變電工程三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次專業(yè)解決方案探討

國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司 顧水福

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司 趙智成

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)難度的增加、設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，迫切的要求采用更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)解決好變電工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行中涉及到諸多相關(guān)的因素，提高變電工程設(shè)計(jì)的水平和服務(wù)質(zhì)量?；谌S信息技術(shù)開展變電工程設(shè)計(jì)，既是電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，又是時(shí)代進(jìn)步的必然。

目前我國(guó)的電力行業(yè)，發(fā)電廠工程的三維輔助設(shè)計(jì)經(jīng)過十多年的摸索和實(shí)踐已經(jīng)趨于成熟，并且在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出了效率和效益。而在電網(wǎng)工程方面，三維輔助設(shè)計(jì)尚處于起步階段，國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)部門也已陸續(xù)發(fā)布電網(wǎng)工程的數(shù)字化移交規(guī)范。

目前圍繞變電站三維設(shè)計(jì)問題已有大量學(xué)者開展了相關(guān)工作，并取得了一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[1]、[3]通過工程實(shí)例探索了變電站的三維設(shè)計(jì)及數(shù)字化移交工作，實(shí)現(xiàn)了三維建模、二三維貫通、碰撞檢查、自動(dòng)工程量統(tǒng)計(jì)、三維漫游等功能；文獻(xiàn)[2]以MICROSTATION為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，提出協(xié)同設(shè)計(jì)管理的基本思路，實(shí)現(xiàn)“三維設(shè)計(jì)、二維出圖”；文獻(xiàn)[4]對(duì)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行了介紹，對(duì)輸變電工程應(yīng)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)存在的問題提出了建議；文獻(xiàn)[5]對(duì)變電站設(shè)備模型庫(kù)的建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)方法進(jìn)行了研究和探討；文獻(xiàn)[6]通過對(duì)Promis-e軟件的開發(fā)運(yùn)用，繪制變電站電氣二次典型間隔的施工圖，并論述了設(shè)計(jì)流程、效果及軟件優(yōu)缺點(diǎn)。

目前對(duì)變電站三維數(shù)字化的研究主要集中在協(xié)同設(shè)計(jì)的流程管理及電氣一次、土建專業(yè)的三維設(shè)計(jì)研究方面，系統(tǒng)二次專業(yè)由于更多的是體現(xiàn)功能原理，難以具象為三維實(shí)物模型，其三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方案研究還比較少。本文基于二次系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，研究變電站二次專業(yè)的三維設(shè)計(jì)工作流程及實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)三維快速建模，二維三維有機(jī)高效協(xié)同的數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，為施工、調(diào)試、運(yùn)維提供更好的支撐。

1 系統(tǒng)二次專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及提升思路

1.1 二次主要設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用情況

目前，設(shè)計(jì)人員開展系統(tǒng)二次設(shè)計(jì)時(shí)，直接基于廠家提供的原理圖及屏柜端子圖，利用CAD工具完成端子到端子的連接。隨著技術(shù)的成熟，目前借助數(shù)字化設(shè)計(jì)工具，如上海欣電生產(chǎn)的面向傳統(tǒng)變電站的硬接線設(shè)計(jì)工具ELEC，可方便的完成端子排-電纜的設(shè)計(jì)，并可生成電纜清冊(cè)、端子排接線表、端子排接線圖。隨著智能變電站的發(fā)展，需開展光纜的設(shè)計(jì)與虛回路設(shè)計(jì)。目前，開展光纜設(shè)計(jì)與虛回路設(shè)計(jì)主要采用容弗科技、長(zhǎng)園深瑞、五采生產(chǎn)的設(shè)計(jì)軟件。主要面向智能變電站完成光纜設(shè)計(jì)、虛回路設(shè)計(jì)、虛實(shí)對(duì)應(yīng)、導(dǎo)出光纜清冊(cè)、自動(dòng)生成IPMAC地址，自動(dòng)劃分VLAN，生成SCD文件等功能。

隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展，基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)變電站被廣泛認(rèn)為具有直觀、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)變電站工程設(shè)計(jì)的趨勢(shì)?；谌S數(shù)字化的變電站設(shè)計(jì)在很多地區(qū)被試點(diǎn)應(yīng)用，當(dāng)前主流的三維設(shè)計(jì)軟件有Bently公司生產(chǎn)的Bentley Substation 、博超數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)平臺(tái)STD等。

圖1 現(xiàn)階段二次數(shù)字化設(shè)計(jì)流程Fig.1 Current digital design process of secondary system

目前二次主要設(shè)計(jì)軟件存在以下突出問題，一是每一個(gè)軟件都針對(duì)一個(gè)領(lǐng)域完成了部分設(shè)計(jì)功能，各專業(yè)的設(shè)計(jì)工具不能單獨(dú)支撐起整個(gè)變電站的設(shè)計(jì)；二是每個(gè)專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，缺乏數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享機(jī)制，不能充分相互利用各專業(yè)數(shù)據(jù)；三是數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件在一定程度上提升了設(shè)計(jì)效率，但效率提高還有很大空間。

1.2 現(xiàn)階段二次主要設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用情況

二次數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用的主要軟件為采用深度定制的電回路設(shè)計(jì)軟件ELEC、自主研發(fā)的全景模型光回路設(shè)計(jì)軟件Smartdesigner以及深度定制的敷設(shè)軟件Autolay，并且通過開發(fā)軟件模塊接口，實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)全覆蓋及大部分的數(shù)據(jù)共享。軟件之間接口及配合如圖2所示。

圖2 二次數(shù)字化軟件應(yīng)用現(xiàn)狀Fig.2 The application of secondary system digital softwares

除圖2中虛線部分的數(shù)據(jù)暫未實(shí)現(xiàn)接口以外，其余均已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和共享。但是各部分均有提升空間，根據(jù)多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提升最主要的需求來(lái)自于以下三方面：跨專業(yè)數(shù)據(jù)及功能模塊共享、基于通用設(shè)計(jì)與模板庫(kù)的二次系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建、基于平臺(tái)海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用拓展。

1.3 二次專業(yè)三維設(shè)計(jì)總體提升思路

為充分利用各專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)與設(shè)計(jì)成果，避免重復(fù)建模帶來(lái)的額外勞動(dòng)，大幅提升設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文提出與當(dāng)前三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)定制接口，利用當(dāng)前系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)格式的一次接線圖模型、總平面圖、變電站通用設(shè)計(jì)規(guī)范開展二次設(shè)計(jì)工作。

圖3 提升后的二次設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Secondary system digital design process after lifting

為提高設(shè)計(jì)效率，建立設(shè)備、端口、屏柜通用圖元庫(kù)，快速完成變電站二次裝置配置、組屏，形成原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用廠家ICD、IPCD、端子排實(shí)例化裝置圖元與屏柜，同時(shí)與已有的虛回路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行接口約定，將設(shè)計(jì)虛回路結(jié)果，導(dǎo)入到本系統(tǒng)，自動(dòng)開展裝置端口、物理回路、虛回路的對(duì)應(yīng)，形成施工圖。

在完成上述設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作后，三維平臺(tái)中逐步集成了變電站土建、電氣一次、電氣二次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可為變電站施工、調(diào)試、運(yùn)維、改擴(kuò)建提供業(yè)務(wù)價(jià)值數(shù)據(jù)。通過利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)集成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)、施工調(diào)試、運(yùn)維作業(yè)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，為不同的使用者呈現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如對(duì)施工階段線纜敷設(shè)的數(shù)據(jù)支撐、標(biāo)牌吊牌的數(shù)據(jù)支撐、對(duì)改擴(kuò)建運(yùn)維檢修的仿真數(shù)據(jù)支撐、對(duì)調(diào)試運(yùn)維環(huán)節(jié)提供二次故障排查的支撐數(shù)據(jù)等，通過為后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)提供直觀的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)一步將設(shè)計(jì)的價(jià)值延伸到變電站的全生命周期（見圖3）。

2 系統(tǒng)二次三維設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 二次回路設(shè)計(jì)提升關(guān)鍵技術(shù)

