劉明浩,王麗萍,王渤權(quán),李傳剛,劉 易
(華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院,北京 102206)
在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段和對(duì)未來(lái)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行預(yù)測(cè)時(shí),電力電量平衡計(jì)算具有重要意義,其主要研究各個(gè)電站在一段時(shí)間內(nèi)根據(jù)電力系統(tǒng)中各個(gè)電站供電條件發(fā)生變化后如何相互配合運(yùn)轉(zhuǎn),即各電站的出力波動(dòng)、發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃的安排、負(fù)荷備用、事故備用等變化情況。目的是根據(jù)電力系統(tǒng)的預(yù)測(cè)負(fù)荷需求對(duì)已建成的以及正在規(guī)劃、設(shè)計(jì)中的各個(gè)電站的裝機(jī)容量和發(fā)電量進(jìn)行合理分配,使它們?cè)谝?guī)定的設(shè)計(jì)負(fù)荷水平年中達(dá)到電力和電量的平衡[1-2]。電力系統(tǒng)中的電力平衡和電量平衡是相互關(guān)聯(lián)的,電量平衡的變化勢(shì)必引起電力平衡的變化,而電力平衡的變化也將導(dǎo)致電量平衡的變化。因此,在確定電力系統(tǒng)中各個(gè)電站運(yùn)行方式和進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算時(shí),應(yīng)全面兼顧,求得電力和電量平衡的統(tǒng)一。
處于同一個(gè)電力系統(tǒng)中的電站,其出力特性、年月日內(nèi)的調(diào)節(jié)性能、調(diào)峰能力各不相同。為了發(fā)揮各個(gè)電站工作特性的優(yōu)勢(shì),保證各個(gè)電站之間協(xié)調(diào)配合,在電力電量平衡計(jì)算中比較成熟的方法有作圖法、逐次切負(fù)荷法、改進(jìn)的逐次切負(fù)荷法、逐次余荷后移法、可用容量日利用小時(shí)法以及遞級(jí)火電調(diào)峰法。作圖法[3]根據(jù)電站的日發(fā)電量以及最大工作容量分別沿電力系統(tǒng)日負(fù)荷圖的水平和垂直方向移動(dòng)電量累積曲線確定電站在電力系統(tǒng)日負(fù)荷圖上的工作位置并得出電站的日出力過(guò)程。逐次切負(fù)荷法[4]通過(guò)平移電力系統(tǒng)日負(fù)荷圖電量累積曲線來(lái)確定水電站的工作位置,當(dāng)某一水電站工作位置確定后,就從日負(fù)荷圖上將該電站承擔(dān)的負(fù)荷切除,剩余負(fù)荷構(gòu)成新的日負(fù)荷圖,用來(lái)確定下一個(gè)水電站工作位置,直到最后一個(gè)水電站工作位置確定后,所剩余的負(fù)荷圖為所有火電站共同承擔(dān)的日負(fù)荷。改進(jìn)的逐次切負(fù)荷法[5]在傳統(tǒng)逐次切負(fù)荷法的基礎(chǔ)上,為了保證實(shí)際生產(chǎn)中各臺(tái)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,加入出力限制、機(jī)組爬坡等約束條件,解決了在負(fù)荷高峰和低谷時(shí)段不能同時(shí)達(dá)到電力平衡的問(wèn)題。逐次余荷后移法[6]盡可能地利用全部可調(diào)日電量,達(dá)到水電站群被系統(tǒng)吸收的日電量最大,同時(shí)余留給火電站的負(fù)荷盡可能地平穩(wěn)不變,以降低火電站發(fā)電燃耗率。以上方法雖然能夠得到各個(gè)電站在日內(nèi)的出力過(guò)程,但必須在各電站日平均出力已知的前提下進(jìn)行,不能表明月電量平衡與電力平衡的相關(guān)關(guān)系。而且同一電站在不同的計(jì)算次序下的出力過(guò)程不相同,無(wú)法保證得到的計(jì)算結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。
