CN103311960A - 一种强联系电网同调稳定区域划分方法 - Google Patents
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Abstract
一种强联系电网同调稳定区域划分方法,涉及交流和直流电网的稳定状态判断的方法,尤其涉及一种用于强联系电网的同调稳定区域判定和划分方法,包括以下步骤:对强联系电网的故障进行EEAC仿真,确定潜在失稳模式;根据暂态仿真得到的发电机功角摇摆曲线,基于发电机功角响应曲线识别同调机群,将系统分割为两个非空的互补机群,再映射到相应的单机平面;根据失稳轨迹找出在后继时段中可能失稳的机群,将受扰系统划分为同调失稳区域和同调稳定区域,以便依据等面积法则分析系统的稳定性,为配置电力系统第三道防线的失步解列装置和失步解列方案提供支持,从而有效避免电网稳定破坏事故的发生,为大规模电网的安全稳定运行提供可靠保证。
Description
技术领域
本发明涉及交流和直流电网的稳定状态判断的方法,尤其涉及一种用于强联系电网的同调稳定区域判定和划分方法。
背景技术
大电网运行实践表明,电力系统可能出现一些事先很难预料的由多种因素导致的复杂故障,并有可能引起不同发电机群之间失去同步运行。在这种情况下,如果不能快速实现失步发电机组的解列,则可能会导致事故的扩大,甚至会引发系统大面积停电事故的发生。近年来,多个国家发生了由相继开断演化为大停电的事故,其主要原因之一是第三道防线配置不当。这些事故发生的概率虽小,但一旦发生则将产生巨大的经济损失和严重的社会后果。随着电网规模的扩大和内外部联系的加强,原有电网的安全稳定特性变得越来越复杂,如果区域电网内部的故障处理不当,也很可能给外部电网带来安全稳定隐患。作为电力系统第三道防线的重要组成部分,失步解列方案的合理性,对确保电网安全稳定运行的重要性不言而喻。
系统的同调区域与系统的运行方式,扰动的位置和大小密切相关。同一运行方式,不同的故障(地点和类型)其同调区域可能相同;同一运行方式,相近的故障(地点和类型),其同调区域也可能不同;不同运行方式,相同的故障(地点和类型),其同调区域亦可能不同;同一运行方式,相同的故障地点,不同的故障类型,其同调区域也可能不同。同调模式的复杂性决定了同调区域划分一般会建立在不同的故障地点、运行方式基础上。显然,同调区域的划分可被看成是对失稳模式(或临界群)的研究过程。电网失稳模式的研究贯穿于整个机电暂态的研究过程,是稳定评估、灵敏度分析、解列方案研究、动态等值、PMU布点的基础。
研究失稳模式的主要方法有:暂态稳定直接法研究失稳模式;按模式识别问题来研究失稳模式;用数值积分法识别失稳模式;EEAC法识别失稳模式。失稳模式的判别是暂态稳定直接分析法总要研究内容,失稳模式的判别正确与否和暂态稳定分析结果的正确性密切相关,失稳模式的判别法也在不断完善改进中。
失步解列作为第三道防线的重要防御措施,主要是为了防范在可能的极其严重故障下,系统稳定被破坏后,将系统中失步的机群解列,限制事故范围扩大,避免系统崩溃而造成长时间大面积停电。判别系统失步较直观和较可靠的判据是失步中心两侧的相量角差超过180度,但是功角不易测得。目前国内外的失步解列方案基本基于联络线上一侧的本地电气量测量进行判断,现有的失步解列判据主要有:基于阻抗轨迹的失步解列判据、基于视在阻抗角的失步解列判据、基于的失步解列判据、基于补偿原理的失步解列判据等。根据这些解列判据的优缺点及电网的实际情况,选择可能适合的解列判据,并对这些判据进行检验及改进。