為提高二次系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)質(zhì)量，需引入接口技術(shù)，三維圖元庫(kù)技術(shù)、通用規(guī)則庫(kù)應(yīng)用技術(shù)、典型間隔連接關(guān)系配置等技術(shù)。

2.1.1 與其它設(shè)計(jì)模塊的數(shù)據(jù)及模型接口

二次回路三維設(shè)計(jì)開展前，為提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與提高設(shè)計(jì)效率，需充分利用其他專業(yè)模塊的設(shè)計(jì)成果。

一是與系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)模塊、三維模型布置設(shè)計(jì)模塊約定數(shù)據(jù)與模型接口，獲取總平面圖、一次接線圖以及配置的圖元、組裝的屏柜信息及模型。

二是開發(fā)與電纜敷設(shè)模塊接口，為電纜設(shè)計(jì)軟件提供屏柜信息、端子排信息，并可獲取連接好的電纜設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

三是二次設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)結(jié)果（設(shè)備清冊(cè)、光纜清冊(cè)、電纜清冊(cè)、網(wǎng)線清冊(cè)、二次設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)）可反向提供給三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成、關(guān)聯(lián)展示以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)組織與應(yīng)用。

2.1.2 三維圖元庫(kù)技術(shù)

為提高設(shè)計(jì)效率，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、屏柜、元件建立通用圖元庫(kù)，開展二次回路設(shè)計(jì)時(shí)，利用通用圖元庫(kù)進(jìn)行裝置配置、組屏、設(shè)計(jì)回路。

（1）通用智能裝置圖元（IED）

圖4 通用智能裝置圖元Fig.4 General intelligent device graphic element

不同類型的二次裝置擁有不同的屬性，如表1：

表1 裝置模型屬性表（部分）Table 1 Property table of device models(part)

（2）屏柜圖元的定義：

屏柜作為智能裝置的容器單獨(dú)建模，二次屏柜的規(guī)格相對(duì)固定，屏柜圖元包含屏頭、屏體、底座三部分。二次系統(tǒng)三維建模時(shí)，根據(jù)組屏方案把屏柜圖元和智能裝置圖元進(jìn)行組裝。

（3）智能裝置端口、接頭的定義

裝置端口有光口、電口之分。裝置端口與智能裝置組合時(shí)，電口默認(rèn)單列排布，光口默認(rèn)雙列排布。

圖5 光口及電口圖元Fig.5 Optical and electrical interface graphic elements

光口接頭、電口接頭分別對(duì)應(yīng)著光纖的端子和以太網(wǎng)的水晶頭。分別對(duì)這兩種類型的接頭進(jìn)行建模。

圖6 光口及電口接頭圖元Fig.6 Optical and electrical adapter connector graphic elements

2.1.3 二次設(shè)備配置規(guī)則庫(kù)

初步設(shè)計(jì)階段當(dāng)主接線、總平面布置確定后，根據(jù)通用設(shè)計(jì)規(guī)范二次配置部分，行成二次設(shè)備配置規(guī)則庫(kù)，自動(dòng)完成裝置配置及組柜。

圖7 二次裝置配置規(guī)則庫(kù)示意圖Fig.7 The schematic diagram of the secondary device configuration rules

圖8 二次屏柜組柜規(guī)則庫(kù)示意圖Fig.8 The schematic diagram of the cabinet configuration rules

2.1.4 典型間隔屏柜連接經(jīng)驗(yàn)庫(kù)

組柜完成后，利用典型間隔連接經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，可自動(dòng)完成同類型間隔的屏間原理接線，包括光纜接線、電纜接線，根據(jù)工程情況適當(dāng)調(diào)整后，即可自動(dòng)形成光纜連接表、電纜連接表。

圖9 光纜連接經(jīng)驗(yàn)庫(kù)Fig.9 Optical cable connection experience base

圖10 電纜連接經(jīng)驗(yàn)庫(kù)Fig.10 Cable connection experience base

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

2.2.1 初步設(shè)計(jì)階段

初步設(shè)計(jì)階段的主要設(shè)計(jì)提升在于：基于通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備創(chuàng)建完成二次裝置配置規(guī)則庫(kù)、二次屏柜組柜規(guī)則庫(kù)后，當(dāng)主接線及總平面確定，即可自動(dòng)完成二次設(shè)備配置及組柜數(shù)據(jù)及模型。

