CN107077179B - 包能量传递电力控制元件 - Google Patents

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Abstract

一种数字电力系统，包括：至少一个电源；至少一个电力控制元件；以及数字电力接收器，所述数字电力接收器与所述电力控制元件电耦合，以便从其中接收电流。所述电力控制元件包括：(i)电力调节电路，所述电力调节电路与所述电源电耦合；以及(ii)元件控制器电路，所述元件控制器电路与所述电力调节电路电耦合。所述元件控制器电路还被配置成用于控制并接收来自所述电力调节电路的反馈，接收通信/同步信号，并且在包能量传递协议下输出数字电力。

Description

包能量传递电力控制元件
技术领域
本发明涉及包能量传递电力控制元件。
背景技术
数字电力可以被表征为以分立可控制能量单元来分配电能的任何电力格式。包能量传递(PET)是已经由发明人斯蒂芬S伊夫斯(Stephen S.Eaves)在题为“PowerDistribution System with Fault Protection Using Energy Packet Confirmation(使用能量包确认进行故障保护的电力分配系统)”的美国专利号8,068,937中公开的新数字电力协议。在伊夫斯的美国专利号8,781,637 B2(伊夫斯2012)中描述了一种使用PET协议的代表性数字电力分配系统。
与传统的模拟电力系统相比，数字电力传输系统的主要区别因素是电能被分成多个分立单元，并且各种能量单元可以与可用于优化安全性、效率、弹性、控制或路由目的的模拟和/或数字信息相关联。
如伊夫斯2012所描述的，电源控制器与负载控制器通过电力传输线连接。伊夫斯2012的电源控制器周期性地将电力传输线与电源隔离开来(断开连接)，并且在线被分离之前和之后立即至少对电源控制器端子处存在的电压特性进行分析。电力线被隔离的时间段被伊夫斯2012称为“采样周期”，并且电源被连接的时间段被称为“传递周期”。线上电压的上升和衰减速率在采样周期之前、期间和之后揭示电力传输线上是否存在故障状况。可测量故障包括但不限于短路、高线路电阻或不当接触这些线的个人的存在。由于PET系统中的能量被作为分立量或量子进行传递，所以这种能量可以被称为“数字电力”。
图1示出了如在伊夫斯2012中最初描述的代表性数字电力系统。系统包括电源1以及至少一个负载2。通过操作开关装置3来启动PET协议，以便周期性地使电源与电力传输线断开连接。当开关处于打开(非导通)状态时，通过隔离二极管(D1)4，这些线还与可能驻留在负载处的任何所存储能量相隔离。电容器(C3)5表示在电路的负载侧上的能量存储元件。
传输线具有固有线间电阻(R4)6和线间电容(C1)7。如伊夫斯2012所描述的PET系统架构添加附加线间电阻(R3)8和线间电容(C2)9。在开关3打开的时刻，C1和C2已经存储了以与R4和R3的附加值成反比的速率衰减的电荷。由于隔离二极管(D1)4的反向阻断行为，因此电容器(C3)5并不通过R3和R4进行放电。C1和C2中包含的电荷量与它们两端的电压成正比，并且可以由电源控制器11在点10处测量。
如伊夫斯2012中所描述的，存储在C1和C2中的能量的衰减速率的变化可以指示传输线上存在跨线故障。图2中展示了如伊夫斯2012所提出的正常操作与故障之间的差异。
题为“Digital Power Network Method and Apparatus(数字电力网络方法和装置)”的美国专利申请公开号2015/0207318 A1(以下称为“Lowe 2014”)引入了在使用包能量传递的数字电力网络中安全地连接在一起的多个电源和多个负载的概念。在Lowe 2014中引入了电力控制元件(PCE)作为数字电力网络中的主要部件。图3描绘了电力控制元件12的图示。
电力控制元件执行以下功能中的一项或多项：
·在包能量传递(PET)协议下执行安全能量传递，
·在PET协议下将模拟电力转换成数字电力，或反之亦然，
·转换和/或控制电压和/或电流，和/或
·将电力从网络内的一个PET通道切换到另一个PET通道。
