CN109387744A - 基于奇异值分解的配网线路故障点定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点精确定位方法及其装置,对低采样率测量设备采集的相电流波形进行相位相关度计算,在判定故障发生时启动高采样率测量设备的录波功能,然后对高采样测量装置采集的相电流波形进行处理,根据D型行波法对故障点进行精确定位。本发明通过对波形数据进行相关度系数计算,解决了传统幅值触发录波的不可靠问题。并仅对低采样率数据进行相关度计算,有效降低了计算量,提高了故障录波触发速度。同时所用的高采样率测量设备采样时窗小,不依赖大存储容量,有效地降低了配网检测设备的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电网线路故障诊断方法,更具体地,涉及一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位方法。
背景技术
随着经济的不断发展,用户对供电质量的要求日益提高。配电网作为电网中直接与用户交互的部分,对用户的用电体验有着重大影响,配网的故障定位就显得尤为重要。而目前国内配电网多采用中性点非有效接地方式,拓扑结构复杂,分支多;接地故障电流小、故障定位较困难。随着人们对配网自动化水平要求的提高,更加迫切需要从根本上解决配网线路的故障定位问题。
当前国内外配网线路故障定位方法主要有故障指示器法、阻抗法与行波法。相较于故障指示器法和阻抗法,行波法受线路参数、系统运行方式、过渡电阻和故障类型的影响小,定位速度快,准确度高,目前是配网线路故障定位研究的热点。但是配电网复杂的线路结构和众多的分支导致故障行波幅值小、衰减畸变大,给配网故障的定位造成了难度。而目前的故障行波检测装置通常以行波幅值作为故障判据,导致故障的误判与漏判,较难得到较好的故障行波录波波形;同时行波法故障精确定位对检测设备采样率要求较高,对设备硬件性能要求较大,在配电网低成本控制的情况下应用不广泛。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提出了一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位方法。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位方法,基于奇异值分解并结合低采样率设备与高采样率设备,来对配网线路故障点进行精确定位。
所述方法包括以下步骤:
步骤S1,根据配网各节点低采样率设备采集的相电流波形,依照工频周期P,取一定时间间隔Q,对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1,与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2;
步骤S2,根据K的数值大小,判断故障是否发生:当K大于设定阈值时,判定故障不发生,返回步骤S1,并令t=t+Q;当K小于或等于设定阈值时,判定故障发生,记录下故障发生的时段:(t+P)至(t+P+Q),记为T,启动高采样率测量设备,对T时段的故障波形进行记录存储;
步骤S3,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,得出i号节点初始行波的到达时刻Ti与行波极性,并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向mi;
步骤S4,统计初始行波方向相反的相邻节点,从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N,并将该两点的行波到达时刻记为TM与TN;
步骤S5,计算故障线路L上故障点的精确位置。
进一步地,
步骤S1中,相关度系数K按照公式(1)进行计算:
其中,Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差,Var|I1|为I1的方差,Var|I2|为I2的方差。
进一步地,
步骤S3中,若行波方向为由母线流向负载,则mi为1,否则mi为-1。
进一步地,
步骤S3中,通过在配网线路的节点处放置测量装置,记录故障初始行波波形;然后以故障波形作为x(t),起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
对矩阵H进行奇异值分解,得到奇异值为A1与A2;A2的分量信号在原信号中占比很小,称为细节信号,取分量信号A2)中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻;
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值,若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
进一步地,
步骤S5中,根据式(2),计算出故障线路L上故障点的精确位置:
其中LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度;故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN。
进一步地,
步骤S5中,行波速度v在架空线中取2.95*108m/s,电缆中取1.5*108m/s。
进一步地,所述低采样率具体指采样率小于20KHz,高采样率具体指大于等于20KHz。
