CN111404582A - 即插即用的物联网电力宽带载波hplc系统 - Google Patents

即插即用的物联网电力宽带载波hplc系统 Download PDF

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CN111404582A
CN111404582A CN202010216806.XA CN202010216806A CN111404582A CN 111404582 A CN111404582 A CN 111404582A CN 202010216806 A CN202010216806 A CN 202010216806A CN 111404582 A CN111404582 A CN 111404582A
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coaxial cable
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叶丹
孙侃
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Abstract

本申请涉及一种即插即用的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，包括：分类单元，用于对智能配电网中的元件划分为电力线、新能源系统和在线电力设备；建模单元，用于对分类单元确定的元件分别建立其对物联网电力宽带载波系统的噪声模型；抗扰单元，用于根据建立的噪声模型相应地消除对应元件对物联网电力宽带载波系统的噪声影响。

Description

即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统
技术领域
本申请涉及下一代信息网络产业技术领域，尤其涉及一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC(High-speed Power Line Carrier，高速电力线载波)系统。
背景技术
HPLC是高速电力线载波，也称为宽带电力线载波，是在低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术。宽带电力线载波通信网络则是以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。宽带电力线载波主要采用了正交频分复用(OFDM)技术，频段使用2MHz-12MHz。与传统的低速窄带电力线载波技术而言，HPLC技术具有带宽大、传输速率高，可以满足低压电力线载波通信更高的需求。
图1示出了电力线信道噪声幅频特性图，可以看出电力线信道是非线性时变，快速衰落系统，对信道时延估计，突发噪声干扰消除是一项具有极大挑战性的工作，高数据率需高信噪比，对在无线通信中运行良好的OFOM技术来讲，常规的HPLC不能可靠工作。
噪声特性是影响载波通信信号传输的重要因素之一。传统配电网的噪声主要由有色背景噪声和脉冲造成组成。比较智能配电网与传统配电网可得出的结论是：由于各种基于电力电子设备的大量应用，前者与电网频率同步噪声的来源将远多于后者，其影响程度也更为严重。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统。
根据本申请实施例，提供了一种即插即用的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，包括：
分类单元，用于对智能配电网中的元件划分为电力线、新能源系统和在线电力设备；
建模单元，用于对分类单元确定的元件分别建立其对物联网电力宽带载波系统的噪声模型；
抗扰单元，用于根据建立的噪声模型相应地消除对应元件对物联网电力宽带载波系统的噪声影响。
优选地，所述分类单元确定电力线为同轴电缆，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型。
优选地，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型包括：
设置衰减常数
Figure BDA0002424685760000021
设置相位常数
Figure BDA0002424685760000022
其中，R0、C0、L0分别是同轴电缆单位长度的电阻、电容、电感，ω是电网基波的角频率，α表示信号沿同轴电缆传播时幅值衰减的大小，β表示信号同轴电缆传输时相位变化的大小。
优选地，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型还包括：
设置
Figure BDA0002424685760000023
设置
Figure BDA0002424685760000024
设置
Figure BDA0002424685760000025
其中，r、R、ε分别为同轴电缆的内导体的半径、外屏蔽层的内半径、中间绝缘介质层的等效介电常数；ρ1、ρ2分别为同轴电缆的内导体和外屏蔽层的电阻率；μ1、μ2分别为同轴电缆的内导体和外屏蔽层的磁导率；f为交流电的频率。