可以采用PCE来管理能量存储设备(如电池)的充电和放电。PCE可以管理从电源(如太阳能电池板)处进行的能量提取；替代性地，PCE向负载(如发光二极管(LED)灯)提供电力。
发明内容
本文中描述了用于配置数字电力网络中的电力控制元件的数字电力系统和方法，其中，所述系统和方法的各实施例可包括下文所描述的元件、特征和步骤中的一些或全部。
本发明涉及用于配置数字电力网络中的电力控制元件的方法和装置。更具体地，本发明涉及一种用于配置数字电力控制元件来以串联-并联配置管理各个电源从而获得期望的电压和电源能力的方法和装置。采用能量包的相移或交织来提高电力质量。
然而，伊夫斯2012描述了包括单个电源和单个负载设备的数字电力系统，而Lowe2014将该技术扩展为包括结合到数字电力网络中的多个电源和负载，本文中描述了采用串联-并联安排来管理向和从PCE的电力以便产生更高的分配电压和/或电流。此外，本公开引入了能量包的相移(通常称为交织)平行流的概念以便达到更高的电力质量。在本发明的上下文中，交织是多个PET通道随时间推移而对能量包的传输进行交错。由于通道在PET协议下中断电流流动是正常的，因此交织防止所有通道同时中断线电流。这种交错降低了对电力分配系统的峰值需求，减少了电磁干扰，并且减小了滤波部件(如电容器和电感器)的大小和成本。
一种数字电力系统的实施例包括以下各项：至少一个电源；至少一个电力控制元件；以及数字电力接收器，所述数字电力接收器与所述电力控制元件电耦合，以便从其中接收电流。所述电力控制元件包括：(i)电力调节电路，所述电力调节电路与所述电源电耦合；以及(ii)元件控制器电路，所述元件控制器电路与所述电力调节电路电耦合，并且被配置成用于控制并接收来自所述电力调节电路的反馈，接收通信/同步信号，并且在包能量传递协议下输出数字电力。
一种用于配置数字电力网络中的电力控制元件的方法，所述方法包括：向至少一个电力控制元件递送电流流动，所述至少一个电力控制元件包括电力调节电路和元件控制器电路，所述元件控制器电路包括多个包能量传递开关，所述多个包能量传递开关控制所述电流通过所述电力控制元件中的包能量传递传输线对的流动；使用所述电力调节电路来稳定、调整或转换在所述电力控制元件中的所述电流流动的输入电压；使用所述元件控制器电路来接收来自所述电力调节电路的所述电流流动，控制并接收来自所述电力调节电路的反馈，并且在包能量传递协议下输出来自所述电力控制元件的数字电力；将通信/同步信号传达至所述元件控制器电路，以便依次选择性地打开和闭合不同包能量传递开关；以及在包能量传递协议下向数字电力接收器递送所述输出数字电力，其中，所述输出数字电力是从由所述电力控制元件中的至少一个闭合的包能量传递开关控制的至少一个包能量传递传输线对中递送的。
附图说明
图1示意性地示出了代表性数字电力系统，所述数字电力系统包括电源1、至少一个负载2、以及电源控制器11。
图2展示了图1的系统的操作中的正常操作与故障之间的电压变化差异。
图3是与电源13耦合的电力控制元件12的示意图。
图4示意性地示出了数字电力系统的实施例，其中，通信/同步信号28用于允许在多个PCE 12当中以及每个PCE 12内的多个PET开关当中对交织进行协调，并且在所述PCE12与数字电力接收器之间交换控制和监测数据。
图5示意性地示出了为数字电力接收器33供电的PCE 12的串行安排的实施例，所述数字电力接收器是通信/同步信号28的源。
图6示出了电力控制元件(PCE)12，所述PCE由各个电源13馈电且并联安排，为作为通信/同步信号28的源的单个数字接收器33供电。
图7示出了由单个电源13馈电的PCE 12，其中，PCE 12并联安排，为单个数字接收器33供电，所述数字接收器是通信/同步信号28的源。
图8描绘了包括多个PCE 12的数字电力发射器40，所述多个PCE由单个电源13馈电且包括发射器控制器41，所述发射器控制器是通信/同步信号28的源。
在附图中，贯穿不同视图，类似参考符号指代相同或相似部件；并且省略号用于区分共享相同参考号的相同或相似项目的多个实例。这些图不必须按比例绘制；相反，重点放在了展示下文所讨论的范例的具体原理上。
具体实施方式
本发明的各方面的上述以及其他特征和优点将因以下对本发明更宽阔的界限的各种构思和具体实施例更具体的描述而更明显。鉴于主题不受限于任何具体实施方式，上文引入并在下文更详细讨论的主题的多个方面可以用很多方法中的任何一种实施。具体实现方式的示例和应用主要是为了说明的目的而提供的。
