CN101577432A - 无功补偿方法及采用该方法的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是交流干线或交流配电路络补偿功率的控制方法以及采用该方法的装置，具体是指一种动态无功补偿控制方法以及采用该控制方法的控制装置。控制装置采用智能控制策略，以无功功率等交流电路参数为判据。短时间内可以控制多路输入/输出，用于无功补偿和滤波支路的投切控制。这样，本发明提供了一种主要应用在交流电路内用于对在近似实时的条件下对电路进行精确的无功功率补偿的无功补偿方法以及能够充分发挥实现该方法的效果的控制装置，该控制装置性能强大，功能多样。

Description

无功补偿方法及采用该方法的控制装置

技术领域

本发明涉及的是交流干线或交流配电路络补偿功率的控制方法以及采用该方法的装置，具体是指一种动态无功补偿控制方法以及采用该控制方法的控制装置。

背景技术

随着电力系统负荷的增加，在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定；电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电路电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率。二极管整流电路的基波电流相位和电路电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。所以对无功负荷的需求也日益增加。无功补偿的作用主要有以下几点：(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；(2)稳定受电端及电路的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；(3)在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功裣可以平衡三相的有功及无功负载。

因此在电路中的适当位置装设无功补偿装置成为电路无功需求的必要手段。合理的方法应该是在消耗无功功率的地方产生无功功率，无功补偿对提高功率因数、保证电路有功功率的充分利用、提高系统供电效率和电压质量、减少线路损耗、降低配电线路的成本有着重要意义。

例如在公开号为CN1404197A，名称为“动态无功功率分相补偿方法及装置”的中国发明专利就公开了一种动态无功功率分相补偿方法及装置。该方法及装置以反并联的晶闸管和二极管作为补偿电容器的开关，用工业PC机进行控制，通过跟踪检测负荷的无功电流或无功功率，对多级电容器组进行分相投切。在电容器电压与系统电压相等的时刻投入电容器，完全消除了暂态过程，使补偿效果快速、准确、安全、易于控制。此外，还可以对不平衡的无功功率进行完全补偿，避免了某些相欠补偿的同时，某些相过补偿，这是以往的补偿装置难以胜任的，而且该装置成本低、可靠性高、相对需要维护工作量小。

另外在公开号为CN101247046A，名称为“谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及其实现装置”得中国发明专利就公开了一种谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及实现装置，其实现装置包括主装置和控制装置，主装置包括HAPF、由星型连接的机械式投切电容器组和三角形连接的晶闸管控制电抗器组成的SVC；控制装置包括接入采样模块的电压、电流互感器，和DSP控制器、工控机、通讯模块、MSC逻辑控制电路、TCR导纳-角度计算模块、PWM信号发生模块，以及光端发送机、光端接收机，最后通过隔离及功率放大电路分别接入主装置中的MSC、TCR和HAPF。

但是在上述专利文献公开的技术方案中虽然能够对电路中的无功功率以及谐波消除起到一定的积极作用，但是其上述专利中所采用的方法并不能在近似实时的条件下精确消除无功功率，所以在消除无功功率的效果上仍然是差强人意。

本发明就是基于上述现有技术的缺陷，提出的一种主要应用在交流电路内用于对在近似实时的条件下对电路进行精确的无功功率补偿的无功补偿方法以及能够充分发挥实现该方法的效果的控制装置。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种主要应用在交流电路内用于对在近似实时的条件下对电路进行精确的无功功率补偿的无功补偿方法以及能够充分发挥实现该方法的效果的控制装置。

为了实现上述的发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种无功补偿方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)在一个基波周期时间间隔内通过电流互感器以及电压互感器同步采样交流电路内电压实际值U_n(n＝0，1……n-1)以及电流实际值I_n(n＝0，1……n-1)，并实时的将采样的电压实际值以及电流实际值传输到中央控制单元；

(2)在中央控制单元内通过上述电压实际值U_n与相移超前90°的电流实际值I_n相乘得到交流电路内的无功功率值即：

$Q=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_k{I}_{k+\frac{n}{4}};$

(3)根据第(2)步在得到的1/2个基波时间内的无功功率值即根据得到的无功功率值控制对交流电路进行无功补偿，控制向交流电路内投切至少一组电容补偿量，同时所述的中央控制单元控制计算下一个1/2个基波时间内的无功功率。

