CN104795845B - 基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法及系统 - Google Patents

基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，所述独立微电网包括多种分布式电源，独立微电网与微电网中央控制中心连接，所述独立微电网混合控制方法包括：(1)采用对等控制对独立微电网中的主控电源进行并联运行控制；(2)采用集中控制从全局的角度对各分布式电源的离散控制活动进行权衡和优化。本发明公开了一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制系统。本发明解决了独立微电网系统中多种类、多数量分布式电源间的协调控制问题，保证了系统运行中电压和频率稳定，同时提高了系统的优化运行和价值最大化。

Description

基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法 及系统
技术领域
本发明涉及微电网运行控制技术，更具体地说，涉及一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法及系统。
背景技术
独立微电网是指与外部大电网隔离、独立自主运行的小型电力系统，它主要包括两种形式：(1)不与外部大电网相连接的孤岛式的微电网；(2)因某种原因通过公共连接点的静态开关断开与大电网的连接而转入独立运行模式的微电网。
现有研究和实践表明，含多分布式电源的独立微电网能够有效提高系统的供电可靠性和电能质量、降低成本，不仅是解决和改善海岛等偏远地区分散电力需求的一种有效途径，还是提高配电网供电可靠性的一种有效方法。
经对现有技术文献的检索发现，“可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统”(杨占刚,王成山,车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统[J].电力系统自动化,2009,33(14):89-92.)针对风光储独立微电网控制研究，提出一种主从控制策略协调控制各种分布式电源，风光间歇性电源为从控单元采用恒功率控制方法进行有功功率和无功功率控制，蓄电池储能系统为主控单元采用恒压恒频控制方法维持系统电压和频率稳定，但储能系统容量限制了系统长时间独立运行。“微网综合控制与分析”(王成山,肖朝霞,王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化,2008,32(7):98-103.)则提出了一种以微型燃气轮机和燃料电池可控型电源为主控电源的独立微电网主从控制策略，保证了系统长时间运行中的电压频率稳定；而风光间隙性电源仍采用恒功率(PQ)控制方法不参与系统压频控制。但这种方法没有考虑两种主控电源的不同控制特性对系统负荷有功功率和无功功率的优化分配问题。
现有文献多集中于基于逆变型分布式电源的独立微电网控制研究，而对于采用同步发电机接口方式的分布式电源研究较少。“独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制”(郭力，富晓鹏，李霞林，王成山.独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制[J].中国电机工程学报,2012,32(25):70-78.)指出逆变型分布式电源与同步发电机组同时作为独立微电网的主控电源并列运行，容易造成过流保护影响系统稳定性、甚至系统崩溃。为此，提出了独立微电网中柴油发电机和蓄电池储能系统之间的协调控制方法，包括当柴油发电机为主电源时的储能系统辅助功率控制，以及柴油发电机和储能系统之间的双主电源无缝切换控制策略。“独立微网系统的优化方法”(中国专利申请号：201310103553.5)考虑了多台柴油发电机间的协调控制，并采用多目标遗传算法进行优化，但当柴油发电机超出界限时，优先考虑储能放电，而储能不足时，系统在储能放电的基础上增加柴油发电机的台数，这无疑会降低柴油发电机的利用率。