可用容量日利用小時(shí)法[7-8]根據(jù)各個(gè)電站的日發(fā)電量與可用容量的比值由小到大確定各個(gè)電站參與計(jì)算的順序。電站的可用容量日利用小時(shí)數(shù)越高,它的出力過(guò)程就越平穩(wěn);電站的可用容量日利用小時(shí)越低,它的出力過(guò)程變化就越劇烈。遞級(jí)火電調(diào)峰法[9-12]以逐次切負(fù)荷法為基礎(chǔ),采用負(fù)荷控制的辦法,避免了常規(guī)算法中對(duì)火電站計(jì)算結(jié)果進(jìn)行逐個(gè)限制的復(fù)雜過(guò)程。該算法在盡可能減少火電站出力過(guò)程中連續(xù)啟停機(jī)及連續(xù)升降的情況下,既保證了火電站相鄰時(shí)段出力差值滿足爬坡速度要求,又能使得火電站全天各時(shí)段出力盡量均勻。但上述方法雖然能夠根據(jù)電力系統(tǒng)中各個(gè)電站日平均出力使其在日內(nèi)達(dá)到電力電量平衡,但未考慮電力系統(tǒng)的日負(fù)荷和電站的日發(fā)電量在月內(nèi)各日是有變化的,即月內(nèi)的不均勻性[13]。參與平衡計(jì)算時(shí)也不應(yīng)該忽視每個(gè)火電站的出力特性,不能將所有火電站看作一個(gè)電站來(lái)補(bǔ)足剩余的系統(tǒng)負(fù)荷[14-15]?;痣娬敬嬖谧钚〕隽ο拗?,并且通過(guò)調(diào)節(jié)自身的月發(fā)電量和月內(nèi)典型日發(fā)電量對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷以及其他電站出力的月內(nèi)不均勻性的調(diào)節(jié)作用不可忽視[16-17]。
本文在上述文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上,針對(duì)電力系統(tǒng)的不均勻性以及火電站出力無(wú)法逐個(gè)分配的問(wèn)題,分析電力系統(tǒng)負(fù)荷與電站出力的不均勻性,通過(guò)電量平衡與電力平衡的相關(guān)關(guān)系,摒棄傳統(tǒng)方法中將所有火電站整體參與電力電量平衡的計(jì)算思路,利用嵌套結(jié)構(gòu)對(duì)單一火電站的工作容量進(jìn)行分割,并對(duì)典型日出力進(jìn)行多次逐次切負(fù)荷法計(jì)算,得出其典型日出力過(guò)程。
電力系統(tǒng)的負(fù)荷在一個(gè)月內(nèi)各日是有變化的,確定電站的工作容量所依據(jù)的負(fù)荷曲線應(yīng)該為最大負(fù)荷日即典型日的負(fù)荷,由此確定的工作容量、日發(fā)電量、耗水量或耗煤量大于該月其他各日,所以將月平均出力換算成典型日平均出力時(shí),要考慮月內(nèi)的不均勻性。
電站月內(nèi)的不均勻性一般以電站的月調(diào)節(jié)系數(shù)表示,其為該電站在典型日的日平均出力與其月平均出力的比值[13,17-19],即:
其中,ki為電站i的月調(diào)節(jié)系數(shù);為電站i的典型日平均出力;為電站i的月平均出力。
而電力系統(tǒng)的月調(diào)節(jié)系數(shù)可由系統(tǒng)典型日平均負(fù)荷與月平均負(fù)荷比值表示:
其中,k為該電力系統(tǒng)的月調(diào)節(jié)系數(shù);為該電力系統(tǒng)的典型日平均負(fù)荷;為該電力系統(tǒng)的月平均負(fù)荷。
典型日的電力電量平衡主要反映的是該月的電力平衡,即電力系統(tǒng)的最大負(fù)荷與各個(gè)電站工作容量的平衡關(guān)系,電力系統(tǒng)所需備用容量與各個(gè)電站所承擔(dān)的備用容量的平衡關(guān)系以及電站中裝機(jī)容量、備用容量、檢修容量以及工作容量之間的關(guān)系為:
其中,Nmax、Pi,max分別為典型日電力系統(tǒng)的最大負(fù)荷和電站i的最大出力;RD、Ri分別為電力系統(tǒng)的總備用容量和電站 i的備用容量;Ni,max、Ni,I、Ni,M分別為電站i的最大工作容量、裝機(jī)容量和檢修容量。
而由于負(fù)荷水平以及電站出力的不均勻性,電力系統(tǒng)月平均負(fù)荷與各電站月平均出力的平衡關(guān)系相較于系統(tǒng)典型日更能反映電力系統(tǒng)的電量平衡關(guān)系。月電量平衡與日電量平衡以及兩者之間的關(guān)系分別表示為:
