CN111077471B - 基于瞬时频率的npc三电平逆变器开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法，涉及电力电器故障诊断领域。该方法通过采集逆变器网侧的三相输出电流，利用加权滑动希尔伯特变换法估计其瞬时频率，结合理论瞬时频率，构建瞬时频率残差值，求瞬时频率残差值的均值；根据逆变器网侧的三相输出电流，求出归一化电流周期均值，用瞬时频率残差值的均值、电流周期均值与设定的故障阈值比较判断其故障类型及种类。本技术发明可以很好的克服数据段之间的“飞翼效应”，实现基于三相输出电流对单个功率开关管进行开路故障诊断。

Description

基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法。

背景技术

由于NPC型三电平逆变器具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，因此广泛应用在风能、太阳能等新能源发电领域。然而，由于NPC型三电平逆变器采用了较多的功率开关器件，且长期运行在高温、大电流及高压状态下，因此NPC型三电平逆变器的功率开关器件故障率较高，可靠性较低。为了确保NPC型三电平逆变器的安全可靠的运行，要求对逆变器的功率开关器件的故障诊断及时且准确率高，这样将会使得维修人员及时对故障的功率开关器件进行修理或更换，减少由于功率开关故障带来的经济损失。

NPC型三电平逆变器的功率开关器件的故障可以分为两种故障，开路故障和短路故障。短路故障电流较大且故障发生时间较短，目前技术很难诊断，所以往往在功率开关器件电路中加入快速熔丝，发生短路故障时，熔丝立马被熔断，短路故障便转化为开路故障去诊断处理。当功率开关器件发生开路故障时，故障现象不易被察觉，若某个功率开关器件长期处于开路故障下，其他功率开关器件会发生过电流，接着会导致功率开关器件的发热和绝缘损坏，导致整个NPC三电平逆变器系统的崩溃。同时单个功率开关管发生开路故障的现象最为常见，因此，对单个功率开关管的开路诊断变得尤为重要。

当前对NPC型三电平逆变器的开路故障诊断方法可分为以下几种：

1、电流Park矢量法以及平均电流Park矢量法，可同时检测出功率开关管开路故障并定位，但显然，基于Park矢量轨迹的故障诊断，必须结合复杂的模式识别方法才能实现，不利于算法集成。

2、电流矢量瞬时频率法，可以检测功率开关管开路故障，但不能识别故障功率开关管的位置。

3、专家系统法，基于经验累积，查询知识库即可判断故障类型缺。点在于难以穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态与功率开关管正常工作时的某种状态非常相似，造成难以准确匹配故障。

发明内容

本发明的目的是要解决上述现有技术中存在的问题，具体的，利用加权滑动希尔伯特变换法，消除数据段之间的“飞翼效应”，准确获得三相输出电流的瞬时频率

克服NPC型三相逆变器输入端电流幅值以及频率的扰动，并结合相电流均值法直接基于三相输出电流对单个开关管进行开路故障诊断。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法，该诊断方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源U_dc、主逆变电路和3个相同的负载电阻；

所述主逆变电路包括2个相同的支撑电容和三相桥臂，所述2个相同的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，所述三相桥臂中，每相桥臂包括4个带反向并联二极管的开关管和2个箝位二极管，即三相桥臂共包括12个带反向并联二极管的开关管和6个箝位二极管，12个开关管分别记为V_je，其中j表示相序，j＝a,b,c，e表示开关管的序号，e＝1,2,3,4，6个二极管分别记为D_jg，其中g表示箝位二极管的序号，g＝1,2；所述3个相同的负载电阻分别记为负载电阻R1、负载电阻R2和负载电阻R3；

所述支撑电容C1和支撑电容C2串联后连接在直流电源U_dc的直流正母线P与直流负母线Q之间，支撑电容C1、支撑电容C2的公共节点记为点O；所述三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管V_a1、V_b1、V_c1的输入端并联后连接直流正母线P，开关管V_a4、V_b4、V_c4的输出端并联后连接直流负母线Q；在三相桥臂中，开关管V_a1、开关管V_a2、开关管V_a3和V_a4顺序串联,开关管V_b1、开关管V_b2、开关管V_b3和V_b4顺序串联，开关管V_c1、开关管V_c2、开关管V_c3和V_c4顺序串联；

