CN113131506B - 抑制lcc-hvdc系统后续换相失败的定关断角控制方法及稳定器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种抑制LCC‑HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法：获取β_invC、β_invG、Δβ_inv以及V₀；比较β_invC与β_invG的关系，判定逻辑变量L₁的输出值；预设V_0th和Δβ_th；比较V₀与V_0th、Δβ_inv与Δβ_th的大小，判定逻辑变量L₂的输出值；将L₁和L₂的输出值经逻辑运算后输入数值选择器，数值选择器选取并输出γ′_lim1或γ′_lim2中的一个为预设值γ′_lim；将γ′_lim通过一阶低通滤波器进行滤波处理赋值后得到关断角误差限制值γ_lim；通过γ_lim修正直流首次换相失败后输入到定关断角控制系统中的γ′_err，直至LCC‑HVDC系统恢复定关断角控制。

Description

抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法及稳 定器

技术领域

本申请涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法及稳定器。

背景技术

传统电网换相高压直流输电系统(LCC-HVDC系统)是基于电网换相的电流源型直流输电技术，具有输送容量大、传输损耗低、输电功率调节和反转迅速、非同步联络能力强等优势，以及控制灵活、可实现异步联网的特点，在远距离大容量输电领域得到广泛应用。由于LCC-HVDC系统采用的半控型晶闸管仅依靠电网电压恢复其阻断能力，过渡期内电网“强直弱交”，换相失败问题也变得更为突出。换相失败往往伴随着直流电流突增和功率暂降，这会缩短换流阀使用寿命，造成交流电网功角振荡、继保装置误动作等不良后果，后续多次的换相失败还会导致换流阀闭锁，严重威胁了我国交直流电网的安全稳定运行。

一般，首次换相失败对系统造成的影响不大，通过采取恰当的措施，换流阀是有可能在短时换相失败后恢复正常换相的。但若首次换相失败无法得到及时抑制，还易演变成后续换相失败，对送、受端电网造成巨大有功、无功冲击，进一步导致换流站发生闭锁等一系列连锁故障，对电力系统的安全运行带来严峻挑战。因此如何避免在故障期间发生后续换相失败，减少反复多次换相失败对交直流系统的冲击这一问题，亟待解决。

后续换相失败是控制系统与功率电路相互作用的结果，与首次换相失败相比，其发生受到多种因素影响，如直流电流的骤升，关断角的瞬时下降和换流电压的骤降等。目前采用换相失败预防控制(CFPREV)来增大关断角从而抑制后续换相失败，当CFPREV判断系统发生换相失败后，通过提前输出触发角整定值增大换相裕度，从而抑制换相失败。虽然该措施一定程度上提高了系统换相失败的防御能力，但由于故障发生到换相失败发生的间隔时间只有几毫秒，CFPREV的响应速度对换相失败的影响很大，使得换相失败的问题一般还是难以避免。

为提高输电的稳定性和电网的安全运行水平，必须采取有效措施，保证高压直流输电系统的正常运行。因此研究一种抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的方法意义重大。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法及稳定器，以加快LCC-HVDC系统在故障期间恢复为定关断角控制的速度。

本申请采用的技术方案如下：

一种抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，包括以下步骤：

获取定电流控制器输出的触发超前角β_invC、定关断角控制输出的触发超前角β_invG、关断角控制裕度Δβ_inv以及零序电压分量幅值V₀；

通过比较定电流控制器输出的触发超前角β_invC与定关断角控制输出的触发超前角β_invG的关系，判定逻辑变量L₁的输出值；

预设零序电压分量幅值阈值V_0th和关断角控制裕度阈值Δβ_th；

通过比较V₀与阈值V_0th、Δβ_inv与阈值Δβ_th的大小，判定逻辑变量L₂的输出值；

将所述逻辑变量L₁和所述逻辑变量L₂的输出值经逻辑运算后输入数值选择器，所述数值选择器选取并输出第一预设值γ′_lim1和第二预设值γ′_lim2中的一个为预设值γ′_lim；