在計(jì)算電站月調(diào)節(jié)系數(shù)時(shí),火電站以月最小平均出力參與計(jì)算,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在電量缺口或月調(diào)節(jié)系數(shù)過(guò)大時(shí),火電站可以通過(guò)增加自身的月平均出力對(duì)電力系統(tǒng)以及其他電站進(jìn)行發(fā)電量的調(diào)節(jié),具體方法如下。
a.分別計(jì)算水、火電站群月平均出力和,火電站群的月平均出力取月最小出力值:
其中,PmH、PmT分別為水、火電站群的月平均出力和;分別為各水、火電站的月平均出力;n、m 分別為水、火電站的數(shù)量。
b.如果式(11)所示關(guān)系成立,則火電站通過(guò)增發(fā)電量,補(bǔ)充缺電量,使系統(tǒng)達(dá)到電量平衡。
各火電站增發(fā)電量按月可用容量比例承擔(dān):
其中,NTi,I、RTi、NTi,M分別為火電站 i的裝機(jī)容量、備用容量和檢修容量。
如果式(13)所示關(guān)系成立,則水電站群需要通過(guò)棄水減少發(fā)電量,使系統(tǒng)達(dá)到電量平衡。
c.水、火電站群的典型日平均出力等于月平均出力與典型日需要增發(fā)的出力之和。增發(fā)出力可按水、火電站群的月可用容量比例承擔(dān),各電站的典型日平均出力為:
其中,分別為水、火電站群的典型日平均出力;NHi,I、RHi、NHi,M分別為水電站 i的裝機(jī)容量、備用容量和檢修容量。
d.分別計(jì)算水、火電站群的月調(diào)節(jié)系數(shù):
其中,kH、kT分別為水、火電站群的月調(diào)節(jié)系數(shù)。
如果kT>δ,即火電站群調(diào)節(jié)系數(shù)超過(guò)理論上限值δ,δ一般取為1.05~1.20,則需要增加火電站月平均出力,返回步驟c重新計(jì)算。
e.根據(jù)式(1)分別計(jì)算各水、火電站的典型日平均出力。在汛期,某些水電站月平均出力相較于枯水期增大甚至按最大工作容量滿發(fā),如果:
與水電站相比,火電站調(diào)峰能力較弱,發(fā)電運(yùn)行成本較高、可靠性相對(duì)較低,所以盡量避免火電站調(diào)峰。但是由于發(fā)電成本較高,并為了保證火電站的經(jīng)濟(jì)效益,在根據(jù)火電站月最小出力,通過(guò)月電量平衡以及月調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算之后,火電站的出力又必須優(yōu)先被系統(tǒng)吸收。
傳統(tǒng)的電力電量平衡方法將電力系統(tǒng)內(nèi)火電站群看作一個(gè)火電站參與電力電量平衡計(jì)算,用于補(bǔ)足水電站進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算后的余荷,再根據(jù)火電站運(yùn)行的約束條件,計(jì)算得到火電站群的日出力過(guò)程。但此計(jì)算方法不能得到火電站群中某個(gè)電站的日出力過(guò)程,并且沒(méi)有月電量以及日電量約束,折算月電量時(shí),某些情況下在月內(nèi)無(wú)法達(dá)到電量平衡。
本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]中改進(jìn)的逐次切負(fù)荷法與嵌套結(jié)構(gòu)的思想,外層結(jié)構(gòu)在不考慮電量約束的情況下,將單一火電站的工作容量進(jìn)行調(diào)峰容量與非調(diào)峰容量的切分;內(nèi)層結(jié)構(gòu)根據(jù)得到的調(diào)峰容量與非調(diào)峰容量進(jìn)行火電站典型日出力過(guò)程的計(jì)算;并利用可用容量日利用小時(shí)數(shù)法確定其參與計(jì)算的順序。其計(jì)算原理如圖1所示。
圖1 嵌套結(jié)構(gòu)逐次切負(fù)荷法原理Fig.1 Principle of successive load shedding method with nested structure