实际上，独立微电网往往包含有间歇性电源、同步发电机组和储能系统等各种不同分布式电源，而且各种分布式电源的数量也多，其协调控制与运行十分复杂，采用不同的控制策略和控制方法都会对系统运行状况产生较大的影响。因此，含多分布式电源独立微电网的运行控制，应充分考虑系统中分布式电源的种类、数量及其控制特性等影响因素，才能选择一种有效的控制策略进行优化协调控制系统中各分布式单元出力，实现和保障系统的安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法及系统，解决了独立微电网系统中多种类、多数量分布式电源间的协调控制问题，保证了系统运行中电压和频率稳定，同时提高了系统的优化运行和价值最大化。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，所述独立微电网包括多种分布式电源，独立微电网与微电网中央控制中心连接，所述独立微电网混合控制方法包括：(1)采用对等控制对独立微电网中的主控电源进行并联运行控制；(2)采用集中控制从全局的角度对各分布式电源的离散控制活动进行权衡和优化。
作为本发明的一种改进，所述分布式电源包括风力发电机组、柴油发电机组和蓄电池储能系统，其中柴油发电机组为主控电源。
作为本发明的一种改进，采用有功-频率和无功-电压的功率下垂控制实现独立微电网中同为主控电源的多个柴油发电机组的对等控制，维持系统的电压频率稳定。
作为本发明的一种改进，所述各分布式电源的离散控制活动包括风力发电机组和柴油发电机组的解/并列，以及蓄电池储能系统的解/并列、充/放电。
作为本发明的一种改进，在对等控制中，设置最小经济输出功率限值PEOP-min和最大经济输出功率限值PEOP-max，当柴油发电机组输出功率P在PEOP-min≤P≤PEOP-max范围内时，有功输出遵循原来的下垂特性；当达到功率极限时，即P＝PEOP-max或P＝PEOP-min时，则输出功率限制于P＝PEOP-min或P＝PEOP-max，同时发出相应的控制信号对待解列或并列的主控电源进行相应的解/并列控制。
作为本发明的一种改进，各柴油发电机组具有相同的经济输出功率限制，柴油发电机组均设置解/并列优先级，优先级高的在满足并列条件时优先并列运行，优先级低的在满足解/列条件时优先解列，每一柴油发电机组的解/并列优先等级均不同且保证至少有一个柴油发电机组处于发电状态。
作为本发明的一种改进，在净负荷减少至柴油发电机组的最小经济输出功率限值PEOP-min时，优先级低的柴油发电机组在根据给出的解列信号切换为热备用状态，而其它柴油发电机组则并列运行在较高的经济功率范围内；在净负荷增加至柴油发电机组的最大经济输出功率限值PEOP-max时，处于热备用状态且优先级高的柴油发电机组根据给出的并列信号而同期并列运行，从而优化分配系统负荷，保证系统的经济稳定运行。
作为本发明的一种改进，所述微电网中央控制中心主要从经济调度计划方面对柴油发电机组进行解/并列控制，包括：当预测下一控制时间的净负荷功率增幅超出当前运行的柴油发电机组和蓄电池储能系统的可调容量时，对待并列的主控电源进行相应的并列控制，新增一个柴油发电机组；否则根据各柴油发电机组的维护保养计划解列一个柴油发电机组；微电网中央控制中心对负荷的功率预测采用时间序列法；微电网中央控制中心主要从系统功率平衡要求和经济优化调度两个方面对风力发电机组进行解/并列控制，包括：当风速达到风力发电机的启动速度时，让处于冷备用状态下的风机开始启动发电；当风速超出风力发电机的正常工作范围时，让当前运行的风力发电机组停止发电；当只有一组柴油发电机发电，且由于储能系统调节不足，导致系统净负荷需求小于柴油发电机组的最小运行功率时，当前运行的风力发电机组停止发电；微电网中央控制中心对蓄电池储能系统的充放电控制主要针对系统正常运行时风电调峰及风电利用率问题进行功率补偿，包括：系统净负荷需求小于柴油发电机组的最小经济功率限值，则优先考虑减少柴油发电机，若减少柴油发电机组后系统净负荷需求大于柴油发电机组的最大经济功率功率限值，则系统不减柴油发电机组，同时使蓄电池充电，吸收系统盈余的发电功率，提高系统经济效益；系统净负荷需求大于柴油发电机组最大经济功率限值时，优先考虑蓄电池放电，若蓄电池输出功率不够则取消蓄电池放电同时增加柴油发电机组。