将所述预设值γ′_lim通过一阶低通滤波器进行滤波处理、赋值后得到关断角误差限制值γ_lim。

进一步地，通过比较定电流控制器输出的触发超前角β_invC与定关断角控制输出的触发超前角β_invG的关系，判定逻辑变量L₁的输出值，具体包括：

若β_invC>β_invG，则逻辑变量L₁输出值为1；

若β_invC≤β_invG，则逻辑变量L₁输出值为0；

进一步地，通过比较V₀与阈值V_0th、Δβ_inv与阈值Δβ_th的大小，判定逻辑变量L₂的输出值，具体包括：

若V₀>V_0th且Δβ_inv<Δβ_th，则逻辑变量L₂输出值为1，否则所述逻辑变量L₂输出值为0。

进一步地，所述数值选择器选取并输出第一预设值γ′_lim1和第二预设值γ′_lim2中的一个为预设值γ′_lim，具体包括：

若所述逻辑变量L₁或所述逻辑变量L₂中至少有一个的输出值为1，则所述数值选择器输出第一预设值γ′_lim1为所述预设值γ′_lim；。

若所述逻辑变量L₁和所述逻辑变量L₂的输出值均为0，则所述数值选择器输出第二预设值γ′_lim2为所述预设值γ′_lim；

所述第一预设值γ′_lim1大于所述第二预设值γ′_lim2。

进一步地，将所述预设值γ′_lim通过一阶低通滤波器进行滤波处理，将滤波处理后的数据赋值给关断角误差限制值γ_lim，具体为：

式中T_f为滤波时间常数。

进一步地，得到关断角误差限制值γ_lim后，还包括：

获取关断角误差γ_err；

比较所述关断角误差限制值γ_lim及所述关断角误差γ_err，得到所述关断角误差输入值γ′_err，计算式为：γ′_err＝Max{γ_err，γ_lim}；

将所述关断角误差输入值γ′_err输入定关断角控制系统。

进一步地，获取所述关断角控制裕度Δβ_inv的算式为Δβ_inv＝β_invG-β_invC。

进一步地，获取所述零序电压分量幅值V₀的具体过程包括：

测量逆变站换流母线的三相电压v_a、v_b以及v_c；

对所述三相电压v_a、v_b以及v_c进行标幺处理后，求和得到v₀，即v₀＝(v_a+v_b+v_c)/(3V_N)，其中V_N为相电压幅值；

求取所述v₀的绝对值；

取所述绝对值在预设时长内的最大值，所述最大值即为零序电压分量幅值V₀。

本申请还提供一种定关断角控制稳定器，包括：

处理器以及存储器；

所述存储器存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时可实现上述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请提供一种抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法和稳定器，从选择控制模式方面入手抑制系统后续换相失败，采用逻辑判断策略获得关断角误差限制值γ_lim，通过γ_lim修正直流首次换相失败后输入到定关断角控制系统中的γ′_err，直至LCC-HVDC系统恢复定关断角控制。本申请方法加快了LCC-HVDC系统在故障期间恢复为定关断角控制的速度，进而降低LCC-HVDC系统发生后续换相失败的概率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的CIGRE标准LCC-HVDC测试系统主电路图；

图2为本申请实施例所提供的CIGRE标准LCC-HVDC测试系统控制系统框图；

图3为本申请实施例所提供的定关断角控制方法的控制系统框图；

图4为本申请实施例所提供的LCC-HVDC系统受端交流系统发生单相0.8H电感接地短路时关断角的响应图；

图5为LCC-HVDC系统受端交流系统发生三相1H电感接地短路时关断角的响应图；

图6为LCC-HVDC系统受端交流系统发生两相1H电感接地短路时关断角的响应图；

图7为本申请实施例所提供的LCC-HVDC系统送端交流系统发生三相20Ω电阻接地短路时关断角的响应图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，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。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

LCC-HVDC系统逆变站配置了定关断角控制和定电流控制两种控制模式，其中定关断角控制为系统稳态运行时的控制模式。当受端交流系统发生短路故障后，LCC-HVDC系统可能在两种控制模式之间切换。这种在故障期间系统控制方式之间的暂态协调特性对系统抑制后续换相失败的能力有重要影响。因此，本申请从改善上述两种控制方式在故障期间的暂态协调特性的角度来抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的发生。

参见图1为本申请提供的LCC-HVDC系统的主电路图，图2为本申请提供的LCC-HVDC系统的控制电路图。为了给本申请的控制方法提供一个标准的测试平台，图1所示的主电路参数和图2中的控制器参数选用CIGRE LCC-HVDC标准测试模型的参数。参见表1为CIGRELCC-HVDC标准测试模型参数。

表1 CIGRE LCC-HVDC标准测试模型参数

参见图1和图2，LCC-HVDC系统包括送端电网、送端交流滤波器组、整流站、整流阀控制器、直流线路、受端电网、受端交流滤波器组、逆变站以及逆变阀控制器。整个LCC-HVDC系统在整流阀控制器和逆变阀控制器的控制下，整流站将送端电网的交流形式的电能转换直流形式的电能，经过直流线路送到逆变站；逆变站再将直流形式的电能转换为交流形式的电能送入受端交流电网。