而后根據(jù)光、電纜連接經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，可生成典型間隔連接圖和光電纜連接表；根據(jù)站控層交換機(jī)、站控層間隔層設(shè)備的配置識(shí)別，可自動(dòng)生成站控層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)線連接表。

（1）與當(dāng)前各專業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口

要求當(dāng)前三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件可輸出帶有標(biāo)識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)三維模型，同時(shí)滿足U3D的通用3D圖形格式標(biāo)準(zhǔn)。

利用文件描述作為接口的數(shù)據(jù)交互，采用XML標(biāo)準(zhǔn)格式，對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行定義，確保接口文件的可讀性。

（2）配置及組柜模塊實(shí)現(xiàn)

根據(jù)變電站電壓等級(jí)、一次接線圖，按照《110（66）kV～220kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》與《330kV～750kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，自動(dòng)形成站控層、過程層、間隔層的主機(jī)、交換機(jī)、保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、合并單元、智能終端、故障錄波裝置等二次裝置的數(shù)量配置及通用裝置的配置，自動(dòng)完成典型間隔組屏。

圖11 裝置自動(dòng)配置與組柜Fig.11 Automatic device configuration and cabinet

屏柜信息按照三維設(shè)計(jì)平臺(tái)提供的接口的數(shù)據(jù)中的區(qū)域、小室分類管理。

配置完成過程中，完善圖元以下屬性：

表2 初步設(shè)計(jì)階段智能裝置模型屬性表（部分）Table 2 Intelligent device model property table at preliminary design stage(part)

通過建立典型間隔光纜連接關(guān)系，電纜連接關(guān)系典型庫(kù)，根據(jù)電壓等級(jí)、間隔類型、接線形式建立典型間隔規(guī)則庫(kù)，根據(jù)典型間隔規(guī)則庫(kù)自動(dòng)生成相同類型間隔的屏柜間連接關(guān)系。同時(shí)根據(jù)交換機(jī)配置，自動(dòng)構(gòu)建站控層網(wǎng)絡(luò)。最終完成光纜清冊(cè)、電纜清冊(cè)、網(wǎng)線清冊(cè)，為進(jìn)一步的光電纜敷設(shè)、線纜長(zhǎng)度估算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.2.2 施工圖設(shè)計(jì)階段

施工圖設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)廠家資料對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)例化，即為裝置和屏柜導(dǎo)入準(zhǔn)確參數(shù)（如屏柜的端子排、裝置的背板、端口、裝置配置文件等），實(shí)例化完成后依據(jù)初步設(shè)計(jì)階段的原理設(shè)計(jì)結(jié)果，完成裝置端口到端口的連接，最終完成詳細(xì)的物理回路設(shè)計(jì)。

（1）裝置實(shí)例化

依據(jù)廠家提供的裝置配置文件ICD、IPCD的裝置型號(hào)、裝置背板端口對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)例化。利用IPCD配置描述文件中的信息，填充個(gè)設(shè)備屬性的背板、端口；利用ICD描述文件完善廠家信息、型號(hào)信息、軟件版本信息。同時(shí)，實(shí)例化過程中，在初設(shè)階段的基礎(chǔ)上，完善各裝置的屬性信息。

圖12 裝置實(shí)例化示意圖Fig.12 Device instantiation diagram

屏柜實(shí)例化的具體方法就是對(duì)端子排功能區(qū)域的定義、功能區(qū)端子數(shù)量的調(diào)整、免熔接光配的端口數(shù)量的定義（默認(rèn)根據(jù)光纜線芯自動(dòng)定義端口數(shù)量，根據(jù)使用情況調(diào)整）。

