CN107332258B - 一种风电串补系统次同步振荡抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种风电串补系统次同步振荡的抑制方法，包括：步骤1、实时检测风电串补系统的频率和电压情况，确定风电串补系统是否出现次同步振荡现象；步骤2、根据风电串补系统振荡状况确定次同步振荡变化情况；步骤3、若次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现对风电串补系统次同步振荡现象的抑制；步骤4、若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现风电串补系统次同步振荡现象的抑制。本发明可以根据电力系统实际工况更加灵活的实现风电串补系统的次同步振荡抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电串补系统次同步振荡的抑制方法。
背景技术
近年来，常规能源的短缺和环境保护的压力使得以风电、太阳能等为主的清洁能源在国内外得到了大规模的应用，我国的风力资源非常丰富，发展大规模风电已成为我国重要的能源战略。然而，在我国能源和负荷中心的分布不均问题十分严重，使用大规模长距离输电将能源中心的电能传输到负荷中心是当务之急。串联补偿技术作为显著提高能源外送能力，在远距离风电外送中具有广阔的应用前景。但是，串联补偿改变了线路的阻抗特性，在能源外送中有导致次同步振荡的风险。2009年10月，美国德克萨斯州一处风场就发生了由串联补偿引起的次同步振荡现象，造成风力发电机大量跳机以及内部撬棒电路损坏。2012年12月，我国华北地区风电场出现次同步振荡，导致部分风机脱网。这些事故的发生引起了国内外学者对风电串补系统次同步振荡现象的关注。
当前，对于风电串补系统次同步振荡抑制的研究主要集中在风电机组自身附加阻尼控制和附加FACTS器件是实现次同步振荡抑制两个方面，李辉等在中国电机工程学报杂志中发表的《双馈风电场抑制系统次同步振荡分析及控制策略》使用了风电附加阻尼控制抑制次同步振荡的方法，但并未考虑动态自适应控制，顾威等在电力系统自动化杂志中发表的《UPFC对风电场次同步谐振的抑制作用》通过附加FACTS元件实现次同步振荡的抑制，这种方法采用了其他器件，增加了投资。吴熙等申请的专利201610294512.2《基于定子无功分级控制的双馈风机次同步振荡抑制方法》采用了定子无功分级控制方法改善次同步振荡现象，抑制效果受到风电机组无功调节范围的限制。
研究表明，风电串补系统次同步振荡现象在整个振荡周期内，各阶段的振荡幅度具有明显区别，在振荡周期内动态调整风电控制参数可以在不增加辅助设备情况下，保障风电出力，并实现风电串补系统次同步振荡现象的抑制，在次同步振荡逐渐加强期间，使用附加阻尼控制可以实现对次同步振荡现象的快速消减，削弱次同步振荡现象可能造成的危害，在次同步振荡现象减弱后，通过模糊自适应控制进一步改善风电串补系统次同步振荡现象，实现对整个次同步振荡现象的动态控制，具有较强的应用价值。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种风电串补系统次同步振荡的抑制方法。本发明结合了附加阻尼控制和模糊自适应控制的技术优势，给出了一种风电次同步振荡的抑制方法，可以很好地实现风电次同步振荡现象的抑制，具有较高的经济性和推广价值。
本发明抑制方法的主要步骤为：
步骤1、实时检测风电串补系统的频率和电压情况，确定风电串补系统是否出现次同步振荡现象；
步骤2、根据风电串补系统振荡状况确定次同步振荡变化情况；
步骤3、若次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现对风电串补系统次同步振荡现象的抑制；
步骤4、若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现风电串补系统次同步振荡现象的抑制。
应用本发明的风电串补系统的风电机组为双馈型风电机组，风电机组通过公共连接点与电力系统相连，电力系统中含有串联补偿装置。
所述的步骤1中，实时监测风电串补系统的频率和电压情况，需要检测电力系统电压和频率是否出现振荡现象，当出现振荡现象时，通过频谱分析的方法判断次同步振荡现象是否发生。
所述的步骤2中，次同步振荡变化包括两种情况，分别是次同步振荡现象逐渐加深和次同步振荡现象逐渐减弱。对于次同步振荡变化情况的检测方法为：设定固定检测时间段为0.2s，利用频谱分析方法检测这段时间的次同步振荡幅值和大小，每隔0.1s检测一次，检测过程持续三次，若出现次同步振荡幅值增大的情况，则说明次同步振荡现象逐渐加深，若出现次同步振荡幅值减少的情况，则说明次同步振荡现象逐渐减弱。