所述净负荷为系统需要柴油发电机组发出的功率，即当蓄电池不工作时，净负荷为负荷功率减去风力发电机组的发电功率；当蓄电池充电时，净负荷为负荷与蓄电池充电功率之和减去风力发电机组的发电功率；当蓄电池放电时，净负荷为负荷功率减去蓄电池放电功率和风力发电机组的发电功率。
本发明还提供了一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制系统，包括独立微电网和微电网中央控制中心，独立微电网包括多种分布式电源，独立微电网与微电网中央控制中心连接，所述分布式电源包括主控电源和辅助电源，所述独立微电网混合控制系统还包括一经济输出功率限制模块，在该经济输出功率限制模块设置最小经济输出功率限值PEOP-min和最大经济输出功率限值PEOP-max，经济输出功率限制模块通过第一通信接口LM连接于主控电源的控制单元用于对其运行状态和热备用状态间的切换控制，通过第二通信接口LM连接于微电网中央控制中心，由微电网中央控制中心根据经济优化运行方案对主控电源的运行状况进行控制。所述微电网中央控制中心包括用于实时监控系统中各分布式电源的控制状态和运行参数的通信模块和采集模块，以及用于进行优化运算并做出决策以将解/并列指令或充/放电发送给各分布式电源的功率分配模块。
与现有技术相比，本发明采用对等控制对微电网中的主控电源进行并联运行控制，维持系统的电压频率稳定，在对等控制中，设置了“经济输出功率限制”(EconomicOutput Power Limit，EOPL)模块，改进了柴油发电机组的有功频率特性，提高了多台柴油发电机组并列运行时的经济性和灵活性。同时，基于集中控制的微电网中央控制中心(Micro-grid Control Center，MGCC)从系统全局的角度对系统中各台风力发电机和柴油发电机组的解并列、蓄电池储能系统的充放电等离散控制活动进行权衡优化，保证独立微电网系统的经济稳定、灵活高效运行控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构及其有益技术效果进行详细说明。
图1是本发明基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制系统示意图。
图2是独立微电网的系统仿真模型。
图3是独立微电网中各分布式电源有功出力仿真结果。
图4是独立微电网中各分布式电源无功出力仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1，本发明基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制系统包括独立微电网和微电网中央控制中心，独立微电网包括多种分布式电源，独立微电网与微电网中央控制中心连接，分布式电源包括主控电源和辅助电源，主控电源为若干柴油发电机组，辅助电源为若干风力发电机组和蓄电池，独立微电网混合控制系统还包括经济输出功率限制模块，在该经济输出功率限制模块设置最小经济输出功率限值PEOP-min和最大经济输出功率限值PEOP-max，经济输出功率限制模块通过第一通信接口LM连接于主控电源的控制单元用于对其运行状态和热备用状态间的切换控制，通过第二通信接口LM连接于微电网中央控制中心，由微电网中央控制中心根据经济优化运行方案对主控电源的运行状况进行控制。微电网中央控制中心包括用于实时监控系统中各分布式电源的控制状态和运行参数的通信模块和采集模块，以及用于进行优化运算并做出决策以将解/并列指令或充/放电发送给各分布式电源的功率分配模块。
利用上述独立微电网混合控制系统，本发明基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法包括：