参见图1，E_sr、E_si分别为整流侧和逆变侧交流系统的等值电势；V_r、V_i和V_{d_rec}、V_{d_inv}分别为整流侧和逆变侧换流母线线电压有效值与直流电压；V_L1、V_L2和V_{d_rec}、V_{d_inv}分别为整流侧和逆变侧换流母线线电压有效值与直流电压；T₁-T₄为两侧的换流变压器。

图1中整流阀控制器输出的触发角指令α_ordr发送给整流站换流阀；逆变阀控制器输出的触发角指令α_ordi送给逆变站换流阀。送端电网提供三相电压源，整流站交流滤波器负责滤除运行过程中产生的3、13、15次谐波；整流站的作用是将送端电网的交流电变换为直流电；直流线路中的电感是为了平抑直流电流波动，电阻和电容是模拟实际线路中的电阻和电容；逆变站的作用是将逆变侧的直流电变换为交流电送给受端电网；受端电网的作用是提供三相电压源；受端滤波器的作用是滤除运行过程中受端产生的3、13、15次谐波；整流阀控制器的作用是生成整流站换流阀的触发角指令α_ordr，逆变阀控制器的作用是生成逆变站换流阀的触发角指令α_ordi。

图2中，VDCOL为低电压限流控制；CC为定电流控制；CEA为定关断角控制；CEAS为本申请实施例提供的定关断角控制稳定器，用于执行本申请提供的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法。I_{d_rect}为整流侧直流电流，I_{d_ord}为直流电流指令，α_ordr为整流阀触发角指令，V_{d_inv}为逆变侧直流电压，I_{d_inv}为逆变侧直流电流，V_dcf为VDCOL输入电压，I_{d_ord_input}为外部输入直流电流指令，ΔI_d为直流电流控制误差，γ_Y为与Y接换流变相连的逆变阀的关断角，γ_Δ为与Δ接换流变相连的逆变阀的关断角，γ_N为关断角指令值(实际工程中一般取0.2168rad～0.3158rad(15°～18°)，γ_err为关断角误差，γ′_err为输入CEA的关断角误差输入值，α_ordi为逆变阀触发角指令。PI控制器上下方的数字为PI输出的上下限，其值选用的是CIGRE标准HVDC模型中提供的参数，单位为弧度rad(括号内单位为度)；0.01为补偿电阻大小，0.1为整流侧直流电流指令与逆变侧直流电流指令的差值裕度。

VDCOL根据V_dcf输出直流电流指令I′_{d_ord}，然后在I′_{d_ord}和I_{d_ord_input}之间选择较小值作为控制系统最终的直流电流指令I_{d_ord}；(I_{d_ord}-0.1)与I_{d_inv}相减得到逆变侧直流电流误差CERR，CC根据CERR得到触发超前角指令β_invC，CEC根据直流电流误差ΔI_d计算关断角指令增量Δγ，Δγ与关断角设定值0.2618相加后，再与关断角γ相减得到最终的关断角误差γ_err。

其中VDCOL和CEC输出的计算方法分别为式(1)和式(2)。

利用本申请的定关断角控制稳定器CEAS执行本申请的定关断角控制方法以输出关断角误差限制值γ_lim，使LCC-HVDC系统恢复定关断角控制，抑制后续换相失败。

本申请提供的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法将解决如何通过CEAS输出关断角误差限制值γ_lim的问题。

参见图3为本申请提供的定关断角控制稳定器(CEAS)实现框图，用于执行本申请提供的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：获取定电流控制器输出的触发超前角β_invC以及定关断角控制输出的触发超前角β_invG。

步骤二：比较定电流控制器输出的触发超前角β_invC与定关断角控制输出的触发超前角β_invG的关系，判定逻辑变量L₁的输出值。

如果β_invC>β_invG，表明逆变站失去了定关断角控制，改为定电流控制(CC)模式，此时逻辑变量L₁输出值为1。

如果β_invC≤β_invG，表明逆变站还由定关断角控制(CEA)，逻辑变量L₁输出0。

步骤三：预设零序电压分量幅值阈值V_0th和关断角控制裕度阈值Δβ_th。

阈值V_0th可选为在单相故障时导致换相失败的临界零序电压幅值，本实施例中取0.15p.u.；在稳态工况下，关断角控制裕度Δβ_inv＝β_invG-β_invC＝0.14rad(8°)，当Δβ_inv<0.14rad时可以认为逆变阀换相裕度不足，因此本实施例中Δβ_th取0.14rad。

