CN111308193A - 一种水电机组频率测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水电机组频率测量方法及系统,包括:采样水电机组的线电压信号,将所述线电压信号进行预处理,然后同步送入A通道以及B通道;其中,所述A通道用于处理残压态信号;所述B通道用于处理额定态信号;判断水电机组是否并网运行,并根据判断结果选用A通道或B通道的输出值计算水电机组频率。本发明采用双通道测频,既能采集到的残压态信号,又能采集到额定态信号,提高了系统的冗余度以及测量准确度。使用本发明的方法将提升机频信号测量的准确性,降低因机频信号受干扰造成的机组非事故停机和其他相关误动作的概率。
Description
技术领域
本发明涉及水力发电机组控制领域,具体涉及一种水电机组频率测量方法及系统。
背景技术
水轮发电机组的频率(简称机频)是其控制系统极为重要的输入信号,机组的开机、停机特别是安全都跟机频信号有着直接的联系,因此对机频信号采集的可靠程度决定了机组控制系统的性能。水电机组控制系统中的调速器、转速继电器等独立设备均需要对机频进行采样测量,机频信号在机组开机初期或停机末期时的残压呈现出低压低频特性,为了能采集到微弱的残压态信号,常规处理方法是将信号隔离后放大数十倍或上百倍,再通过电压限幅来保护后级电路。这样的处理办法虽然可以满足机频信号从残压态到额定态的测量需求,但因为较大放大系数的原因,容易将干扰信号同时放大到不可忽略的幅值,使机频测量受到严重影响,控制系统会在机组已并网状态下采集到非50Hz的频率,导致在不该停机的时候的误动作紧急停机,影响电站发电效益和考核指标。也有的设计采用双通道或多通道冗余测频,但涉及到双重表决或多重表决法,两个或多个频率值如何正确选择不易简单实现且难以适应各种情况。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题,提供一种水电机频率测量方法及系统,既能准确采集机组在开机初期或停机末期时的低压低频残压态信号,也能采集机组在并网运行状态下的额定态信号,能降低干扰信号对机频信号采集的影响,降低机组在并网状态下因为频率采集受到干扰导致的误动作紧急停机概率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种水电机组频率测量方法,包括:
采样水电机组的线电压信号,将所述线电压信号进行预处理,然后同步送入A通道以及B通道;其中,所述A通道用于处理残压态信号;所述B通道用于处理额定态信号;
判断水电机组是否并网运行,并根据判断结果选用A通道或B通道的输出值计算水电机组频率。
进一步,所述预处理包括将主电路与测量电路进行电气隔离,将所述线电压信号进行低通滤波。
进一步,在所述A通道中,将所述线电压信号依次进行K1倍放大、低通滤波、K2倍放大、低通滤波、限幅,然后转换为第一方波信号并输出;放大系数K1与放大系数K2满足:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。
进一步,在所述B通道中,将所述线电压信号依次进行K3倍放大、限幅,然后转换为第二方波信号输出;放大系数K3满足:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压。
进一步,所述低通滤波的截止频率为100Hz。
一种水电机组频率测量系统,包括:
线电压采样PT,所述线电压采样PT连接水电机组,用于采样水电机组的线电压信号;
预处理模块,所述预处理模块的输入连接所述线电压采样PT的输出,用于对采样的所述线电压信号进行预处理;
A通道,所述A通道的输入连接所述预处理模块的输出,用于将残压态的所述线电压信号依次进行放大、低通滤波、限幅,并转换为第一方波信号输出;
B通道,所述B通道的输入连接所述预处理模块的输出,用于将额定态的所述线电压信号进行放大、限幅,并转换为第二方波信号输出;
并网信号检测模块,所述并网信号检测模块的输入连接水电机组,用于采样水电机组的并网信号;
