基于電流正序分量相位比較的主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)方案

彭春華，張艷偉

（華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般是含單一電源的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，且采取中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式，所以通常只配置不帶方向的三段式電流保護(hù)［1］。在主動(dòng)配電網(wǎng)中，分布式電源滲透率的不斷提高使得配電網(wǎng)變成一個(gè)正常運(yùn)行功率與故障電流雙向流動(dòng)的有源網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)行為更加復(fù)雜［2］。發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)由于不具備方向性，分布式電源作故障穿越運(yùn)行時(shí)，易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作、拒動(dòng)作和靈敏度降低，并有可能引起自動(dòng)重合閘失敗，還有可能導(dǎo)致非計(jì)劃孤島。非計(jì)劃孤島一旦形成，由于失去了大電網(wǎng)的無(wú)功和有功支持，電壓、頻率變得不可控，同時(shí)會(huì)威脅運(yùn)行人員的人身安全［3］。

為了保證繼電保護(hù)的可靠性、靈敏性、選擇性，在主動(dòng)配電網(wǎng)中，必須配備相應(yīng)的能消除分布式電源對(duì)故障電流影響的保護(hù)方案。文獻(xiàn)［4-5］提出采用距離保護(hù)方案以克服分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響；文獻(xiàn)［6-8］提出使用故障電流限制器，以限制分布式電源在故障情況下對(duì)故障電流的影響，但是電流限制器有較大的調(diào)節(jié)慣性，不能快速響應(yīng)電流變化；文獻(xiàn)［9］提出分別根據(jù)分布式電源聯(lián)網(wǎng)或離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)保護(hù)進(jìn)行設(shè)定的方案，這種方法需要對(duì)電網(wǎng)的連接情況進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)別；文獻(xiàn)［10］提出依據(jù)故障水平和分布式電源的連接情況實(shí)時(shí)調(diào)整過(guò)電流保護(hù)整定值的保護(hù)方案；文獻(xiàn)［11］提出了一種能根據(jù)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式自動(dòng)調(diào)整設(shè)定值的新型自適應(yīng)保護(hù)方案；文獻(xiàn)［12］提出了一種能適應(yīng)分布式電源運(yùn)行情況而自動(dòng)調(diào)整過(guò)電流保護(hù)定值的網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)保護(hù)方案。以上方案均未考慮主動(dòng)配電網(wǎng)中主動(dòng)控制方法對(duì)保護(hù)的影響并且需要提供電壓信息。

文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了一種僅利用母線(xiàn)上3條以上線(xiàn)路的故障分量電流相位就能判斷故障方向的元件，該方向元件不需要電壓信息，但是沒(méi)有就測(cè)量過(guò)程中的誤差對(duì)保護(hù)判據(jù)進(jìn)行調(diào)整，可能會(huì)出現(xiàn)誤判。歐盟也有采用差動(dòng)保護(hù)和距離保護(hù)的主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)方案［14-16］，但是采用的差動(dòng)保護(hù)對(duì)通信通道和數(shù)據(jù)同步要求較高。文獻(xiàn)［17］基于特定配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種分級(jí)分層的保護(hù)方案，不足之處在于該方案不具備普遍性，只是針對(duì)特定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有效。

本文基于以上研究成果存在的不足，提出了一種利用故障電流正序分量及參考相量相位比較導(dǎo)出的故障方向判據(jù)，可以判定故障方向及故障線(xiàn)路，通過(guò)故障線(xiàn)路上、下游保護(hù)的配合，快速、可靠、有選擇性地將故障線(xiàn)路切除。由于保護(hù)方案只需要故障后的電流量，不需要電壓量及故障前的負(fù)荷電流量，減少了電壓互感器的安裝量，可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)性，保護(hù)間只需要傳輸閉鎖信號(hào)和跳閘信號(hào)，降低了對(duì)通信的要求。保護(hù)方案采用正序分量實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，所以適用于各種類(lèi)型的短路故障，擴(kuò)大了保護(hù)的適用范圍。

1 基于電流相位比較故障方向判據(jù)