本发明还提出一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位装置,其特征在于,基于奇异值分解并结合低采样率设备与高采样率设备,来对配网线路故障点进行精确定位,包括:
相关度系数计算模块,根据配网各节点低采样率设备采集的相电流波形,依照工频周期P,取一定时间间隔Q,对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1,与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2进行相关度系数K的计算;
故障判断模块,与相关度系数计算模块相连,根据K的数值大小,判断故障是否发生:当K大于设定阈值时,判定故障不发生,返回相关度系数计算模块,并令t=t+Q;当K小于或等于设定阈值时,判定故障发生,记录下故障发生的时段:(t+P)至(t+P+Q),记为T,启动高采样率测量设备,对T时段的故障波形进行记录存储;
奇异值分解模块,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,得出i号节点初始行波的到达时刻Ti与行波极性,并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向mi;
故障线路节点确定模块,统计初始行波方向mi与mj相反的相邻节点i,j,从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N,并将该两点的行波到达时刻记为TM与TN;
故障点精确位置确定模块,计算出故障线路L上故障点的精确位置。
进一步地,
相关度系数计算模块中,相关度系数K按照公式(1)进行计算:
其中,Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差,Var|I1|为I1的方差,Var|I2|为I2的方差。
进一步地,
奇异值分解模块中,若行波方向为由母线流向负载,则mi为1,否则mi为-1。
进一步地,
通过在配网线路的节点处放置测量装置,记录故障初始行波波形;在奇异值分解模块中,以故障波形作为x(t),起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
对矩阵H进行奇异值分解,得到奇异值为A1与A2;A2的分量信号在原信号中占比很小,称为细节信号,取分量信号A2中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻;
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值,若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
进一步地,
故障点精确位置确定模块中,根据式(2),计算出故障线路L上故障点的精确位置:
其中LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度;故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN。
进一步地,行波速度v在架空线中取2.95*108m/s,电缆中取1.5*108m/s。
进一步地,所述低采样率具体指采样率小于20KHz,高采样率具体指大于等于20KHz。
本发明的有益效果是:
(1)配网行波幅值小、衰减畸变大,通过运用相位相关度法,解决了传统设备依靠行波幅值触发录波的不可靠问题;
(2)仅对低采样率波形数据进行相关度系数计算,有效降低了设备的计算量,提高了故障录波触发速度;
(3)不依靠高采样率测量设备实现故障判定,减小了高采样率测量设备的采样时窗,不依赖大容量存储介质,有效地降低了配网检测设备的成本。
附图说明
图1为D型行波法故障定位原理示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为本发明的装置模块图。
图4为仿真配电网系统拓扑图。
图5为图4的仿真系统中1号节点A相电流波形图。
图6为图4的仿真系统中1号节点线模行波波形图。
图7为图3的仿真系统中各节点初始行波方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
电力线路发生故障时,由于故障点电压的突变,在线路上将出现暂态行波过程。电力线路上的行波现象可以用建立在分布参数线路模型基础上的电报方程来描述,沿线电压与电流均包含正向和反向两个行波分量,其频域形式可以表示为:
式中,U+(x,ω)和I+(x,ω)分别表示沿x正方向传播的电压与电流行波;U-(x,ω)和I-(x,ω)分别表示沿x负方向传播的电压与电流行波。
故障发生的瞬间,故障点F处产生初始行波,并向着线路两端传播。如图1所示,设故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN,则两者存在以下关系:
式中,LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度。
通过求解上述方程组可以得出故障点至线路两端距离LMF、LNF与TM、TN的关系,如式(2)所示:
为了获取行波的到达时间,对行波信号进行奇异点分析就十分重要。奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)是一种正交变换,对于任一个行或列线性相关的矩阵,通过对其左、右分别相乘一个正交矩阵进行变换,可以将原矩阵转化为一个对角阵,而得到的奇异值个数又反映了原矩阵中独立行(列)矢量的个数。近年来此方法在数据的降维与压缩、降噪、特征提取等方面得到广泛的研究。