优选地，所述分类单元确定新能源系统为LCL滤波电路，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型。
优选地，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型包括：
设置滤波电容
Figure BDA0002424685760000031
设置逆变器侧电感
Figure BDA0002424685760000032
设置电网侧电感Lg＝kLf；
设置阻尼电阻
Figure BDA0002424685760000033
其中，λI、PN分别为LCL滤波电路中的滤波电容无功功率比例、额定有功功率；ω、UN分别是电网基波的角频率和基波电压有效值；Udc为直流侧电压、fk、λ2为LCL滤波电路中的开关器件的开关频率、滤波电感纹波电流与系统额定电流比例、ILf为逆变器交流测额定工作电流；fres为LCL滤波电路的谐振频率。
优选地，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型还包括：
设置
Figure BDA0002424685760000034
优选地，所述分类单元确定在线电力设备为异步电机，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型。
优选地，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型包括：
设置电机的单个相带高频阻抗模型包括绕组间的匝间电容Cwe、统组和铁心的电阻等效成Rwe、漏感等效成Lwe、绕组与电机外壳间的电容等效成Cce、绕组与电机外壳间的等效电阻为Rce；
Rwe与Lwe串联为第一支路；
Cwe为第一支路，第一支路与第二支路并联，两个并联点构成输入端；
Cce与Rce串联为两个第三支路，分别连接两个并联点，其另一端构成输出端。
优选地，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型还包括：
设置电机的全部相带高频阻抗模型包括多个所述单个相带高频阻抗模型并联而成。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明提供了一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统，通过对智能配电网中的元件进行分析，发现主要存在三种不同噪声类型的设备，分别是电力线、新能源系统和在线电力设备，并通过对这三种设备分别建立不同的噪声模型，以实现相应地抗扰措施，从而显著降低了智能配电网中的噪声干扰，实现了即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一个示例性实施例示出的一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图；
图2示出了根据一个示例性实施例示出的同轴电缆的示意图；
图3示出了根据一个示例性实施例示出的LCL滤波电路的示意图；
图4示出了根据一个示例性实施例示出的异步电机模型单个相带高频阻抗模型的示意图；
图5示出了根据一个示例性实施例示出的异步电机模型全部相带高频阻抗模型的示意图；
图6是根据一个示例性实施例示出的一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图；
图7示出了根据一个示例性实施例示出的噪声来源的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不只是所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征值“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1是根据一个示例性实施例示出的一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图，如图所示，包括：
分类单元10，用于对智能配电网中的元件划分为电力线、新能源系统和在线电力设备；
建模单元20，用于对分类单元确定的元件分别建立其对物联网电力宽带载波系统的噪声模型；
抗扰单元30，用于根据建立的噪声模型相应地消除对应元件对物联网电力宽带载波系统的噪声影响。
比较智能配电网与传统配电网可得出的结论是：由于各种基于电力电子设备的大量应用，前者与电网频率同步噪声的来源将远多于后者，其影响程度也更为严重。而本实施例通过对智能配电网中的元件进行分析，发现主要存在三种不同噪声类型的设备，分别是电力线、新能源系统和在线电力设备，并通过对这三种设备分别建立不同的噪声模型，以实现相应地抗扰措施，从而显著降低了智能配电网中的噪声干扰，实现了即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统。
优选地，所述分类单元确定电力线为同轴电缆，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型。
