CN113131496A - 基于能量反馈修正的储能参与调频控制器及参数配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于低惯量电力系统技术领域的一种基于能量反馈修正的储能参与调频控制器及参数配置方法。控制器的设计是在储能装置的有功输出上引入一个与储能装置能量偏差成正比的修正项；其参数配置方法为：首先，输入电力系统集总参数和允许频率最大偏差；然后，根据系统一次调频响应速度确定储能能量水平反馈强度，绘制系统最大频率偏差随储能下垂强度的变化曲线；最后，在以上变化曲线中，寻找满足频率稳定要求的临界下垂强度，进而选择合适的下垂强度。本发明实现了储能在一次调频和二次调频中的多时间尺度协调控制，降低了储能装置的容量和功率需求，显著提高了储能装置的利用率，实际应用简洁高效，工程实用性更强。

Description

基于能量反馈修正的储能参与调频控制器及参数配置方法

技术领域

本发明涉及低惯量电力系统技术领域，尤其涉及一种基于能量反馈修正的储能参与调频控制器及参数配置方法。

背景技术

电力系统是国民经济建设的重要基础设施，电力系统失稳可能导致大规模停电事故，造成巨大的经济损失，所以维持电力系统稳定性是系统运行的首要任务。近年来，为了实现低碳能源转型，实现能源与经济可持续发展，我国新能源和直流输电比例不断提高，电力系统中的同步发电机逐渐被以电力电子设备为接口的新能源和直流输电所替代。由于电力电子设备不具有类似于同步发电机的旋转惯量，所以电力系统抵御不平衡功率的能力不断下降，电力系统的频率特性不断恶化，频率稳定面临巨大的挑战。

使用储能装置参与频率调节，不失为一种有效的改善频率特性的方法。相比于传统同步发电机的一次调频，储能装置的响应速度更快，所以在适当的控制策略下，可以提高电力系统应对不平衡功率的能力，从而提高电力系统的频率稳定性。然而储能装置的容量和功率都是有限的，并且储能装置不能独立恢复自身能量水平。在这样的背景下，如何控制储能装置参与调频是一个亟需解决的问题。

在电力系统中，电力系统稳定性是指正常运行的电力系统在受到扰动后，如负荷波动、线路故障和发电机故障等，能够重新回到稳定运行状态的能力。电力系统稳定性主要分为电压稳定、频率稳定、功角稳定三类。其中频率稳定是指电力系统维持系统频率在某一范围内的能力。当频率低于某一临界频率，一些设备会相继退出运行，造成大面积停电，也就是频率崩溃。电力系统的频率反映了系统中的有功功率平衡程度。在研究频率稳定时，往往只关注系统的频率和有功功率，所以电力系统全局的频率动态特性(即电力系统惯性中心的频率动态特性)可由反映系统频率因有功功率不平衡而产生变化的等效摇摆方程和反映系统有功注入和有功消耗因频率偏差而产生变化的动态方程来刻画。

1)反映系统频率变化的摇摆方程

在现在的电力系统中，系统的频率动态特性遵循同步发电机的摇摆方程，其基本形式如下所示：

其中ω表示系统惯性中心的COI坐标下的频率偏差值，P_m，P_l分别为系统集总的有功输入偏差和有功负荷偏差。M，d分别表示系统的集总惯性时间常数和频率阻尼。

在稳态情况下，系统功率的生产与消耗相等，即P_m-P_l＝0，系统运行在频率平衡点，有ω＝0且

系统电源或者负荷的有功发生波动时，会导致功率输入输出不匹配，即P_m-P_l≠0，此时系统存在不平衡功率，这会导致

即系统频率发生变化。显然，在相同的不平衡功率下，系统的集总惯量越大，系统的频率变化率越小，系统的集总惯量越小，系统的频率变化率越大。

2)反映系统有功变化的动态方程

同步发电机调速器能够根据频率变化调节自身注入的机械功率P_m，实现系统一次调频，维持系统的频率稳定。将其建模为如下的微分方程

其中τ，α_g分别表示一次调频的响应速度和调频强度。在稳态情况下，系统频率偏差为0，系统发出的有功功率为设定值。当系统频率偏离额定值时，在一次调频控制的作用下，同步机调速器会自动调节有功功率的注入。τ表征了系统响应不平衡功率的速度快慢，τ越小，响应速度越快，反之则越慢。α_g反映了系统提供有功支撑的强度，α_g越大，在相同的频率偏差下，系统能够提供更多的有功支撑。

