CN110061509B - 一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统，包括以下步骤：1)根据输入到换流站的有功功率和无功功率的实测值、换流站的有功功率和无功功率的参考值，计算变压器阀侧电流参考值的d轴和q轴分量；2)计算桥臂热稳定电流参考值；3)若桥臂热稳定电流参考值越过桥臂热稳定电流限值，则将变压器分接头降低1档并返回1)；否则进入4)；4)计算换流器输出交流电压的d轴及q轴分量；5)计算换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值；6)根据换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值和直流端口电压计算换流站调制比；7)判断调制比是否在稳态范围内，根据判断结果进行变压器调档。本发明可广泛应用于柔性直流系统领域。

Description

一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统

技术领域

本发明涉及柔性直流领域，特别是关于一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流系统由于可向无源负荷供电、有功功率和无功功率独立可控、开关损耗低等特点成为高电压大容量直流输电的重要发展方向。与传统高压直流输电系统相比，基于电压源换流器的柔性直流系统的工作原理完全不同，传统高压直流输电系统中变压器的有载调压控制策略已不适用。

近年来，柔性直流系统中变压器通常采用定阀侧电压的有载调压控制策略。该控制策略的目的是将变压器阀侧空载电压控制在额定值。但是，该策略中确定档位的稳定范围较小，易造成变压器的有载调压开关随着交流母线电压的波动而频繁动作，使得已有柔性直流工程因为交流母线电压频繁波动而导致有载调压开关烧毁。此外，该控制策略仅通过调制比在稳态范围内调节实现无功功率的调节，因此换流站的无功调节能力较弱。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法及系统，解决了换流站无功调节能力弱，以及常用控制策略带来的有载调压开关随交流母线电压的波动而频繁动作问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其包括以下步骤：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p、无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值p_ref、无功功率参考值q_ref，计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref；

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref；

3)将桥臂热稳定电流参考值i_rmsref与桥臂热稳定电流限制i_rmsmax进行比较，若桥臂热稳定电流参考值i_rmsref越过桥臂热稳定电流限值i_rmsmax，则将变压器分接头降低1档，并返回步骤1)；否则进入步骤4)；

4)根据换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref；

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref；

6)根据换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref和直流端口电压u_dc，计算得到换流站的调制比M；

7)判断调制比M是否在稳态范围内，并根据判断结果对变压器分接头进行调档。

进一步的，所述步骤1)中，所述变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref的计算公式为：

式中：k_pd和k_id分别为外环有功功率控制的比例系数和积分系数；k_pq和k_iq分别为外环无功功率控制的比例系数和积分系数。

进一步的，所述步骤2)中，所述桥臂热稳定电流参考值i_rmsref的计算公式为：

进一步的，所述步骤4)中，根据换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref的方法，包括以下步骤：

4.1)对换流站交流母线电压实测值u_s进行Dq变换，得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq；

4.2)对变压器阀侧电流实测值i进行Dq变换，得到变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

4.3)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref。

进一步的，所述步骤4.3)中，所述换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref的计算公式为：

式中，k_p1和k_i1分别内环电流控制中d轴控制的比例系数和积分系数；k_p2和k_i2分别内环电流控制中q轴控制的比例系数和积分系数，L为等值到变压器阀侧的换流器电抗，ω为当前角速度。

进一步的，所述步骤5)中，所述换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref的计算公式为：

进一步的，所述步骤6)中，所述换流站的调制比M的计算公式为：

进一步的，所述步骤7)中，根据判断结果对变压器分接头进行调档的方法为：

若计算得到的换流站的调制比M在稳态调制比的范围[M_min,M_max]内，则变压器分接头调档结束，其中，M_min为最小调制比，M_max为最大调制比；

若M＞M_max，则变压器的分接头升高1档，并返回步骤1)；

若M＜M_min，则变压器的分接头降低1档，并返回步骤1)。

一种柔性直流系统中变压器有载调压控制系统，其包括：

采集单元，用于采集输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及直流端口电压实测值u_dc；

外环控制单元，用于根据所述采集单元所采集的输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，以及调度下发的换流站有功功率参考值p_ref和无功功率参考值q_ref，输出变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref；