所述的步骤3中，次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象。所采用的附加阻尼控制方法是在风电机组转子侧变流器电流环控制中附加阻尼控制环节，该附加阻尼控制环节主要包括三个环节，分别是增益环节，滤波环节和超前滞后环节。
其中，增益环节通过设置合适的增益倍数，用以防止机电振荡模振荡、控制电路振荡、励磁反调、噪声等问题，增益环节的放大倍数可根据次同步振荡现象的严重程度自适应调节，初始值为1.5倍，根据次同步振荡变化情况每次调节0.1。
滤波环节是一个微分环节，该环节采用很大的时间常数以阻断双馈电机转差率偏差量在稳态运行情况下的扰动信号，保证只有发生扰动时才有输出。此滤波环节的设计目的是为了阻断各类“直流”和时间飘移信号，使附加阻尼控制环节正常运行，设置滤波环节的时间常数Tw为3-10s。滤波环节的传递函数TL满足：
其中，Tw为时间常数，s代表传递函数经过了拉普拉斯变换。
超前滞后环节的主要功能是保证附加阻尼控制能够实现对阻尼的增益，其关键在于保证附加的电磁转矩ΔTe与转差率偏差Δs反向，即获取超前滞后环节的补偿角度θs。确定超前滞后环节补偿角θs的获取方法为：
(1)利用测试信号法获取电磁转矩ΔTe滞后于电压差Δu的相角
1)在有功控制回路中的转子电压q轴分量vqr节点处附加一系列很小的电压差Δu；
2)对系统时域仿真到稳态，得到风电机组的电磁转矩ΔTe；
3)在某个公共周期内对电磁转矩ΔTe和电压差Δu进行傅里叶分解，得到不同频率下的向量
和
即可计算出电磁转矩ΔTe滞后于电压差Δu的相角
(2)确定需要补偿的角度为
获取控制参数后即可得到超前滞后环节的传递函数Tcz，满足：
其中，
其中，ωx为振荡频率，当发生次同步振荡时次同步振荡频率为fx时，振荡频率ωx满足ωx＝2πfx，θs为超前滞后环节补偿角，n为采用超前滞后环节个数。
所述的步骤4中，若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象。所采用的模糊自适应控制方法主要步骤为：
(1)确定风电串补系统中风电机组各控制参数的改变对次同步振荡现象产生的效果，对于定子电压定向型双馈风机，产生的效果为：
1)能够对风电串补系统次同步振荡现象产生抑制作用的是网侧变流器直流电压环比例控制参数Kp1的增大、网侧变流器电流内环积分控制参数Ki2的增大和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3的增大；
2)能够导致风电串补系统次同步振荡现象加剧的是网侧变流器电流内环比例控制参数Kp2的增大、转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3的增大；
3)对风电串补系统次同步振荡现象影响不大的是网侧变流器直流电压环积分控制参数Ki1、转子侧变流器电流内环比例控制参数Kp4和转子侧变流器电流内环积分控制参数Ki4；
4)在所有影响因素中，风电机组转子侧变流器转速环控制参数对风电串补系统次同步振荡现象影响最为明显。
(2)检测电力系统的频率和电压变化，以实测检测的频率偏差Δf和电压差Δu作为模糊自适应控制的输入量，以转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3为模糊自适应控制输出量，确定模糊论域、各论域上的模糊子集和模糊隶属函数分别为：模糊自适应PI控制的输入量为频率偏差Δf和电压差Δu，其模糊论域分别为df和Vd；输出量转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3的模糊论域分别为Kp和Ki；输入量和输出量的模糊论域表示为：
df＝[-0.1:0.02:0.1]；Vd＝[0.9:0.02:1.1]；Kp＝[0:0.4:4]；Ki＝[0:0.2:2]；
各论域上的模糊子集是F(Vd)＝F(df)＝F(Kp)＝F(Ki)＝{NL ND NP NS NM}，确定系统的输入输出隶属函数为三角形隶属函数和高斯型隶属函数相结合的方式。
(3)确定模糊规则，输入量频率偏差Δf模糊论域df和电压差Δu模糊论域Vd的标准值为0，检测输入量频率偏差Δf模糊论域df和电压差Δu模糊论域Vd的偏差，当偏差较小时，保持原始取值，保证风电串补系统可靠经济运行；当偏差较大时，减少输出量转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3模糊论域Kp的取值，增大输出量转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3模糊论域Ki的取值，抑制风电串补系统次同步振荡现象。
附图说明
图1为含次同步振荡抑制措施的风电串补系统；
图2为附加阻尼控制传递函数；
图3为风电机组各控制参数改变对次同步振荡的影响；