电力系统的惯性中心频率动态可以通过联立(1)(2)式来进行刻画。随着新能源和直流受电比例的提高，同步电机的相对占比不断下降。因为新能源和直流输电都是通过电力电子装置接入电网，不能像同步机一样天然地为系统提供旋转惯量，所以会导致系统的等效惯量下降，从而使系统在相同有功不平衡下的频率变化率增大。

此外，又因为新能源一般采用MPPT(最大功率点跟踪)控制，直流输电的功率基本也不会发生变化，所以两者在分析系统频率特性时均可看成是恒功率源，基本不参与系统频率调节，所以，在相同频率偏差下，同步发电机通过一次调频作用所能提供的有功支撑也会减小。

综上，可认为随着新能源和直流输电比例的不断提高，系统的等效惯量、一次调频强度持续下降，所以系统频率特性不断恶化，主要体现为在相同的扰动下，系统的最大频率变化率和最大频率偏差不断增大。人们的应对措施之一就是使用储能装置参与系统频率调节。传统的同步发电机参与系统一次调频都是采用的下垂控制，但因为机械环节的限制，存在一定的响应延迟，而储能装置采用电力电子装置，其控制方式多种多样，并且其响应延迟基本可以忽略。

目前储能参与调频的技术方案多采用两种控制方式：下垂控制和虚拟惯量控制。

1)下垂控制

控制储能装置输出与系统频率偏差成正比的有功。

P_s＝-α_sω (3)

2)虚拟惯量控制

控制储能装置输出与系统频率变化率成正比的有功。

m_v为储能装置的虚拟惯量。

但现有技术存在如下缺点：

1)下垂控制

储能装置采用下垂控制参与调频，对改善电力系统在频率响应过程中的频率最大偏差效果显著，但该技术只要存在频率偏差就会输出有功功率，最终体现为在一次调频结束时还在输出有功功率，在二次调频过程中输出有功功率衰减到零，没有随着频率恢复，恢复自身能量水平的过程，对储能装置容量需求较高。

2)虚拟惯量控制

储能装置采用虚拟惯量控制参与调频，只会在系统频率发生变化时输出功率，由于其输出的功率与频率的微分成正比，其消耗的总能量实际上与频率的偏差成正比，最终体现为在一次调频结束时有功功率下降为0，在二次调频结束，频率回到额定值时，储能自身能量水平也恢复到初始值。该技术方案主要改善的是电力系统在频率响应过程中的频率最大变化率，对频率最大偏差的改善效果比较有限。若只采用虚拟惯量控制以达到与只采用下垂控制相同的频率最大偏差改善效果，则会大大提高储能装置的功率需求。

对于未来的低惯量电力系统，本发明主要针对电力系统的频率稳定性问题，提出了一种基于能量反馈修正的储能参与调频控制技术，该技术在储能装置的有功输出上引入了一个与储能装置能量偏差成正比的修正项，从而使储能装置既能在频率波动过程中给予有功支撑，又能在频率恢复到额定值时自行恢复能量水平，降低了储能装置的功率和容量需求，提高了储能装置的利用率。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于能量反馈修正的储能参与调频控制器及参数配置方法。

基于能量反馈修正的储能参与调频控制器，其特征在于，在储能装置的有功输出上引入一个与储能装置能量偏差成正比的修正项，储能装置的有功输出偏差P_s表示为：

其中，m_v为储能装置的虚拟惯量；ω表示系统惯性中心的COI坐标下的频率偏差值；α_s为储能装置的下垂强度；a为能量水平负反馈强度；E为由下垂控制部分所导致的储能装置的能量水平偏差，其动态方程为