圖13 屏柜實(shí)例化圖Fig.13 Cabinet instantiation diagram

（2）光回路設(shè)計(jì)模塊

基于初步設(shè)計(jì)的設(shè)備連接圖，通過屏間的光纜或者尾纜的操作，展示光纜兩側(cè)的屏柜，及柜內(nèi)免熔接光配、設(shè)備背板，同時(shí)展示免熔接光配各端口的詳細(xì)定義，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成端口到端口的連接。

以本間隔連接為典型間隔數(shù)據(jù)，可通過間隔復(fù)制實(shí)例化其他間隔的端口連接。對(duì)于關(guān)聯(lián)到公用間隔設(shè)備的端口，按順序自動(dòng)推出可能連接的設(shè)備背板，放大端口區(qū)域，方便設(shè)計(jì)人員快速完成公用間隔設(shè)備的端口鏈接。

系統(tǒng)通過自學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)記憶各廠家的設(shè)備端口與定義的免熔接光配之間的連接關(guān)系，在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)相同的設(shè)備，自動(dòng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接。

（3）電回路設(shè)計(jì)模塊

電回路設(shè)計(jì)延用現(xiàn)有軟件功能，根據(jù)原理圖自動(dòng)生成端子排，同時(shí)進(jìn)行功能提升：利用初設(shè)階段電纜連接的設(shè)計(jì)結(jié)果，根據(jù)屏柜實(shí)例化以后導(dǎo)入的端子排，進(jìn)行具體的電纜兩端端子號(hào)配置，而后生成端子排，并更新相應(yīng)原理圖庫(kù)的端子號(hào)。

完成電纜連接后，形成支撐施工的電纜接線指導(dǎo)數(shù)據(jù)—電纜連接表、裝置連接模型。將完整的連接模型和電纜回路數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，與屏柜關(guān)聯(lián)，支撐現(xiàn)場(chǎng)施工，一方面可在端子排接線時(shí)實(shí)現(xiàn)直觀的一一對(duì)應(yīng)，另一方面，可與實(shí)際敷設(shè)路徑對(duì)應(yīng)，便于問題查找。

2.2.3 基于三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的作業(yè)支撐方案

（1）施工接線指導(dǎo)

施工接線圖、以屏柜為中心，提供每個(gè)裝置的端口對(duì)應(yīng)表，指導(dǎo)端口接線。提供設(shè)備的三維模型及詳細(xì)接線信息，在移動(dòng)終端上展示施工人員操作的設(shè)備，直觀的指導(dǎo)施工人員完成現(xiàn)場(chǎng)接線、線纜敷設(shè)。

圖14 施工接線指導(dǎo)示意圖Fig.14 Construction connection guidance

圖15 邏輯故障定位示意Fig.15 Logical fault location

（2）基于三維全景數(shù)據(jù)的故障定位

利用設(shè)計(jì)形成的施工圖階段的數(shù)據(jù)，為施工、調(diào)試人員提供支持故障定位的數(shù)據(jù)支撐。通過某信息回路的檢索，提供查找故障的關(guān)鍵回路信息：區(qū)域-屏柜-裝置-端口到端口的回路信息。高亮展示整個(gè)回路及設(shè)備（見圖15）。

3 結(jié)論

本文基于二次三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)有實(shí)施方案及大量工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)需求，從跨專業(yè)數(shù)據(jù)及功能模塊共享、基于通用設(shè)計(jì)與模板庫(kù)的二次系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建、基于平臺(tái)海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用拓展三方面開展研究，提出二次三維設(shè)計(jì)手段提升方案。

通過模塊化功能設(shè)計(jì)、數(shù)字化手段延伸，提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)二次三維數(shù)字化設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過創(chuàng)建基于通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備和工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的設(shè)備配置原則庫(kù)及標(biāo)準(zhǔn)間隔連接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)配置組柜模塊、自動(dòng)連接模塊設(shè)計(jì)，完成二次系統(tǒng)主要設(shè)備配置和典型間隔接線自動(dòng)構(gòu)建、纜材清冊(cè)自動(dòng)生成，設(shè)計(jì)效率可提升30%，控纜及光電纜分型號(hào)估算準(zhǔn)確率可達(dá)90%，初步設(shè)計(jì)即達(dá)到施工招標(biāo)深度要求。

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