采用对等控制对微电网中的主控电源进行并联运行控制；采用集中控制从系统全局的角度权衡优化系统中各分布式电源的解/并列、充/放电等活动。
采用有功-频率(P-f)和无功-电压(Q-V)的功率下垂控制实现独立微电网中同为主控电源的多台柴油发电机组的对等控制，从而维持系统的电压频率稳定。在对等控制方法中，设置了“经济输出功率限制”(EOPL)模块及其算法，包含有最小经济输出功率限值(PEOP-min)、最大经济输出功率限值(PEOP-max)和LG、LM两条控制通信接口。其中LG通信接口连接于主控电源的控制单元对其运行状态和热备用状态间的切换控制；LM通信接口连接于微电网中央控制中心(MGCC)，由MGCC根据经济优化运行方案对主控电源的运行状况进行控制。
配置EOPL控制环节的柴油发电机组均设置解/并列优先级，优先级高的在满足并列条件时优先并列运行，优先级低的在满足解/列条件时优先解列。每台柴油发电机解/并列优先等级均不同，防止出现多台柴油发电机同时解/并列情况。配置EOPL控制环节的柴油发电机组均具有相同的经济输出功率限制。为维持微电网系统电压、频率的稳定，需保证至少有一台柴油发电机处于发电状态。配置EOPL控制环节的柴油发电机组，在净负荷减少至发电机组的最小经济输出功率限值(PEOP-min)时，优先级低的柴油发电机组在EOPL控制模块给出的解列信号LG而切换为热备用状态，而其它柴油发电机组则并列运行在较高的经济功率范围内。在净负荷增加至发电机组的最大经济输出功率限值(PEOP-max)时，处于热备用状态且优先级高的柴油发电机组在其EOPL控制模块给出的并列信号LG而同期并列运行，从而优化分配系统负荷，保证系统的经济稳定运行。配置EOPL控制环节的柴油发电机组，在发电机输出功率P为PEOP-min≤P≤PEOP-max范围内时，有功输出遵循原来的下垂特性；在发电机输出功率P达到功率极限时，即P＝PEOP-max或P＝PEOP-min时，输出功率限制于P＝PEOP-min或P＝PEOP-max，同时发出相应的控制信号LG对待解列或并列的主控电源进行相应的解并列控制。
微电网中央控制中心(MGCC)通过通信和采集模块实时监控系统中各分布式电源的控制状态和运行参数以及负荷侧的运行参数；各分布式电源的控制状态包括：电源的解列状态、并列状态；各分布式电源的运行参数包括：各柴油发电机组发出有功功率/无功功率、风力发电机组发出有功功率、蓄电池储能系统充电/放电功率；负荷侧参数包括：负荷有功功率、无功功率大小。微电网中央控制中心(MGCC)通过获取所述的各分布式电源运行参数并做出决策，将解/并列指令发送给各分布式电源，实时满足系统的动态功率平衡。微电网中央控制中心(MGCC)发出的解/并列控制信号包括：LW为风力发电机组解/并列控制信号；LM为柴油发电机组解/并列控制信号；LM为蓄电池储能系统解/并列、充/放电控制信号。
微电网中央控制中心对柴油发电机组控制主要是从经济调度计划方面对柴油发电机组进行解/并列控制，即中央控制中心根据经济调度计划而预先发出指令：当预测下一控制时间的净负荷功率增幅超出当前运行的柴油发电机组和储能系统的可调容量时，通过信号LM对待并列的主控电源进行相应的并列控制，新增一台柴油发电机组；否则根据各机组的维护保养计划解列一台柴油发电机组；MGCC对负荷的功率预测采用时间序列法。微电网中央控制中心对风力发电机组控制主要是从系统功率平衡要求和经济优化调度方案两个方面对风力发电机组的解/并列控制，有如下三种情况：(1)当风速达到风力发电机的启动速度时，让处于冷备用状态下的风机开始启动发电；(2)当风速超出风机的正常工作范围时，让当前运行的风机停止发电；(3)当只有一组柴油发电机发电，且由于储能系统调节不足，导致系统净负荷需求小于柴油发电机组的最小运行功率时，当前运行的风机停止发电。微电网中央控制中心对蓄电池储能系统的充放电控制主要针对系统正常运行时风电调峰及风电利用率问题进行功率补偿，有如下两种情况：(1)系统净负荷需求小于柴油发电机组的最小经济功率限值，则优先考虑减少柴油发电机，若减少发电机后系统净负荷需求大于柴油发电机组的最大经济功率功率限值，则系统不减柴油发电机，同时使蓄电池充电，吸收系统盈余的发电功率，提高系统经济效益；(2)系统净负荷需求大于柴油发电机组最大经济功率限值时，优先考虑蓄电池放电，若蓄电池输出功率不够则取消蓄电池放电同时增加柴油发电机。