对具备基于能量反馈修正的储能参与调频控制器的储能参与调频后的电力系统频率特性分析如下：

系统的有功波动P_l(s)到系统频率偏差ω(s)的传递函数为

其中，s为复频率；M和d分别表示系统的集总惯性时间常数和频率阻尼；τ，α_g分别表示系统一次调频的响应速度和调频强度；

固定能量水平负反馈强度a＝1/τ，则上式化简为

当系统有功发生幅值为ΔP的阶跃变化时，假设功率缺失，系统的频率响应为

记

则有

记

根据Λ的阻尼情况分类分析如下：

若Λ是临界阻尼的，则

此时，储能装置的下垂强度为

记

为Λ处于临界阻尼时对应的储能装置的下垂强度，若α_s＜ζ，则Λ为欠阻尼的；若α_s＞ζ，则Λ为过阻尼的；

1)Λ欠阻尼

Λ欠阻尼，对应

记

则系统频率响应化简为

由拉普拉斯反变换求得系统频率响应的时域表达式为

其中t为响应时间；

进而求出系统频率响应与额定频率的最大偏差|ω|_max为

其中φ∈(-π/2,π/2)，且满足

2)Λ临界阻尼

Λ临界阻尼，对应

同样记

则系统频率响应简化为

由拉普拉斯反变换求得系统频率响应的时域表达式为

当系统参数满足

时，系统频率响应存在最低点，与额定频率的最大偏差为

当系统参数满足

时，不存在最低点，与额定频率的最大偏差即为稳态偏差ΔP/(d+α_g)；

3)Λ过阻尼

Λ过阻尼，对应着

记

则系统频率响应化简为

由拉普拉斯反变换求得系统频率响应的时域表达式为

当系统参数满足

时，系统频率响应存在最低点，与额定频率的最大偏差为

当系统参数满足

时，不存在最低点，与额定频率的最大偏差即为稳态偏差ΔP/(d+α_g)；

在以上控制策略下的储能装置接入电力系统后，系统频率响应在阶跃扰动下的最大偏差为：

当系统参数满足

时，

当系统参数满足

时，

基于能量反馈修正的储能参与调频控制器的参数配置方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

步骤1：输入电力系统集总参数M,d,α_g,τ和允许频率最大偏差ω₀；

步骤2：取储能的能量水平负反馈强度a＝1/τ，判断系统参数是否满足

若满足，则根据式(25)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线；若不满足，则根据式(26)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线；

步骤3：根据允许频率最大偏差ω₀，在步骤2得到的曲线中，寻找满足频率稳定要求的临界下垂强度α_s0，进而选择下垂强度

本发明的有益效果在于：

1、本发明的控制策略引入了一个与储能装置能量偏差成正比的修正项，使得储能能够同时根据自身的能量水平和系统的频率偏差来调节有功输出，在一次调频时，系统频率偏差大，自身的能量水平高，就会多输出有功以给予电网频率支撑；在二次调频时，系统频率偏差小，自身的能量水平低，就会缓慢从电网中吸收能量以恢复自身能量水平，相当于实现了储能在一次调频和二次调频中的多时间尺度协调控制；

2、本发明的控制策略相比于下垂控制、虚拟惯量控制等，可以在相同的作用效果下，降低储能装置的容量和功率需求，显著提高储能装置的利用率；

3、在本发明的控制策略下，不同的储能装置之间的功率分配可以根据自身能量水平自行调整，不需要人为干涉，有着非常高的自律性，实际应用起来，简洁高效，工程实用性更强。

附图说明

图1为电力系统频率动态传递函数控制框图；

图2为加入储能装置后的电力系统频率动态传递函数控制框图；

图3为基于能量反馈修正的储能参与调频控制器参数配置方法流程图；

图4为简化的华中电网拓扑图；

图5为简化的华中电网仿真系统图；

图6为简化的华中电网系统频率响应曲线对比图；

图7为系统阶跃扰动下的最大频率偏差随储能装置下垂强度的变化曲线；

图8为系统频率的阶跃响应曲线；

图9为储能装置的有功输出曲线；

图10为储能装置的能量偏差曲线。

具体实施方式

本发明提出一种基于能量反馈修正的储能参与调频控制器及参数配置方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

