CN109980613B - 基于改进型半桥子模块的直流配电系统故障恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进半桥子模块的直流配电系统故障恢复方法，所采用的改进型半桥子模块的结构为：由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联后，再与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端；故障恢复方法如下：当保护系统检测到直流侧故障或MMC任一桥臂发生过流时，则立即向控制系统发送故障信号；控制系统收到故障信号后，立即关断所有IGBT；故障电流清除完成并经过一段时间去游离，进入系统重合闸阶段；完成故障类型识别后，根据故障类型进行系统重启。

Description

基于改进型半桥子模块的直流配电系统故障恢复方法

技术领域

本发明涉及电力电子、继电保护以及柔性直流配电网等领域，尤其涉及一种改进型半桥子模块结构及基于这种改进型子模块的直流故障隔离与系统恢复策略。

背景技术

电力系统能源结构、网架结构和负荷类型方面的显著变革给现有配电系统带来了一定的挑战，分布式电源的大量接入使得集中式供电形式向多源多向、分布式结构转变；用电负荷日益增多，且对电能质量、供电可靠性以及电能多样化的要求越来越高。随着电力电子半导体器件和现代控制的发展，直流输配电越来越受到业内的广泛关注。模块化多电平变流器(MMC)以其较好的电能质量、较高的可靠性等优越性能，已经在柔性直流输电领域得到广泛应用，同时在中压直流配电领域也具有良好的应用前景。

然而，直流系统故障(尤其是两极短路故障)由于具有故障电流大、故障发展迅速、故障影响范围广等特点，成为影响直流输配电发展应用的一个技术难点。针对该问题，国内外学者提出了多种解决方法，根据直流故障隔离方式，可以分为以下三类：

1)利用交流侧系统隔离故障点，主要有单晶闸管法和双晶闸管法。这类方法成本较低、无附加损耗、且在工程实际中已有广泛应用。虽然这类方法中故障隔离方式有所差异，但故障电流清除均靠故障回路自然衰减，故障清除时间较长；

2)利用直流断路器。采用混合式直流断路器最快可在5ms内隔离直流故障，而全固态直流断路器最快可在1ms内隔离直流故障，并快速完成故障电流清除。然而，直流断路器一方面价格较高，损耗较大，另一方面需要与限流设备配合；

3)利用具有故障隔离能力的子模块。自全桥子模块提出以后，多种具有故障隔离能力的子模块被相继提出，如钳位双子模块、串联双子模块等。故障后通过闭锁IGBT，使桥臂电容反向串联至故障回路，可以迅速隔离故障并消除故障电流。然而，具有故障隔离能力的子模块成本较高，且运行损耗较大；

总之，目前现有的直流输配电系统故障隔离方法普遍存在着故障隔离速度与经济性及损耗之间的矛盾。着眼于该现状，提出了一种具有快速故障隔离和系统恢复能力的改进型半桥子模块结构，设计了基于该子模块结构的系统故障隔离与恢复的流程图。

发明内容

针对目前直流故障隔离方法无法实现故障隔离速度与经济性和损耗的平衡，为了在实现直流系统快速故障隔离的同时，降低变流器投资成本，减小系统运行损耗，提出一种具有快速故障隔离与重启能力的改进型半桥子模块结构，可有效降低投资成本与运行损耗，在此基础上直流配电系统故障隔离和恢复方法。技术方案如下：

一种基于改进型半桥子模块的直流配电系统故障恢复方法，所采用的改进型半桥子模块的结构为：由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联后，再与由IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端，其特征在于，所述的IGBT VT2采用具有逆阻功能的IGBT，即RB-IGBT，或采用IGBT与二极管同向串联的方式；所述的改进型子模块在故障发生后，通过向子模块发送关断命令，关断所有IGBT，并撤销晶闸管的导通信号，当桥臂电流过零时可以实现该桥臂的关断，同时，可以实现反向电压阻断功能；根据系统状态不同，该改进型半桥子模块具有三种工作方式：(1)系统正常运行状态下，系统持续向子模块晶闸管发送导通信号；(2)直流侧故障发生后，一旦检测到故障立即向子模块发出闭锁信号，子模块IGBT立即闭锁，切断子模块电容放电通道，此时，子模块中仅有晶闸管T2导通，变流器等效为电网换相换流器LCC；(3)系统重合闸阶段，向所有晶闸管发送导通信号，此时，桥臂IGBT依旧处于关断状态，变流器等效为六脉波不控整流换流器；故障恢复方法如下：