二极管D_a1、D_b1、D_c1的阳极并联后连接点O，二极管D_a1的阴极连接开关管V_a1的输出端，二极管D_b1的阴极连接开关管V_b1的输出端，二极管D_c1的阴极连接开关管V_c1的输出端；二极管D_a2、D_b2、D_c2的阴极并联后连接点O，二极管D_a2的阳极连接开关管V_a3的输出端，二极管D_b2的阳极连接开关管V_b3的输出端，二极管D_c2的阳极连接开关管V_c3的输出端；

负载电阻R1的输入端连接开关管V_a2的输出端，负载电阻R2的输入端连接开关管V_b2的输出端，负载电阻R3的输入端连接开关管V_c2的输出端，负载电阻R1、负载电阻R2、负载电阻R3的输出端并联后接地；

本开路故障诊断方法的步骤如下：

步骤1，通过采样获得一个采样周期内NPC三电平逆变器三相输出电流并记为三相输出电流i_jh，j＝a,b,c，h表示第h次采样得到的样本，h＝1,2,...N,N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数；

步骤2，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流i_jh的瞬时频率并记为瞬时频率

j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

步骤3，先根据步骤2得到的瞬时频率

求出三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|，然后根据三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|计算得到三相相电流频率残差的绝对值的均值并记为均值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|的计算式如下：

其中，f为正常运行情况下逆变器三相输出电流理论瞬时频率；

均值μ_j的计算式如下：

步骤4，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，归一化后得到三相输出电流i_jh的周期均值并记为周期均值ν_j，j＝a,b,c：

其中，i_{jh max}为三相输出电流i_jh的幅值；

步骤5，首先设定以下三个故障检测阈值：频率残差均值检测阈值μ₁、第一相电流周期均值检测阈值ν₁和第二相电流周期均值检测阈值ν₂，然后将均值μ_j、周期均值ν_j与三个故障检测阈值进行比较，并根据比较结果对单个开关管开路故障发生状态进行诊断，具体诊断如下：

当μ_a＝0且ν_a＝0或者μ_b＝0且ν_b＝0或者μ_c＝0且ν_c＝0，则无开路故障；

当μ_a＞μ₁且-ν₂＜ν_a＜-ν₁，则V_a1发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν_a＜-ν₂，则V_a2发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₂＜ν_a，则V_a3发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₁＜ν_a＜ν₂，则V_a4发生故障；

当μ_b＞μ₁且-ν₂＜ν_b＜-ν₁，则V_b1发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν_b＜-ν₂，则V_b2发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₂＜ν_b，则V_b3发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₁＜ν_b＜ν₂，则V_b4发生故障；

当μ_c＞μ₁且-ν₂＜ν_c＜-ν₁，则V_c1发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν_c＜-ν₂，则V_c2发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₂＜ν_c，则V_c3发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₁＜ν_c＜ν₂，则V_c4发生故障。

优选地，所述步骤2中通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流i_jh的瞬时频率

的计算过程如下：

设对三相输出电流i_jh进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口为L个，将L个滑动窗口中的任意一个记为滑动窗口S_q，其中q为滑动窗户的序列号，q＝1,2...,L,其中L＝N/K,K为滑动窗口的步长；

用滑动窗口S_q采集三相输出电流i_jh的片段并记为电流序列X_q(t)，则与电流序列X_q(t)对应的三相输出电流i_jh的瞬时频率

的计算式如下：

其中，t为时间；M为电流序列X_q(t)的长度；r为第(q-M/K+1)个滑动窗口到第q个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂...,c_M/K]；Y_q(t)为对电流序列X_q(t)进行希尔伯特变换得到的复解析信号的虚部函数，

P为柯西主值，τ为时间常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、利用加权滑动希尔伯特变换法对网侧瞬时频率进行估计，可以消除数据段之间的“飞翼效应”带来的误差，实现了时间序列的连续光滑的频谱分析，更加准确的求出三相输出电流的瞬时频率