桥臂热稳定电流计算和判断单元，用于根据所述外环控制单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算桥臂热稳定电流参考值i_rmsref，并判断i_rmsref是否越过桥臂热稳定电流限值i_rmsmax，如果越过则执行变压器降低1档指令，直到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref小于桥臂热稳定电流限值i_rmsmax；

Dq变换单元，用于对所述采集单元所采集的换流站交流母线电压实测值u_s和变压器阀侧电流实测值i进行Dq变换,得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

内环电流控制单元，用于根据所述桥臂热稳定电流计算和判断单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，以及所述Dq变换单元输出的换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq、变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref；

调制比计算和判断单元，用于根据所述内环电流控制单元输出的交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算换流器输出交流电压的参考值u_ac1ref，进而根据所述采集单元所采集的直流端口电压u_dc，计算调制比M；并判断调制比M是否在稳态范围[M_min,M_max]内，并根据判断结果对变压器进行调档。

进一步的，所述调制比计算和判断单元根据判断结果对变压器进行调档时：

当调制比M在稳态调制比的范围[M_min,M_max]内，则变压器分接头调档结束，其中，M_min为最小调制比，M_max为最大调制比；

若M＞M_max，则变压器的分接头升高档位，直到低于最大调制比M_max；

若M＜M_min，则变压器的分接头降低档位，直到高于最小调制比M_min。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、采用本发明的变压器有载分接开关仅在调制比达到限值仍不能实现功率的跟随时才动作，与定阀侧电压策略中变压器有载分接开关随换流站交流母线电压的波动而变化，调制比随无功功率指令的变化而变化相比，本发明的策略动作频次较低；2采用本发明的换流站除了可通过调制比调节无功功率外，还可通过变压器的分接开关调节无功功率，与定阀侧电压策略相比，采用本发明的换流站具有更大的无功提供和消耗能力。基于以上优点，本发明可以广泛应用于基于电压源换流器的柔性直流系统中。

附图说明

图1是本发明采用的柔性直流系统中变压器有载调压控制方法流程图；

图2是典型柔性直流系统的接线示意图；

图3是本发明采用的柔性直流系统中变压器有载调压控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，当换流站的有功功率和无功功率参考值发生变化时，在保证桥臂热稳定电流不越限的前提下，先调节调制比，且若调制比没有越限则调节过程结束，若调制比越限则调节分接开关后再调节调制比。具体的，包括以下步骤：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p、无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值p_ref、无功功率参考值q_ref，计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref。计算公式如下：

式中：k_pd和k_id分别为外环有功功率控制的比例系数和积分系数；k_pq和k_iq分别为外环无功功率控制的比例系数和积分系数。

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref，计算公式为：

3)将桥臂热稳定电流参考值i_rmsref与桥臂热稳定电流限制i_rmsmax进行比较，若桥臂热稳定电流参考值i_rmsref越过桥臂热稳定电流限值i_rmsmax，则将变压器分接头降低1档，并返回步骤1)；否则进入步骤4)；

4)根据换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref。

具体的，包括以下步骤：

4.1)对换流站交流母线电压实测值u_s进行Dq变换，得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq；

4.2)对变压器阀侧电流实测值i进行Dq变换，得到变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

4.3)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算公式为：

式中，k_p1和k_i1分别内环电流控制中d轴控制的比例系数和积分系数；k_p2和k_i2分别内环电流控制中q轴控制的比例系数和积分系数，L为等值到变压器阀侧的换流器电抗，ω为当前角速度。

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref，计算公式为：

6)根据换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref和直流端口电压u_dc，计算得到换流站的调制比M。计算公式如下：