中国发明专利“大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法”(发明专利号:ZL200810133761.9授权公告号:CN101340080B)公开了一种大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法,步骤包括:采集大电网各类稳态和动态数据;实时匹配当前方式和历史严重故障形态,作为稳定分析计算的在线追加预想故障;利用扩展等面积法对电网仿真后的曲线数据进行数据挖掘,抽取系统的稳定性量化特征;当电网具有正的安全稳定裕度时,利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术,进行发电机极限出力、极限负荷和稳定断面极限功率计算;当电网具有负的安全稳定裕度时,进行预防控制计算、紧急控制计算,确定预防控制措施量及其控制代价、紧急控制措施量及其控制代价;自动搜索预防控制和紧急控制的优化组合。建立了安全稳定预警、预防控制和紧急控制的优化与协调的一体化框架。
中国发明专利“电力系统解列决策空间筛选方法”(发明专利号:ZL200710175780.3授权公告号:CN100539354C)公开了一种电力系统解列决策空间筛选方法属于电力安全技术领域。现有电力系统解列决策方法受限于电网规模、或者受限于化简后电网的区域数目,不能适用于大规模电网在线应用。该发明在不损失解列可行解的前提下,利用电力系统的解列可行解空间分布具有规律性这一物理特性,不通过划分系统区域然后再聚合为节点的方法,而是直接筛选原始网络的子图的方法来合理缩小决策空间规模。方法将使现有的常规解列策略搜索方法都能够适用于未经充分化简的大规模系统,从而真正使得大规模电网的解列策略在线决策成为可能。该发明不依赖于人为经验,把仅对少量发电机节点进行分群的同调识别方法发展为包含负荷节点在内的大片拓扑识别方法,满足了大规模电网的拓扑分析。
电力系统的失步解列判据是在分析系统失步振荡过程中电气量变化规律的基础上,研究出基于单个或多个电气量的、能够判别系统失步特征的方法,并且要求在系统发生各种异常状态时能够正确判断系统失步的状态。目前,广泛应用于国内的失步解列判据主要有:基于线路阻抗循序变化的失步解列判据、基于补偿原理的失步解列判据、基于视在阻抗角的失步解列判据以及基于的失步解列判据。
1)基于线路阻抗循序变化的失步解列判据
当系统机组异步运行时,监测点的测量阻抗(输入阻抗)不断变化,利用阻抗轨迹的变化可以区别同步振荡和异步振荡,通过阻抗变化速度可以区分短路情况和异步运行。考虑测量阻抗在重合闸或转换性故障时可能跳跃变化,容易和异步运行混淆,解列装置大多采用多级阻抗循序动作来检测异步运行。
2)基于补偿原理的失步解列判据
所谓补偿原理,即通过设置模拟阻抗求取本侧与对端系统等值电势以及功角,判断功角的变化是否符合失步振荡时的变化规律。其实质是利用线路两端电压的相位差来判别系统失步与否。
3)基于视在阻抗角的失步解列判据
基于视在阻抗角失步判据是利用解列装置安装处测量的电压和电流的夹角随等值电势功角差的正向渐增或负向渐减而变化的规律,来判断系统振荡的情况,当振荡中心落在装置的正反方向时,相位角有不同的变化规律,所以该判据可以有效的判别振荡中心的方向。
失步解列判据主要反映了失步断面联络线上电压幅值最低点的电压幅值变化特征,它主要利用装置安装处采集到的电压、电流计算得到振荡中心的电压,根据振荡中心电压的变化规律来区分失步振荡和同步振荡以及短路故障等,可通过系统失步振荡过程中轨迹穿越的区域去判断系统的失步情况,实施解列。
基于线路阻抗循序变化的失步解列判据虽然能够有效地判断出系统失步以及失步系统的送、受端,但是其原理决定了只有装在系统振荡中心所在的线路上,其动态特性才比较理想,而实际系统发生振荡的情况千差万别,振荡中心并不固定,对系统运行方式变化的适应性较差。并且整定比较困难,特别是在环网中很难将系统等值为两机系统,因此基于该原理的装置比较适合安装在单回网间联络线上,不适合安装在多级环网中。
基于补偿原理的失步解列判据虽然原理简单,但是补偿范围要包括失步中心,否则会发生误判。补偿原理比遥测角度简单,但该方法在输电接线发生变化时会产生附加的误差,且在线路带大量中间负荷的情况下,其实现就变得十分复杂。