(1)当保护系统检测到直流侧故障或MMC任一桥臂发生过流时，则立即向控制系统发送故障信号；控制系统收到故障信号后，立即关断所有IGBT，此时子模块电容放电通路被阻断；经过短暂延时，以实现故障电流从子模块电容支路转移到晶闸管支路后，撤销晶闸管T2的导通信号；此后，桥臂电流等效为交流侧馈流与自然衰减的直流故障电流分量两部分，交变的交流侧馈流电流与直流故障电流分量叠加，导致子模块桥臂电流依次过零，一旦桥臂电流过零，该桥臂立即关断；最后，MMC各桥臂均关断，实现直流故障电流的自清除以及故障点的隔离；

(2)故障电流清除完成并经过一段时间去游离，进入系统重合闸阶段，此时立即向晶闸管T2发送持续导通信号，通过重合闸直流线路电流和电压特征，判断故障类型，判断依据如下：对于永久性两极短路故障，一旦进入重合闸阶段，交流侧立即通过晶闸管向故障点馈流，此时线路正负极电流均快速增大，且电流呈现直流特征；对于永久性单极接地故障，若变流器采用DYN接法，即变压器阀侧采用星形接法并经大电阻接地，此时交流侧通过变流器向故障点馈流，线路电流呈现直流特征，且仅出现在故障极；对于永久性单极接地故障，若变流器采用YND接法，即变压器阀侧采用三角形接法，此时直流线路中无馈流，同时故障极电势为零；对于瞬时性故障，交流侧通过变流器向直流侧线路充电，充电过程在1-2ms内完成，此时直流侧会迅速建立起稳定的直流电压，且交流侧不会对直流侧产生持续馈流；

(3)完成故障类型识别后，根据故障类型进行系统重启，若该故障为永久性故障，则立即撤销晶闸管T2的导通信号，完成线路中馈流清除并经历去游离后，利用快速隔离开关隔离故障线路；然后，重启MMC，恢复系统健全部分的供电；若该故障为瞬时性故障，则直接重启MMC，快速回复系统供电。

本发明提出的基于改进型半桥子模块MMC的故障隔离与系统恢复策略适用于柔性直流配电网，尤其是中低压直流配电网。与单晶闸管法、利用直流断路器断流法和利用具有故障自清除能力的子模块方法相比，本发明实现了故障隔离速度与经济性和损耗之间的平衡，同时有利于系统快速重启。具体体现为以下优点：

1)正常运行时，改进型半桥子模块工作模式与半桥子模块相同，基于半桥子模块的MMC运行控制方法可以直接应用于基于改进型半桥子模块MMC；

2)相对于半桥子模块，改进型半桥子模块只增加了一个晶闸管的投入，在投资成本和运行损耗方面都具有较大优势，通过采用具有逆阻功能的IGBT，可进一步减小变流器运行损耗；

3)可在20ms内完成直流配电网直流侧故障的快速隔离，隔离速度较快；

4)通过重合闸操作，可实现故障类型的快速识别，并在短时间内实现系统重启；

5)由于故障电流清除期间，交流侧会持续向故障点馈流，为故障定位和测距提供了时间。

附图说明

图1示出本发明提出的改进型半桥子模块结构

图2示出基于本发明提出的改进型半桥子模块MMC的直流侧故障隔离与系统重合闸流程图

图3示出本发明的基于改进型半桥子模块MMC直流侧两极短路故障示意图以及故障流通路径示意图

图4示出本发明的基于改进型半桥子模块MMC的直流侧两极短路故障隔离过程，图(a)为直流线路故障电流；图(b)为故障隔离期间桥臂电流图；图(c)为交流侧电源电压图。