火電站在參與電力電量平衡計(jì)算時(shí),需要滿足如下約束條件。
a.出力上、下限約束:
其中,分別為火電站 i的出力下限、上限以及火電站 i典型日 h 時(shí)段的出力,h=1,2,…,24。
b.調(diào)峰容量約束:
其中,分別為火電站 i的典型日 24 h的最大出力、最小出力以及火電站i的調(diào)峰容量。
火電站i的調(diào)峰容量計(jì)算表達(dá)式為:
其中,εTi,R為火電站調(diào)峰能力,是已知值。
c.爬坡約束:
其中,P′Ti為火電站 i相鄰時(shí)段的爬坡能力,是已知值。
d.電量約束:
e.電力約束:
f.各項(xiàng)參數(shù)的非負(fù)約束。
根據(jù)可用容量日利用小時(shí)法,按各個(gè)火電站可用容量日利用小時(shí)數(shù)從小到大的順序進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算。
火電站j承擔(dān)的負(fù)荷為水電站群以及第j-1個(gè)火電站計(jì)算之后的系統(tǒng)余荷,計(jì)算表達(dá)式為:
其中,N′j,h、Nh分別為火電站 j所承擔(dān)的電力系統(tǒng) h時(shí)段的余荷和電力系統(tǒng)典型日h時(shí)段的負(fù)荷。
本文將摒棄傳統(tǒng)逐次切負(fù)荷法中火電站群補(bǔ)足剩余負(fù)荷的計(jì)算方式,利用和水電站相同的逐個(gè)計(jì)算方法。但是火電站不同于水電站全部工作容量均可以進(jìn)行調(diào)峰,由于存在調(diào)峰容量的限制,所以將電力系統(tǒng)剩余負(fù)荷分為變化的負(fù)荷和不變的基荷,其中變化的負(fù)荷包括峰荷和腰荷,利用火電站調(diào)峰容量作為電力約束以及典型日發(fā)電量作為電量約束,在系統(tǒng)變化負(fù)荷進(jìn)行逐次切負(fù)荷計(jì)算;然后,將火電站的剩余工作容量作為電力約束,調(diào)峰之后剩余的典型日發(fā)電量作為電量約束,在余荷基荷上做逐次切負(fù)荷計(jì)算。將兩部分火電站典型日出力過(guò)程相加,即可得到火電站在典型日24 h的出力過(guò)程。具體計(jì)算步驟如下。
a.計(jì)算系統(tǒng)余荷所需發(fā)電量:
計(jì)算系統(tǒng)余荷中變化負(fù)荷和不變的基荷:
其中,N′h、Np,h、Nb,h、N′min分別為 h 時(shí)段系統(tǒng)余荷、h 時(shí)段系統(tǒng)余荷中變化的負(fù)荷、h時(shí)段系統(tǒng)余荷中基荷以及系統(tǒng)余荷的最小負(fù)荷。
b.根據(jù)式(22)計(jì)算火電站i的調(diào)峰容量。
c.利用文獻(xiàn)[5]改進(jìn)的逐次切負(fù)荷法,以火電站i的調(diào)峰容量為電力約束、典型日平均出力為電量約束,對(duì)系統(tǒng)余荷的變化負(fù)荷進(jìn)行切負(fù)荷計(jì)算,得到火電站i的典型日調(diào)峰出力過(guò)程以及調(diào)峰發(fā)電量:
其中,ETi,p為火電站 i的調(diào)峰電量;PTi,p,h為火電站 i典型日h時(shí)段的調(diào)峰出力。
d.計(jì)算火電站i剩余所需發(fā)電量和所需工作容量:
其中,ETi,b為火電站 i的剩余所需發(fā)電量;NTi,b為火電站i的所需工作容量。
e.如果:
則說(shuō)明火電站i剩余工作容量無(wú)法滿足其電量要求,需減少火電站i的調(diào)峰容量來(lái)減少調(diào)峰電量,以滿足火電站i的典型日發(fā)電量約束。利用逐次切負(fù)荷法計(jì)算原理,對(duì)火電站i的工作容量進(jìn)行調(diào)峰容量迭代計(jì)算,迭代步長(zhǎng)δ的計(jì)算表達(dá)式為:
返回步驟c重新計(jì)算,直至滿足步驟f的判斷條件。
f.如果:
則火電站的剩余出力過(guò)程為:
其中,PTi,b,h為火電站 i典型日 h 時(shí)段的非調(diào)峰出力。
g.計(jì)算火電站i的典型日24 h出力過(guò)程以及系統(tǒng)余荷:
如果 Np,h<0,取 Np,h=0。 返回步驟 a 進(jìn)行火電站i+1的計(jì)算。
