度上決定了變電站全站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，意義重大。筆者即圍繞此項(xiàng)展開(kāi)，首先介紹了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式，比較發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸更符合數(shù)字化變電站的發(fā)展需求，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要考慮的幾個(gè)重要因素，然后，以典型的220kV變電站為例，提出了7種過(guò)程層組網(wǎng)模式，并對(duì)其進(jìn)行了比較分析，最后，得出以設(shè)備關(guān)聯(lián)性為首要考慮因素的組網(wǎng)模式是數(shù)字化變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的首選。

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