另一种无功补偿方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)在一个基波周期时间间隔内通过电流互感器以及电压互感器同步采样交流电路内电压实际值U_n(n＝0，1……n-1)以及电流实际值I_n(n＝0，1……n-1)，并实时的将采样的电压实际值以及电流实际值传输到中央控制单元；

(2)在中央控制单元内通过上述的电压实际值U_n以及电流实际值I_n并采用均方的方法计算电压有效值、电流有效值，同时计算有功功率为：

$U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2};I_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I_n}^2};P=\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(U_n\×I_n);$

并在中央控制单元中计算经典功率因数：

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S};$

(3)在所述的中央处理单元中确定用以表示电流实际值与电压实际值之间的相位角度差值

的正负以及大小；

(4)当功率因数PF小于预设在所述中央控制单元中的预设阀值，或者同时确定所述相位角度差值

处于预设在中央处理单元中相位区间范围内，输出控制信号给控制单元进一步控制投入电路中的容抗补偿量。

所述的中央处理单元中预设的功率因数PF以及对应的相位角度差值

的阀值条件为，当功率因数大于0.95且相位角度差值

无论是正值表示电流超前或者是负值表示电流滞后角度，但是其余弦值大于0.98时，则所述的中央处理单元不作为；当功率因数小于0.95，且当相位角度差值

为负值表示电流滞后且其余弦值小于0.98时，所述的中央处理单元发出控制信号控制容抗补偿量投入电路中；当功率因数小于0.95且相位角度差值

为正值表示电流超前且其余弦值小于0.98时，所述的中央处理单元控制容抗补偿量断开电路。

所述的功率补偿量通过电路的无功功率来确定，确定的具体方法为：

$Q=\sqrt{S^2-P^2}=\sqrt{{(U_{\mathrm{rms}}\×I_{\mathrm{rms}})}^2-P^2};$

通过该无功功率的大小确定投入容抗补偿量。

所述的在一个基波周期时间间隔的通过电流互感器以及电压互感器同步采样电路内电压实际值以及电流实际值时，其采样的点数为2的整数次幂且大于2。所述的采样的点数优选为64个或者128个或者256个。

所述的容抗补偿量为通过导通晶闸管控制投入电路中的至少一组电容组或者用于实现连入电路内实现无差调节的一组LC串连电路。

该控制装置采用双中央处理器系统的中央控制单元，该双中央处理器系统由用于数据DSP单元以及用于控制对外连接的ARM单元组成，该中央处理器单元的输入侧与用于采样对象电路中电压实际值以及电流实际值的采样模块连通，同时该中央控制单元中的DSP单元与电路补偿模块双向连通用于传输以及反馈控制信号。

所述的采样模块由对应三相电路采样的具有至少三路入口的电压互感器以及与其并联的对应三相电路的采样的具有至少三路入口的电流互感器组成，同时该电压互感器以及电流互感器同时通过数模转换电路与所述的DSP单元连接并向其实时的传输探测到的电路内电压实际值以及电流实际值。

所述的控制装置还包括用于人机交互并监视该控制装置工作过程的监测模块，该监测模块由所述的ARM单元控制，同时包括显示装置，输入装置，用于协调整个控制装置的实时时钟模块以及附加接口，所述的补偿模块包括控制投入容抗补偿的开关量输入/输出模块以及控制晶闸管开闭的电能脉冲输出模块，所述的DSP单元控制ARM单元工作，同时该它们采用同一电源模块对其进行供电。

通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种主要应用在交流电路内用于对在近似实时的条件下对电路进行精确的无功功率补偿的无功补偿方法以及能够充分发挥实现该方法的效果的控制装置。

附图说明

图1中显示的是本发明采用的第一种无功补偿方法的流程示意图；

图2中显示的是本发明采用的第二种无功补偿方法的流程示意图；

图3中显示的是采用本发明的无功补偿方法的结构示意图；

具体实施方式

本发明在于提供一种主要应用在交流电路内用于对在近似实时的条件下对电路进行精确的无功功率补偿的无功补偿方法以及能够充分发挥实现该方法的效果的控制装置。

图1中显示的是本发明采用的应用在交流电路内的无功补偿的方法。其中具体包括：

(1)在一个基波周期时间间隔内通过电流互感器以及电压互感器同步采样交流电路内电压实际值U_n(n＝0，1……n-1)以及电流实际值I_n(n＝0，1……n-1)，并实时的将采样的电压实际值以及电流实际值传输到中央控制单元；

