CN111431462B - 一种直流母线电容估算方法及直流母线电容估算装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一个或多个实施例公开了直流母线电容估算方法及直流母线电容估算装置，适用于逆变器驱动系统中，方法包括：在电机的正常工作状态下，在直流母线电容放电过程中，测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流；对直流母线电流进行重构；基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算。通过在电机的正常工作状态下测量，避免对电机的正常运行产生干扰，通过选择电容放电区域测量，提高估算结果的有效性，保障逆变器系统的安全可靠运行，通过采用递归最小二乘法估算电容值，提高了估算精度，更适于实际应用。

Description

一种直流母线电容估算方法及直流母线电容估算装置

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及电机的逆变器驱动系统领域，尤其涉及一种直流母线电容估算方法及直流母线电容估算装置。

背景技术

例如永磁同步电机等电机在电动汽车、风力发电等各领域有着广泛应用，对其前级驱动器的可靠性有着越来越高的要求，逆变器驱动系统的可靠性成为电机系统中最为关键的问题，而逆变器驱动系统中，又属直流母线电容的可靠性最为重要，实时监测逆变器中直流母线电容的老化状态,及时发现并更换存在缺陷的直流母线电容,对提高逆变器的可靠性具有重要意义。因此，能够对电容的健康状况及逆行准确有效的评估是极为关键的。关于直流母线电容的估算已经有了很多的研究，但是这些研究的技术大部分没有办法应用到实际工业领域。而实际工业应用中又迫切需要对电容的有效评估。

目前，有关直流母线电容的健康状况评估方式主要分为通过等效串联电阻的估算和直流母线电容值大小的估算两种评估方式。对于直流母线电容值大小的估算可以采用电容的电流公式计算，这样需要得到两个变量：直流母线电压、直流母线电流，而由于现有电机的逆变器驱动系统中通常在逆变器侧已经安装有电压电流检测装置，但在直流母线上没有相应的传感器，因此如果直接测量直流母线电压和直流母线电流需要对整体结构改造，这样工业应用难度加大，期望采用现有结构对直流母线电容值大小的估算，即直接利用逆变器侧已有的电压电流检测装置，现有技术中应用于逆变器驱动系统中的直流母线电容值估算方法，主要是依托高频注入的方式，通过逆变器输出三相电流传感器得到的信号，对直流母线电流进行重构，并通过对直流母线电压的测量，经过信号滤波处理之后得到相应注入频率的电压和电流信号后对直流母线电容及逆行估算。然而，高频注入的方式是在逆变器驱动系统正常工作时，额外注入特定频率的电压信号或者电流信号进行计算，因此属于侵入式的估算方法，而由于逆变器驱动系统通常工作在较为严格的运行工况，那么对于信号的高频注入就会对电机的运行产生影响，因此侵入式的高频注入方式无法在估算过程中保证电机系统的稳定可靠运行。

此外，传统的电容值估算方法，即采用电容的电流电压方程估算电容值时需要计算电压的变化率。但是在实际工业领域中都是采用计算机的离散数字量进行运算，因此求解电压的变化率需要至少两个采样点才能计算，那么采用传统的电流电压方程估算电容值时,因为每个点的运算都是相对独立的，那么想要达到较为理想的估算效果，需要极高的采样频率，会加大运算量，增加控制的负担，在工业应用中并不适合，同时，由于两个采样点的电容值并不一定是完全相等的，两个采样点直接的时间间隔也会造成误差，而且电压的波动也会造成电压变化率的误差，这也是通过每个点计算电容值可能出现误差的原因，这种误差的产生如果不能得到后续的优化处理，会直接代入到最后的运算结果，无法预测，因此采用传统的电流电压方程估算电容值时电容值估算精度不高。

发明内容

(一)发明目的

有鉴于此，本发明实施例提供一种直流母线电容估算方法及装置，来解决在不影响电机系统稳定正常运行的情况下，对直流母线电容进行有效估算的同时提高电容值估算精度的技术问题。

(二)技术方案

一方面，本发明实施例提供了一种直流母线电容估算方法，所述直流母线为与逆变器输入端连接的直流母线，电容为直流母线间电容，所述逆变器输出端用于驱动电机；所述方法包括以下步骤：

在电机的正常工作状态下，测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流；

根据逆变器输出侧三相电压与三相电流对直流母线电流进行重构；

基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算。

进一步的，所述基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算的步骤具体采用如下公式进行估算：

C(n)＝C(n-1)+k(n)ε(n)