(1)基于能量反馈修正的储能参与调频控制器

从频率稳定的角度来看，目前储能的主流控制方式主要有两种，一种是下垂控制，根据系统的频率偏差，输出与偏差成正比的有功；一种是虚拟惯量控制，模仿同步电机的惯性响应，输出与系统频率变化率成正比的有功。对于储能电站群，可以认为其集总有功输出是下垂控制和虚拟惯量控制的混合，在考虑储能快速响应特性(忽略延迟)的情况下，其有功-频率动态可以写成

其中P_s为储能装置的有功输出偏差，m_v为储能装置的虚拟惯量，α_s为储能装置的下垂强度。

本发明的目的是提出一种控制器，使储能装置在参与调频过程之后其能量水平能恢复到初始值，便于后续能继续正常参与系统的调峰、调频需求，所以需要提出一种将储能装置的有功输出与其能量水平相关联的控制策略。本发明的思路就是在储能装置的有功输出上引入一个与储能装置能量偏差成正比的修正项，那么储能装置的有功输出偏差P_s可以写成

其中，E为储能装置的能量水平偏差。根据虚拟惯量控制的特性，在虚拟惯量控制方式下的储能在一次调频结束时有功功率下降为0，在二次调频结束，频率回到额定值时，储能自身能量水平也恢复到初始值，与本文发明的目的一致，所以不需要对这一部分进行修正，所以仅需要对下垂控制部分的输出进行修正，因此式(5)中的E代表的是由下垂控制部分所导致的储能装置的能量水平偏差。储能装置的由下垂控制部分所导致的能量水平偏差E的动态可以写成

(2)系统分析模型

主要分析系统在一次调频过程中的频率特性，由于二次调频时间尺度较长，对于一次调频过程基本没有影响，为了便于求解，暂时忽略系统的二次调频。则加入采用本发明技术方案控制的储能装置后，电力系统频率动态可以用如图2所示的加入储能装置后的电力系统频率动态传递函数控制框图来刻画。

(3)该控制器下储能参与调频后的电力系统频率特性分析

根据图2，系统的有功波动P_l(s)到系统频率偏差ω(s)的传递函数为

为了便于理论分析，固定能量水平负反馈强度a＝1/τ，则上式可化简为

当系统有功发生幅值为ΔP的阶跃变化时(不妨假设为功率缺失)，系统的频率响应为

为了便于分析，记

则有

一般来说，电力系统是欠阻尼的，但加入了储能装置后，系统的特性会发生变化，所以需要分情况进行讨论。

记

根据Λ的阻尼情况来进行分类讨论。

若Λ是临界阻尼的，则对应着

此时，储能装置的下垂强度大小应为

记

为Λ处于临界阻尼时对应的储能装置下垂强度大小，则若α_s＜ζ，则Λ为欠阻尼的；若α_s＞ζ，则Λ为过阻尼的。

1)Λ欠阻尼

Λ欠阻尼，对应着

记

则系统频率响应可化简为

由拉普拉斯反变换可求得系统频率响应的时域表达式为

进而可以求出系统频率响应与额定频率的最大偏差|ω|_max为

其中φ∈(-π/2,π/2)，且满足

2)Λ临界阻尼

Λ临界阻尼，对应着

同样记

则系统频率响应可化简为

由拉普拉斯反变换可求得系统频率响应的时域表达式为

对上式进行分析，可以得到，当系统参数满足

时，系统频率响应存在最低点，与额定频率的最大偏差为

当系统参数满足

时，不存在最低点，与额定频率的最大偏差即为稳态偏差ΔP/(d+α_g)。

3)Λ过阻尼

Λ过阻尼，对应着

记

则系统频率响应可化简为

由拉普拉斯反变换可求得系统频率响应的时域表达式为

对上式进行分析，可以得到，当系统参数满足

时，系统频率响应存在最低点，与额定频率的最大偏差为

当系统参数满足

时，不存在最低点，与额定频率的最大偏差即为稳态偏差ΔP/(d+α_g)。

综上所述，该控制策略下的储能装置接入电力系统后，系统频率响应在阶跃扰动下的最大偏差，可以总结如下：

当系统参数满足

时，

当系统参数满足

时，

(4)基于能量反馈修正的储能参与调频控制器参数配置方法

本发明的具体步骤实施如下：

步骤1：输入电力系统集总参数M,d,α_g,τ和允许频率最大偏差ω₀；

步骤2：取储能的能量水平负反馈强度a＝1/τ，判断系统参数是否满足

若满足，则根据式(25)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线，若不满足，则根据式(26)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线；