除非另外在本文中定义、使用或表征，本文中使用的术语(包括技术术语和科学术语)将解释为具有与其在相关领域的背景下所接受的相一致的意思，而不被解释为理想化或过分正式意义，除非在本文中明显这样定义。
空间相关的术语，比如“之上”、“之下”、“左方”、“右方”、“之前”、“之后”等可以在本文中用于使描述一个元件与另一个元件的关系的说明变得简单，如在图中所展示的。可以理解，这些空间相关的术语以及所展示的结构意指除本文所描述和图中所描绘的取向之外还包括使用和运行中的装置的不同指向。例如，如果将图中的装置翻过来，那么描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件则可以取向为在这些其他元件或特征的“上方”。因此，示例性术语“之上”可以包括之上和之下的定向。该装置能够以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他定向)并且本文中使用的空间关系描述符相应地得以解释。
更进一步地，在本公开中，当一个元件被称为在另一个元件“上”、“连接到”另一个元件、“耦合至”另一个元件、与另一个元件“接触”等，该元件可以直接在该另一个元件上、连接到该另一个元件、耦合至该另一个元件或与该另一个元件接触，或者可以存在中间元件，除非另有说明。
本文中使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而非旨在限制这些示例性实施例。如本文中所使用的，单数形式(比如“一个(a)”和“一种(an)”)旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式表明。另外，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”指定了所述的元件或步骤的存在，但是不排除一个或多个其他元件或步骤的存在或添加。
此外，可以以组装和成品形式来提高本文中所指定的各种部件；或者可以将这些部件中的一些或全部封装在一起并且作为具有供客户组装或修改以便生产最终产品的指令的套件(例如，以书面、视频或音频形式)进行销售。
图4提供了电力控制元件(PCE)12的内部图。PCE 12连接至电源13的端子。值得注意的是，电源13可以是或者提供能量或者接收能量的能量存储设备。电源13连接至PCE 12中的电力调节电路14。PCE 12的输出是包能量传递协议下的数字电力。
电力调节电路14采用输入电压并提供到另一个电压电平的稳定、调整或转换。电力调节电路14还可以提供隔离以便使输入端子与输出端子电隔离。电力调节电路14还可以将DC输入转换为AC输出。如PCE 12中所采用的，电力调节电路14可以是双向的，允许电力从或向电源13流动。如果电源13还是能量存储设备(如电池)，则这种双向可能是必要的。在其最基本形式中，电力调节器可以是简单的滤波电容器或者允许或禁止电流流过的电开关(固态或机械的)。最电力密集的调节电路14中的一些在行业中被已知为开关模式电力转换器。行业中所熟知的最常见非隔离技术中的一些包括但不限于升压、降压、升降压、
Figure GDA0002161970400000061
SEPIC和电荷泵/开关电容器。隔离技术包括反激式转换器、前向转换器、推挽式转换器和谐振转换器。
电力调节电路14从元件控制器电路15中接收监视控制并向元件控制器电路提供反馈。元件控制器电路15可以向电力调节电路14提供非常低电平的控制，如对在电力转换中使用的各个电力半导体开关的控制；在附加实施例中，元件控制器电路15可以提供补充由作为电力调节电路14的一部分存在的嵌入式控制器执行的低电平控制的非常高电平的功能。元件控制器电路15管理执行PET协议所需要的一系列PET开关或断开设备(S1，S2，…，SN)16、17、18。如在伊夫斯2012中详细描述的，PET开关S1、S2、…、SN可以是电力半导体设备，但也可以采用其他形式，如机电继电器。电压感测点19、20和21用于执行如伊夫斯2012中所描述的包能量传递协议。