上述的净负荷为系统需要柴油发电机发出的功率，即当蓄电池不工作时，净负荷为负荷功率减去风力发电机的发电功率；当蓄电池充电时，净负荷为负荷与蓄电池充电功率之和减去风力发电机的发电功率；当蓄电池放电时，净负荷为负荷功率减去蓄电池放电功率和风力发电机的发电功率。
请参阅图2，该算例系统中的柴油发电机组为主控电源，蓄电池储能系统和风力发电机组都为功率型电源。柴油发电机组(DieselGenerator,DG)共有4台柴油发电机(DS01-DS04)，参数如下：PEOP-min取600kVA，PEOP-max取950kVA。风力机组(WindTurbine,WT)共有3台风力发电机(WT1-WT3),其参数如下：额定功率为750kW，切入风速为4m/s，切出风速为25m/s。蓄电池(Battery,BT)储能系统参数如下：容量为500kW×5h。
独立微电网仿真工况如表1所示。在45-50s期间，风速达到风机的切入风速，中央控制中心启动风机WT1。随着风速的增大，风机输出功率增加。在70-75s期间，风速骤减为0，中央控制中心关闭风机WT1。
表1
请参阅图3和图4，仿真结果分析：①在第40s时，系统有功负荷增加至1.8MW，无功负荷增加至1.4MVar，DS03接入系统，DS01、DS02和DS03均分系统有功功率；②在第45s时，风速达到风机的切入风速，WT1接入微电网系统；③风力发电机组接入系统后，主控电源柴油发电机组跟踪系统净负荷的变化，随着系统净负荷的减少，DS03退出系统(第60s时)，由DS01和DS02跟踪系统净负荷的变化，当柴油发电机组负载率小于PEOP-min时(第65s)，由于有功负荷大于单台柴油发电机组的额定功率，则不考虑解列一台DS，而是储能系统可以最大功率充电，使得DS01和DS02负载率大于PEOP-min；④当柴油发电机组负载率大于PEOP-max时(第70s)，储能系统以最大功率放电，使得柴油发电机组出力在经济功率范围内，如果系统有功负荷继续增加，则可考虑增加一台柴油发电机组。主控电源柴油发电机组有效跟踪系统有功和无功负荷变化，维持系统频率和电压的稳定。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，所述独立微电网包括多种分布式电源，独立微电网与微电网中央控制中心连接，其特征在于，所述独立微电网混合控制方法包括：
(1)采用对等控制对独立微电网中的主控电源进行并联运行控制；
(2)采用集中控制从全局的角度对各分布式电源的离散控制活动进行权衡和优化；其中，所述分布式电源包括风力发电机组、柴油发电机组和蓄电池储能系统，其中柴油发电机组为主控电源；
采用有功-频率和无功-电压的功率下垂控制实现独立微电网中同为主控电源的多个柴油发电机组的对等控制，维持系统的电压频率稳定；
在对等控制中，设置最小经济输出功率限值PEOP-min和最大经济输出功率限值PEOP-max，当柴油发电机组输出功率P在PEOP-min≤P≤PEOP-max范围内时，有功输出遵循原来的下垂特性；当达到功率极限时，即P＝PEOP-max或P＝PEOP-min时，则输出功率限制于P＝PEOP-min或P＝PEOP-max，同时发出相应的控制信号对待解列或并列的主控电源进行相应的解/并列控制。
2.根据权利要求1所述的基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，其特征在于，所述各分布式电源的离散控制活动包括风力发电机组和柴油发电机组的解/并列，以及蓄电池储能系统的解/并列、充/放电。
3.根据权利要求1所述的基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，其特征在于，各柴油发电机组具有相同的经济输出功率限制，柴油发电机组均设置解/并列优先级，优先级高的在满足并列条件时优先并列运行，优先级低的在满足解/列条件时优先解列，每一柴油发电机组的解/并列优先等级均不同且保证至少有一个柴油发电机组处于发电状态。