基于视在阻抗角的失步解列判据能可靠地区分异步振荡和同步振荡,能够判断出失步中心的位置方向,能适应复杂的电网结构和多变的运行方式,整定方便,但电压和电流的相位角与系统功角之间的关系复杂。两者之间的关系与装置安装处和振荡中心的远近有关,当装置安装在振荡中心附近时较难与故障区分,需要其它辅助判据才能区分故障和振荡。
基于的失步解列判据能够反映系统失步过程中的最低电压的变化而能够准确地判断出系统是否失步,该方法能够自动适应系统的各种运行方式和系统结构的变化,并且可以捕捉到失步中心出现的时刻,但是难以捕捉到失步中心的位置,需要其它辅助判据。
发明内容
本发明的目的是提供一种强联系电网同调稳定区域划分方法,可用于电网第三道防线的安全稳定装置的同调稳定区域判断划分,以及为电网失步解列的优化配置方案的在线决策提供手段。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
一种强联系电网同调稳定区域划分方法,其特征在于包括以下步骤:
S100:对强联系电网的主要断面故障、单相开关拒动故障、直流闭锁故障、安控拒动故障和相继故障进行EEAC仿真,分析电网的稳定性,确定电网在典型运行方式下存在的潜在失稳模式;
S200:根据暂态仿真得到的发电机功角摇摆曲线,基于发电机功角响应曲线识别同调机群:对于n机系统若对于系统中的任意两台发电机i和j,满足公式|Δδi(t)-Δδj(t)|≤ε,则判定发电机i和发电机j是同调的,其中,Δδi(t)与Δδj(t)分别表示发电机i与j在观察时刻t的功角增量,ε为精度控制变量,ε≥0;
S300:将所述n机系统分割为两个非空的互补机群Sg和Ag,其中Sg为有序队的第一群,Ag为有序队的第二群,g=1,2,…,l;对于每一种互补划分方式,用Sg和Ag两群各自等值惯量中心的等值轨迹,构成等值非自治两刚体相对运动的受扰轨迹;
S400:经过n机系统到各个等值两机空间的线性变换Rn→E(R2),再经过单机无穷大变换R2→R1,将各个两机空间映射到相应的单机平面,实现Rn→E(R1)映射,把Rn分解得到R1,使每个观察子系统中的运动轨迹减少到只有一条,从而使每个观察子系统的稳定分析任务与等面积法则建立联系,以便依据等面积法则分析所述n机系统的稳定性;
S500:根据EEAC理论,基于发电机功角摇摆曲线的分群结果,分析受扰系统的发电机功角摇摆曲线,找出失稳轨迹的主导群Su和稳定轨迹的主导群Ss;
S600:根据积分时段内稳定的多机受扰轨迹,找出在后继时段中可能失稳的机群,进一步将受扰系统划分为同调失稳区域和同调稳定区域。
本发明的强联系电网同调稳定区域划分方法的一种较佳的技术方案,其特征在于所述的步骤S500采用基于EEAC理论的暂态稳定软件FASTEST,从受扰轨迹中直接提取系统稳定性的定性信息及定量信息,通过模式识别实现发电机摇摆曲线快速分群。
本发明的强联系电网同调稳定区域划分方法的一种更好的技术方案,其特征在于所述的步骤S600根据多机受扰轨迹判断多机系统的稳定性,如果在系统的积分空间中,多机受扰轨迹分裂为2个或多个相互发散的簇,则判定该多机系统是不稳定的。
本发明的有益效果是:
本发明的强联系电网同调稳定区域划分方法,根据暂态仿真得到的发电机功角摇摆曲线,基于发电机功角响应曲线识别同调机群,划分同调稳定区域,以便依据等面积法则分析系统的稳定性,为配置电力系统第三道防线的失步解列装置和失步解列方案提供支持,从而有效避免电网稳定破坏事故的发生,为大规模电网的安全稳定运行提供可靠保证,并产生巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1是本发明强联系电网同调稳定区域划分方法的主控制流程图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案,下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。