图5示出本发明的MMC直流侧两极短路故障隔离过程中故障电流通路示意图。

图6示出本发明的t₀～t₁期间桥臂电流等效。

图7示出本发明的基于改进型半桥子模块的系统重合闸期间直流线路故障电流特征，图(a)两极短路故障重合闸过程的电流通路；图(b)单极接地故障重合闸过程的电流通路。

具体实施方式

本发明提出一种具有直流侧故障自清除能力和快速重合能力的改进型半桥子模块结构，所述的改进型半桥子模块主要有以下特点：

所述子模块结构与半桥型子模块结构相似，其中，一组由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联，该支路与由逆阻型IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端。所述改进型子模块的各个电力电子器件的额定耐压值均为U_CN，其中U_CN为子模块电容电压额定值。

所述的改进型子模块其特征在于，VT1和VD1均与半桥子模块相同，而VT2采用具有逆阻功能的IGBT，即Reverse-Blocking IGBT(RB-IGBT)，或采用具有反向电压阻断功能的结构，如采用IGBT与二极管同向串联；同时T2采用晶闸管代替半桥子模块中的二极管。因此，所述的改进型子模块在故障发生后，通过向子模块发送关断命令，关断所有IGBT，并撤销晶闸管的导通信号，当桥臂电流过零时可以实现该桥臂的关断。同时，由于采用逆阻型结构，该改进型子模块可以实现反向电压阻断功能，即当故障电流清楚后，可以阻断交流电源向故障点的馈流。

基于改进型半桥子模块的MMC具有三种工作状态：正常运行状态、故障清除状态、系统重合闸状态。正常运行时，改进型半桥子模块中的晶闸管持续处于导通状态，代替半桥子模块中续流二极管的功能，因而，正常运行状态下，改进型半桥子模块的工作模式与半桥子模块相同；接收到故障信号后，MMC立即向所有IGBT发送闭锁信号，同时撤销晶闸管的导通信号，子模块切换到故障清除状态；系统重合闸阶段，MMC向所有晶闸管发送导通信号，从而MMC工作于六脉波不控整流模式。

基于该改进型子模块，MMC可以实现直流故障的快速隔离与系统快速重启恢复：

直流故障的快速隔离，具体过程如下：MMC切换到故障清除状态后，IGBT立即发生，切断了桥臂子模块电容的放电回路；此时，MMC桥臂电流可以等效为交流电源的馈流和直流故障电流的衰减直流分量，由于初始阶段故障电流的直流分量大于交流侧馈流，而晶闸管不具备自主关断能力，MMC的六个桥臂均处于导通状态。由于没有桥臂电容电压的钳位作用，交流侧馈流逐渐增大。交变的交流侧馈流与衰减直流分量叠加导致桥臂电流依次过零。当桥臂电流过零时，该桥臂晶闸管发生闭锁，该桥臂通路被关断。当所有桥臂发生关断时，MMC完成了直流故障电流的清除与故障隔离。

系统的快速重启，具体过程如下：MMC切换到重合闸状态后，可根据直流线路电流与电压特征进行故障类型判断。对于永久性两极短路故障，一旦变流器切换到重合闸状态，交流侧立即通过晶闸管，以六脉波不控整流器的工作模式向故障点馈流，此时直流侧线路再次产生巨大的直流电流，撤销晶闸管的导通信号后，桥臂电流依次关断并实现直流线路电流的清除，该过程与直流故障隔离过程相同；对于永久性单极接地故障，若交流侧变压器采用DYN接法，则交流侧通过MMC单侧桥臂向故障点馈流，馈流回路为变压器接地点→MMC桥臂→直流线路→故障接地点，若交流侧变压器采用YND接法，由于阀侧零序电流无法通过，因此交流侧不会产生馈流，同时直流侧故障线路电依然为零。对于瞬时性故障，当MMC切换到重合闸状态后，直流线路电压会立即建立，同时，线路中会产生线路分布电容充电电流，但是该电流值相对较小，且充电时间很短暂。根据以上线路电流和电压的特征即可判别直流故障的性质。若为永久性故障，则向撤销晶闸管的导通信号，等待完成直流线路电流清除和线路去游离后，采用快速隔离开关隔离故障点，即可进行系统重启；若故障为瞬时性故障，则可以立即进行系统重启。