每个PET开关控制作为电缆束29离开PCE 12的单独的PET导体22/23/24。相应负导体25、26和27为传输线电流提供返回路径，并且每个负导体作为电缆束30离开PCE 12。
而伊夫斯2012描述了响应于单个PET开关的控制器，本方法允许控制器管理用于各个PET传输线对的多个PET开关S1、S2、…、SN。此外，本文中所描述的电力控制元件(PCE)12具有交错(或交织)能量包的传递以便最小化对电力系统的影响的能力。由于每个包周期都中断从电源13到各个PET导体22-24的电流，因此避免中断同时发生在所有通道上是有利的。。例如，如果每个PET传输线对以一安培电流进行操作，则没有交织的三对传输将导致电源13看到每个包周期中从0安培到3安培的转变。就1.5ms的包周期而言，每1.5ms转变将从0安培变为3安培。使用交织，来自这三个PET传输线对的PET包可以在1.5ms周期上交错，导致在任何实例中两个对导通同时第三个对非导通的情况。这导致从电源13中汲取的电流每1.5ms从2安培转变为3安培三次的情况。该配置不需要受限于总共三个PET开关；少至一个PET开关到多至实际应用的开关都可以被实现。电滤波部件(如电容器)可以用于限制电源13直接看到的电流转变；但是，在任何情况下，交织可以显著地降低部件的大小、重量和成本。
如在本说明书中稍后将描述的，可以串联地和/或并联地结合多个PCE 12以便达到高电压和/或电流电平。图5中描绘了为数字电力接收器33供电的PCE 12的串行安排的一个实施例。参照图4，通信/同步信号28用于允许在多个PCE 12中间以及每个PCE 12中的多个PET开关S1、S2、…、SN当中对交织进行协调，同样用于在PCE 12与数字电力的接收器33之间交换控制和监测数据。同步信号28可以被提供作为分立信号，或者其可以被嵌入在串行数据流中。在伊夫斯2012中描述了用于在PET系统中通信的多个操作，伊夫斯2012中详细描述了包括RS-232、RS-485、CAN总线、火线以及其他的通信硬件和协议。可以使用铜导体、光纤或者无线地建立通信。可以使用本领域技术人员众所周知的许多协议(包括Wi-Fi、IRDa、Wi-Max及其他)中的任何一种来建立无线通信。
伊夫斯2012中描述的用于实现通信/同步信号28的功能的另一选项被称为本领域已知的方法“电力线上通信”、或“通信或电力线载波”(PLC)，又称为“电力线数字用户线路”(PDSL)、“干线通信”、或“电力线上宽带”(BPL)。在题为“Packet Energy Transfer In-lineCommunications(包能量传递有线通信)”的公开的美国专利申请号2015/0215001 A1中描述了又另一种用于建立通信/同步信号28的方法。有线通信方法利用当传输对与电源(发射器)和负载(接收器)隔离时PET协议下的周期作为“安静”周期来传递电压振幅调制数据流。
除了将同步信号嵌入到串行数据流中之外，中央控制器可以提供交织相移值或偏移以便允许多个PCE 12以及每个PCE 12中的多个PET开关S1、S2、…、SN配备有单独的相移控制。在PCE 12的串行安排的一个实施例中，同步信号28可以用于将完全相同的相移值应用于串联串中附接至相同PET传输对的所有PCE 12。
如图5中所示出的，通信/同步信号28可以源于数字电力接收器33。尽管不具有本文中引入的交织的新概念，但是在题为“Digital Power Receiver System(数字电力接收器系统)”的美国专利申请号14/886,455中描述了具有合适接口的数字电力接收器。在另一个实施例中，交织上的相移可以被PCE元件控制器电路15随机化，并且获得使用同步交织实现的益处的大部分。在附加实施例中，同步化和随机化交织的组合可以在系统中实现。
再次参照图4，旁路二极管(DB)31和旁路开关(SB)32在如图5中的电力控制元件(PCE)12串联连接的一些实施例中是有用的，以便允许当PET开关S1、S2、…、SN处于非导通状态时电流从其他PCE 12继续流动。可以单独使用二极管DB实现旁路功能；然而，由于在可以实施旁路开关SB的许多电力半导体(例如，场效应晶体管(FET))中发现的传导损耗比在二极管中发现的传导损耗更低，因此SB的添加降低了电力损耗。替代性地，尽管二极管DB提供了用于在SB或PET开关S1、S2或SN故障时允许操作整个线的相对地故障安全方法的优点，但是如果实现了SB，则DB可以被完全消除。