大型互联电网一般设有多个解列点,其位置通过离线计算来确定,因为解列点的分散性,所以这些点安装的失步解列装置的动作必须要从全网的角度去协调。当系统失步后尽快地解列失步断面,是目前比较一致的观点。当几个点都处于失步断面上时,就出现了装置动作的协调问题。目前解列装置的协调配合方法都是就地的,主要有以下几种方法:
(1)对于同一站,双回线采用二取二或二取一出口逻辑;
(2)对不同方向的线路,当振荡中心位于正方向且本站处于振荡中心附近时,优先解列该线路,并在动作的同时闭锁其它线路;对于不同站时,通过测量处的测量阻抗或是测量电压来确定不同站的保护区域。
(3)当区域选择无法保证选择性要求的时候,则利用检测的失步振荡周期的次数来取得装置之间的选择性,类似于线路保护中的一、二段延时配合。但是对于复杂的互联电力系统而言,这种解列装置的协调方案,往往难以达到快速、准确解列的要求,从而造成事故范围的扩大。
本发明的强联系电网同调稳定区域划分方法的主控制流程图如图1所示,包括以下步骤:
S100:对可能影响强联系电网稳定性的主要断面故障、单相开关拒动故障、直流闭锁故障、安控拒动故障和相继故障进行EEAC仿真,分析电网的稳定性,确定电网在典型运行方式下存在的潜在失稳模式;
根据国内外历次大停电事故的分析,大停电事故多是由一些相继故障或一些偶然因素叠加造成的。结合电网的实际特点以及以往的系统运行经验,首先利用软件FASTEST对电网预想故障集进行EEAC仿真,找出在典型运行方式下可能存在潜在失稳模式。
电力系统在受到扰动后存在着同调现象,即多台发电机组具有一致或相似的动态特性。同调性描述了各机组功角摇摆曲线之间的接近程度。正确划分同调稳定区域对电力系统的动态分析具有重要意义。划分同调稳定区域的方法有很多,早期依靠专家经验进行模式识别,后来发展了基于线性化模型的特征矢量法、弱耦合法、数值积分法和转台空间法等。
目前划分稳定同调区域的方法主要由两种。一种是通过直接观察发电机在受到扰动后的功角曲线来判别同调性。第二种方法是分析系统所固有的特性,它不依赖扰动的形态。同调划分的原则是根据发电机组动态行为的相似度来分群,保全主要的动态特征。事实上,同调性与拓扑、工况、扰动等因素都有关,而与发电机的细节关系不大。同一运行方式,不同的故障(地点和类型)其同调区域可能相同;同一运行方式,相近的故障(地点和类型),其同调区域也可能不同;不同运行方式,相同的故障(地点和类型),其同调区域亦可能不同;同一运行方式,相同的故障地点,不同的故障类型,其同调区域也可能不同。
S200:根据暂态仿真得到的发电机功角摇摆曲线,基于发电机功角响应曲线识别同调机群:对于n机系统若对于系统中的任意两台发电机i和j,满足公式|Δδi(t)-Δδj(t)|≤ε,则判定发电机i和发电机j是同调的,其中,Δδi(t)与Δδj(t)分别表示发电机i与j在观察时刻t的功角增量,ε为精度控制变量,ε≥0。ε值的取值范围直接影响到识别的结果,同调水平要求高,可以取较小的ε值,同调水平要求低,可以取较大的ε值;
S300:将所述n机系统分割为两个非空的互补机群Sg和Ag,其中Sg为有序队的第一群,Ag为有序队的第二群,g=1,2,…,l;将评估空间从积分空间中分离出来,先对多运动体空间中具有任意复杂模型和复杂场景的全部动态方程进行完整的数值仿真,再将全部的受扰轨迹以穷尽方式分解为互补的两群;对于每一种互补划分方式,用Sg和Ag两群各自等值惯量中心的等值轨迹,构成等值非自治两刚体相对运动的受扰轨迹;
S400:经过n机系统到各个等值两机空间的线性变换Rn→E(R2),再经过单机无穷大变换R2→R1,将各个两机空间映射到相应的单机平面,实现Rn→E(R1)映射,把Rn分解得到R1,使每个观察子系统中的运动轨迹减少到只有一条,从而使每个观察子系统的稳定分析任务,与等面积法则(EEAC)建立联系,以便依据等面积法则分析所述n机系统的稳定性;