步骤四：计算零序电压分量幅值V₀具体包括：

测量逆变站换流母线的三相电压v_a、v_b以及v_c；

对换流母线的三相电压v_a、v_b以及v_c进行标幺处理后求和得到v₀，即v₀＝(v_a+v_b+v_c)/(3V_N)，式中，V_N为相电压幅值；

求取v₀的绝对值；

取绝对值在预设时间内的最大值，最大值即为零序电压分量幅值V₀。预设时间由人为设定，本实施例中预设时长为12ms。取v₀的绝对值在12ms的最大值即为V₀。

步骤五：比较V₀与阈值V_0th、Δβ_inv与阈值Δβ_th的大小，判定逻辑变量L₂的输出值。

若V₀>V_0th且Δβ_inv<Δβ_th同时成立，表明LCC-HVDC系统发生较为严重的不对称故障，需要采用定关断角控制以恢复系统稳定性，则逻辑变量L₂输出值为1，否则输出0。

步骤六：将逻辑变量L₁和逻辑变量L₂的输出值经逻辑运算后输入数值选择器，数值选择器选取并输出第一预设值γ′_lim1和第二预设值γ′_lim2中的一个为预设值γ′_lim。

通过上述步骤可以判断出L₁和L₂的输出值。将L₁和L₂的输出值经逻辑运算后输入数值选择器。

若逻辑变量L₁或逻辑变量L₂中至少有一个的输出值为1，则数值选择器输出第一预设值γ′_lim1为预设值γ′_lim。第一预设值和第二预设值通过多次试错得出，本申请实施例提供的第一预设值γ′_lim1＝0。

若逻辑变量L₁和逻辑变量L₂的输出值均为0，则数值选择器输出第二预设值γ′_lim2为预设值γ′_lim。本实施例所提供的第二预设值γ′_lim2＝-0.544(-31°)；γ′_lim2为正常工况下关断角误差的限制值，其值过大不利于CEA对关断角的快速跟踪，过小则对故障后的换相过程不利，所以在本实施例中取CIGRE标准HVDC模型中的值-0.544作为γ′_lim2的取值。

步骤七：将预设值γ′_lim通过一阶低通滤波器进行滤波处理，将滤波处理后的数据进行赋值即获得关断角误差限制值γ_lim。此一阶低通滤波器是能平滑γ′_lim，避免γ_lim大幅波动。

γ_′lim和γ_lim的关系表达式为：

式中T_f为滤波时间常数，其取值为0.001。

步骤八：对关断角误差限制值γ_lim进行计算，得到关断角误差输入值γ′_err。具体包括：

获取关断角误差γ_err；

通过比较关断角误差限制值γ_lim及关断角误差γ_err，计算定关断角控制系统的关断角误差输入值γ′_err，计算式为：γ′_err＝Max{γ_err，γ_lim}；

将γ′_err输入定关断角控制系统(CEA)后，CEA和CC进行协调直至β_invC<β_invG，LCC-HVDC系统恢复定关断角控制模式，抑制后续换相失败。

参见图4为本发明实施例中LCC-HVDC系统受端交流系统发生单相0.8H电感接地短路时关断角的响应图；图5为本发明实施例中LCC-HVDC系统受端交流系统发生三相1H电感接地短路时关断角的响应图；图6为本发明实施例中LCC-HVDC系统受端交流系统发生两相1H电感接地短路时关断角的响应图。在上述仿真中，故障发生时刻t＝1s，故障持续时间为0.2s。从图4中可以看出，没有应用本申请时，LCC-HVDC系统在受端交流系统发生单相短路故障后发生了两次换相失败(图中实线)；当应用本申请方法后，LCC-HVDC系统在同样故障工况下只发生了一次换相失败(图中虚线)，表明本申请能抑制LCC-HVDC系统在单相故障下的后续换相失败。从图5中可以看出，当受端交流系统发生三相1H电感接地故障后，没有应用本申请方法的LCC-HVDC系统发生了两次换相失败(图中实线)，而应用了本申请的LCC-HVDC系统则抑制了第二次换相失败(图中虚线)。从图6中可以看出，当受端交流系统发生两相1H电感接地故障后，没有应用本申请的LCC-HVDC系统发生了两次换相失败(图中实线)，而应用本申请后则只发生了一次换相失败(图中虚线)，表明本申请能抑制LCC-HVDC系统发生在两相1H电感接地故障下的后续换相失败。