控制器,所述控制器的输入分别连接所述A通道的输出、所述B通道的输出、所述并网信号检测模块的输出,用于根据所述并网型号判断水电机组的是否并网运行,跟根据判断结果选用第一方波信号或第二方波信号计算信号频率值。
进一步,所述预处理模块包括:
电气隔离模块,所述电气隔离模块的输入连接所述线电压采样PT的输出,用于将主电路与测量电路进行电气隔离;
第一低通滤波器,所述第一低通滤波器的输入连接所述电气隔离模块的输出,所述第一低通滤波器的输出分别连接所述A通道以及所述B通道,用于对采样的线电压信号进行低通滤波。
进一步,所述A通道包括依次连接的第一放大模块、第二低通滤波器、第二放大模块、第三低通滤波器、第一限幅模块、第一方波转换模块,
所述第一放大模块的输入连接所述预处理模块的输出,用于对所述线电压信号进行K1倍放大;
所述第二低通滤波器用于对已进行K1倍放大后的线电压信号进行低通滤波;
所述第二放大模块用于对所述线电压信号进行K2倍放大;
所述第三低通滤波器用于对已进行K2倍放大后的线电压信号进行低通滤波;
所述第一限幅模块用于将滤波后的线电压信号进行限幅;
所述第一方波转换模块的输出连接所述控制器,用于将限幅后的信号转换为第一方波信号输出;
所述第一方波转换模块中预设有第一方波转换阈值电压,放大系数K1与放大系数K2满足:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。
进一步,所述B通道包括依次连接的第三放大模块、第二限幅模块、第二方波转换模块;
所述第三放大模块的输入连接所述预处理模块的输出,用于对所述线电压信号进行K3倍放大;
所述第二限幅模块用于对已进行K3倍放大后的线电压信号进行限幅;
所述第二方波转换模块的输出连接所述控制器,用于将限幅后的信号转换为第二方波信号输出;
所述第二方波转换模块中预设有第二方波转换阈值电压,放大系数K3满足:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压。
进一步,所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器、所述第三低通滤波器的截止频率均为100Hz。
进一步,所述第一方波转换模块、所述第二方波转换模块为电压迟滞比较器或带迟滞特性的施密特触发器,将经过放大以及滤波后的线电压信号转化为可供控制器上升沿捕获使用的方波信号。
进一步,所述水电机组与电网之间设有断路器,断路器设置在发电机定子与电网之间,断路器合闸则表示发电机组正在发电且已并网运行,断路器分闸则表示发电机组没发电或者并未接入电网。所述并网信号检测模块与所述断路器信号连接,用于检测所述断路器的分闸/合闸状态,以此来判断发电机组是否接入电网并网运行。当判断为发电机组未接入电网时,采用A通道的线电压信号进行频率测量;当判断为发电机组已接入电网时,采用B通道的线电压信号进行频率测量。
本发明的有益效果是:本发明采用双通道测频,提高了系统的冗余度。A通道可以保证机组在低转速时,微弱至额定值0.2%倍的机频电压信号(即残压态信号)也能被系统采集到,例如可以测量到开机初期和停机末期的低转速低电压状态下的机频信号;三级100Hz低通滤波起到对干扰信号抑制的作用,限幅起到保护带迟滞功能的电压比较器/施密特触发器的作用。B通道能采集到的最低机频信号为0.8倍的额定电压,只负责采集并网转速附近的机频信号(即额定态信号),由于其电压本身比较高,无需高倍放大即可通过比较器整形成方波信号供控制器测频使用,干扰信号不会被放大,也就不会对测频结果产生影响。再者,在机频信号电路处理过程中,使用截止频率为100Hz的低通滤波器和带迟滞功能的电压比较器或施密特触发器,进一步降低了干扰信号对后级电路的不良影响。本测频方法比常规高放大系数的电路抗干扰能力更强,频率测量更稳定。通过断路器合闸/分闸状态这一简单判断条件即可判断机组是否并网运行,从而选择对应通道的频率值作为机组频率,无需软件算法复杂的判定。使用本发明的方法将提升机频信号测量的准确性,降低因机频信号受干扰造成的机组非事故停机和其他相关误动作的概率。
附图说明
图1为本发明方法原理框图;