输电线路显然是智能配电网中最重要的元件之一，根据当前的智能配电网的施工时间来看，在城市当中，同轴电缆已经应用得最为普及。本优选实施例针对同轴电缆来建立噪声模型，从而具有很好的应用范围，能够更好地抑制同轴电缆噪声。
图2示出了根据一个示例性实施例示出的同轴电缆的示意图。
优选地，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型包括：
设置衰减常数
Figure BDA0002424685760000061
设置相位常数
Figure BDA0002424685760000062
其中，R0、C0、L0分别是同轴电缆单位长度的电阻、电容、电感，ω是电网基波的角频率，α表示信号沿同轴电缆传播时幅值衰减的大小，β表示信号同轴电缆传输时相位变化的大小。
优选地，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型还包括：
设置
Figure BDA0002424685760000071
设置
Figure BDA0002424685760000072
设置
Figure BDA0002424685760000073
其中，r、R、ε分别为同轴电缆的内导体的半径、外屏蔽层的内半径、中间绝缘介质层的等效介电常数；ρ1、ρ2分别为同轴电缆的内导体和外屏蔽层的电阻率；μ1、μ2分别为同轴电缆的内导体和外屏蔽层的磁导率；f为交流电的频率。
发明人利用上述建模在多个城市的同轴电缆施工当中，对HPLC系统进行了测试，发现测试得到的噪声情况与上述建立的同轴电缆模型高度一致，从而在后续的噪声分析和抑制中，利用该噪声模型取得了很好的通信效果，大幅降低了误码率。
优选地，所述分类单元确定新能源系统为LCL滤波电路，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型。
光伏发电系统如今成为了新能源系统的一个重要方向，在智能配电网中占据了越来越高的比例。发明人对光伏发电系统进行分析，发现光伏发电系统通过逆变器接入到配电网中，而逆变器中的高频开关器件工作时，会产生大量的谐波分量，这些谐波进入电网后，造成严重的噪声污染，严重影响电网环境，因此通常会要在逆变器与配电网之间接入滤波器。
图3示出了根据一个示例性实施例示出的LCL滤波电路的示意图。在实践当中，光伏发电系统通常采用如图3所示的LCL滤波器，而本实施例通过对该LCL滤波器进行噪声建模，从而很好地降低了LCL滤波器的噪声干扰。
优选地，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型包括：
设置滤波电容
Figure BDA0002424685760000081
设置逆变器侧电感
Figure BDA0002424685760000082
设置电网侧电感Lg＝kLf；
设置阻尼电阻
Figure BDA0002424685760000083
其中，λI、PN分别为LCL滤波电路中的滤波电容无功功率比例、额定有功功率，λI优选限制在5％以内；ω、UN分别是电网基波的角频率和基波电压有效值；Udc为直流侧电压、fk、λ2为LCL滤波电路中的开关器件的开关频率、滤波电感纹波电流与系统额定电流比例、ILf为逆变器交流测额定工作电流，λ2优选为15％～25％；fres为LCL滤波电路的谐振频率。
优选的，谐振频率fres的取值为10倍电网基波频率f至1/2开关频率fk，即：
设置
Figure BDA0002424685760000084
发明人通过大量实践，发现该频率段的谐波电流含量少，谐波的幅值较小同时可以避开逆变器的开关频率。
优选地，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型还包括：
设置
Figure BDA0002424685760000091
根据上述建模得到的LCL滤波器，可以在HPLC系统中很好地阻断高频载波信号，即无论光伏发电系统工作于何种模式下，都不会对电网侧载波信号产生干扰。
优选地，所述分类单元确定在线电力设备为异步电机，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型。
现在各种智能家电设备当中，异步电机应用得非常普及，本优选实施例通过对异步电机建立噪声模型，从而有利于显著降低具有异步电机的智能设备对HPLC系统的干扰。
图4示出了根据一个示例性实施例示出的异步电机模型单个相带高频阻抗模型的示意图，如图所示，优选地，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型包括：
设置电机的单个相带高频阻抗模型包括绕组间的匝间电容Cwe、统组和铁心的电阻等效成Rwe、漏感等效成Lwe、绕组与电机外壳间的电容等效成Cce、绕组与电机外壳间的等效电阻为Rce；
Rwe与Lwe串联为第一支路；
Cwe为第一支路，第一支路与第二支路并联，两个并联点构成输入端；
Cce与Rce串联为两个第三支路，分别连接两个并联点，其另一端构成输出端。
异步电机的模型较复杂，在低频情况下，电流流过电机的定子绕组，则电机的阻抗主要由电子绕组电阻和漏抗，励磁阻抗，转子绕组电阻和漏抗，以及机械负载决定。在高频情况下，趋肤效应明显，导致绕组的电阻不再是固定值，将随着频率变化而变化。同时，绕组间的寄生电容等也将不能忽略。这些因素都将改变电机的阻抗模型。发明人进行了大量实验，经过分析，图4所示的等效电路很好地模拟了异步电机的单个相带高频阻抗，因此利用该噪声模型可以显著地提高HPLC系统的通信质量。