表2为本发明实施例中，当受端交流系发生不同类型和不同故障程度的感性接地故障工况下，没有应用本申请方法的LCC-HVDC系统(系统1)和应用本申请方法的LCC-HVDC系统(系统2)发生换相失败次数的统计结果。故障发生时刻在t＝1s，故障持续0.2s从表1中可以看出：a)在轻微故障工况下，如果系统1不发生换相失败，系统2也不会发生换相失败；b)如果系统1在某些故障程度下只发生1次换相失败，系统也只发生1次换相失败；c)对于使系统1发生2次换相失败的故障工况，系统2仅发生1次换相失败。因此，上述数据及仿真结果验证了本申请抑制后续换相失败的有效性。

表2逆变侧感性接地故障时CEAS抑制后续换相失败的效果

参见图7，为本申请实施例中LCC-HVDC系统在送端交流系统发生三相20Ω电阻接地故障后关断角的响应图。故障时刻为t＝1s，故障持续0.2s。从图7中实线可知，没有应用本发明的系统在整流侧故障切除后因为直流电流抬升过快，逆变阀没有及时恢复为定关断角控制而发生了换相失败；而应用了本发明后，逆变阀能更早地切换回定关断角控制，抑制了换相失败(图中虚线)。

本申请实施例还提供一种定关断角控制稳定器(CEAS)，包括：处理器以及存储器；存储器存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时可实现上述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法。存储器可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器、光学存储、以及半导体存储器等。定关断角控制稳定器(CEAS)中还包括一些其他硬件设备，该部分的内容虽为本申请的关联技术，但属于本申请技术人员的常规操作，因此，在本申请中对于该部分的技术不做进一步的解释说明。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取定电流控制器输出的触发超前角β_invC、定关断角控制输出的触发超前角β_invG、关断角控制裕度Δβ_inv以及零序电压分量幅值V₀；

通过比较定电流控制器输出的触发超前角β_invC与定关断角控制输出的触发超前角β_invG的关系，判定逻辑变量L₁的输出值；其中，若β_invC>β_invG，则所述逻辑变量L₁输出值为1；若β_invC≤β_invG，则所述逻辑变量L₁输出值为0；

预设零序电压分量幅值阈值V_0th和关断角控制裕度阈值Δβ_th；

通过比较V₀与阈值V_0th、Δβ_inv与阈值Δβ_th的大小，判定逻辑变量L₂的输出值；其中，若V₀>V_0th且Δβ_inv<Δβ_th，则所述逻辑变量L₂输出值为1，否则所述逻辑变量L₂输出值为0；

将所述逻辑变量L₁和所述逻辑变量L₂的输出值经逻辑运算后输入数值选择器，所述数值选择器选取并输出第一预设值γ′_lim1和第二预设值γ′_lim2中的一个为预设值γ′_lim；其中，若所述逻辑变量L₁或所述逻辑变量L₂中至少有一个的输出值为1，则所述数值选择器输出第一预设值γ′_lim1为所述预设值γ′_lim；若所述逻辑变量L₁和所述逻辑变量L₂的输出值均为0，则所述数值选择器输出第二预设值γ′_lim2为所述预设值γ′_lim；所述第一预设值γ′_lim1大于所述第二预设值γ′_lim2；

将所述预设值γ′_lim通过一阶低通滤波器进行滤波处理、赋值后得到关断角误差限制值γ_lim。

2.根据权利要求1所述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，其特征在于，将所述预设值γ′_lim通过一阶低通滤波器进行滤波处理，将滤波处理后的数据赋值给关断角误差限制值γ_lim，具体为：

式中T_f为滤波时间常数。

3.根据权利要求2所述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，其特征在于，得到所述关断角误差限制值γ_lim后，还包括：

获取关断角误差γ_err；

比较所述关断角误差限制值γ_lim及所述关断角误差γ_err，得到关断角误差输入值γ′_err，计算式为：γ'_err＝Max{γ_err，γ_lim}；

将所述关断角误差输入值γ′_err输入定关断角控制系统。

4.根据权利要求1所述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，其特征在于，获取所述关断角控制裕度Δβ_inv的算式为Δβ_inv＝β_invG-β_invC。

5.根据权利要求1所述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法，其特征在于，获取所述零序电压分量幅值V₀的具体过程包括：

测量逆变站换流母线的三相电压v_a、v_b以及v_c；

对所述三相电压v_a、v_b以及v_c进行标幺处理后，求和得到v₀，即v₀＝(v_a+v_b+v_c)/(3V_N)，其中V_N为相电压幅值；

求取所述v₀的绝对值；

取所述绝对值在预设时长内的最大值，所述最大值即为所述零序电压分量幅值V₀。

6.一种定关断角控制稳定器，其特征在于，包括：

处理器以及存储器；

所述存储器存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时可实现权利要求1-5中任一项所述的抑制LCC-HVDC系统后续换相失败的定关断角控制方法。

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