而二分递推奇异值分解(二分递推SVD)是奇异值分解的一种改进,在检测奇异点时具有脉宽小(对应于小波的支撑),对称的特点,可检测Lipschitz指数为1的奇异点,在检测故障行波时,具有天然的优势,并且奇异值分解降噪对奇异点具有线性偏移的特性,因此本分方法选用二分递推SVD来完成对信号奇异点的精确检测,同时采用迭代SVD对原始信号降噪,大大提高了检测的可靠性和灵敏度,具体方法如下:
首先假设需要进行SVD的离散波形函数为x,起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
按照奇异值定理,必定存在正交矩阵U=[u1,…,um]与V=[v1,…,vm],使得:
其中Σr=diag(A1,…,Ar),则A1,…,Ar称作A的奇异值,向量ui与向量vi称为第i个左奇异向量与第i个右奇异向量。
由于H只有两行,分解出的奇异值仅有2个,A1与A2;且由于H两行向量高度相关,所以A1远大于A2。故A2的分量信号在原信号中占比很小,其称为细节信号,反映的是信号的暂态部分。可以取分量信号中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻。
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值。若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
得出行波到达时刻与行波极性后,再配合配网拓扑图,就能计算出故障点的位置,实现故障点的精确定位。
具体地,如图2所示,本发明提出了一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位方法,包括:
步骤S1,根据配网各节点低采样率设备采集的相电流波形,依照工频周期P,取一定时间间隔Q,对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1,与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)进行相关度系数K的计算:
其中,Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差,Var|I1|为I1的方差,Var|I2|为I2的方差;
步骤S2,对K的数值大小进行判定:当K大于设定阈值时,判定故障不发生,返回步骤S1,并令t=t+Q;当K小于或等于设定阈值时,判定故障发生,记录下故障发生的时段:(t+P)至(t+P+Q),记为T,启动高采样率测量设备,对T时段的故障波形进行记录存储;
步骤S3,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,得出i号节点初始行波的到达时刻Ti与行波极性,并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向mi;
若行波方向为由母线流向负载,则mi为1,否则mi为-1。
通过在配网线路的节点处放置测量装置,记录故障初始行波波形;然后以故障波形作为x(t),起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
对矩阵H进行奇异值分解,得到奇异值为A1与A2;A2的分量信号在原信号中占比很小,称为细节信号,取分量信号A2)中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻;
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值,若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
步骤S4,统计初始行波方向mi与mj相反的相邻节点i,j,从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组作为故障线路L的两端节点;
步骤S5,根据式(2),计算出故障线路L上故障点的精确位置:
其中LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度;故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN。
如图3所示,本发明提出的基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位装置,包括:
相关度系数计算模块,根据配网各节点低采样率设备采集的相电流波形,依照工频周期P,取一定时间间隔Q,对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1,与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2按照公式(1)进行相关度系数K的计算:
其中,Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差,Var|I1|为I1的方差,Var|I2|为I2的方差;
故障判断模块,对K的数值大小进行判定:当K大于设定阈值时,判定故障不发生,返回步骤S1,并令t=t+Q;当K小于或等于设定阈值时,判定故障发生,记录下故障发生的时段:(t+P)至(t+P+Q),记为T,启动高采样率测量设备,对T时段的故障波形进行记录存储;