图2为本发明系统原理框图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、A通道,2、B通道,3、线电压采样PT,4、并网信号检测模块,5、控制器,6、预处理模块,7、电气隔离模块,8、第一低通滤波器,9、第一放大模块,10、第二低通滤波器,11、第二放大模块,12、第三低通滤波器,13、第一限幅模块,14、第一方波转换模块,15、第三放大模块,16、第二限幅模块,17、第二方波转换模块,18、断路器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
如图1所示的一种水电机组频率测量方法,包括:
采样水电机组的线电压信号,将所述线电压信号进行预处理,然后同步送入A通道1以及B通道2;其中,所述A通道1用于处理残压态信号;所述B通道2用于处理额定态信号;
判断水电机组是否并网运行,并根据判断结果选用A通道1或B通道2的输出值,采用周期测频法计算其频率值。
进一步,所述预处理包括将主电路与测量电路进行电气隔离,将所述线电压信号进行低通滤波。
进一步,在所述A通道1中,将所述线电压信号依次进行K1倍放大、低通滤波、K2倍放大、低通滤波、限幅,然后转换为第一方波信号并输出;放大系数K1与放大系数K2满足:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。
进一步,在所述B通道2中,将所述线电压信号依次进行K3倍放大、限幅,然后转换为第二方波信号输出;放大系数K3满足:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压。
进一步,所述低通滤波的截止频率为100Hz。
实际操作中,为了便于设计,本实施例将第一方波转换阈值电压与第二方波转换阈值电压设置为相同的电压值,那么有以下式子成立:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=0.8*线电压有效值*1.414*K3,经换算后得出:K3=0.0025*K1*K2,即B通道2的放大系数远小于A通道1,干扰信号不易通过B通道2,B通道2的频率信号更稳定。所以A通道1可以保证机组在低转速时,微弱至额定值0.2%倍的机频电压信号也能被系统采集到,例如可以测量到开机初期和停机末期的低转速低电压状态下的机频信号;B通道2能采集到的最低机频信号为0.8倍的额定电压,只负责采集并网转速附近的机频信号,由于其电压本身比较高,无需高倍放大即可通过比较器整形成方波信号供控制器5测频使用,干扰信号不会被放大,也就不会对测频结果产生影响。
如图2所示的一种水电机组频率测量系统,为实现上述的测量方法提供硬件条件,其包括:
线电压采样PT3,所述线电压采样PT3连接水电机组,用于采样水电机组的线电压信号;
预处理模块6,所述预处理模块6的输入连接所述线电压采样PT3的输出,用于对采样的所述线电压信号进行预处理;
A通道1,所述A通道1的输入连接所述预处理模块6的输出,用于将残压态的所述线电压信号依次进行第一次放大、低通滤波、第二次放大、低通滤波、限幅,并转换为第一方波信号输出;
B通道2,所述B通道2的输入连接所述预处理模块6的输出,用于将额定态的所述线电压信号进行放大、限幅,并转换为第二方波信号输出;
并网信号检测模块4,所述并网信号检测模块4的输入连接水电机组,用于采样水电机组的并网信号;
控制器5,所述控制器5的输入分别连接所述A通道1的输出、所述B通道2的输出、所述并网信号检测模块4的输出,用于根据所述并网型号判断水电机组的是否并网运行,跟根据判断结果选用第一方波信号或第二方波信号计算信号频率值。
进一步,所述预处理模块6包括:
电气隔离模块7,所述电气隔离模块7的输入连接所述线电压采样PT3的输出,用于将主电路与测量电路进行电气隔离;
第一低通滤波器8,所述第一低通滤波器8的输入连接所述电气隔离模块7的输出,所述第一低通滤波器8的输出分别连接所述A通道1以及所述B通道2,用于对采样的线电压信号进行低通滤波。