7)判断调制比M是否在稳态范围内，并根据判断结果对变压器分接头进行调档，具体的调节方法为：

若计算得到的换流站的调制比M在调制比的稳态范围[M_min,M_max]内，则变压器分接头调档结束，其中，M_min为最小调制比，M_max为最大调制比；

若M＞M_max，则变压器的分接头升高1档，并返回步骤1)；

若M＜M_min，则变压器的分接头降低1档，并返回步骤1)。

实施例：

以图2所示的柔性直流换流站为例，对本发明方法做进一步详细说明。本实施例中，额定直流端口电压±420kV，额定传输功率1250MW，变压器变比为525kV/437.23kV，桥臂热稳定电流限值i_rmsmax＝1.05kA，稳态调制比最小值M_min＝0.75，稳态调制比最大值M_max＝0.95。正常运行时，换流站交流母线电压U_ac＝525kV，换流站的有功功率参考值P_ref＝1250MW，无功功率参考值Q_ref＝-515Mvar，变压器处于0档。之后，换流站交流母线电压降低到U_ac＝500kV，换流站的有功功率指令和无功功率指令不变。

本发明的变压器有载调压控制策略如下：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值p_ref和无功功率参考值q_ref，按照式(1)计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref；

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，按照式(2)计算得到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref＝1.057kA；

3)桥臂热稳定电流i_rmsref＝1.057kA，大于桥臂热稳定电流限值1.05kA，则变压器分接头降低1档，转入步骤1)；重复步骤1)～步骤3)，直到得到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref＝1.046kA，低于桥臂热稳定电流限值，进入步骤4)。

4)根据换流站交流母线电压实测值u_s和变压器阀侧电流实测值i，进行dq变换得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q。然后，根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，根据式(3)计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref。

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref和q轴分量u_qref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref＝487.90kV；

6)根据换流器输出交流电压的参考值u_ac1ref＝487.90kV和直流端口电压u_dc＝840kV，计算得到调制比M＝0.9485；

7)判断发现调制比M在稳态范围0.75～0.95内，变压器分接头调档结束。

如图3所示，本发明还提供一种柔性直流系统中变压器有载调压控制系统，其包括采集单元、外环功率控制单元、桥臂热稳定电流计算和判断单元、Dq变换单元、内环电流控制单元、调制比计算和判断单元。其中：

采集单元用于采集输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及直流端口电压实测值u_dc。

外环控制单元用于根据采集单元所采集的输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，以及调度下发的换流站有功功率参考值p_ref和无功功率参考值q_ref，输出变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref；

桥臂热稳定电流计算和判断单元用于根据外环控制单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算桥臂热稳定电流参考值i_rmsref，并判断i_rmsref是否越过桥臂热稳定电流限值i_rmsmax，如果越过则执行变压器降低1档指令，直到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref小于桥臂热稳定电流限值i_rmsmax；

Dq变换单元用于对采集单元所采集的换流站交流母线电压实测值u_s和变压器阀侧电流实测值i进行dq变换,得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

内环电流控制单元用于根据桥臂热稳定电流计算和判断单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，Dq变换单元输出的换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref；

调制比计算和判断单元用于根据内环电流控制单元输出的交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算换流器输出交流电压的参考值u_ac1ref，进一步根据采集单元所采集的直流端口电压u_dc，计算调制比M；并判断调制比M是否在稳态范围[M_min,M_max]内，并根据判断结果对变压器进行调档：若计算得到的换流站的调制比M在稳态调制比的范围[M_min,M_max]内，则变压器分接头调档结束；若M＞M_max，则变压器的分接头升高档位，直到低于最大限值M_max；若M＜M_min，则变压器的分接头降低档位，直到高于最小限值M_min。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据输入到换流站的有功功率实测值p、无功功率实测值q、换流站的有功功率参考值p_ref、无功功率参考值q_ref，计算得到变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref；

2)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref；

3)将桥臂热稳定电流参考值i_rmsref与桥臂热稳定电流限值 i_rmsmax进行比较，若桥臂热稳定电流参考值i_rmsref越过桥臂热稳定电流限值i_rmsmax，则将变压器分接头降低1档，并返回步骤1)；否则进入步骤4)；