图5示出了根据一个示例性实施例示出的异步电机模型全部相带高频阻抗模型的示意图，优选地，如图5所示，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型还包括：
设置电机的全部相带高频阻抗模型包括多个所述单个相带高频阻抗模型并联而成。
图5中的L1、L2、L3分别用于对异步电机的三相绕组进行噪声建模，能够很好地模拟整个异步电机的相带高频阻抗，因此利用该噪声模型可以显著地提高HPLC系统的通信质量。
图6是根据一个示例性实施例示出的一种即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统的示意图；如图所示，包括：
分析单元15，用于对智能配电网中的噪声来源根据波形特征划分为背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声；
建模单元25，用于对分析单元确定的噪声来源分别建立其对物联网电力宽带载波系统的噪声模型；
抗扰单元35，用于根据建立的噪声模型相应地消除对应元件对物联网电力宽带载波系统的噪声影响。
比较智能配电网与传统配电网可得出的结论是：由于各种基于电力电子设备的大量应用，前者与电网频率同步噪声的来源将远多于后者，其影响程度也更为严重。而本实施例通过对智能配电网中的噪声波形进行分析，发现主要存在三种不同噪声来源，分别是背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声，并通过对这三种噪声来源分别建立不同的噪声模型，以实现相应地抗扰措施，从而显著降低了智能配电网中的噪声干扰，实现了即插即用的物联网电力宽带载波HPLC系统。
图7示出了根据一个示例性实施例示出的噪声来源的示意图。如图所示，优选的，所述分析单元确定脉冲噪声包括周期脉冲噪声和随机脉冲噪声。
如图7所示，优选的，所述分析单元确定周期脉冲噪声包括：与电网频率同步的周期脉冲噪声、与电网频率异步的周期脉冲噪声。
由于各种基于电力电子设备的大量应用，相比于传统的配电网络，智能配电网的噪声中与电网频率同步的周期脉冲噪声的影响要严重的多。因此，下面从该类噪声的来源出发建立噪声模型。
优选的，所述分析单元确定由可控硅整流器产生与电网频率同步的周期脉冲噪声，其在一个工频周期内导通和关断各一次，因此产生2个脉冲噪声。
优选的，所述建模单元对可控硅整流器SCR产生的与电网频率同步的周期脉冲噪声建立SCR噪声模型。
优选的，所述建模单元对可控硅整流器产生的与电网频率同步的周期脉冲噪声建立SCR噪声模型包括：
设置
Figure BDA0002424685760000111
n(t)为单个脉冲噪声的时间函数，t为时刻，A为脉冲的幅值，τ为衰减的时间常数，f为脉冲频率，
Figure BDA0002424685760000112
为初始相位。
上述实施例以正弦信号的形式表达了与电网频率同步的周期脉冲噪声的噪声模型。
优选的，所述建模单元对可控硅整流器产生的与电网频率同步的周期脉冲噪声建立SCR噪声模型包括：
设置
Figure BDA0002424685760000113
Figure BDA0002424685760000114
n(t)为单个脉冲噪声的时间函数，t为时刻，topen为导通时刻，tclose为关断时刻，Aopen为脉冲导通段的幅值，Aclose为脉冲关断段的幅值，τ为衰减的时间常数，f为脉冲频率，
Figure BDA0002424685760000121
为导通初始相位，
Figure BDA0002424685760000122
为关断初始相位。
上述实施例表达了与电网频率同步的周期脉冲噪声在一个工频周期内的噪声模型。
优选的，所述建模单元对可控硅整流器产生的与电网频率同步的周期脉冲噪声建立SCR噪声模型包括：
设置
Figure BDA0002424685760000123
Figure BDA0002424685760000124
n(t)为单个脉冲噪声的时间函数，t为时刻，topen为导通时刻，tclose为关断时刻，Aopen为脉冲导通段的幅值，Aclose为脉冲关断段的幅值，τopen为导通段衰减的时间常数，τclose为关断段衰减的时间常数，f为脉冲频率，
Figure BDA0002424685760000125
为导通初始相位，
Figure BDA0002424685760000126
为关断初始相位，n＝0,1,2…，T为工频信号的周期。
上述实施例表达了与电网频率同步的周期脉冲噪声在整个时间域内的噪声模型。
优选的，所述建模单元对可控硅整流器产生的与电网频率同步的周期脉冲噪声建立SCR噪声模型包括：
设置
Figure BDA0002424685760000131
Figure BDA0002424685760000132
电网内接入m个可控硅整流器，n(t)为单个脉冲噪声的时间函数，t为时刻，topen为导通时刻，tclose为关断时刻，Aopen为脉冲导通段的幅值，Aclose为脉冲关断段的幅值，τopen为导通段衰减的时间常数，τclose为关断段衰减的时间常数，f为脉冲频率，