其中，C(n)表示第n个采样点估算出的直流母线电容值，n大于等于1，k(n)表示增益系数，ε(n)表示估计误差；

k(n)的计算公式为：

其中P(n)表示第n个采样点的中间系数，x(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值的变化率，P(n)的计算公式为：P(n)＝P(n-1)-k(n)x(n)P(n-1)，x(n)的计算公式为：

v_DC(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值，t表示时间；

ε(n)的计算公式为：ε(n)＝y(n)-C(n-1)x(n)，

其中，y(n)表示第n个采样点测量的重构得到的直流母线电流值，y(n)的计算公式为：y(n)＝i_DC(n)。

进一步的，初始值P(0)＝0.00001，C(0)为电容标称值。

进一步的，所述测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流之前包括步骤：判断直流母线电容是否处于放电阶段；是则进入下一步，否则继续判断直流母线电容是否处于放电阶段。

进一步的，所述判断直流母线电容是否处于放电阶段的步骤包括：

通过判断直流母线电压是否处于下降的阶段判断直流母线电容是否处于放电阶段，处于下降阶段则直流母线电容处于放电阶段，否则直流母线电容没有处于放电阶段；

或者，判断直流母线电压变化率是否小于零来判断直流母线电容是否处于放电阶段，小于零则直流母线电容处于放电阶段，否则直流母线电容没有处于放电阶段。

进一步的，所述根据逆变器输出侧三相电压与三相电流对直流母线电流进行重构的步骤包括：

获得直流母线电流与逆变器输出侧三相电流的对应关系；

根据逆变器输出侧三相电压获得逆变器桥臂的开关状态。

进一步的，采用如下表达式重构得到在直流母线电容放电阶段的直流母线电流：

I_ck＝S_a·i_a+S_b·i_b+S_c·i_c+

其中，i_a、i_b、i_c为逆变器输出侧三相电流，I_dc表示重构得到的直流母线电流，S_a、S_b、S_c分别为A、B、C三相开关状态，其中，上桥臂导通时对应开关状态为1，下桥臂导通时对应开关状态为0。

另一方面，本发明实施例还提供了一种直流母线电容估算装置，所述直流母线为与逆变器输入端连接的直流母线，电容为直流母线间电容，所述逆变器输出端用于驱动电机；所述装置包括：

信号采集装置，用于在电机的正常工作状态下，测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流；

控制器，用于根据逆变器输出侧三相电压与三相电流对直流母线电流进行重构，还用于基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算。

进一步的，所述基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算的步骤具体采用如下公式进行估算：

C(n)＝C(n-1)+k(n)ε(n)

其中，C(n)表示第n个采样点估算出的直流母线电容值，n大于等于1，k(n)表示增益系数，ε(n)表示估计误差；

k(n)的计算公式为：

其中P(n)表示第n个采样点的中间系数，x(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值的变化率，P(n)的计算公式为：P(n)＝P(n-1)-k(n)x(n)P(n-1)，

x(n)的计算公式为：

v_DC(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值，t表示时间；

ε(n)的计算公式为：ε(n)＝y(n)-C(n-1)x(n)，

其中，y(n)表示第n个采样点测量的重构得到的直流母线电流值，y(n)的计算公式为：y(n)＝i_DC(n)。

进一步的，采用如下表达式重构得到在直流母线电容放电阶段的直流母线电流：

I_dc＝S_a·i_a+S_b·i_b+S_c·i_c+

其中，i_a、i_b、i_c为逆变器输出侧三相电流，I_dc表示重构得到的直流母线电流，S_a、S_b、S_c分别为A、B、C三相开关状态，其中，上桥臂导通时对应开关状态为1，下桥臂导通时对应开关状态为0。

本发明基于AC/DC/AC逆变器驱动系统的直流母线电容估算方法和装置，在正常工况下，选择放电区域测量数据以进行直流母线电流重构，简单可靠，由于测量数据是在电机的正常工作状态下，不会引入额外的电压电流信号，不会对电机的正常运行产生干扰，利用了直流母线电容充放电过程的特性，在直流母线电容放电区域，也就是单独为负载供电的过程中，对直流母线电容值进行估算，通过电容值的大小作为直流母线电容健康状况的评估依据，更有效的说明了直流母线电容的状态，保障了逆变器系统的安全可靠运行，电容值的估算由于采用递归最小二乘法，最小二乘法将每一次的估算都会进行优化，最后的估算结果比对每个点估算完后平均值要精确，同时减少采样频率及减小运算量，更适于实际应用。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明对采集数据的电压电流传感器精度要求不高，不需要过多外部设备的接入，只需要适当精度的控制器模块，即可实现直流母线的电容估算，原理简单，可靠性高，易于操作，同时摒弃了高频信号注入的系统侵入式操作，通过简单易得的电信号，可以对直流母线电容进行在线的实时估算，且由于采用递归最小二乘法，估算值更精确，达到了提高估算精度，在不影响电机系统稳定正常运行的情况下，对直流母线电容进行估算，更适于工业应用的有益效果。