2、很好地克服NPC型三电平逆变器输入端电流幅值以及频率的扰动；

3、基于加权滑动希尔变换法求出的三相输出电流的瞬时频率

和电流均值法求出的三相输出电流的周期均值ν_j相结合，实现了直接基于三相输出电流的特征对功率开关管故障的检测以及定位。

附图说明

图1是本发明基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法流程图；

图2是本发明实施例中NPC三电平逆变器的拓扑图；

图3是本发明实施例中采样获得的电流样本的仿真波形图；

图4是本发明实施例中三相输出电流i_jh的瞬时频率

的仿真波形图；

图5是本发明实施例中三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|的仿真波形图；

图6是本发明实施例中三相相电流频率残差的绝对值的均值μ_j的仿真波形图；

图7是本发明实施例中三相输出电流i_jh的周期均值ν_j的仿真波形图；

图8是本发明实施例中的故障诊断结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

图2是本发明实施例中NPC三电平逆变器的拓扑图。由图2可见，本开路故障诊断方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源U_dc、主逆变电路和3个相同的负载电阻。

所述主逆变电路包括2个相同的支撑电容和三相桥臂，所述2个相同的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，所述三相桥臂中，每相桥臂包括4个带反向并联二极管的开关管和2个箝位二极管，即三相桥臂共包括12个带反向并联二极管的开关管和6个箝位二极管，12个开关管分别记为V_je，其中j表示相序，j＝a,b,c，e表示开关管的序号，e＝1,2,3,4，6个二极管分别记为D_jg，其中g表示箝位二极管的序号，g＝1,2；所述3个相同的负载电阻分别记为负载电阻R1、负载电阻R2和负载电阻R3。

所述支撑电容C1和支撑电容C2串联后连接在直流电源U_dc的直流正母线P与直流负母线Q之间，支撑电容C1、支撑电容C2的公共节点记为点O；所述三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管V_a1、V_b1、V_c1的输入端并联后连接直流正母线P，开关管V_a4、V_b4、V_c4的输出端并联后连接直流负母线Q；在三相桥臂中，开关管V_a1、开关管V_a2、开关管V_a3和V_a4顺序串联,开关管V_b1、开关管V_b2、开关管V_b3和V_b4顺序串联，开关管V_c1、开关管V_c2、开关管V_c3和V_c4顺序串联。

二极管D_a1、D_b1、D_c1的阳极并联后连接点O，二极管D_a1的阴极连接开关管V_a1的输出端，二极管D_b1的阴极连接开关管V_b1的输出端，二极管D_c1的阴极连接开关管V_c1的输出端；二极管D_a2、D_b2、D_c2的阴极并联后连接点O，二极管D_a2的阳极连接开关管V_a3的输出端，二极管D_b2的阳极连接开关管V_b3的输出端，二极管D_c2的阳极连接开关管V_c3的输出端。

负载电阻R1的输入端连接开关管V_a2的输出端，负载电阻R2的输入端连接开关管V_b2的输出端，负载电阻R3的输入端连接开关管V_c2的输出端，负载电阻R1、负载电阻R2、负载电阻R3的输出端并联后接地。

本发明实施时的有关电气参数设置如下：逆变器输入测直流电压U_dc＝400V，频率残差均值检测阈值μ₁＝0.18、第一相电流周期均值检测阈值ν₁＝0.2和第二相电流周期均值检测阈值ν₂＝0.3。

图1是本发明基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法流程图，由该图可见，本发明开路故障诊断方法的步骤如下：

步骤1，通过采样获得一个采样周期内NPC三电平逆变器三相输出电流并记为三相输出电流i_jh，j＝a,b,c，h表示第h次采样得到的样本，h＝1,2,...N,N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数。

步骤2，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流i_jh的瞬时频率并记为瞬时频率

j＝a,b,c，h＝1,2,...N。

具体计算过程如下：

设对三相输出电流i_jh进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口为L个，将L个滑动窗口中的任意一个记为滑动窗口S_q，其中q为滑动窗户的序列号，q＝1,2...,L,其中L＝N/K,K为滑动窗口的步长；

用滑动窗口S_q采集三相输出电流i_jh的片段并记为电流序列X_q(t)，则与电流序列X_q(t)对应的三相输出电流i_jh的瞬时频率

的计算式如下：

其中，t为时间；M为电流序列X_q(t)的长度；r为第(q-M/K+1)个滑动窗口到第q个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂...,c_M/K]；Y_q(t)为对电流序列X_q(t)进行希尔伯特变换得到的复解析信号的虚部函数，

P为柯西主值，τ为时间常数。

步骤3，先根据步骤2得到的瞬时频率

求出三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|，然后根据三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|计算得到三相相电流频率残差的绝对值的均值并记为均值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|的计算式如下：