圖1為正向潮流下的故障示意圖。圖中，Es1為公用大電網(wǎng)等效電源，Es2為主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備的等效電源；1和2為裝設(shè)于母線(xiàn)M和L之間的2個(gè)保護(hù)；f1、f2為短路點(diǎn)。分布式電源中的旋轉(zhuǎn)型電源按等效電源和等效阻抗串聯(lián)的形式等效；逆變器型電源按文獻(xiàn)［11］提供的方法進(jìn)行等效，且等效電勢(shì)和阻抗并不能簡(jiǎn)單等效為一個(gè)定值，而應(yīng)包含有逆變器的控制過(guò)程，是非線(xiàn)性的［18］；儲(chǔ)能設(shè)備同樣按照文獻(xiàn)［11］中的方法進(jìn)行等效，依據(jù)等效電源電流方向確定儲(chǔ)能設(shè)備處于電源或負(fù)荷狀態(tài)。為了下文表述方便，對(duì)于每個(gè)保護(hù)安裝點(diǎn)，本文將位于其遠(yuǎn)離公用大電網(wǎng)側(cè)方向的故障稱(chēng)為其正向故障，將位于其靠近公用大電網(wǎng)側(cè)方向的故障稱(chēng)為其反向故障；對(duì)于每條線(xiàn)路，本文將位于其靠近大電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)稱(chēng)為其上游保護(hù)，將位于其遠(yuǎn)離大電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)稱(chēng)為其下游保護(hù)。本文方案的最大特點(diǎn)是利用故障后電流就能檢測(cè)故障方向，僅需分離出故障電流及其正導(dǎo)數(shù)、負(fù)導(dǎo)數(shù)的基頻量，該過(guò)程可以利用全相位快速傅里葉變換（FFT）方法實(shí)現(xiàn)。

圖1 正向潮流下故障示意圖Fig．1 Schematic diagram of fault in condition of forward power flow

采用文獻(xiàn)［19］的約定，規(guī)定保護(hù)的正方向是由母線(xiàn)流向線(xiàn)路，所有的電氣量相位統(tǒng)一到［-π，π）內(nèi)。故障電流If1的參考方向如圖1所示，If2選擇和If1相同的參考方向。假設(shè)：當(dāng)故障發(fā)生在f1處時(shí)，母線(xiàn)S到點(diǎn)f1的阻抗為ZSf1且其相角為α；當(dāng)故障發(fā)生在f2處時(shí)，母線(xiàn)L到點(diǎn)f2的阻抗為ZLf2且相角為β。

電力系統(tǒng)中單相故障發(fā)生的概率最大，本節(jié)以單相故障為例推導(dǎo)故障方向判據(jù)。

在圖1所示的電路中，討論正向故障和反向故障時(shí)的電流情況。

1.1 正向潮流下出現(xiàn)故障

a.正向故障示意圖如圖2所示。正向故障時(shí)假設(shè)公共電網(wǎng)母線(xiàn)電壓US=US∠φ（US、φ分別為US的模值和相角）。

圖2 正向故障時(shí)電路Fig．2 Circuit of forward fault

保護(hù)1正向故障時(shí)，故障電流為：

為方便說(shuō)明，本文將相量導(dǎo)數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)為正導(dǎo)數(shù)，將相量導(dǎo)數(shù)取負(fù)簡(jiǎn)稱(chēng)為負(fù)導(dǎo)數(shù)。

設(shè) f=cos（φ-α）+jsin（φ-α），則 If1的正導(dǎo)數(shù)為：

If1的負(fù)導(dǎo)數(shù)為：

為了把各個(gè)電氣量相角調(diào)整到［-π，π）范圍內(nèi)，當(dāng)相角大于π時(shí)減2π，當(dāng)相角小于-π時(shí)加2π。建立參考相量Iref用于檢測(cè)故障方向：

b.反向故障示意圖如圖3所示。反向故障時(shí)假設(shè)負(fù)荷側(cè)母線(xiàn)電壓UL=UL∠γ（UL、γ分別為UL的模值和相角）。

圖3 反向故障時(shí)電路Fig．3 Circuit of backward fault

故障電流為：If2的正導(dǎo)數(shù)為：

If2的負(fù)導(dǎo)數(shù)為：

可得參考相量：

以上分別針對(duì)正向潮流條件下正向故障和反向故障計(jì)算出了故障電流和參考相量，設(shè)置故障方向判據(jù)：

其中，If為故障后電流。

由以上分析得正向故障時(shí)有：

反向故障時(shí)有：

圖 4（a）、（b）分別是正向潮流條件下，正向故障、反向故障時(shí)的故障電流及其正導(dǎo)數(shù)、負(fù)導(dǎo)數(shù)和參考相量的相量圖。

圖4 正向潮流條件下相量圖Fig．4 Phasor diagram in condition of forward power flow

依據(jù)式（10）和（11），正向潮流時(shí)參考相量與故障電流相角差Δ可以作為判斷故障方向的判據(jù)，當(dāng)判據(jù)Δ=π／2時(shí)，應(yīng)判斷為正向故障；當(dāng)判據(jù)Δ=-π／2時(shí)，應(yīng)判斷為反向故障。