下面参照附图对本发明进行更全面的描述。

图1所示为改进型半桥子模块拓扑。晶闸管具有高可靠性、高耐压、耐涌流等优点。利用晶闸管代替半桥子模块中的续流二极管，同时对其并联的IGBT支路进行改进，使其具有逆阻功能。因此，在桥臂电流过零时可以实现MMC桥臂的顺利关断，同时阻断交流侧电源的馈流。本发明提出的改进型半桥子模块结构共有两种结构，其不同之处主要体现在具有逆阻功能的全控型支路的结构。如图1(a)所示，利用IGBT与二极管串联，即可使该回路具有逆阻功能；如图1(b)所示，采用逆阻型IGBT(Reverse Blocking IGBT,RB-IGBT)，不仅可以使子模块具有逆阻功能，同时可以降低运行损耗。

图2所示为基于改进型HBSM-MMC的故障隔离与系统重启流程图。正常工作状态时，向晶闸管持续发送导通信号，此时晶闸管的作用于半桥子模块中续流二极管的作用相同。因此，在正常工作状态下，改进型半桥子模块的工作原理与半桥子模块相同。

一旦保护系统检测到故障，控制系统立即向所有IGBT发出闭锁信号，经过子模块闭锁死区后，则立即撤销晶闸管的导通信号。由于晶闸管不具有自主关断能力，此时，故障电流将通过桥臂晶闸管进行续流，同时交流侧系统向故障点馈流迅速增加。交流侧馈流与直流故障电流叠加，将导致MMC桥臂依次关断，直至直流故障电流清除。

故障电流清除后，经过一段时间延迟对故障回路进行去游历，然后即可进行故障重合闸操作。向MMC所有晶闸管发送导通信号，进过一段时间后撤销该导通信号。则该阶段内MMC可以等效为一个六脉波不控整流变流器，通过检测线路电流特征即可判别故障是否是永久性故障。如果该故障是永久性故障，经过一段时间延迟，打开快速隔离开关隔离故障线路，然后即可进行系统健全部分的重启。如果该故障是瞬时性故障，则可立即进行MMC重启操作。

图3所示为MMC直流侧两极短路故障示意图。直流侧两极短路故障是直流系统最为严重的故障，因此，以两极短路故障为例进行故障隔离过程说明。在以下分析过程中，用字母p和n分别表示上桥臂和下桥臂。则pa桥臂表示a相上桥臂，i_pa表示a相上桥臂的故障电流，以此类推。

图4所示为基于改进型半桥子模块MMC的直流侧两极短路故障隔离过程中直流侧故障电流、桥臂电流以及交流电源电压图。根据图4可将直流故障隔离过程分为三个阶段。

图5所示为MMC直流侧两极短路故障隔离过程中故障电流通路示意图。根据图4图5，以图3所示两极短路故障为例，直流侧故障隔离过程具体如下：

阶段1：t₀～t₁，桥臂子模块电容放电阶段

如图4(a)所示，一旦直流侧发生两极短路故障，直流侧两极之间阻抗骤减，导致直流侧电压发生突变。因此，处于投入状态的电容会立即向故障点放电，直流故障电流迅速增大，该过程中，虽然交流侧向故障点馈流增大，但馈流有限。因此故障电流主要来源为桥臂子模块放电。保护系统检测到故障后，则立即向MMC控制系统发送故障信号。接到故障信号后，控制系统则立即向桥臂子模块发出闭锁信号，并经过延迟躲开死区后，将晶闸管的导通控制信号撤销。接到闭锁信号后，MMC桥臂IGBT在t₁时刻发生闭锁。

阶段2：t₁～t₅，MMC桥臂交替关闭阶段

IGBT发生闭锁后，子模块电容放电回路被切断。此时，由于故障电流的直流分量大于交流侧馈流，而晶闸管不具备自主关断能力，MMC的六个桥臂均处于导通状态。t₀～t₁期间，故障电流通路如图5(a)所示。根据叠加原理，该区段内桥臂电流可以等效交流侧馈流与桥臂故障电流分量的叠加，如图6所示。