应当注意的是，在存在多于一个PET开关(指存在多于一个PET传输线对)的实例中，针对每一对实现专用旁路二极管(DB)和/或旁路开关(SB)。为了简单起见，图4仅示出了一个旁路二极管(DB)和一个旁路开关(SB)。实际上，三个旁路二极管和三个旁路开关用于三个相应PET开关S1、S2和SN。在每个实例中，开关SB由元件控制器电路15操作，以便每当所述开关相应PET开关S1、S2或SN处于导通状态时，所述开关处于非导通状态；否则SB表现为电短路。
图6描绘了PCE 12的一个实施例，所述PCE由各个电源13馈电且并联安排，为单个数字接收器33供电。在这种情况下，数字接收器33是通信/同步信号28的源，并且通过优化交织相移值来最大化由PCE 12提供给接收器33的电力质量。
图7描绘了PCE 12的一个实施例，所述PCE由单个电源13馈电，其中，PCE 12并联安排，为单个数字接收器33供电。在这种情况下，数字接收器33是通信/同步信号28的源，并且通过PCE 12借助于对交织相移值进行优化来最大化从单个电源13中汲取的电力质量。
图8描绘了包括多个PCE 12的数字电力发射器40，所述多个PCE由单个电源13馈电并且包括发射器控制器41，所述发射器控制器是通信/同步信号28的源并且通过所述PCE12借助于对交织相移值进行优化来最大化从单个电源13中汲取的电力质量。
在描述本发明的实施例时，为了清晰的目的而使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括技术的和功能的等效物，这些等效物以相似的方式操作从而实现相似的结果。另外，在一些实例中，本发明的一个具体实施例包括多个系统元素或方法步骤，这些元素或步骤可以被替换为单一的元素或步骤；同样，单一的元素或步骤可以被替换为多个元素或步骤，其目的是形同的。进一步，除非另有说明，当本文中为本发明的实施例指定了不同特性的参数或其他值时，这些参数或值可以上下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等(或高达为1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100等的因子)，或其四舍五入的近似值。而且，尽管已经参照本发明的具体实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以在不背离本发明的范围的情况下，做出形式及细节方面的不同替换和改变。仍进一步地，其他一些方面，一些功能和优点同样在本发明的范围内；并且本发明的所有实施例不需要必须地获得所有这些优点或具有所有这些上述的特征。另外，本文中所讨论的与一个实施例有关的这些步骤、元素和特征可以同样连同其他一些实施例被使用。贯穿本文件所引用的参考内容(包括参考文件、期刊文章、专利、专利申请，等等)通过引用以其全文结合在此；并且来自这些参考内容的适当的部件、步骤和特征可以被包括或不被包括在本发明的实施例中。仍进一步地，在背景技术部分指明的这些部件和步骤与本公开是一体的，并且在本发明的范围内可以结合在本公开中其他地方所描述的部件或步骤使用或替换它们。在方法权利要求中，其中以具体的顺序列举了多个阶段——具有或不具有为易于引用而添加的有序前序字符——这些阶段并不解释为被暂时地限制于它们所列举的顺序，除非另有说明或被这些术语和措辞所隐含。

Claims (18)

1.一种数字电力系统，其特征在于，所述数字电力系统包括：
至少一个电源；
至少一个电力控制元件，包括：
i)电力调节电路，所述电力调节电路与所述电源电耦合，所述电力调节电路被配置为用于稳定、调整或转换在所述电力控制元件中的电流流动的输入电压；以及
ii)元件控制器电路，所述元件控制器电路与所述电力调节电路电耦合，并且被配置成用于接收来自所述电力调节电路的所述电流流动，控制并接收来自所述电力调节电路的反馈，接收通信/同步信号，并且在包能量传递协议下输出数字电力，其中，所述元件控制器电路包括多个包能量传递传输线对和多个包能量传递开关，所述多个包能量传递开关被配置成用于分别控制通过所述包能量传递传输线对的电流流动；以及