图4为模糊自适应控制隶属度函数，其中，图4a为Vd隶属度函数；图4b为df隶属度函数；图4c为Kp隶属度函数；图4d为Ki隶属度函数；
图5为模糊自适应控制模糊关系三维图，其中，图5a为Kp控制参数；图5b为Ki控制参数；
图6为次同步振荡现象逐步加深时的抑制效果；
图7为次同步振荡现象逐步减弱时的抑制效果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的抑制方法主要有四个步骤：
步骤1、实时检测风电串补系统的频率和电压情况，确定风电串补系统是否出现次同步振荡现象；
步骤2、根据风电串补系统振荡状况确定次同步振荡变化情况；
步骤3、若次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现对风电串补系统次同步振荡现象的抑制；
步骤4、若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现风电串补系统次同步振荡现象的抑制。
应用本发明的风电串补系统的风电机组为双馈型风电机组，风电机组通过公共连接点与电力系统相连，电力系统中含有串联补偿装置。
所述的步骤1中，实时监测风电串补系统的频率和电压情况，需要检测电力系统电压和频率是否出现振荡现象。当出现振荡现象时，通过频谱分析的方法判断次同步振荡现象是否发生。这一步骤由图1中的频率电压检测模块实现。
所述的步骤2中，次同步振荡变化情况的判断由图1中的次同步振荡判断模块实现。次同步振荡变化情况包括两种，分别是次同步振荡现象逐渐加深和次同步振荡现象逐渐减弱。对次同步振荡变化情况的检测方法为：设定固定检测时间段为0.2s，利用频谱分析方法检测这段时间的次同步振荡幅值和大小，每隔0.1s检测一次，检测过程持续三次，若出现次同步振荡幅值增大的情况，则说明次同步振荡现象逐渐加深，若出现次同步振荡幅值减少的情况，则说明次同步振荡现象逐渐减弱。
所述的步骤3中，若次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用图1中的附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象。所采用的附加阻尼控制方法是在风电机组转子侧变流器电流环控制中附加阻尼控制环节，该附加阻尼控制环节主要包括三个环节，分别是增益环节，滤波环节和超前滞后环节。
图2给出了附加阻尼控制的传递函数，输入量IS为转子侧变流器电流环的实际电力，输出量I'S为经过附加阻尼控制后得到的控制电流。附加阻尼控制传递函数包括3部分，其中，
第一部分为增益环节K，它通过设置合适的增益倍数，用以防止机电振荡模振荡、控制电路振荡、励磁反调、噪声等问题，增益环节的放大倍数可根据次同步振荡现象的严重程度自适应调节，初始值为1.5倍，根据次同步振荡变化情况每次调节0.1。
第二部分为滤波环节
它是一个微分环节，该传递函数中s代表了传递函数经过了拉普拉斯变换，该环节采用很大的时间常数以阻断双馈电机转差率偏差量在稳态运行情况下的扰动信号，保证只有发生扰动时才有输出。此滤波环节的设计目的是为了阻断各类“直流”和时间飘移信号，使附加阻尼控制环节正常运行，设置滤波环节的时间常数Tw为3-10s。滤波环节的传递函数TL满足：
第三部分为超前滞后环节
和
它的主要功能是保证附加阻尼控制能够实现对阻尼的增益，其关键在于保证附加的电磁转矩ΔTe与转差率偏差Δs反向，即获取超前滞后环节的补偿角度θs。确定超前滞后环节补偿角θs的获取方法为：
(1)利用测试信号法获取电磁转矩ΔTe滞后于电压差Δu的相角
1)在有功控制回路中的转子电压q轴分量vqr节点处附加一系列很小的电压差Δu；
2)对系统时域仿真到稳态，得到风电机组的电磁转矩ΔTe；
3)在某个公共周期内对ΔTe和Δu进行傅里叶分解，得到不同频率下的向量
和
即可计算出ΔTe滞后于Δu的相角
(2)确定需要补偿的角度为
获取控制参数后即可得到超前滞后环节的传递函数Tcz，满足：
其中，
其中，ωx为振荡频率，当发生次同步振荡时次同步振荡频率为fx时，振荡频率ωx满足ωx＝2πfx，θs为超前滞后环节补偿角，n为采用超前滞后环节个数。
所述的步骤4中，若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用图1中的模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象。所采用的模糊自适应控制方法主要步骤为：
(1)确定风电串补系统中风电机组各控制参数改变对次同步振荡现象产生的效果，对于定子电压定向型双馈风机，产生的效果如图3所示，其效果具体为：