如果Np,h>0,說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)仍不能達(dá)到電力平衡,轉(zhuǎn)至步驟h。
h.所有火電站計(jì)算完畢,計(jì)算火電站空閑容量:
其中,NTi,V為火電站 i的空閑容量。
如果存在式(41)關(guān)系則說(shuō)明系統(tǒng)電力不足,需要補(bǔ)充裝機(jī)。
其中,Np,max為系統(tǒng)余荷最大值。
如果存在式(42)關(guān)系則說(shuō)明火電站可以通過(guò)增加月平均出力增加典型日出力來(lái)滿足電力平衡,返回月電量平衡重新計(jì)算調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行典型日的電力平衡。
火電站電力電量平衡計(jì)算思路如圖2所示,圖中kT為火電站群的月調(diào)節(jié)系數(shù),NTi,W為火電站i所剩的最大工作容量。
已知某地區(qū)區(qū)域電網(wǎng)的枯水年6—10月為汛期,其余月份為非汛期。1—12月最大負(fù)荷以及汛期與非汛期典型日負(fù)荷率分別如表1、表2所示。電力系統(tǒng)中的8座水電站枯水年月平均預(yù)想出力、6座火電站月最小出力以及各個(gè)電站裝機(jī)容量分別如表3—5所示。
利用本文所述方法進(jìn)行年、月、典型日內(nèi)的電力電量平衡以及月調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算。電力系統(tǒng)備用容量為年最大負(fù)荷的10%,火電站調(diào)峰能力εTi,R=25%,水、火電站月調(diào)節(jié)系數(shù)均不超過(guò)1.2,利用全年空閑容量對(duì)各個(gè)電站機(jī)組進(jìn)行檢修。
該地區(qū)區(qū)域電網(wǎng)的枯水年1—12月電力平衡以及電量平衡如圖3、圖4所示。
圖2 火電站電力電量平衡計(jì)算思路圖Fig.2 Schematic diagram of power and energy balance calculation for thermal power station
表1 某電力系統(tǒng)年最大負(fù)荷Table 1 Maximum yearly load of a power system
表2 某電力系統(tǒng)汛期和非汛期典型日負(fù)荷率Table 2 Typical load rate of a power system in flood season and non-flood season
從年電力平衡圖可以看出,水電站群1—12月最大出力在汛期較大而枯水期較小,火電站群1—12月最大出力在汛期較小而枯水期較大;從年電量平衡圖可以看出,水電站群1—12月發(fā)電量在枯水期較小而汛期較大,火電站群1—12月發(fā)電量在枯水期較大而汛期較小。這是因?yàn)榭菟谒娬景l(fā)電量較小,通過(guò)利用自身可用容量調(diào)峰來(lái)滿足電力系統(tǒng)的電力平衡,而火電站枯水期主要通過(guò)調(diào)整自身的發(fā)電量來(lái)滿足系統(tǒng)電量平衡;汛期水電站發(fā)電量較大,某些水電站處于滿發(fā)狀態(tài),通過(guò)棄水調(diào)整自身發(fā)電量滿足系統(tǒng)電量平衡,火電站汛期承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)來(lái)滿足電力系統(tǒng)的電力平衡。而1—12月電力系統(tǒng)的檢修按各個(gè)電站全年的空閑容量主要安排于枯水期,汛期則盡量避免電站檢修,以免影響汛期調(diào)峰。
表3 某電力系統(tǒng)水電站月平均出力Table 3 Average monthly output of hydroelectric power station in a power system
表4 某電力系統(tǒng)火電站月最小出力Table 4 Minimum monthly output of thermal power station in a power system
表5 某電力系統(tǒng)電站裝機(jī)容量Table 5 Installation capacity of power station in a power system