本发明采用的变换称为互补群中心相对运动变换。该线性变换不但完整地保持了原多刚体运动空间的稳定信息,并且是一种严格的保稳变换。先经过n机系统到各个等值两机空间的一种线性变换,即变换Rn→E(R2),再经过单机无穷大变换将各两机观察子空间映射到相应的单机平面,即变换R2→R1。从而把Rn分解得到R1,简称Rn→E(R1)映射,而单机无穷大系统暂态稳定的充要条件可以用等面积准则(EEAC)来形象反应,这就可以用等面积准则来分析多机系统的稳定性问题。如果积分空间中的多机受扰轨迹分裂为2个或多个相互发散的簇,则可以判定该受扰多机系统是不稳定的。
引入Rn→E(R1)映射的目的是将每个观察子系统中的运动轨迹减少到只有一条,从而使每个观察子系统的稳定分析任务可以和等面积法则相联系。
S500:根据EEAC理论,基于发电机功角摇摆曲线的分群结果,分析受扰系统的发电机功角摇摆曲线,找出失稳轨迹的主导群Su和稳定轨迹的主导群Ss;
如果积分空间中的多机受扰轨迹分裂为2个或多个相互发散的簇,则判定该受扰多机系统是不稳定的。此时各簇轨迹的包络线之间的间隙将随时间的增大而趋于无穷大,该角度可称之为无界角度间隙。为了节省积分时间,工程上用一个有限的门槛值来判断是否存在无界角度间隙。即判定两条相邻的角度轨迹之间的角度差一旦达到该门槛值,就必然继续发展成为一个无界角度间隙。因此,只要多机积分时间够长,并且取的门槛值足够大(例如180度),我们总可以定性地判断多机系统的稳定性。
对于某一个观察时刻,n台机的角度从大到小有一个队列,并形成n-1个角度间隙。每一个角度间隙都把系统中的n台相互补地分割成临界群(S)和余下群(A)两部分。因此,我们又n-1个互相独立的两群划分方式。
对其中某个两群划分方式来说,我们用S群(或对应的A群)所属机的加权平均角度作为该群的等值角δS(或对应的δA),那么该等值角的轨迹必定始终处于该群轨迹簇的上、下包络线之间。δS-δA必须大于S群的下包络线与A群的上包络线之间的距离,也即大于划分该两群的角度间隙。因此,一旦多机积分空间中的某个间隙大于门槛值时,对应的δS-δA值必然比该间隙值还要大,当然也就大于该门槛值而被判定为无界角度间隙。
因此,只要Rn中存在无界角度间隙(不论一个或几个),就至少存一个与该无界角度间隙相对应的Rn→E(R2)→E(R1)映射,后者的两机映像轨迹不会比Rn更晚到达无界角度间隙的门槛值。换句话说,只要Rn中的积分轨迹不稳定,就一定能在Rn→E(R2)→E(R1)映像中观察到不稳定。
另一方面,δS-δA必然小于S群的上包络线和A群的下包络线之间的距离d。让我们说Rn积分轨迹是稳定的,意味着在足够长的观察区间内,没有任何工程含义上的无界角度间隙,因此距离值d必然是有界的。显然,对于任何一种互补两群划分,其对应的映像轨迹中的δS-δA必须是有界的。因此,只要Rn积分轨迹是稳定的,所有Rn→E(R1)映像轨迹必然稳定。
S600:根据积分时段内稳定的多机受扰轨迹,找出在后继时段中可能(但不一定)失稳的机群,进一步将受扰系统划分为同调失稳区域和同调稳定区域。
EEAC保持了原积分空间的完整性,仅把观察空间解耦为单机无穷大子系统,并保存了原多机动态过程的稳定特征。EEAC理论表明:(1)建立在互补群和同群转角加权均值概念上的部分惯量中心映射Rn→E(R2)→E(R1)保存了原多机系统的稳定性;(2)可以将等面积法则拓广到各个映射平面上具有时变特性的映像单机无穷大系统,从而求得单机无穷大稳定极限条件;(3)最严重的映像子系统的临界条件就是原多机系统的稳定极限条件。EEAC指出:一般情况下,位置间隙动态队列中的最大间隙不一定对应于主导映像,但那些最小的间隙则一定不会构成主导映像。EEAC的基本思路是:对于一设定的扰动,假设多机系统被分解为两个子集,一个是由临界机群组成的子集;另一个包含系统其余的机组,然后这两个子集被集结为等值两机系统,最后再将该两机系统等值为单机-无穷大母线系统(OMIB)。对于该OMIB系统应用等面积定则就实现了多机系统的暂态稳定分析。