数字电力接收器，所述数字电力接收器与所述电力控制元件电耦合，并且被配置成用于在包能量传递协议下从由所述电力控制元件中的至少一个包能量传递开关控制的至少一个包能量传递传输线对接收所输出数字电力。
2.如权利要求1所述的数字电力系统，其中，所述元件控制器电路被配置成用于响应于所述通信/同步信号而分立地且顺序地打开和闭合特定包能量传递开关或包能量传递开关组合。
3.如权利要求1所述的数字电力系统，进一步包括旁路二极管和旁路开关，所述旁路二极管和旁路开关电连接并且被配置成用于控制在每个对应的包能量传递传输线对的成员之间的电流流动，其中，所述旁路开关被配置成用于从所述元件控制器电路中接收指令，以便每当其相应包能量传递开关处于导通状态时所述旁路开关处于非导通状态并且在其他时间表现为电短路。
4.如权利要求1所述的数字电力系统，其中，所述数字电力系统包括多个电力控制元件。
5.如权利要求4所述的数字电力系统，其中，所述电力控制元件串联电连接。
6.如权利要求5所述的数字电力系统，其中，所述电力控制元件并联电连接。
7.如权利要求1所述的数字电力系统，其中，所述数字电力接收器被配置成用于生成并传输所述通信/同步信号。
8.如权利要求1所述的数字电力系统，其中，所述元件控制器电路被配置成用于生成并传输所述通信/同步信号。
9.如权利要求1所述的数字电力系统，进一步包括发射器控制器，所述发射器控制器被配置成用于生成并传输所述通信/同步信号。
10.一种用于配置数字电力网络中的电力控制元件的方法，其特征在于，所述方法包括：
向至少一个电力控制元件递送电流流动，所述至少一个电力控制元件包括电力调节电路和元件控制器电路，所述元件控制器电路包括多个包能量传递开关，所述多个包能量传递开关控制电流通过所述电力控制元件中的包能量传递传输线对的流动；
使用所述电力调节电路来稳定、调整或转换在所述电力控制元件中的所述电流流动的输入电压；
使用所述元件控制器电路来接收来自所述电力调节电路的所述电流流动，控制并接收来自所述电力调节电路的反馈，并且在包能量传递协议下输出来自所述电力控制元件的数字电力；
将通信/同步信号传达至所述元件控制器电路，以便依次选择性地打开和闭合不同包能量传递开关；以及
在包能量传递协议下向数字电力接收器递送所输出数字电力，其中，所输出数字电力是从由所述电力控制元件中的至少一个闭合的包能量传递开关控制的至少一个包能量传递传输线对中递送的。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述多个包能量传递开关的所述打开和闭合是交错的，从而使得至少所述多个包能量传递开关中的第一个包能量传递开关是打开的，同时至少所述多个包能量传递开关中的第二个包能量传递开关是闭合的。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：闭合所述第一个包能量传递开关，并且当所述第一个包能量传递开关闭合时打开所述第二个包能量传递开关。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述电流流动被依次递送通过所述电力控制元件中的多个。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述电流流动被并行递送通过所述电力控制元件中的多个。
15.如权利要求10所述的方法，进一步包括：响应于来自所述元件控制器电路的指令，当包能量传递传输线对中的包能量传递开关处于导通状态时打开所述包能量传递传输线对的成员之间的导通路径中的旁路开关；并且当所述包能量传递开关处于非导通状态时闭合所述旁路开关。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述数字电力接收器生成所述通信/同步信号，并将其传输至所述元件控制器电路。
17.如权利要求10所述的方法，其中，所述元件控制器电路生成所述通信/同步信号，并将其传输至所述元件控制器电路。
18.如权利要求10所述的方法，进一步包括：使用发射器控制器来生成所述通信/同步信号并将其传输至所述元件控制器电路。
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