4.根据权利要求3所述的基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，其特征在于，在净负荷减少至柴油发电机组的最小经济输出功率限值PEOP-min时，优先级低的柴油发电机组在根据给出的解列信号切换为热备用状态，而其它柴油发电机组则并列运行在较高的经济功率范围内；在净负荷增加至柴油发电机组的最大经济输出功率限值PEOP-max时，处于热备用状态且优先级高的柴油发电机组根据给出的并列信号而同期并列运行，从而优化分配系统负荷，保证系统的经济稳定运行。
5.根据权利要求1所述的基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制方法，其特征在于，所述微电网中央控制中心主要从经济调度计划方面对柴油发电机组进行解/并列控制，包括：当预测下一控制时间的净负荷功率增幅超出当前运行的柴油发电机组和蓄电池储能系统的可调容量时，对待并列的主控电源进行相应的并列控制，新增一个柴油发电机组；否则根据各柴油发电机组的维护保养计划解列一个柴油发电机组；微电网中央控制中心对负荷的功率预测采用时间序列法；
微电网中央控制中心主要从系统功率平衡要求和经济优化调度两个方面对风力发电机组进行解/并列控制，包括：当风速达到风力发电机的启动速度时，让处于冷备用状态下的风机开始启动发电；当风速超出风力发电机的正常工作范围时，让当前运行的风力发电机组停止发电；当只有一组柴油发电机发电，且由于储能系统调节不足，导致系统净负荷需求小于柴油发电机组的最小运行功率时，当前运行的风力发电机组停止发电；
微电网中央控制中心对蓄电池储能系统的充放电控制主要针对系统正常运行时风电调峰及风电利用率问题进行功率补偿，包括：系统净负荷需求小于柴油发电机组的最小经济功率限值，则优先考虑减少柴油发电机，若减少柴油发电机组后系统净负荷需求大于柴油发电机组的最大经济功率功率限值，则系统不减柴油发电机组，同时使蓄电池充电，吸收系统盈余的发电功率，提高系统经济效益；系统净负荷需求大于柴油发电机组最大经济功率限值时，优先考虑蓄电池放电，若蓄电池输出功率不够则取消蓄电池放电同时增加柴油发电机组。
6.一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制系统，包括独立微电网和微电网中央控制中心，独立微电网包括多种分布式电源，独立微电网与微电网中央控制中心连接，其特征在于，
所述分布式电源包括主控电源和辅助电源，所述独立微电网混合控制系统还包括一经济输出功率限制模块，在该经济输出功率限制模块设置最小经济输出功率限值PEOP-min和最大经济输出功率限值PEOP-max，经济输出功率限制模块通过第一通信接口LM连接于主控电源的控制单元用于对其运行状态和热备用状态间的切换控制，通过第二通信接口LM连接于微电网中央控制中心，由微电网中央控制中心根据经济优化运行方案对主控电源的运行状况进行控制；
其中，所述主控电源包括柴油发电机组，当柴油发电机组输出功率P在PEOP-min≤P≤PEOP-max范围内时，有功输出遵循原来的下垂特性；当达到功率极限时，即P＝PEOP-max或P＝PEOP-min时，则输出功率限制于P＝PEOP-min或P＝PEOP-max，同时发出相应的控制信号对待解列或并列的主控电源进行相应的解/并列控制。
7.根据权利要求6所述的基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制系统，其特征在于，所述微电网中央控制中心包括用于实时监控系统中各分布式电源的控制状态和运行参数的通信模块和采集模块，以及用于进行优化运算并做出决策以将解/并列指令或充/放电发送给各分布式电源的功率分配模块。
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