4)根据换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref；

5)根据换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算得到换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref；

6)根据换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref和直流端口电压u_dc，计算得到换流站的调制比M；

7)判断调制比M是否在稳态范围内，并根据判断结果对变压器分接头进行调档。

2.如权利要求1所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref的计算公式为：

式中：k_pd和k_id分别为外环有功功率控制的比例系数和积分系数；k_pq和k_iq分别为外环无功功率控制的比例系数和积分系数。

3.如权利要求1所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述桥臂热稳定电流参考值i_rmsref的计算公式为：

4.如权利要求1所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，根据换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref的方法，包括以下步骤：

4.1)对换流站交流母线电压实测值u_s进行Dq变换，得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq；

4.2)对变压器阀侧电流实测值i进行Dq变换，得到变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

4.3)根据变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref。

5.如权利要求4所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤4.3)中，所述换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref的计算公式为：

式中，k_p1和k_i1分别内环电流控制中d轴控制的比例系数和积分系数；k_p2和k_i2分别内环电流控制中q轴控制的比例系数和积分系数，L为等值到变压器阀侧的换流器电抗，ω为当前角速度。

6.如权利要求1所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述换流器输出交流电压基波分量参考值的有效值u_ac1ref的计算公式为：

7.如权利要求1所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，所述换流站的调制比M的计算公式为：

8.如权利要求1所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，根据判断结果对变压器分接头进行调档的方法为：

若计算得到的换流站的调制比M在稳态调制比的范围[M_min,M_max]内，则变压器分接头调档结束，其中，M_min为最小调制比，M_max为最大调制比；

若M＞M_max，则变压器的分接头升高1档，并返回步骤1)；

若M＜M_min，则变压器的分接头降低1档，并返回步骤1)。

9.一种适用于如权利要求1～8任一项所述方法的柔性直流系统中变压器有载调压控制系统，其特征在于其包括：

采集单元，用于采集输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，换流站交流母线电压实测值u_s、变压器阀侧电流实测值i以及直流端口电压实测值u_dc；

外环控制单元，用于根据所述采集单元所采集的输入到换流站的有功功率实测值p和无功功率实测值q，以及调度下发的换流站有功功率参考值p_ref和无功功率参考值q_ref，输出变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref；

桥臂热稳定电流计算和判断单元，用于根据所述外环控制单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，计算桥臂热稳定电流参考值i_rmsref，并判断i_rmsref是否越过桥臂热稳定电流限值i_rmsmax，如果越过则执行变压器降低1档指令，直到桥臂热稳定电流参考值i_rmsref小于桥臂热稳定电流限值i_rmsmax；

Dq变换单元，用于对所述采集单元所采集的换流站交流母线电压实测值u_s和变压器阀侧电流实测值i进行Dq变换,得到换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，以及变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

内环电流控制单元，用于根据所述桥臂热稳定电流计算和判断单元输出的变压器阀侧电流参考值的d轴分量i_dref和q轴分量i_qref，以及所述Dq变换单元输出的换流站交流母线电压实测值的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq、变压器阀侧电流实测值的d轴分量i_d和q轴分量i_q，计算得到换流器输出交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref；

调制比计算和判断单元，用于根据所述内环电流控制单元输出的交流电压参考值的d轴分量u_dref及q轴分量u_qref，计算换流器输出交流电压的参考值u_ac1ref，进而根据采集单元所采集的直流端口电压u_dc，计算调制比M；并判断调制比M是否在稳态范围[M_min,M_max]内，并根据判断结果对变压器进行调档。

10.如权利要求9所述的一种柔性直流系统中变压器有载调压控制系统，其特征在于：所述调制比计算和判断单元根据判断结果对变压器进行调档时：

当调制比M在稳态调制比的范围[M_min,M_max]内，则变压器分接头调档结束，其中，M_min为最小调制比，M_max为最大调制比；

若M＞M_max，则变压器的分接头升高档位，直到低于最大调制比M_max；

若M＜M_min，则变压器的分接头降低档位，直到高于最小调制比M_min。

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