没有桥臂电容电压的钳位作用，交流侧馈流开始增加。当桥臂电流过零时，该桥臂晶闸管发生闭锁，该桥臂关断。如图4(c)所示，t₁时刻交流侧电源c相电压幅值较大，因此其馈流迅速增加，并导致nc桥臂在t₂时刻快速关断，次后故障电流通路如图5(b)所示。随后pb桥臂在t₃时刻关断，故障电流通路如图5(c)所示。

此后，a相通过na桥臂和nb桥臂向b相馈流，c相通过pc桥臂和pa桥臂向a相馈流，导致i_pa和i_na均减小。同时，c相通过故障点向b相馈流，导致直流侧故障电流增大，如图5(a)所示。i_na在t₄时刻率先过零，na桥臂关断。

na桥臂关断后，故障电流通路如图5(d)所示。a相与c相同时通过故障点向b相馈流，同时，a相与c相电压差减小。因此，a相上桥臂电流和故障电流迅速增大。当u_a>u_c时，u_ac迫使i_pc迅速减小，在t₅时刻i_pc过零，pc桥臂关断。

至此，nc、pb、na、pc桥臂均已关断。

阶段3：t₅～t₆，直流侧故障电流清除阶段

该阶段内，故障电流通路如图5(e)所示。如图4(c)所示，t₅时刻u_ab>0，因此，a相通过pa桥臂、故障点和nb桥臂向b相馈流。导致直流侧故障电流继续增大。当u_ab<0时，由于故障电流与相间电压反向，故障电流迅速减小到零。当故障电流过零时，pa桥臂和nb桥臂关断。至此，MMC实现了直流侧故障电流的自清除。

图7所示本发明的基于改进型半桥子模块的系统重合闸期间直流线路故障电流特征，图(a)为永久性两极短路故障在重合闸过程中的电流通路和瞬时性故障重合闸过程中的潜在馈流通路；图(b)为永久性单机接地故障在重合闸过程中的电流通路和瞬时性故障重合闸过程中的潜在馈流通路。对于两极短路故障，若该故障为永久性故障，重合闸操作后，则交流电源立即通过导通的晶闸管向故障点馈流，馈流通路如图7(a)电流通路①所示。对于单机接地故障，若该故障为永久性故障，重合闸操作后，交流电源的馈流通路如图7(b)电流通路①所示。因此，对于永久性故障，交流电源会向故障点馈流，表现在直流线路上为较大的直流电流。

对于受端交流侧为有源系统的MMC，若该故障为瞬时性故障，交流侧电源的潜在馈流通路如图7电流通路②所示。此时，若桥臂子模块电容满足以下关系，则直流线路将不会出现电流。

即

式中，u_p1和u_p2分别表示MMC1和MMC1交流侧电源电压的幅值；N表示MMC单个桥臂子模块数；U_C表示子模块电容平均电压，U_CN表示子模块电容额定电压；M₁和M₂分别表示MMC1和MMC2的调制比。

对于受端交流侧为无源系统的MMC，其潜在馈流通路与图7(a)电流通路②相似，不同之处为受端MMC交流侧没有交流系统的作用。此时，只需满足下式直流线路中将不会有馈流出现。

显然，桥臂子模块电容会满足该条件。

实际上，由于直流系统发生故障后，保护系统可在很短时间内完成故障诊断与通信(可在1ms内完成)，桥臂子模块电容放电深度有限。此外，MMC一般会设置一定的冗余。因此，直流线路中不会出现馈流。

需要注意的是，在重合闸初期由于线路电容的作用，即使故障为瞬时性故障，直流线路上也会产生充电电流，线路电容充电一般可在2ms内完成。因此，在故障类型识别时，需要躲开该充电阶段。在本发明中，为了准确识别故障类型，建议将重合闸时间设置为10ms以上。