奇异值分解模块,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,得出i号节点初始行波的到达时刻Ti与行波极性,并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向mi
若行波方向为由母线流向负载,则mi为1,否则mi为-1。
通过在配网线路的节点处放置测量装置,记录故障初始行波波形;然后以故障波形作为x(t),起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
对矩阵H进行奇异值分解,得到奇异值为A1与A2;A2的分量信号在原信号中占比很小,称为细节信号,取分量信号A2)中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻;
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值,若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
故障线路节点确定模块,统计初始行波方向mi与mj相反的相邻节点i,j,从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组作为故障线路L的两端节点;
故障点精确位置确定模块,根据式(2),计算出故障线路L上故障点的精确位置:
其中LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度;故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN。
为验证本发明的有效性,进行以下仿真实验。
本发明所需的故障波形来自于配网线路分布式测量装置,装置内包含了低、高两种采样率的测量设备。每个故障定位节点安装三组测量装置,实时同步采集线路三相电流。
依照发明的故障定位方法,在10kV配电网仿真系统中,设置单相接地故障。系统结构图如图4所示,对图中6个选定节点分别标记为1号至6号节点。测量设备采用的低采样频率为20KHz,高采样频率为1MHz。故障发生时刻为0.045s,故障类型为金属性接地故障。
对于故障点精确定位的步骤如下:
步骤S1,根据低采样率测量设备测量到的相电流数据,以图5为例,取工频周期P=0.02s,时间间隔Q=0.005s,从t=0开始计算对应的I1与I2波形的相关度系数K;
步骤S2,对K与设定阈值0.99的大小进行判定。若K>0.99,判定故障不发生,返回步骤S1,并令t=t+0.005(s);若K>0.99,记录下故障发生时段T:(t+P)至(t+P+Q),对高采样率测量设备T时段的波形进行录波存储。
步骤S3,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,以图6为例,得出1号至6号节点初始行波的到达时刻T1~T6与行波极性,如表1所示。并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向,如图7中箭头所示;
表1各节点的初始行波到达时刻与行波极性
节点编号 | 到达时刻(s) | 行波极性 |
1 | 0.035017s | 负 |
2 | 0.035051s | 正 |
3 | 0.035117 | 正 |
4 | 0.035032 | 正 |
5 | 0.035084 | 正 |
6 | 0.035151 | 正 |
步骤S4,统计初始行波方向mi与mj相反的相邻节点i,j,并从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组,其结果为1号节点与2号节点。故将1号节点与2号节点作为故障线路L的两端节点。
步骤S5,根据式(1),计算出故障线路L上故障点位于1号节点右侧5.005km处(线模波速取2.95*108m/s),定位误差为0.005km。
以上实验证明,本发明能够有效地对配电网中的故障点进行精确定位。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述,但是本领域技术人员应该理解,以上实施例仅为本发明的优选实施方案,详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神,而并非对本发明保护范围的限制,相反,任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种基于奇异值分解的配网线路故障点定位方法,其特征在于,基于奇异值分解并结合低采样率设备与高采样率设备,来对配网线路故障点进行精确定位。
2.根据权利要求1所述的故障点定位方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤S1,根据配网各节点低采样率设备采集的相电流波形,依照工频周期P,取一定时间间隔Q,对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1,与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2进行相关度系数K的计算;
步骤S2,根据K的数值大小,判断故障是否发生:当K大于设定阈值时,判定故障不发生,返回步骤S1,并令t=t+Q;当K小于或等于设定阈值时,判定故障发生,记录下故障发生的时段:(t+P)至(t+P+Q),记为T,启动高采样率测量设备,对T时段的故障波形进行记录存储;