1)能够对风电串补系统次同步振荡现象产生抑制作用的是网侧变流器直流电压环比例控制参数Kp1的增大、网侧变流器电流内环积分控制参数Ki2的增大和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3的增大；
2)能够导致风电串补系统次同步振荡现象加剧的是网侧变流器电流内环比例控制参数Kp2的增大、转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3的增大；
3)对风电串补系统次同步振荡现象影响不大的是网侧变流器直流电压环积分控制参数Ki1、转子侧变流器电流内环比例控制参数Kp4和转子侧变流器电流内环积分控制参数Ki4；
4)在所有影响因素中，风电机组转子侧变流器转速环控制参数对风电串补系统次同步振荡现象影响最为明显。
(2)检测电力系统的频率和电压变化，以实测检测的频率偏差Δf和电压差Δu作为模糊自适应控制的输入量，以转子侧变流器转速环控制参数Kp3和Ki3为模糊自适应控制输出量，确定模糊论域、各论域上的模糊子集和模糊隶属函数分别为：模糊自适应PI控制的输入量为Δf和Δu，其模糊论域分别为df和Vd，输出量Kp3和Ki3的模糊论域分别为Kp和Ki，输入量和输出量的模糊论域表示为：
df＝[-0.1:0.02:0.1]；Vd＝[0.9:0.02:1.1]；Kp＝[0:0.4:4]；Ki＝[0:0.2:2]；
各论域上的模糊子集是F(Vd)＝F(df)＝F(Kp)＝F(Ki)＝{NL ND NP NS NM}，确定系统的输入输出隶属函数为三角形隶属函数和高斯型隶属函数相结合的方式，由此可获得如图4所示的隶属度函数。
(3)确定模糊规则，获得模糊规则表如表1所示。
表1模糊规则表
根据表1所示的模糊规则表，可将其抽象为图5所示的模糊自适应控制模糊关系三维图，进一步可得到模糊规则为输入量频率偏差Δf模糊论域df和电压差Δu模糊论域Vd的标准值为0，检测输入量频率偏差Δf模糊论域df和电压差Δu模糊论域Vd的偏差，当偏差较小时，保持原始取值，保证风电串补系统可靠经济运行；当偏差较大时，减少输出量转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3模糊论域Kp的取值，增大输出量输出量转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3的模糊论域Ki的取值，抑制风电串补系统次同步振荡现象。
利用本发明风电串补系统次同步振荡抑制方法，对发生次同步振荡的系统进行抑制策略的验证，选取如图6所示的次同步振荡现象逐渐加深的情况和如图7所示的次同步振荡现象逐渐减弱的情况，分别分析采取抑制措施和未采取抑制措施时次同步振荡现象的程度，由图6和图7结果可以看出，本发明次同步振荡抑制措施可以很好的实现对风电串补系统次同步振荡现象的抑制。
Claims (8)
1.一种风电串补系统次同步振荡的抑制方法，风电串补系统中的风电机组为双馈型风电机组，风电机组通过公共连接点与电力系统相连，电力系统中含有串联补偿装置，其特征在于，所述的抑制方法包括：
步骤1、实时检测风电串补系统的频率和电压情况，确定风电串补系统是否出现次同步振荡现象；
步骤2、根据风电串补系统振荡状况确定次同步振荡变化情况；
步骤3、若次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现对风电串补系统次同步振荡现象的抑制；
步骤4、若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象，实现风电串补系统次同步振荡现象的抑制。
2.如权利要求1所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的步骤1中，实时监测风电串补系统的频率和电压情况，需要检测电力系统电压和频率是否出现振荡现象，当出现振荡现象时，通过频谱分析的方法判断次同步振荡现象是否发生。
3.如权利要求1所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的步骤2中，次同步振荡变化情况包括次同步振荡现象逐渐加深和次同步振荡现象逐渐减弱两种情况；对次同步振荡变化情况的检测方法为：设定固定检测时间段为0.2s，利用频谱分析方法检测这段时间的次同步振荡幅值和大小，每隔0.1s检测一次，检测过程持续三次；若出现次同步振荡幅值增大的情况，则说明次同步振荡现象逐渐加深，若出现次同步振荡幅值减少的情况，则说明次同步振荡现象逐渐减弱。
4.如权利要求1所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的步骤3中，若次同步振荡现象显现出逐渐加深的状态，启用附加阻尼控制改善风电串补系统次同步振荡现象；所采用的附加阻尼控制方法是在风电机组转子侧变流器电流环控制中附加阻尼控制环节，该附加阻尼控制环节主要包括增益环节，滤波环节和超前滞后环节。