故障识别完成后，根据故障类型做出相应的操作，然后即可进行系统重启操作。

本发明的基于改进型半桥子模块的直流配电系统故障隔离与系统恢复策略。所述的改进型半桥子模块主要对半桥子模块中电容并联支路的IGBT和二极管进行了改进，利用晶闸管取代了该支路中的续流二极管，同时采用具有逆阻功能的IGBT或者具有逆阻功能的结构取代了该支路中的IGBT。从而使得半桥子模块具有直流故障自清除能力和系统快速重启功能。在系统正常运行状态下，所述改进半桥型MMC的工作模式控制方式与半桥型MMC相同；当检测到直流侧故障后，立即向MMC发出闭锁信号，经过延迟后撤销晶闸管的导通信号，然后利用交流侧馈流的特性依次关断各桥臂，并最终实现直流故障电流的清除；在系统重启阶段，向所有晶闸管发送导通信号，利用直流侧线路的电流、电压特征快速识别故障是否为永久性故障，并根据故障性质快速重启系统。本发明平衡了基于MMC的柔性直流系统故障隔离速度与投资和损耗之间的矛盾，同时有利于系统的快速重启，提高系统供电可靠性。

Claims (1)

1.一种基于改进型半桥子模块的直流配电系统故障恢复方法，所采用的改进型半桥子模块的结构为：由IGBT VT1与二极管VD1组成的反并联结构与子模块电容C串联后，再与由IGBT VT2与晶闸管T2组成的反并联结构并联，VT1的发射极与VT2的集电极连接，VT2的集电极与发射极分别接子模块的输入端和输出端，其特征在于，所述的IGBT VT2采用具有逆阻功能的IGBT，即RB-IGBT，或采用IGBT与二极管同向串联的方式；在故障发生后，通过向子模块发送关断命令，关断所有IGBT，并撤销晶闸管的导通信号，当桥臂电流过零时可以实现该桥臂的关断，同时，可以实现反向电压阻断功能；根据系统状态不同，该改进型半桥子模块具有三种工作方式：(1)系统正常运行状态下，系统持续向子模块晶闸管发送导通信号；(2)直流侧故障发生后，一旦检测到故障立即向子模块发出闭锁信号，子模块IGBT立即闭锁，切断子模块电容放电通道，此时，子模块中仅有晶闸管T2导通，变流器等效为电网换相换流器LCC；(3)系统重合闸阶段，向所有晶闸管发送导通信号，此时，桥臂IGBT依旧处于关断状态，变流器等效为六脉波不控整流换流器；故障恢复方法如下：

(1)当保护系统检测到直流侧故障或MMC任一桥臂发生过流时，则立即向控制系统发送故障信号；控制系统收到故障信号后，立即关断所有IGBT，此时子模块电容放电通路被阻断；经过短暂延时，以实现故障电流从子模块电容支路转移到晶闸管支路后，撤销晶闸管T2的导通信号；此后，桥臂电流等效为交流侧馈流与自然衰减的直流故障电流分量两部分，交变的交流侧馈流电流与直流故障电流分量叠加，导致子模块桥臂电流依次过零，一旦桥臂电流过零，该桥臂立即关断；最后，MMC各桥臂均关断，实现直流故障电流的自清除以及故障点的隔离；

(2)故障电流清除完成并经过一段时间去游离，进入系统重合闸阶段，此时立即向晶闸管T2发送持续导通信号，通过重合闸直流线路电流和电压特征，判断故障类型，判断依据如下：对于永久性两极短路故障，一旦进入重合闸阶段，交流侧立即通过晶闸管向故障点馈流，此时线路正负极电流均快速增大，且电流呈现直流特征；对于永久性单极接地故障，若变流器采用DYN接法，即变压器阀侧采用星形接法并经大电阻接地，此时交流侧通过变流器向故障点馈流，线路电流呈现直流特征，且仅出现在故障极；对于永久性单极接地故障，若变流器采用YND接法，即变压器阀侧采用三角形接法，此时直流线路中无馈流，同时故障极电势为零；对于瞬时性故障，交流侧通过变流器向直流侧线路充电，充电过程在1-2ms内完成，此时直流侧会迅速建立起稳定的直流电压，且交流侧不会对直流侧产生持续馈流；

(3)完成故障类型识别后，根据故障类型进行系统重启，若该故障为永久性故障，则立即撤销晶闸管T2的导通信号，完成线路中馈流清除并经历去游离后，利用快速隔离开关隔离故障线路；然后，重启MMC，恢复系统健全部分的供电；若该故障为瞬时性故障，则直接重启MMC，快速回复系统供电。

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