步骤S3,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,得出i号节点初始行波的到达时刻Ti与行波极性,并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向mi;
步骤S4,统计初始行波方向相反的相邻节点,从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N,并将该两点的行波到达时刻记为TM与TN;
步骤S5,计算故障线路L上故障点的精确位置。
3.根据权利要求2所述的故障定位方法,其特征在于,
步骤S1中,相关度系数K按照公式(1)进行计算:
其中,Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差,Var|I1|为I1的方差,Var|I2|为I2的方差。
4.根据权利要求3所述的故障点定位方法,其特征在于,
步骤S3中,若行波方向为由母线流向负载,则mi为1,否则mi为-1。
5.根据权利要求2所述的故障点定位方法,其特征在于,
步骤S3中,通过在配网线路的节点处放置测量装置,记录故障初始行波波形;然后以故障波形作为x(t),起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
对矩阵H进行奇异值分解,得到奇异值为A1与A2;A2的分量信号在原信号中占比很小,称为细节信号,取分量信号A2)中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻;
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值,若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
6.根据权利要求5所述的故障点定位方法,其特征在于,
步骤S5中,根据式(2),计算出故障线路L上故障点的精确位置:
其中LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度;故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN。
7.根据权利要求6所述的故障点定位方法,其特征在于,
步骤S5中,行波速度v在架空线中取2.95*108m/s,电缆中取1.5*108m/s。
8.根据权利要求1或2所述的故障点定位方法,其特征在于,所述低采样率具体指采样率小于20KHz,高采样率具体指大于等于20KHz。
9.一种基于奇异值分解的双采样率配网线路故障点定位装置,其特征在于,基于奇异值分解并结合低采样率设备与高采样率设备,来对配网线路故障点进行精确定位,包括:
相关度系数计算模块,根据配网各节点低采样率设备采集的相电流波形,依照工频周期P,取一定时间间隔Q,对时间t至时间(t+Q)的相电流波形I1,与时间(t+P)至时间(t+P+Q)的相电流波形I2进行相关度系数K的计算;
故障判断模块,与相关度系数计算模块相连,根据K的数值大小,判断故障是否发生:当K大于设定阈值时,判定故障不发生,返回相关度系数计算模块,并令t=t+Q;当K小于或等于设定阈值时,判定故障发生,记录下故障发生的时段:(t+P)至(t+P+Q),记为T,启动高采样率测量设备,对T时段的故障波形进行记录存储;
奇异值分解模块,对启动录波的高采样率测量设备采集的相电流波形进行奇异值分解,得出i号节点初始行波的到达时刻Ti与行波极性,并由行波极性与测量设备的装设方向得出初始行波方向mi;
故障线路节点确定模块,统计初始行波方向mi与mj相反的相邻节点i,j,从中计算选出行波到达时刻Ti、Tj之和最小的一组作为故障线路L的两端节点M与N,并将该两点的行波到达时刻记为TM与TN;
故障点精确位置确定模块,计算出故障线路L上故障点的精确位置。
10.根据权利要求9所述的故障定位装置,其特征在于,
相关度系数计算模块中,相关度系数K按照公式(1)进行计算:
其中,Cov(I1,I2)为I1与I2的协方差,Var|I1|为I1的方差,Var|I2|为I2的方差。
11.根据权利要求9或10所述的故障定位装置,其特征在于,
奇异值分解模块中,若行波方向为由母线流向负载,则mi为1,否则mi为-1。
12.根据权利要求9或11所述的故障点定位装置,其特征在于,
通过在配网线路的节点处放置测量装置,记录故障初始行波波形;在奇异值分解模块中,以故障波形作为x(t),起始时刻为1,结束时刻为N,则构造矩阵H如下:
对矩阵H进行奇异值分解,得到奇异值为A1与A2;A2的分量信号在原信号中占比很小,称为细节信号,取分量信号A2中幅值绝对值最大的时间点作为初始行波的到达时刻;
得出行波达到时刻后,用该时刻的故障波形值的绝对值减去该时刻上个采样点的故障波形值的绝对值,若结果为正,则行波极性记为正;若结果为负,则行波极性记为负。
13.根据权利要求11所述的故障点定位装置,其特征在于,
故障点精确位置确定模块中,根据式(2),计算出故障线路L上故障点的精确位置:
其中LMF与LNF分别为线路M端与N端到故障点的距离;L为线路MN的长度;故障初始行波浪涌以相同的传播速度v到达线路M端与N端的时间分别为TM与TN。
14.根据权利要求13所述的故障点定位装置,其特征在于,
行波速度v在架空线中取2.95*108m/s,电缆中取1.5*108m/s。
15.根据权利要求9所述的故障点定位装置,其特征在于,所述低采样率具体指采样率小于20KHz,高采样率具体指大于等于20KHz。
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