由此得出如下故障方向判據(jù)：

實(shí)際系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差［20］，從而有可能導(dǎo)致相角差Δ的計(jì)算值存在一定的偏差。假設(shè)Δ偏差的范圍為［-δ，δ］，為了提高故障方向判據(jù)的魯棒性，可進(jìn)一步將上述等式判據(jù)泛化為區(qū)間形式的判據(jù)，即將方向判據(jù)泛化為如圖5所示的2個(gè)對(duì)稱(chēng)的扇形區(qū)域。

圖5 方向判據(jù)泛化區(qū)間Fig．5 Generalized sections of fault direction criterion

圖5中δ定為泛化角，由此可得到如式（13）所示的改進(jìn)型故障方向判據(jù)。

理論上泛化角δ只要小于π／2，則式（13）中判斷正反方向的2個(gè)泛化區(qū)間便不會(huì)有交集，該判據(jù)便不會(huì)出現(xiàn)故障方向不明確或誤判的現(xiàn)象，能保證保護(hù)的可靠性。同時(shí)，保護(hù)的靈敏性也與δ有關(guān)，δ越大，則判據(jù)覆蓋角度范圍越大，保護(hù)的靈敏性越高。當(dāng)δ設(shè)定為π／2時(shí)，靈敏性最高，但易出現(xiàn)故障方向不明確或誤判的現(xiàn)象，故應(yīng)設(shè)定適當(dāng)?shù)姆夯铅??？紤]到互感器、保護(hù)裝置等可能引起的誤差并增加一定的裕度量［21-22］，δ可根據(jù)下式確定：

其中，δTA為互感器產(chǎn)生的誤差，互感器的負(fù)載按照10%誤差曲線(xiàn)選擇，其最大誤差角約為7°；δPD為微機(jī)保護(hù)裝置本身的誤差角，按照每周期24點(diǎn)采樣可定為 15°；δy為裕度角，通?？稍O(shè)為 10°；因此，δ取值不應(yīng)小于32°，否則難以保證足夠的靈敏性。綜合上述對(duì)判據(jù)的靈敏性和可靠性的要求，本文在應(yīng)用中將泛化角δ設(shè)為π／3。

同樣的方法可應(yīng)用于線(xiàn)路另一側(cè)的保護(hù)2判斷故障方向。當(dāng)保護(hù)1判斷為正向故障而保護(hù)2判斷反向故障時(shí)，即可判斷出故障位于保護(hù)1和保護(hù)2之間的線(xiàn)路上。

1.2 反向潮流情況下出現(xiàn)故障

借鑒1.1節(jié)對(duì)正向潮流條件下故障電流及其正導(dǎo)數(shù)、負(fù)導(dǎo)數(shù)、參考相量相位關(guān)系的推導(dǎo)，可得出反向潮流下，故障方向判據(jù)與正向潮流時(shí)的判據(jù)相同，各相量關(guān)系如圖6所示。

圖6 反向潮流條件下相量圖Fig．6 Phasor diagram in condition of backward power flow

2 基于故障電流正序分量相位比較的判據(jù)

以上提出的保護(hù)原理只是基于單相或三相短路故障導(dǎo)出的，不能對(duì)所有類(lèi)型故障的方向進(jìn)行正確判斷。由于正序分量存在于對(duì)稱(chēng)短路故障和非對(duì)稱(chēng)短路故障中，可以從故障電流中分離出正序分量來(lái)進(jìn)行故障方向的判斷。

若選擇a相作為基準(zhǔn)相，在正向潮流條件下發(fā)生正向故障時(shí)，故障線(xiàn)路的上游最近的保護(hù)1檢測(cè)到的 a 相電流正序分量為的相角），則 Ia（1）的正導(dǎo)數(shù)為：