圖3 某電力系統(tǒng)枯水年電力平衡圖Fig.3 Schematic diagram of power balance for a power system in dry season
圖4 某電力系統(tǒng)枯水年電量平衡圖Fig.4 Schematic diagram of energy balance for a power system in dry season
該地區(qū)區(qū)域電網(wǎng)的枯水年1月、8月各電站調(diào)峰容量如表6所示。
表6 某電力系統(tǒng)各電站1月、8月調(diào)峰容量Table 6 Peak shifting capacity of each power plant for a power system in January and August
從表6可以看出,枯水期1月,火電站不參與系統(tǒng)調(diào)峰,主要通過(guò)發(fā)電量調(diào)整滿足電力系統(tǒng)的不均勻性,滿足電量平衡。汛期8月,火電站1、2、5、6不僅通過(guò)發(fā)電量調(diào)整滿足電力系統(tǒng)月內(nèi)負(fù)荷不均勻性,使系統(tǒng)達(dá)到電量平衡,而且參與系統(tǒng)調(diào)峰滿足電力平衡,而火電站3、4由于電站調(diào)峰容量限制以及需要調(diào)整自身發(fā)電量滿足電力系統(tǒng)電量平衡,無(wú)法參與系統(tǒng)調(diào)峰。若用傳統(tǒng)計(jì)算方法也可得到火電站群在汛期8月參與系統(tǒng)調(diào)峰,但不能計(jì)算得到某個(gè)火電站調(diào)峰容量的具體數(shù)值或?qū)⒏骰痣娬局g的調(diào)峰容量模糊化、均勻化。
該地區(qū)區(qū)域電網(wǎng)的枯水年1月、8月各電站月調(diào)節(jié)系數(shù)如表7所示。
表7 某電力系統(tǒng)各電站1月、8月調(diào)節(jié)系數(shù)Table 7 Adjustment coefficient of each power station for a power system in January and August
該地區(qū)區(qū)域電網(wǎng)1月、8月的月調(diào)節(jié)系數(shù)分別為1.090和1.114。從表7可以看出,各電站的調(diào)節(jié)系數(shù)均符合電力系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行的基本要求?;痣娬?月和8月通過(guò)調(diào)整自身出力滿足電力系統(tǒng)的月內(nèi)不均勻性的電量需求,而水電站在汛期8月通過(guò)棄水改變自身的出力,同樣滿足電力系統(tǒng)的月內(nèi)不均勻性的電量需求。
本文通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)月內(nèi)負(fù)荷不均勻性的分析,調(diào)整火電站月發(fā)電量和月內(nèi)典型日發(fā)電量,以滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷需求。針對(duì)傳統(tǒng)電力電量平衡方法無(wú)法計(jì)算單一火電站出力過(guò)程的問(wèn)題,利用改進(jìn)的逐次切負(fù)荷法原理,通過(guò)嵌套結(jié)構(gòu),提出一種新的火電站電力電量平衡計(jì)算方法。對(duì)單一火電站調(diào)峰容量的確定進(jìn)行類似電站切負(fù)荷的迭代計(jì)算,使其在滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上,發(fā)揮其電量效益和調(diào)峰容量效益,得到單一火電站的典型日出力過(guò)程。案例實(shí)證研究表明該方法在避免傳統(tǒng)電力電量平衡方法模糊化處理各個(gè)火電站典型日出力過(guò)程以及調(diào)峰能力的方面可行,并且在求解各個(gè)火電站出力過(guò)程方面具有一定優(yōu)勢(shì)。
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