其中，f为正常运行情况下逆变器三相输出电流理论瞬时频率；

均值μ_j的计算式如下：

步骤4，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，归一化后得到三相输出电流i_jh的周期均值并记为周期均值ν_j，j＝a,b,c：

其中，i_{jh max}为三相输出电流i_jh的幅值；

步骤5，首先设定以下三个故障检测阈值：频率残差均值检测阈值μ₁、第一相电流周期均值检测阈值ν₁和第二相电流周期均值检测阈值ν₂，然后将均值μ_j、周期均值ν_j与三个故障检测阈值进行比较，并根据比较结果对单个开关管开路故障发生状态进行诊断，具体诊断如下：

当μ_a＝0且ν_a＝0或者μ_b＝0且ν_b＝0或者μ_c＝0且ν_c＝0，则无开路故障；

当μ_a＞μ₁且-ν₂＜ν_a＜-ν₁，则V_a1发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν_a＜-ν₂，则V_a2发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₂＜ν_a，则V_a3发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₁＜ν_a＜ν₂，则V_a4发生故障；

当μ_b＞μ₁且-ν₂＜ν_b＜-ν₁，则V_b1发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν_b＜-ν₂，则V_b2发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₂＜ν_b，则V_b3发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₁＜ν_b＜ν₂，则V_b4发生故障；

当μ_c＞μ₁且-ν₂＜ν_c＜-ν₁，则V_c1发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν_c＜-ν₂，则V_c2发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₂＜ν_c，则V_c3发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₁＜ν_c＜ν₂，则V_c4发生故障。

通过仿真对该开路故障诊断方法进行了验证。

图3为本发明实施例中采样获得的电流样本的仿真波形图，由该图可见，在0.1秒之后，三相输出电流i_jh波形发生了较大的改变，A相电流幅值为负的部分完全丢失，BC两相的电流幅值微微变化。图4为本发明实施例中三相输出电流i_jh的瞬时频率

的仿真波形图，由该图可见，0.1秒之后，瞬时频率

由50HZ变为围绕50HZ上下起伏的状态，其中A相起伏幅度最大。图5为本发明实施例三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|的仿真波形图，由该图可见，0.1秒之后，三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|由0变为上下起伏的状态，其中A相起伏幅度最大，BC两相起伏幅度较小。图6是本发明实施例中三相相电流频率残差的绝对值的均值μ_j的仿真波形图，由该图可见，0.1秒之后均值μ_j变为正数，其中A相的均值μ_a为0.5左右，BC两相均值μ_b、μ_c均低于0.18。图7是本发明实施例中三相输出电流i_jh的周期均值ν_j的仿真波形图,由该图可见，0.1秒之后，A相周期均值ν_a由0变为了0.32，BC两相周期均值ν_b、ν_c都由0变为了-0.16，则μ_a>μ₁且ν₂<ν_a,则判断功率开关管V_a3发生故障。图8是本发明实施例中的故障诊断结果图，由该图可见，故障诊断结果图显示0.1秒后功率开关管V_a3发生了开路故障。

Claims (1)

1.一种基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法，该诊断方法涉及的NPC三电平逆变器的拓扑结构包括直流电源U_dc、主逆变电路和3个相同的负载电阻；

所述主逆变电路包括2个相同的支撑电容和三相桥臂，所述2个相同的支撑电容分别记为支撑电容C1和支撑电容C2，所述三相桥臂中，每相桥臂包括4个带反向并联二极管的开关管和2个箝位二极管，即三相桥臂共包括12个带反向并联二极管的开关管和6个箝位二极管，12个开关管分别记为V_je，其中j表示相序，j＝a,b,c，e表示开关管的序号，e＝1,2,3,4，6个二极管分别记为D_jg，其中g表示箝位二极管的序号，g＝1,2；所述3个相同的负载电阻分别记为负载电阻R1、负载电阻R2和负载电阻R3；

所述支撑电容C1和支撑电容C2串联后连接在直流电源U_dc的直流正母线P与直流负母线Q之间，支撑电容C1、支撑电容C2的公共节点记为点O；所述三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管V_a1、V_b1、V_c1的输入端并联后连接直流正母线P，开关管V_a4、V_b4、V_c4的输出端并联后连接直流负母线Q；在三相桥臂中，开关管V_a1、开关管V_a2、开关管V_a3和V_a4顺序串联,开关管V_b1、开关管V_b2、开关管V_b3和V_b4顺序串联，开关管V_c1、开关管V_c2、开关管V_c3和V_c4顺序串联；