本实施例中,第一低通滤波器8用于抑制采样的水电机组线电压信号携带的干扰信号。
进一步,所述A通道1包括依次连接的第一放大模块9、第二低通滤波器10、第二放大模块11、第三低通滤波器12、第一限幅模块13、第一方波转换模块14,
所述第一放大模块9的输入连接所述预处理模块6的输出,用于对所述线电压信号进行K1倍放大;
所述第二低通滤波器10用于对已进行K1倍放大后的线电压信号进行低通滤波;
所述第二放大模块11用于对所述线电压信号进行K2倍放大;
所述第三低通滤波器12用于对已进行K2倍放大后的线电压信号进行低通滤波;
所述第一限幅模块13用于将滤波后的线电压信号进行限幅;
所述第一方波转换模块14的输出连接所述控制器5,用于将限幅后的信号转换为第一方波信号输出;
所述第一方波转换模块14中预设有第一方波转换阈值电压,放大系数K1与放大系数K2满足:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。
本实施例中,第二低通滤波器10、第三低通滤波器12抑制A通道11中经过放大的线电压信号中携带的干扰信号。
进一步,所述B通道2包括依次连接的第三放大模块15、第二限幅模块16、第二方波转换模块17;
所述第三放大模块15的输入连接所述预处理模块6的输出,用于对所述线电压信号进行K3倍放大;
所述第二限幅模块16用于对已进行K3倍放大后的线电压信号进行限幅;
所述第二方波转换模块17的输出连接所述控制器5,用于将限幅后的信号转换为第二方波信号输出;
所述第二方波转换模块17中预设有第二方波转换阈值电压,放大系数K3满足:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压。
进一步,所述第一低通滤波器8、所述第二低通滤波器10、所述第三低通滤波器12的截止频率均为100Hz。
实际操作中,为了便于设计,本实施例将第一方波转换阈值电压与第二方波转换阈值电压设置为相同的电压值,那么有以下式子成立:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=0.8*线电压有效值*1.414*K3,经换算后得出:K3=0.0025*K1*K2,即B通道2的放大系数远小于A通道1,干扰信号不易通过B通道2,B通道2的频率信号更稳定。所以A通道1可以保证机组在低转速时,微弱至额定值0.2%倍的残压态的机频电压信号也能被系统采集到,例如可以测量到开机初期和停机末期的低转速低电压状态下的残压态的机频信号;B通道2能采集到的最低机频信号为0.8倍的额定电压,只负责采集并网转速附近的额定态的机频信号,由于其电压本身比较高,无需高倍放大即可通过比较器整形成方波信号供控制器5测频使用,干扰信号不会被放大,也就不会对测频结果产生影响。
本实施例中,所述第一方波转换模块14、所述第二方波转换模块17为电压迟滞比较器或带迟滞特性的施密特触发器,将经过放大以及滤波后的线电压信号转化为可供控制器5上升沿捕获使用的方波信号。
本实施例中,所述水电机组与电网之间设有断路器18,断路器18设置在发电机定子与电网之间,断路器18合闸则表示发电机组正在发电且已并网运行,断路器18分闸则表示发电机组没发电或者并未接入电网。所述并网信号检测模块4与所述断路器18信号连接,用于检测所述断路器18的分闸/合闸状态,以此来判断发电机组是否接入电网并网运行。当判断为发电机组未接入电网时,采用A通道1的线电压信号进行频率测量;当判断为发电机组已接入电网时,采用B通道2的线电压信号进行频率测量。
图1为本实施例采用的方法原理框图,图2为本实施例采用的测量系统的系统原理框图。现结合图1与图2来进行原理说明。
机组线电压采样PT3采样的线电压信号经电气隔离模块7转换安全电压,再通过100Hz的第一低通滤波器8进行滤波滤除干扰信号,然后以并联方式分别同步输入到A通道1和B通道2中,A通道1和B通道2将机组线电压采样PT3采样的线电压信号整形处理之后的方波输入到控制器5中。控制器5采用周期测频法计算出两路通道的频率值。断路器18反馈的开关量信号输入到并网信号检测模块4,再进一步输入到控制器5中,如果反馈的断路器18状态为“分闸”,则控制器5采纳A通道1的频率值,如果反馈的断路器18状态为“合闸”,则控制器5采纳B通道2的频率值。