附图说明

图1为本发明具体实施例提供的直流母线电容估算装置图；

图2为本发明具体实施例提供的直流母线电容电压的基本波形图；

图3为本发明具体实施例提供的SVPWM电压向量的扇区分布情况图；

图4为本发明具体实施例提供的第一扇区下相电流与直流母线电流的对应情况图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，图1是用于估算直流母线电容的估算装置整体结构图，其中，电机驱动电路连接电机M，电机驱动电路采用传统的电路结构，主要由三相交流电源e_as、e_bs、e_cs通过滤波电路L连接整流电路，整流电路连接逆变电路，逆变电路的输出端连接电机，整流电路与逆变电路间的直流母线上设置有直流母线电容。

直流母线电容估算装置包括信号采集装置、信号处理装置及控制器，信号采集装置优选为高精度的电压电流探头，也可以是电流传感器、电压传感器等，信号采集装置用于采集逆变器输出的三相电压和电流信号以及直流母线电压信号，控制器中的直流母线电流重构模块用于进行直流母线电流的重构以得到直流母线电流信号I_dc，信号处理装置，用于对重构得到的直流母线电流信号I_dc以及信号采集装置采集到的直流母线电压信号V_dc进行信号处理，控制器中的直流母线电容估算模块用于对直流母线电容值进行估算，其中优选为采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算，进一步地，本发明实施例还提供了一种评估模块，用于根据直流母线电容值对电容健康状况进行评估。

下面，结合图2-4对本发明中直流母线电流的重构原理进行介绍。

首先介绍直流母线电流重构过程的作用时间段，即重构时间段的选取。

本发明中直流母线电流的重构得到的结果其实是电流i_inv,也就是从直流母线侧向逆变器侧输出的直流电，因此在选择直流母线电流的重构区域的时候，需要选择直流母线电流i_dc＝i_inv这样的工作状态。而为了维持电机的稳定运行，需要为负载侧提供稳定的电源，但是当电容充电时，电源同时为电容充电以及为负载供电。因此，在充电区域的直流母线电流还需要考虑输入侧的三相电流，较为复杂。放电阶段，放电区域，或者是放电状态指的是电容单独为负载供电而没有源侧参与的过程，此时i_dc＝i_inv，而放电区域电流i_inv能够完全由输出侧三相电流合成得到，因此重构获得的直流母线电流能够与真实的直流母线电容电流完全对应起来。本发明通过对选择放电阶段对直流母线电流重构，以简单、准确地重构直流母线电流。

进一步地，放电阶段的判断是通过判断直流母线电压是否下降的阶段。

进一步地，放电阶段的判断是通过对直流母线电压变化率是否小于零。

如图2所示是直流母线电容电压的基本波形图，其中，T1代表了直流母线电容的充电过程，在此过程中，直流母线电压升高；T2代表了直流母线电容的放电过程，在此过程中，直流母线电压下降。重构过程中，只分析T2这部分的电容状态，即直流母线电容的放电过程，通过电容电压的下降过程，来对直流母线电容进行分析估算。

如图3所示，传统的SVPWM算法中，包括两个零矢量(V0、V7)在内一共有8个矢量V0-V7，T1、T2与图4进行对应，因为逆变器的控制采用了七段式的控制方式，那么针对某一时刻的电压矢量，将会有零矢量以及上图所示六个非零矢量中的两个进行合成，那么T1和T2就代表了两个非零矢量的作用时间，Vr即为此时刻的电压矢量。

下面，如图4所示，显示出第一扇区下相电流与直流母线电流的对应情况，分别标记3个桥臂状态，即开关状态，定义上桥臂导通时开关状态为1，下桥臂导通时开关状态为0，逆变器的8种开关状态对应图3中8个电压矢量；图4中前三条线代表了A、B、C三相开关状态，上桥臂导通时开关状态为1，下桥臂导通时开关状态为0，第四条线i_dc代表了直流母线电流的情况，可以看到开关序列与直流母线电流有着明确的对应关系，我们根据这种对应关系进行电流的重构。图4中在一个SVPWM周期内，T1时间段内电压矢量V1作用，此时，A相上桥臂开关导通，B、C相下桥臂开关导通。直流母线电流与逆变器A相正向电流相同，即i_a＝i_dc，T2时间段内电压矢量V2作用，此时，A、B相上桥臂开关导通，C相下桥臂开关导通。直流母线电流与逆变器C相反向电流相同，即i_dc＝-i_C。对于其他扇区也是如此，由此可以得到所有六个扇区下A相、B相和C相电流与直流母线电流的对应关系，如下表1所示。