Ia（1）的負(fù)導(dǎo)數(shù)為：

可得參考相量為：

以上計(jì)算了正向潮流條件下正向故障的故障電流和參考相量，設(shè)置故障方向判據(jù)為：

其中，If（1）為故障后電流的正序分量。

同樣可得出正向故障時(shí)有：

反向故障時(shí)有：

可以看出，正向潮流下基于故障電流相位比較的故障方向判據(jù)同樣適用于故障電流的正序分量。

同理可得反向潮流下基于正序分量的故障方向判據(jù)與式（19）、（20）相同，下游保護(hù)的故障方向判斷方法和上游保護(hù)相同，在此不再贅述。

因此各種類(lèi)型的短路故障均可采用式（13）作為方向判據(jù)。

3 基于故障電流正序分量相位比較的保護(hù)配合

方案以饋電線(xiàn)路段為單位實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。將饋電線(xiàn)路分段，分段的標(biāo)準(zhǔn)有很多，可以按接入的負(fù)荷或發(fā)電機(jī)分段，也可以根據(jù)地理位置或經(jīng)濟(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分段。保護(hù)裝設(shè)于主動(dòng)配電網(wǎng)中可能出現(xiàn)雙向潮流的線(xiàn)路的兩端，在潮流只能單向流動(dòng)的線(xiàn)路上只在線(xiàn)路始端裝設(shè)保護(hù)裝置，各個(gè)保護(hù)之間可以實(shí)現(xiàn)信息交互，發(fā)送或接收閉鎖信號(hào)、跳閘信號(hào)2類(lèi)邏輯信號(hào)。

配電網(wǎng)中某一段線(xiàn)路故障后，保護(hù)會(huì)采取以下措施。

a.裝設(shè)于各線(xiàn)路兩端的保護(hù)判斷故障方向：故障點(diǎn)上游的保護(hù)判斷出正向故障，故障點(diǎn)下游的保護(hù)判斷出反向故障，確定故障線(xiàn)路。

b.故障線(xiàn)路兩端保護(hù)向上、下游鄰近保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)，向故障線(xiàn)路對(duì)端保護(hù)發(fā)送動(dòng)作信號(hào)，故障線(xiàn)路兩端保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，防止非同期跳閘引起非計(jì)劃孤島。

以上基于故障電流正序分量與參考相量相位比較的故障方向判斷及保護(hù)配合方法中，保護(hù)采集本地電流信號(hào)進(jìn)行處理，不需要電壓信號(hào)以及故障前的電流信號(hào)，并可將處理結(jié)果傳送到線(xiàn)路對(duì)端保護(hù)。保護(hù)流程如圖7所示，其中故障條件具體可參考文獻(xiàn)［21］和［23］，如可采用2個(gè)相鄰工頻周期內(nèi)的電流是否發(fā)生突變來(lái)判斷是否發(fā)生故障。

圖7 保護(hù)方案流程圖Fig．7 Flowchart of protection scheme

故障方向判據(jù)是對(duì)故障電流經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的。故障電流由接地電阻、故障類(lèi)型、分布式電源滲透率以及故障初相角等因素組合產(chǎn)生，對(duì)于任意組合方式產(chǎn)生的故障電流都可以得出相同的結(jié)論，且各種故障情況下都存在正序故障電流分量。因此，故障電流正序分量相位比較方案可以適用于各種故障條件下、各種類(lèi)型的故障，即判據(jù)具有普遍適用性，故障條件的改變不影響保護(hù)的正確性、可靠性。

4 仿真分析

圖8所示系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為500MV·A，基準(zhǔn)電壓為10.5 kV。線(xiàn)路AB、BC、AF為架空線(xiàn)路，線(xiàn)路參數(shù)為 x1=0.347 Ω／km、r1=0.27 Ω／km；線(xiàn)路 CD、DE、FG為地下電纜，線(xiàn)路參數(shù)為x1=0.093Ω／km、r1=0.259 Ω／km。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處接入額定容量為1.5MV·A、額定功率因數(shù)為0.85的負(fù)荷。利用PSCAD／EMTDC仿真軟件對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真驗(yàn)證保護(hù)2的動(dòng)作情況，母線(xiàn)B、C接有容量為2MV·A的分布式電源。相角測(cè)量采用文獻(xiàn)［20］的方法。

圖8 主動(dòng)配電網(wǎng)示意圖Fig．8 Schematic diagram of active distribution network

表 1為線(xiàn)路 BC 故障時(shí)各相量相角， 其中，φI（1）、φ+I′（1）、φ-I′（1）、φref（1）分別表示故障電流、故障電流正序分量 If（1）及其正導(dǎo)數(shù) I′f（1）+、負(fù)導(dǎo)數(shù) I′f（1）-和參考相量Iref的相角，后同。從表1可以看出，在保護(hù)2的正、反方向分別出現(xiàn)單相接地、兩相接地、三相接地故障時(shí)，仿真結(jié)果和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了基于故障電流正序分量相位比較的主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)方案能可靠、正確地區(qū)分故障方向。

表1 線(xiàn)路BC故障時(shí)各相量相角Table1 Phasor angles for different faults of line BC

線(xiàn)路BC中點(diǎn)三相故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如表2所示，表中各相量的相角均已統(tǒng)一到［-π，π］區(qū)間內(nèi)。