步骤3：根据允许频率最大偏差ω₀，在步骤2中得到的曲线中，寻找满足频率稳定要求的临界下垂强度α_s0，进而可以选择下垂强度

对应的流程图如图3所示。

(5)发明方法效果说明

用一个算例说明本发明的效果。

1)仿真系统及其参数

考虑简化华中电网，其拓扑如图4和图5所示。

首先启动仿真到达稳态。然后突然在河南节点处，使一回直流闭锁，减少+3.3775％的有功注入(如图5中黑色虚线框部分)，绘制系统的频率响应曲线。估计出系统的参数为M＝9.25,d＝3.5,α_g＝13,τ＝9.96，然后根据电力系统频率简化分析模型(图1)，绘制同样扰动下的系统频率响应曲线，如图6所示，将两者进行对比。

可见估计出的华中电网参数能够非常好地刻画系统的真实特性。

2)储能装置参与调频的实施过程及其效果

若选择，在河南节点处，一回直流闭锁，有功注入减少+3.3775％的情况下，系统的最大频率偏差不能超过0.2Hz，则按如下步骤来进行：

①判断系统参数d+α_g＝16.5>9.25/9.96＝M/τ，所以根据式(26)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线如图7所示；

②根据允许频率最大偏差ω₀＝0.2Hz，在①得到的曲线中，寻找满足频率稳定要求的临界下垂强度α_s0＝2.8952，进而可以选择下垂强度

3)储能装置参与调频的效果比较

为了体现该技术下的储能装置在一次调频结束时能完全退出，在二次调频过程中能自主恢复能量的效果，在此处的仿真中加入二次调频。同时，认为在m_v＝0的情况下，系统扰动下的最大频率变化率没有超过安全阈值。则选取该控制器下的储能参数为m_v＝0,α_s＝3,a＝1/9.96。然后调整下垂控制和虚拟惯量控制的储能，使三种控制策略下的储能参与调频后，系统在相同的扰动下具有相同的最大频率偏差。经测试，可选择下垂控制α_s′＝2.5835，虚拟惯量控制m_v＝20.3，则在三种控制策略下，系统频率的阶跃响应曲线、储能装置的有功输出曲线，储能装置的能量偏差变化曲线分别如图8，图9，图10所示。

从图8中可以看到，在该仿真系统的参数下，储能装置采用1)虚拟惯量控制，m_v＝20.3；2)下垂控制，α_s′＝2.5835；3)本发明技术方案控制(能量反馈)，m_v＝0,α_s＝3,a＝1/9.96，三种控制方法，在有功注入减少+3.3775％的阶跃扰动下，频率响应过程中出现的最大频率偏差几乎相等。

从图9中可以看到，虚拟惯量控制策略下，储能装置最大输出功率的需求是其他两种控制策略的两倍以上。另一方面，与之前的因果关系推理的结果相一致，在下垂控制策略下，只要频率未恢复到额定值，储能装置就会一直输出有功功率。在虚拟惯量控制策略下，储能装置的输出功率在故障伊始达到峰值，后迅速振荡衰减至0附近，后保持在0以下，说明进入二次调频后，储能装置开始在不影响系统频率变化趋势的前提下，开始从电网中吸收能量以恢复自身能量水平。而在本发明技术方案的控制下，储能装置的输出功率先上升至峰值，然后衰减至0，接着保持在0以下，说明进入二次调频后，储能装置同样开始从电网中吸收能量以恢复自身能量水平。另外，可以看到本发明技术方案的控制下，储能装置最大输出功率需求小于虚拟惯量控制策略，也略微小于下垂控制。