Figure BDA0002424685760000133
为导通初始相位，
Figure BDA0002424685760000134
为关断初始相位，n＝0,1,2…，T为工频信号的周期。
智能配电网内有可能同时接入多个SCR，上述实施例表达了当接入m个SCR时，与电网频率同步的周期脉冲噪声在整个时间域内的噪声模型。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种即插即用的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，包括：
分类单元，用于对智能配电网中的元件划分为电力线、新能源系统和在线电力设备；
建模单元，用于对分类单元确定的元件分别建立其对物联网电力宽带载波系统的噪声模型；
抗扰单元，用于根据建立的噪声模型相应地消除对应元件对物联网电力宽带载波系统的噪声影响。
2.根据权利要求1所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述分类单元确定电力线为同轴电缆，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型。
3.根据权利要求2所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型包括：
设置衰减常数
Figure FDA0002424685750000011
设置相位常数
Figure FDA0002424685750000012
其中，R0、C0、L0分别是同轴电缆单位长度的电阻、电容、电感，ω是电网基波的角频率，α表示信号沿同轴电缆传播时幅值衰减的大小，β表示信号同轴电缆传输时相位变化的大小。
4.根据权利要求3所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述建模单元对同轴电缆建立同轴电缆模型还包括：
设置
Figure FDA0002424685750000013
设置
Figure FDA0002424685750000014
设置
Figure FDA0002424685750000021
其中，r、R、ε分别为同轴电缆的内导体的半径、外屏蔽层的内半径、中间绝缘介质层的等效介电常数；ρ1、ρ2分别为同轴电缆的内导体和外屏蔽层的电阻率；μ1、μ2分别为同轴电缆的内导体和外屏蔽层的磁导率；f为交流电的频率。
5.根据权利要求1所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述分类单元确定新能源系统为LCL滤波电路，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型。
6.根据权利要求5所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型包括：
设置滤波电容
Figure FDA0002424685750000022
设置逆变器侧电感
Figure FDA0002424685750000023
设置电网侧电感Lg＝kLf；
设置阻尼电阻
Figure FDA0002424685750000024
其中，λI、PN分别为LCL滤波电路中的滤波电容无功功率比例、额定有功功率；ω、UN分别是电网基波的角频率和基波电压有效值；Udc为直流侧电压、fk、λ2为LCL滤波电路中的开关器件的开关频率、滤波电感纹波电流与系统额定电流比例、ILf为逆变器交流测额定工作电流；fres为LCL滤波电路的谐振频率。
7.根据权利要求6所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述建模单元对LCL滤波电路建立LCL滤波电路模型还包括：
设置
Figure FDA0002424685750000031
8.根据权利要求1所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述分类单元确定在线电力设备为异步电机，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型。
9.根据权利要求8所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型包括：
设置电机的单个相带高频阻抗模型包括绕组间的匝间电容Cwe、统组和铁心的电阻等效成Rwe、漏感等效成Lwe、绕组与电机外壳间的电容等效成Cce、绕组与电机外壳间的等效电阻为Rce；
Rwe与Lwe串联为第一支路；
Cwe为第一支路，第一支路与第二支路并联，两个并联点构成输入端；
Cce与Rce串联为两个第三支路，分别连接两个并联点，其另一端构成输出端。
10.根据权利要求9所述的物联网电力宽带载波系统，其特征在于，所述建模单元对异步电机建立异步电机模型还包括：
设置电机的全部相带高频阻抗模型包括多个所述单个相带高频阻抗模型并联而成。
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