5.如权利要求4所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的增益环节通过设置合适的增益倍数，用以防止出现机电振荡模振荡、控制电路振荡、励磁反调、噪声这类问题，增益环节的放大倍数根据次同步振荡现象的严重程度自适应调节，初始值为1.5倍，根据次同步振荡变化情况每次调节0.1。
6.如权利要求4所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的滤波环节是一个微分环节，该环节采用时间常数以阻断双馈电机转差率偏差量在稳态运行情况下的扰动信号，保证只有发生扰动时才有输出；滤波环节的时间常数Tw为3-10s；滤波环节的传递函数TL满足：
其中，Tw为时间常数，s代表传递函数经过了拉普拉斯变换。
7.如权利要求4所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的超前滞后环节的主要功能是保证附加阻尼控制能够实现对阻尼的增益，其关键在于保证附加的电磁转矩ΔTe与转差率偏差Δs反向，即获取超前滞后环节的补偿角度θs；超前滞后环节补偿角θs的获取方法为：
(1)利用测试信号法获取电磁转矩ΔTe滞后于电压差Δu的相角
1)在有功控制回路中的转子电压q轴分量vqr节点处附加一系列电压差Δu；
2)对系统时域仿真到稳态，得到风电机组的电磁转矩ΔTe；
3)在某个公共周期内对电磁转矩ΔTe和电压差Δu进行傅里叶分解，得到不同频率下的向量
和
即可计算出电磁转矩ΔTe滞后于电压差Δu的相角
(2)确定需要补偿的角度为
获取控制参数后即可得到超前滞后环节的传递函数Tcz，满足：
其中，
其中，ωx为振荡频率，当发生次同步振荡时次同步振荡频率为fx时，振荡频率ωx满足ωx＝2πfx，θs为超前滞后环节补偿角，n为采用超前滞后环节个数。
8.如权利要求1所述的风电串补系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤4中，若次同步振荡现象显现出逐渐减弱的状态，启用模糊自适应控制改善风电串补系统次同步振荡现象，所采用的模糊自适应控制方法主要步骤为：
(1)确定风电串补系统中风电机组各控制参数改变对次同步振荡现象产生的效果，对于定子电压定向型双馈风机，产生的效果为：
1)能够对风电串补系统次同步振荡现象产生抑制作用的是网侧变流器直流电压环比例控制参数Kp1的增大、网侧变流器电流内环积分控制参数Ki2的增大和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3的增大；
2)能够导致风电串补系统次同步振荡现象加剧的是网侧变流器电流内环比例控制参数Kp2的增大、转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3的增大；
3)对风电串补系统次同步振荡现象影响不大的是网侧变流器直流电压环积分控制参数Ki1、转子侧变流器电流内环比例控制参数Kp4和转子侧变流器电流内环积分控制参数Ki4；
4)在所有影响因素中，风电机组转子侧变流器转速环控制参数对风电串补系统次同步振荡现象影响最为明显；
(2)检测电力系统的频率和电压变化，以实测检测的频率偏差Δf和电压差Δu作为模糊自适应控制的输入量，以转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3为模糊自适应控制输出量，确定模糊论域、各论域上的模糊子集和模糊隶属函数分别为：模糊自适应PI控制的输入量为频率偏差Δf和电压差Δu，其模糊论域分别为df和Vd，输出量为转子侧变流器转速环比例控制参数Kp3和转子侧变流器转速环积分控制参数Ki3，其模糊论域分别为Kp和Ki，输入量和输出量的模糊论域表示为：
df＝[-0.1:0.02:0.1]；Vd＝[0.9:0.02:1.1]；Kp＝[0:0.4:4]；Ki＝[0:0.2:2]；
各论域上的模糊子集是F(Vd)＝F(df)＝F(Kp)＝F(Ki)＝{NL ND NP NS NM}，确定系统的输入输出隶属函数为三角形隶属函数和高斯型隶属函数相结合的方式；
(3)确定模糊规则，模糊自适应PI控制的输入量频率偏差Δf的模糊论域df和电压差Δu的模糊论域Vd的标准值为0，检测频率偏差Δf的模糊论域df和电压差Δu的模糊论域Vd的偏差，当偏差较小时，保持原始取值，保证风电串补系统可靠经济运行；当偏差较大时，减少输出量转子侧变流器转速环比例控制参数的模糊论域Kp的取值，增大输出量转子侧变流器转速环积分控制参数的模糊论域Ki的取值，抑制风电串补系统次同步振荡现象。
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