表1

Id1是直流母线电流与三相电流中某一相电流相等时的直流母线电流，Id2是直流母线电流与三相电流中某一相电流相反时的直流母线电流。如图4所示，直流母线第一段不为零的时间，i_dc与i_a相等，这就是直流母线电流与三相电流中某一相电流相等时的直流母线电流，直流母线第二段不为零的时间，i_dc与-i_C相等，这就是直流母线电流与三相电流中某一相电流相反时的直流母线电流。总之，选取电容放电阶段，直流母线的电流每时每刻都会与某一相电流有关系，存在两种情况，就是等于某一相电流还是等于某一相电流的相反数。

根据这个对应关系，在SVPWM的算法下能够重构出直流母线电流。

根据三相电流与直流母线电流的对应关系，可知：

I_dc＝S_a·i_a+S_b·i_b+S_c·i_c+

上述公式中，i_a、i_b、i_c为逆变器输出侧三相电流，i_dc表示重构得到的直流母线电流，S_a、S_b、S_c分别为A、B、C三相开关状态，其中，上桥臂导通时对应开关状态为1，下桥臂导通时对应开关状态为0。

三相开关状态S_a、S_b、S_c代表各相电流在时序上的分布，本发明通过时序对三相电流i_a、i_b、i_c进行选择，得到在直流母线电容放电阶段的直流母线电流。

对直流母线电流进行重构步骤如下：

测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流。

基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算。

通过逆变器输出侧三相电压信号作为开关状态的判断，即根据逆变器输出侧三相电压信号得到三相开关状态S_a、S_b、S_c的1,0状态，三相电压信号为非零时，相应相的开关状态为1；三相电压信号为零时，相应相的开关状态为0。通过测量逆变器输出侧三相电压无需再引入额外的开关状态信号检测装置，不用增加额外测量设备。

递归最小二乘法是自适应滤波器的一种，其利用前一时刻获得的滤波器参数，根据估计误差自动调节当前时刻的参数，使得目标函数达到最小，从而实现最优滤波，本发明中利用递归最小二乘法的思想实现电容值的精确估算，得到的电容值的迭代计算公式为：

下面是具体的估算过程：

本发明中将电容的标称值C(0)作为第一个参考值，然后代入电容电压公式，即

计算出对应的电流值，将这个计算的电流值和第n个采样点测量的重构得到的直流母线电流值i_DC(n)进行比较，得出的计算误差再乘上增益系数就可以得到电容的估算值，即第一个电容估算值C(1)，再将这个电容估算值作为下一个参考值循环迭代,直至设定的运算时间或者采样点数，在循环迭代的过程中增益系数会根据当前这一次的误差情况进行更新，要是误差小增益就更新的大一些，反之则小一些。

最小二乘的好处就在于，将每一次的估算都会进行优化，最后的估算结果一定是比每个点估算完平均要精确。

将前面的迭代计算公式输入控制器计算时，采用具体的如下公式表达：

C(n)＝C(n-1)+k(n)ε(n)

其中，C(n)表示第n个采样点估算出的直流母线电容值，n大于等于1，k(n)表示增益系数，ε(n)表示估计误差；

k(n)的计算公式为：

其中P(n)表示第n个采样点的中间系数，x(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值的变化率，P(n)的计算公式为：P(n)＝P(n-1)-k(n)x(n)P(n-1)，x(n)的计算公式为：

v_DC(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值，t表示时间；

ε(n)的计算公式为：ε(n)＝y(n)-C(n-1)x(n)，

其中，y(n)表示第n个采样点测量的重构得到的直流母线电流值，y(n)的计算公式为：y(n)＝i_DC(n)。

初始值C(0)为电容标称值，标称值就是电容元件上边标注的电容大小初始值。P(n)代表第n次迭代的时候中间系数，因为刚开始的时候给定的标称值已经比较接近真实值，并且不能判断误差有多大，因此P(n)设小一点避免电容值估算结果的偏差，优选为P(0)＝0.00001。

最后根据直流母线电容值对电容健康状况进行评估。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种直流母线电容估算方法，所述直流母线为与逆变器输入端连接的直流母线，电容为直流母线间电容，所述逆变器输出端用于驱动电机；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在电机的正常工作状态下，测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流；