从图10中可以看到，在整个频率响应过程中，下垂控制的储能装置能量偏差不断提高，说明其无法随着频率的恢复自行恢复能量，而虚拟惯量控制和本发明技术方案控制的储能装置能量偏差在一次调频过程中达到峰值，后随着频率的恢复逐渐回到初始水平，说明这两种控制方式下，储能装置可以自行恢复能量水平。所以这两种控制策略下，储能的容量需求就比下垂控制的储能能量需求小得多，但也可以看到在本发明方案下，储能的容量需求比虚拟惯量控制更低。

综上所述，在面对相同的扰动，系统最大频率偏差相等的情况下，本发明技术方案控制下的储能装置，能够实现在一次调频结束时有功输出衰减为0，在二次调频过程中自主恢复能量的效果，并且其对功率和容量的需求均低于传统的下垂控制和虚拟惯量控制。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于能量反馈修正的储能参与调频控制器，其特征在于，在储能装置的有功输出上引入一个与储能装置能量偏差成正比的修正项，储能装置的有功输出偏差P_s表示为：

其中，m_v为储能装置的虚拟惯量；ω表示系统惯性中心的COI坐标下的频率偏差值；α_s为储能装置的下垂强度；a为能量水平负反馈强度；E为由下垂控制部分所导致的储能装置的能量水平偏差，其动态方程为

2.根据权利要求1所述的基于能量反馈修正的储能参与调频控制器，其特征在于，对具备基于能量反馈修正的储能参与调频控制器的储能参与调频后的电力系统频率特性分析如下：

系统的有功波动P_l(s)到系统频率偏差ω(s)的传递函数为

其中，s为复频率；M和d分别表示系统的集总惯性时间常数和频率阻尼；τ，α_g分别表示系统一次调频的响应速度和调频强度；

固定能量水平负反馈强度a＝1/τ，则上式化简为

当系统有功发生幅值为ΔP的阶跃变化时，假设功率缺失，系统的频率响应为

记

则有

记

根据Λ的阻尼情况分类分析如下：

若Λ是临界阻尼的，则

此时，储能装置的下垂强度为

记

为Λ处于临界阻尼时对应的储能装置的下垂强度，若α_s＜ζ，则Λ为欠阻尼的；若α_s＞ζ，则Λ为过阻尼的；

1)Λ欠阻尼

Λ欠阻尼，对应

记

则系统频率响应化简为

由拉普拉斯反变换求得系统频率响应的时域表达式为

其中t为响应时间；

进而求出系统频率响应与额定频率的最大偏差|ω|_max为

其中φ∈(-π/2,π/2)，且满足

2)Λ临界阻尼

Λ临界阻尼，对应

同样记

则系统频率响应简化为

由拉普拉斯反变换求得系统频率响应的时域表达式为

当系统参数满足

时，系统频率响应存在最低点，与额定频率的最大偏差为

当系统参数满足

时，不存在最低点，与额定频率的最大偏差即为稳态偏差ΔP/(d+α_g)；

3)Λ过阻尼

Λ过阻尼，对应着

记

则系统频率响应化简为

由拉普拉斯反变换求得系统频率响应的时域表达式为

当系统参数满足

时，系统频率响应存在最低点，与额定频率的最大偏差为

当系统参数满足

时，不存在最低点，与额定频率的最大偏差即为稳态偏差ΔP/(d+α_g)；

在以上控制策略下的储能装置接入电力系统后，系统频率响应在阶跃扰动下的最大偏差为：

当系统参数满足

时，

当系统参数满足

时，

3.一种权利要求1所述的基于能量反馈修正的储能参与调频控制器的参数配置方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

步骤1：输入电力系统集总参数M,d,α_g,τ和允许频率最大偏差ω₀；

步骤2：取储能的能量水平负反馈强度a＝1/τ，判断系统参数是否满足

若满足，则根据式(21)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线；若不满足，则根据式(22)绘制系统最大频率偏差|ω|_max随储能下垂强度α_s的变化曲线；

步骤3：根据允许频率最大偏差ω₀，在步骤2得到的曲线中，寻找满足频率稳定要求的临界下垂强度α_s0，进而选择下垂强度

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