表2 線(xiàn)路BC中點(diǎn)三相故障時(shí)各相量相角Table 2 Phasor angles of three-phase fault in middle of line BC

表2表明，保護(hù)1、2、6對(duì)故障的判斷結(jié)果是正向故障，而保護(hù)3、4、5的判斷結(jié)果是反向故障，可以判斷出故障位于保護(hù)2、5之間的線(xiàn)路上，其中保護(hù)3的正序分量的正導(dǎo)數(shù)的相角為217.4°，超出了約定的［-π，π］區(qū)間范圍，將其調(diào)整為-142.6°，保護(hù)4、5的相角進(jìn)行了同樣的調(diào)整?？梢?jiàn)，保護(hù)可以正確識(shí)別出故障線(xiàn)路，保護(hù)2、5動(dòng)作，切除故障線(xiàn)路，其他保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。

線(xiàn)路BC中點(diǎn)兩相故障時(shí)，相應(yīng)的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 線(xiàn)路BC中點(diǎn)兩相故障時(shí)各相量相角Table 3 Phasor angles of inter-phase fault in middle of line BC

表3表明，保護(hù)1、2、6的判斷結(jié)果是正向故障，而保護(hù)3、4、5的判斷結(jié)果是反向故障，可以判斷出故障位于保護(hù)2、5之間的線(xiàn)路上，保護(hù)可以正確識(shí)別出故障線(xiàn)路段；保護(hù)2、5分別向保護(hù)6、3發(fā)送閉鎖信號(hào)，同時(shí)向?qū)Χ税l(fā)送跳閘信號(hào)，保護(hù)2、5動(dòng)作，切除故障線(xiàn)路，其他保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，保證了保護(hù)的選擇性。其中保護(hù)3的正序分量的正導(dǎo)數(shù)的相角為236.2°，超出了約定的［-π，π］區(qū)間范圍，將其調(diào)整為-123.8°，保護(hù)4、5的相角進(jìn)行了同樣的調(diào)整。

假設(shè)互感器的負(fù)載按照10%誤差曲線(xiàn)選擇，誤差角設(shè)定為5°；微機(jī)保護(hù)裝置一周期采樣24點(diǎn)，誤差角設(shè)定為15°。計(jì)及相角誤差后，線(xiàn)路BC中點(diǎn)三相故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)及保護(hù)誤差時(shí)，線(xiàn)路BC中點(diǎn)三相故障時(shí)各相量相角Table 4 Phasor angles of three-phase fault in middle of line BC when protection error is considered

表4表明，考慮保護(hù)誤差后，本文方法仍能夠可靠地對(duì)故障區(qū)段做出正確判斷，即設(shè)置保護(hù)的范化區(qū)間后，保護(hù)可以正確動(dòng)作。

以上仿真結(jié)果驗(yàn)證了在各種類(lèi)型故障下，本文所提出的保護(hù)方案都能正確、可靠地區(qū)分故障方向并采取正確的措施。

5 結(jié)論

文章針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)提出了一種新的保護(hù)方案，該方案僅需要故障后的電流信號(hào)就能判斷出故障方向，從而確定故障線(xiàn)路，故障線(xiàn)路兩端裝設(shè)的保護(hù)向故障線(xiàn)路上、下游的保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)，向?qū)Χ税l(fā)送跳閘信號(hào)，最后兩端保護(hù)同時(shí)跳閘，切除故障線(xiàn)路。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

a.僅僅利用故障后電流信號(hào)的正序分量就能通過(guò)相位比較判斷出故障方向，不需要電壓信號(hào)，也不需要正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷電流，相對(duì)傳統(tǒng)的基于電壓信號(hào)的保護(hù)方案具有更高的實(shí)用性和更廣的適用范圍，減少了電壓互感器的裝設(shè)要求，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性；

b.相對(duì)傳統(tǒng)的電流保護(hù)方案，該方案不受潮流方向、接地電阻、故障類(lèi)型、分布式電源連接位置和并網(wǎng)容量的影響，能同時(shí)用于主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)和傳統(tǒng)的被動(dòng)式配電網(wǎng)保護(hù)，具有高度的可靠性；

c.在對(duì)故障方向做出明確判斷的基礎(chǔ)上，故障線(xiàn)路兩端裝設(shè)的保護(hù)向故障線(xiàn)路上、下游的保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)，最后故障線(xiàn)路兩端的保護(hù)同時(shí)跳閘，切除故障線(xiàn)路，具有較高的選擇性并且能有效避免非同期跳閘從而避免非計(jì)劃孤島；

d.基于故障后電流相位比較的保護(hù)方案本質(zhì)上也是一種克服分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的有效方法。

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