(2)在中央控制单元内通过上述电压实际值U_n与相移超前90°的电流实际值I_n相乘得到交流电路内的无功功率值即：

$Q=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_k{I}_{k+\frac{n}{4}};$

(3)根据第(2)步在得到的1/2个基波时间内的无功功率值即根据得到的无功功率值控制对交流电路进行无功补偿，控制向交流电路内投切至少一组电容补偿量，同时所述的中央控制单元控制计算下一个1/2个基波时间内的无功功率。

通过这样可以对交流电路内的无功功率做到实时补偿，精确补偿的目的，使得本发明中该方法反应快速，实施准确。

图2中显示的是本发明采用的应用在交流电路内的无功补偿的方法。其中具体包括：

(1)在两个基波周期时间间隔的通过电流互感器以及电压互感器同步采样电路内电压实际值U_n(n＝0，1……31)以及电流实际值I_n(n＝0，1……31)，并实时的将采样的电压实际值以及电流实际值传输到中央控制单元进行处理；

(2)在中央控制单元内通过上述的电压实际值U_n以及电流实际值I_n通过下述的方法计算电压有效值、电流有效值以及有功功率为：

$U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2};I_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I_n}^2};P=\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(U_n\×I_n);$

并在中央控制单元中计算功率因数：

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S};$

(3)在所述的中央处理单元中确定用以表示电流实际值与电压实际值之间的相位角度差值的正负以及大小，其中相位角度差值为正值表示电流实际波形要超出电压实际波形一定角度；

(4)当功率因数PF小于预设在所述中央控制单元中的预设阀值，或者同时确定所述相位角度差值

处于预设在中央处理单元中相位区间范围内，输出控制信号给控制单元进一步控制投入电路中的容抗补偿量。实际在这一步骤中用以确定向交流电路中投入容抗补偿量的条件，当条件确定满足之后向交流电路投入容抗补偿量。

在上述具体步骤(4)中中央处理单元中预设的功率因数PF以及对应的相位角度差值

的阀值条件具体可以分为如下几种情况：

当功率因数大于0.95且相位角度差值

无论是正值表示超前或者是负值滞后角度但是其余弦值大于0.98时，所述的中央处理单元不作为；

当功率因数小于0.95，且当相位角度差值

为负值表示滞后且其余弦值小于0.98时，所述的中央处理单元发出控制信号控制容抗补偿量投入电路中；

当功率因数小于0.95且相位角度差值

为正值表示超前且其余弦值小于0.98时，所述的中央处理单元控制容抗补偿量断开电路。

这样通过两种条件的联合限制，能够更加精确的控制投入交流电路中的容抗补偿量的条件，使得容抗投入的时机更加准确。

具体投入交流电路中容抗补偿量的大小除了由上述的功率因数间接决定外，实际上功率补偿量的大小是通过电路的无功功率来确定，确定的具体方法为：

$Q=\sqrt{S^2-P^2}=\sqrt{{(U_{\mathrm{rms}}\×I_{\mathrm{rms}})}^2-P^2};$

通过该无功功率的大小确定投入容抗补偿量，具体根据无功功率确定容抗补偿量的大小是本领域经常使用的技术手段，在这里就不赘述了。

另外需要说明的是在本发明的无功补偿的方法中，采用在两个基波周期时间间隔的通过电流互感器以及电压互感器同步采样电路内电压实际值以及电流实际值时，其采取的采样的间隔的时间为整个基波周期时间段的1/64或者1/128是为了更加精确的反映整个交流电路中的电流以及电压波形的实际情况，并通过上述的计算公式得到结果使得采用无功补偿整个方法的前提条件更加确定，避免产生的误差过大。

对于投入交流电路中的容抗补偿量的的方法最基本的可以通过导通晶闸管控制投入电路中的至少一组电容阻或者一组LC串连电路实现连入电路内实现无差调节，其它的方法在这里也就不一一赘述了。

为了使得在实现上述无功补偿方法产生最佳的效果，本发明还公开了如下的无功补偿控制装置，如图3所示，该控制装置采用双中央处理器系统的中央控制单元，该双中央处理器系统由用于数据DSP单元以及用于控制对外连接的ARM单元组成，该中央处理器单元的输入侧与用于采样对象电路中电压实际值以及电流实际值的采样模块连通，同时该中央控制单元中的DSP单元与电路补偿模块双向连通用于传输以及反馈控制信号。