根据逆变器输出侧三相电压与三相电流对直流母线电流进行重构；

基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算；

所述基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算的步骤具体采用如下公式进行估算：

C(n)＝(n-1)+k(n)ε(n)

其中，C(n)表示第n个采样点估算出的直流母线电容值，n大于等于1，k(n)表示增益系数，ε(n)表示估计误差；

k(n)的计算公式为：

其中P(n)表示第n个采样点的中间系数，x(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值的变化率，P(n)的计算公式为：P(n)＝P(n-1)-k(n)x(n)P(n-1)，

x(n)的计算公式为：

v_DC(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值，t表示时间；

ε(n)的计算公式为：ε(n)＝y(n)-C(n-1)x(n)，

其中，y(n)表示第n个采样点测量的重构得到的直流母线电流值，y(n)的计算公式为：y(n)＝i_DC(n)。

2.根据权利要求1所述的直流母线电容估算方法，其特征在于，其中初始值P(0)＝0.00001，C(0)为电容标称值。

3.根据权利要求1所述的直流母线电容估算方法，其特征在于，所述测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流之前包括步骤：判断直流母线电容是否处于放电阶段；是则进入下一步，否则继续判断直流母线电容是否处于放电阶段。

4.根据权利要求3所述的直流母线电容估算方法，其特征在于，所述判断直流母线电容是否处于放电阶段的步骤包括：

通过判断直流母线电压是否处于下降的阶段判断直流母线电容是否处于放电阶段，处于下降阶段则直流母线电容处于放电阶段，否则直流母线电容没有处于放电阶段；

或者，判断直流母线电压变化率是否小于零来判断直流母线电容是否处于放电阶段，小于零则直流母线电容处于放电阶段，否则直流母线电容没有处于放电阶段。

5.根据权利要求3-4任一项所述的直流母线电容估算方法，其特征在于，所述根据逆变器输出侧三相电压与三相电流对直流母线电流进行重构的步骤包括：

获得直流母线电流与逆变器输出侧三相电流的对应关系；

根据逆变器输出侧三相电压获得逆变器桥臂的开关状态。

6.根据权利要求5所述的直流母线电容估算方法，其特征在于，采用如下表达式重构得到在直流母线电容放电阶段的直流母线电流：

I_dc＝S_a·i_a+S_b·i_b+S_c·i_c

其中，i_a、i_b、i_c为逆变器输出侧三相电流，I_dc表示重构得到的直流母线电流，S_a、S_b、S_c分别为A、B、C三相开关状态，其中，上桥臂导通时对应开关状态为1，下桥臂导通时对应开关状态为0。

7.一种直流母线电容估算装置，用于执行如权利要求1-6任一项所述的直流母线电容估算方法，所述直流母线为与逆变器输入端连接的直流母线，电容为直流母线间电容，所述逆变器输出端用于驱动电机；其特征在于，所述装置包括：

信号采集模块，用于在电机的正常工作状态下，测量直流母线电压以及逆变器输出侧三相电压、三相电流；

直流母线电容值计算模块，用于根据逆变器输出侧三相电压与三相电流对直流母线电流进行重构，还用于基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算；

所述基于直流母线电压以及重构得到的直流母线电流，采用递归最小二乘法对直流母线电容值进行估算的步骤具体采用如下公式进行估算：

C(n)＝C(n-1)+k(n)ε(n)

其中，C(n)表示第n个采样点估算出的直流母线电容值，n大于等于1，k(n)表示增益系数，ε(n)表示估计误差；

k(n)的计算公式为：

其中P(n)表示第n个采样点的中间系数，x(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值的变化率，P(n)的计算公式为：P(n)＝P(n-1)-k(n)x(n)P(n-1)，

x(n)的计算公式为：

v_DC(n)表示第n个采样点测量的直流母线电压值，t表示时间；

ε(n)的计算公式为：ε(n)＝y(n)-C(n-1)x(n)，

其中，y(n)表示第n个采样点测量的重构得到的直流母线电流值，y(n)的计算公式为：y(n)＝i_DC(n)。

8.根据权利要求7所述的直流母线电容估算装置，其特征在于，采用如下表达式重构得到在直流母线电容放电阶段的直流母线电流：

I_dc＝S_a·i_a+S_b·i_b+S_c·i_c

其中，i_a、i_b、i_c为逆变器输出侧三相电流，I_dc表示重构得到的直流母线电流，S_a、S_b、S_c分别为A、B、C三相开关状态，其中，上桥臂导通时对应开关状态为1，下桥臂导通时对应开关状态为0。

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