A通道1的处理过程是:机组线电压信号依次通过K1倍的第一放大模块9、100Hz的第二低通滤波器10、K2倍的第二放大模块11、100Hz的第三低通滤波器12、第一限幅模块13,最后通过第一方波转换模块14(即电压迟滞比较器)转化为可供控制器5上升沿捕获使用的第一方波信号。其中放大系数K1、放大系数K2和电压迟滞比较器之间的关系满足关系式0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。这样可以保证机组在低转速时,微弱至额定值0.2%倍的机频电压信号(即残压态信号)也能被系统采集到。三级100Hz的低通滤波器起到对干扰信号抑制的作用。第一限幅模块13起到保护电压迟滞比较器的作用。电压迟滞比较器可以由电压比较器设置成迟滞模式构成,也可通过带迟滞特性的施密特触发器构成,滞回电压设置成其额定电压的1/3倍左右。
B通道2的处理过程是:机组线电压信号依次通过K3倍的第二放大模块11、第二限幅模块16,最后通过第二方波转换模块17(即电压迟滞比较器)转化为可供控制器5上升沿捕获使用的第二方波信号。其中放大系数K3满足关系式:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压,这样可以保证机组在额定转速附近时的机频信号(即额定态信号)可以被系统采集到。将第一方波转换阈值电压与第二方波转换阈值电压设置成相同值,通过比较计算可得,K3=0.0025*K1*K2,即B通道2的放大系数远小于A通道11的放大系数,干扰信号不易通过B通道2,B通道2的频率信号更稳定。第二限幅模块16起到保护电压迟滞比较器的作用。电压迟滞比较器可以由电压比较器设置成迟滞模式构成,也可通过带迟滞特性的施密特触发器构成,滞回电压设置成其额定电压的1/3倍左右。
本发明采用双通道测频,提高了系统的冗余度。A通道1可以保证机组在低转速时,微弱至额定值0.2%倍的机频电压信号(即残压态信号)也能被系统采集到,例如可以测量到开机初期和停机末期的低转速低电压状态下的机频信号;三级100Hz低通滤波起到对干扰信号抑制的作用,限幅起到保护带迟滞功能的电压比较器/施密特触发器的作用。B通道2能采集到的最低机频信号为0.8倍的额定电压,只负责采集并网转速附近的机频信号(即额定态信号),由于其电压本身比较高,无需高倍放大即可通过比较器整形成方波信号供控制器5测频使用,干扰信号不会被放大,也就不会对测频结果产生影响。再者,在机频信号电路处理过程中,使用截止频率为100Hz的低通滤波器和带迟滞功能的电压比较器或施密特触发器,进一步降低了干扰信号对后级电路的不良影响。本测频方法比常规高放大系数的电路抗干扰能力更强,频率测量更稳定。通过断路器18合闸/分闸状态这一简单判断条件即可判断机组是否并网运行,从而选择对应通道的频率值作为机组频率,无需软件算法复杂的判定。使用本发明的方法将提升机频信号测量的准确性,降低因机频信号受干扰造成的机组非事故停机和其他相关误动作的概率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水电机组频率测量方法,其特征在于,包括:
采样水电机组的线电压信号,将所述线电压信号进行预处理,然后同步送入A通道(1)以及B通道(2);其中,所述A通道(1)用于处理残压态信号;所述B通道(2)用于处理额定态信号;
判断水电机组是否并网运行,并根据判断结果选用A通道(1)或B通道(2)的输出值计算水电机组频率。
2.根据权利要求1所述一种水电机组频率测量方法,其特征在于,所述预处理包括将主电路与测量电路进行电气隔离,将所述线电压信号进行低通滤波。
3.根据权利要求1所述一种水电机组频率测量方法,其特征在于,在所述A通道(1)中,将所述线电压信号依次进行K1倍放大、低通滤波、K2倍放大、低通滤波、限幅,然后转换为第一方波信号并输出;放大系数K1与放大系数K2满足:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。