其中采样模块由对应三相电路采样的电压互感器以及与其并联的电流互感器组成，其通过将交流电路中的较高值的电压、电流转换为较低的二线电压、电流之后得到可以通过本发明公开的装置探测的数据。之后电压互感器以及电流互感器同时通过数模转换电路，如图中DSP单元上自带的A/D转换接口与所述的DSP单元连接并向其实时的传输探测到的电路内电压实际值以及电流实际值，满足DSP单元计算的需要。

另外，上述的控制装置还包括用于人机交互并监视该控制装置工作过程的监测模块，该监测模块由所述的ARM单元控制，同时包括但不限于液晶显示装置，输入装置典型的如键盘，用于协调整个控制装置的实时时钟模块以及附加接口典型的如通讯接口，通过其可以与ARM单元进行信息的交互。

所述的补偿模块包括控制投入容抗补偿的开关量输入/输出模块以及控制晶闸管开闭的电能脉冲输出模块，在这里的开关量输入/输出模块以及晶闸管均是用于控制容抗补偿量接入电路的开关装置，具体的结构在这里就不赘述了，但是其开闭状态均需要通过上述的DSP单元通过采用本发明的方法产生的控制信号进行控制。

另外，所述的DSP单元同时也控制ARM单元工作，它们还采用同一电源模块对其进行供电。

这样本发明的控制装置采用智能控制策略，以无功功率等交流电路参数为判据。短时间内可以控制多路路输入/输出，用于无功补偿和滤波支路的投切控制。另外在本装置的DSP单元还含有配电监测、配电统计和电能质量分析等功能，具备智能化、多功能化、实时性强等显著优点，增强了系统的扩展性和应用性。

另外本发明采用的技术手段带来的有益效果是抗干扰性能卓越，双处理器内核架构，计算处理能力强大，系统扩展性好，同时图形化中文界面。动态无功补偿控制，还可以实时实现多次次谐波分析，以及棒图显示。实时电压、电流波形显示。三相电力参数测量显示，越限报警、保护、多种通讯方式与接口。智能配电监测功能：实时数据，日报表，整点记录等，实时配合后台软件，生成符合行业规范的图、报表。

除了上述计算电压及电流有效值、有功功率、无功功率以及功率因数之外，控制装置内的DSP单元还能够实现

有功电能的累计：

$E_p={\∫}_0^t\mathrm{pdt}$

以及电压的多次谐波分析，其主要也是采用DSP单元完成FFT或者DFT算法来实现，得到基波分量U1和谐波分量分别为U2…Uh，各次谐波含有率的计算公式如下：

$\mathrm{HRUN}=\frac{U_h}{U_1}\×100\%$

$\mathrm{THD}=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{U_h}{U_1}\right)}^2\×100\%}$

同时还能够完成电压波峰系数的计算：

$\mathrm{CF}=1.414\underset{h=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{U_h}{U_1}$

电流不平衡度的计算：

$I_{\mathrm{unb}}=\frac{I_2}{I_1}\×100\%$

电流不对称度的计算：

对处理后的数据进行判断将指令传输给补偿装置，给予本发明的无功补偿进行辅助参考的作用。

在控制装置中DSP单元与ARM单元连接，而ARM单元主要进行配电统计，主要包括：统计电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的最大值、最小值及平均值。还可整点或定时记录存储电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电量、无功电量、谐波、电容投切状态。将监视到的各种状态反映在监测装置中。

综上所述，该控制装置以DSP 32位数字信号处理器为控制核心，运算速度快，最高可以达到150MIPS，结合ARM强大的通讯及接口功能，采用优化算法，实时动态跟踪电路参数的变化，主要实现了动态无功功率快速计算和补偿响应、谐波分析，柱状图显示、三相实时数据显示，多种通讯接口RS232，RS485，CAN_BUS，GPRS(选配件)，数据统计，记录存储、报警保护，现场参数的调显和设置等多种功能。

通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种主要应用在交流电路内用于对在近似实时的条件下对电路进行精确的无功功率补偿的无功补偿方法以及能够充分发挥实现该方法的效果的控制装置，该控制装置性能强大，功能多样。

另外，本发明的保护范围并不局限于上述具体实施方式中的具体实施例，而是只要满足本发明的权利要求书的技术特征的组合就落入了本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种无功补偿方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

(1)在一个基波周期时间间隔内通过电流互感器以及电压互感器同步采样交流电路内电压实际值U_n(n＝0，1……n-1)以及电流实际值I_n(n＝0，1……n-1)，并实时的将采样的电压实际值以及电流实际值传输到中央控制单元；