对于失稳的轨迹,将失稳轨迹的轨迹模式称为失稳模式UM:{Su,Nu},其中的Su是失稳轨迹的主导群,由于只有失稳的那一摆的稳定裕度为负数,故Nu就是映象轨迹在失稳前改变摆动方向的次数。如果是稳定的多机受扰轨迹,则将其轨迹模式称为稳定模式SM:{Ss,Nt},其中的Ss是稳定轨迹的主导群,而Nt是稳定裕度最小的那个摆次。有时为了强调对稳定轨迹在观察时段以外的各摆稳定裕度的不完全了解,也可以将稳定模式记为SM:{Ss,∞}。
本发明是采用基于EEAC理论的暂态稳定程序FASTEST从受扰轨迹中直接提取系统稳定性的定性信息及定量信息,将发电机摇摆曲线用模式识别的方法来快速分群。同调稳定区域的划分原则是:根据EEAC理论分析基于发电机功角摇摆曲线的分群结果来划分的,分析扰受系统的发电机功角摇摆曲线,根据积分时段内稳定的多机受扰轨迹,找出在后继时段中可能(但不一定)失稳的机群,找出失稳轨迹的主导群Su和稳定轨迹的主导群Ss,进一步将受扰系统划分为同调失稳区域和同调稳定区域。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案,而并非用作为对本发明的限定,任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型,都将落在本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一种强联系电网同调稳定区域划分方法,其特征在于包括以下步骤:
S100:对强联系电网的主要断面故障、单相开关拒动故障、直流闭锁故障、安控拒动故障和相继故障进行EEAC仿真,分析电网的稳定性,确定电网在典型运行方式下存在的潜在失稳模式;
S200:根据暂态仿真得到的发电机功角摇摆曲线,基于发电机功角响应曲线识别同调机群:对于n机系统若对于系统中的任意两台发电机i和j,满足公式|Δδi(t)-Δδj(t)|≤ε,则判定发电机i和发电机j是同调的,其中,Δδi(t)与Δδj(t)分别表示发电机i与j在观察时刻t的功角增量,ε为精度控制变量,ε≥0;
S300)将所述n机系统分割为两个非空的互补机群Sg和Ag,其中Sg为有序队的第一群,Ag为有序队的第二群,g=1,2,…,l;对于每一种互补划分方式,用Sg和Ag两群各自等值惯量中心的等值轨迹,构成等值非自治两刚体相对运动的受扰轨迹;
S400)经过n机系统到各个等值两机空间的线性变换Rn→E(R2),再经过单机无穷大变换R2→R1,将各个两机空间映射到相应的单机平面,实现Rn→E(R1)映射,把Rn分解得到R1,使每个观察子系统中的运动轨迹减少到只有一条,从而使每个观察子系统的稳定分析任务与等面积法则建立联系,以便依据等面积法则分析所述n机系统的稳定性;
S500)根据EEAC理论,基于发电机功角摇摆曲线的分群结果,分析受扰系统的发电机功角摇摆曲线,找出失稳轨迹的主导群Su和稳定轨迹的主导群Ss;
S600)根据积分时段内稳定的多机受扰轨迹,找出在后继时段中可能失稳的机群,进一步将受扰系统划分为同调失稳区域和同调稳定区域。
2.根据权利要求1所述的强联系电网同调稳定区域划分方法,其特征在于所述的步骤S500采用基于EEAC理论的暂态稳定软件FASTEST,从受扰轨迹中直接提取系统稳定性的定性信息及定量信息,通过模式识别实现发电机摇摆曲线快速分群。
3.根据权利要求1所述的强联系电网同调稳定区域划分方法,其特征在于所述的步骤S600根据多机受扰轨迹判断多机系统的稳定性,如果在系统的积分空间中,多机受扰轨迹分裂为2个或多个相互发散的簇,则判定该多机系统是不稳定的。
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