二极管D_a1、D_b1、D_c1的阳极并联后连接点O，二极管D_a1的阴极连接开关管V_a1的输出端，二极管D_b1的阴极连接开关管V_b1的输出端，二极管D_c1的阴极连接开关管V_c1的输出端；二极管D_a2、D_b2、D_c2的阴极并联后连接点O，二极管D_a2的阳极连接开关管V_a3的输出端，二极管D_b2的阳极连接开关管V_b3的输出端，二极管D_c2的阳极连接开关管V_c3的输出端；

负载电阻R1的输入端连接开关管V_a2的输出端，负载电阻R2的输入端连接开关管V_b2的输出端，负载电阻R3的输入端连接开关管V_c2的输出端，负载电阻R1、负载电阻R2、负载电阻R3的输出端并联后接地；

其特征在于，本开路故障诊断方法的步骤如下：

步骤1，通过采样获得一个采样周期内NPC三电平逆变器三相输出电流并记为三相输出电流i_jh，j＝a,b,c，h表示第h次采样得到的样本，h＝1,2,...N,N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数；

步骤2，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，通过加权滑动希尔伯特变换法得到三相输出电流i_jh的瞬时频率并记为瞬时频率

计算过程如下：

设对三相输出电流i_jh进行加权滑动希尔伯特变换的滑动窗口为L个，将L个滑动窗口中的任意一个记为滑动窗口S_q，其中q为滑动窗户的序列号，q＝1,2...,L,其中L＝N/K,K为滑动窗口的步长；

用滑动窗口S_q采集三相输出电流i_jh的片段并记为电流序列X_q(t)，则与电流序列X_q(t)对应的三相输出电流i_jh的瞬时频率

的计算式如下：

其中，t为时间；M为电流序列X_q(t)的长度；r为第(q-M/K+1)个滑动窗口到第q个滑动窗口中的任一个窗口；C为用于加权求和运算的高斯序列,C＝[c₁,c₂...,c_M/K]；Y_q(t)为对电流序列X_q(t)进行希尔伯特变换得到的复解析信号的虚部函数，

P为柯西主值，τ为时间常数；

步骤3，先根据步骤2得到的瞬时频率

求出三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|，然后根据三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|计算得到三相相电流频率残差的绝对值的均值并记为均值μ_j，j＝a,b,c，h＝1,2,...N；

三相输出电流瞬时频率残差值的绝对值|err_jh|的计算式如下：

其中，f为正常运行情况下逆变器三相输出电流理论瞬时频率；

均值μ_j的计算式如下：

步骤4，根据步骤1得到的三相输出电流i_jh，归一化后得到三相输出电流i_jh的周期均值并记为周期均值ν_j，j＝a,b,c：

其中，i_jhmax为三相输出电流i_jh的幅值；

步骤5，首先设定以下三个故障检测阈值：频率残差均值检测阈值μ₁、第一相电流周期均值检测阈值ν₁和第二相电流周期均值检测阈值ν₂，然后将均值μ_j、周期均值ν_j与三个故障检测阈值进行比较，并根据比较结果对单个开关管开路故障发生状态进行诊断，具体诊断如下：

当μ_a＝0且ν_a＝0或者μ_b＝0且ν_b＝0或者μ_c＝0且ν_c＝0，则无开路故障；

当μ_a＞μ₁且-ν₂＜ν_a＜-ν₁，则V_a1发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν_a＜-ν₂，则V_a2发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₂＜ν_a，则V_a3发生故障；

当μ_a＞μ₁且ν₁＜ν_a＜ν₂，则V_a4发生故障；

当μ_b＞μ₁且-ν₂＜ν_b＜-ν₁，则V_b1发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν_b＜-ν₂，则V_b2发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₂＜ν_b，则V_b3发生故障；

当μ_b＞μ₁且ν₁＜ν_b＜ν₂，则V_b4发生故障；

当μ_c＞μ₁且-ν₂＜ν_c＜-ν₁，则V_c1发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν_c＜-ν₂，则V_c2发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₂＜ν_c，则V_c3发生故障；

当μ_c＞μ₁且ν₁＜ν_c＜ν₂，则V_c4发生故障。

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