(2)在中央控制单元内通过上述电压实际值U_n与相移超前90°的电流实际值I_n相乘得到交流电路内的无功功率值即：

$Q=\frac{1}{n}\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_k{I}_{k+\frac{n}{4}};$

(3)根据第(2)步在得到的1/2个基波时间内的无功功率值即根据得到的无功功率值控制对交流电路进行无功补偿，控制向交流电路内投切至少一组电容补偿量，同时所述的中央控制单元控制计算下一个1/2个基波时间内的无功功率。

2、一种无功补偿方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

(1)在一个基波周期时间间隔内通过电流互感器以及电压互感器同步采样交流电路内电压实际值U_n(n＝0，1……n-1)以及电流实际值I_n(n＝0，1……n-1)，并实时的将采样的电压实际值以及电流实际值传输到中央控制单元；

(2)在中央控制单元内通过上述的电压实际值U_n以及电流实际值I_n并采用均方的方法计算电压有效值、电流有效值，同时计算有功功率为：

$U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U_n}^2};$ $I_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I_n}^2};$ $P=\frac{1}{n}\underset{n=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(U_n\×I_n);$

并在中央控制单元中计算经典功率因数：

$\mathrm{PF}=\frac{P}{S};$

(3)在所述的中央处理单元中确定用以表示电流实际值与电压实际值之间的相位角度差值的正负以及大小；

(4)当功率因数PF小于预设在所述中央控制单元中的预设阀值，或者同时确定所述相位角度差值

处于预设在中央处理单元中相位区间范围内，输出控制信号给控制单元进一步控制投入电路中的容抗补偿量。

3、根据权利要求2所述的无功补偿方法，其特征在于，所述的中央处理单元中预设的功率因数PF以及对应的相位角度差值的阀值条件为，当功率因数大于0.95且相位角度差值

无论是正值表示电流超前或者是负值表示电流滞后角度，但是其余弦值大于0.98时，则所述的中央处理单元不作为；当功率因数小于0.95，且当相位角度差值

为负值表示电流滞后且其余弦值小于0.98时，所述的中央处理单元发出控制信号控制容抗补偿量投入电路中；当功率因数小于0.95且相位角度差值

为正值表示电流超前且其余弦值小于0.98时，所述的中央处理单元控制容抗补偿量断开电路。

4、根据权利要求2或3所述的无功补偿方法，其特征在于，所述的功率补偿量通过电路的无功功率来确定，确定的具体方法为：

$Q=\sqrt{S^2-P^2}=\sqrt{{(U_{\mathrm{rms}}\×I_{\mathrm{rms}})}^2-P^2};$

通过该无功功率的大小确定投入容抗补偿量。

5、根据权利要求1或2所述的无功补偿方法，其特征在于，所述的在一个基波周期时间间隔的通过电流互感器以及电压互感器同步采样电路内电压实际值以及电流实际值时，其采样的点数为2的整数次幂且大于2。

6、根据权利要求5所述的无功补偿方法，其特征在于，所述的采样的点数为64个或者128个。

7、根据权利要求1或2所述的无功补偿方法，其特征在于，所述的容抗补偿量为通过导通晶闸管控制投入电路中的至少一组电容组或者用于实现连入电路内实现无差调节的一组LC串连电路。

8、一种采用权利要求1或2所述的无功补偿方法的控制装置，其特征在于，该控制装置采用双中央处理器系统的中央控制单元，该双中央处理器系统由用于数据DSP单元以及用于控制对外连接的ARM单元组成，该中央处理器单元的输入侧与用于采样对象电路中电压实际值以及电流实际值的采样模块连通，同时该中央控制单元中的DSP单元与电路补偿模块双向连通用于传输以及反馈控制信号。

9、根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述的采样模块由对应三相电路采样的具有至少三路入口的电压互感器以及与其并联的对应三相电路的采样的具有至少三路入口的电流互感器组成，同时该电压互感器以及电流互感器同时通过数模转换电路与所述的DSP单元连接并向其实时的传输探测到的电路内电压实际值以及电流实际值。

10、根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述的控制装置还包括用于人机交互并监视该控制装置工作过程的监测模块，该监测模块由所述的ARM单元控制，同时包括显示装置，输入装置，用于协调整个控制装置的实时时钟模块以及附加接口，所述的补偿模块包括控制投入容抗补偿的开关量输入/输出模块以及控制晶闸管开闭的电能脉冲输出模块，所述的DSP单元控制ARM单元工作，同时该它们采用同一电源模块对其进行供电。

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