4.根据权利要求1-3任一项所述一种水电机组频率测量方法,其特征在于,在所述B通道(2)中,将所述线电压信号依次进行K3倍放大、限幅,然后转换为第二方波信号输出;放大系数K3满足:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压。
5.根据权利要求4所述一种水电机组频率测量方法,其特征在于,所述低通滤波的截止频率为100Hz。
6.一种水电机组频率测量系统,其特征在于,包括:
线电压采样PT(3),所述线电压采样PT(3)连接水电机组,用于采样水电机组的线电压信号;
预处理模块(6),所述预处理模块(6)的输入连接所述线电压采样PT(3)的输出,用于对采样的所述线电压信号进行预处理;
A通道(1),所述A通道(1)的输入连接所述预处理模块(6)的输出,用于将残压态的所述线电压信号依次进行放大、低通滤波、限幅,并转换为第一方波信号输出;
B通道(2),所述B通道(2)的输入连接所述预处理模块(6)的输出,用于将额定态的所述线电压信号进行放大、限幅,并转换为第二方波信号输出;
并网信号检测模块(4),所述并网信号检测模块(4)的输入连接水电机组,用于采样水电机组的并网信号;
控制器(5),所述控制器(5)的输入分别连接所述A通道(1)的输出、所述B通道(2)的输出、所述并网信号检测模块(4)的输出,用于根据所述并网型号判断水电机组的是否并网运行,跟根据判断结果选用第一方波信号或第二方波信号计算信号频率值。
7.根据权利要求6所述一种水电机组频率测量系统,其特征在于,所述预处理模块(6)包括:
电气隔离模块(7),所述电气隔离模块(7)的输入连接所述线电压采样PT(3)的输出,用于将主电路与测量电路进行电气隔离;
第一低通滤波器(8),所述第一低通滤波器(8)的输入连接所述电气隔离模块(7)的输出,所述第一低通滤波器(8)的输出分别连接所述A通道(1)以及所述B通道(2),用于对采样的线电压信号进行低通滤波。
8.根据权利要求6所述一种水电机组频率测量系统,其特征在于,所述A通道(1)包括依次连接的第一放大模块(9)、第二低通滤波器(10)、第二放大模块(11)、第三低通滤波器(12)、第一限幅模块(13)、第一方波转换模块(14),
所述第一放大模块(9)的输入连接所述预处理模块(6)的输出,用于对所述线电压信号进行K1倍放大;
所述第二低通滤波器(10)用于对已进行K1倍放大后的线电压信号进行低通滤波;
所述第二放大模块(11)用于对所述线电压信号进行K2倍放大;
所述第三低通滤波器(12)用于对已进行K2倍放大后的线电压信号进行低通滤波;
所述第一限幅模块(13)用于将滤波后的线电压信号进行限幅;
所述第一方波转换模块(14)的输出连接所述控制器(5),用于将限幅后的信号转换为第一方波信号输出;
所述第一方波转换模块(14)中预设有第一方波转换阈值电压,放大系数K1与放大系数K2满足:0.002*线电压有效值*1.414*K1*K2=第一方波转换阈值电压。
9.根据权利要求6-8任一项所述的水电机组频率测量系统,其特征在于,所述B通道(2)包括依次连接的第三放大模块(15)、第二限幅模块(16)、第二方波转换模块(17);
所述第三放大模块(15)的输入连接所述预处理模块(6)的输出,用于对所述线电压信号进行K3倍放大;
所述第二限幅模块(16)用于对已进行K3倍放大后的线电压信号进行限幅;
所述第二方波转换模块(17)的输出连接所述控制器(5),用于将限幅后的信号转换为第二方波信号输出;
所述第二方波转换模块(17)中预设有第二方波转换阈值电压,放大系数K3满足:0.8*线电压有效值*1.414*K3=第二方波转换阈值电压。
10.根据权利要求9所述一种水电机组频率测量系统,其特征在于,所述第一低通滤波器(8)、所述第二低通滤波器(10)、所述第三低通滤波器(12)的截止频率均为100Hz。
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