CN113901655A - 一种基于供电和信号系统的牵引仿真模型及其仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于供电和信号系统的牵引仿真方法,包括以下步骤:输入线路参数、车辆参数、行车参数、供电参数和信号参数;依据牵引网压计算列车最大牵引电流、再生电流;计算列车运行阻力;基于信号分区通行许可、前车位置计算安全距离;依据列车运行阻力、最大牵引电流、再生电流和安全距离计算列车运行工况;根据列车运行工况计算列车电流、牵引力或制动力、速度、位置;跳到下一时间节点,更新列车信息;判断是否完成仿真:若是,输出计算结果;若否,更新供电、信号参数,再次计算。还提供了牵引仿真模型,包括线路、车辆、行车、供电和信号。本发明能够将城市轨道交通列车运行中各种因素协同考虑,仿真结果具有更高的准确性,更贴合实际。
Description
技术领域
本发明属于城市轨道交通仿真技术领域,特别涉及一种基于供电和信号系统的牵引仿真模型及其仿真方法。
背景技术
城市轨道交通列车的运行是十分复杂的,需要协同考虑各种因素,而列车运行是整个城市轨道交通系统设计、运营的基础与核心。城市轨道交通各项系统都围绕着列车运行。牵引仿真的目的是模拟列车行为:判断列车工况,计算列车的速度、位置、电流等参数。
既有牵引仿真模型,只能基于某一个或几个影响因素对列车运行的影响,例如:线路、车辆、供电,或线路、车辆、运行图和信号。正常运行时,供电系统和信号系统,一般不是列车运行的制约因素。当出现意外或事故时,供电系统或信号系统,就可能成为列车运行的制约因素。既有的牵引仿真模型,一般局限在单一系统对列车运行的影响,不能考虑多个系统的相互影响。基于供电、信号、线路、行车、车辆等多个系统,进行牵引仿真,是既有模型无法实现的。
列车实际运行中,会受到线路、行车、车辆、供电以及信号等多个系统的影响。将所有系统协同考虑,牵引仿真的结果更能贴近列车运行实际。而受到现有牵引仿真模型的限制,牵引仿真结果的准确性不理想。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题,提供一种基于供电和信号系统的牵引仿真模型及其仿真方法,能够将城市轨道交通列车运行中各种因素协同考虑,仿真结果具有更高的准确性,更贴合实际。
本发明采用的技术方案是:一种基于供电和信号系统的牵引仿真方法,包括以下步骤:
步骤1:输入线路参数、车辆参数、行车参数、供电参数和信号参数;
步骤2:初始化车辆参数、线路参数和行车参数;
步骤3:初始化供电参数和信号参数;
步骤4:设置时间颗粒度;
步骤5:依据牵引网压计算列车最大牵引电流、再生电流;
步骤6:依据车重、基本阻力公式、载客率计算基本阻力;依据坡度、曲线、隧道和载客率计算附加阻力;列车运行阻力等于基本阻力加上附加阻力。
步骤7:依据信号分区通行许可、前车位置计算安全距离;
步骤8:依据列车运行阻力、最大牵引电流、再生电流和安全距离计算列车运行工况;
步骤9:根据列车运行工况计算列车电流、牵引力或制动力;
步骤10:根据列车电流、牵引力或制动力计算列车速度、位置;
步骤11;跳到下一时间节点,更新列车信息;
步骤12:判断是否完成仿真:若是,输出计算结果;若否,更新供电、信号参数,返回步骤5;
步骤13:输出仿真结果。
作为优选,在步骤2中,设定各车站到车、发车时间;列车从始发站开始,按照一定运行交路,到终点站停止,或者列车从给定位置、给定速度开始,按照运行交路运行,到给定位置、给定速度或给定时间停止。
作为优选,在步骤4中,时间颗粒度按照0.1秒设置。
具体的,在步骤8中,列车运行工况的确定,基于列车的位置、速度、列车运行阻力,同时受牵引网压和安全距离的影响。
具体的,在步骤8中,列车运行工况有五种,分别为:牵引工况、巡航工况、惰行工况、停车工况和制动工况;列车运行工况计算步骤如下:
S1:根据牵引网压,计算当前最大牵引电流、再生电流,跳转步骤S2;
S2:判断列车是否处于制动工况区间:如果是,制动工况,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S3;
S3:判断列车是否达到设定运行速度:如果是,跳转步骤S4;如果否,牵引工况,跳转步骤S5;
S4:计算列车运行阻力,如果最大牵引力大于等于列车运行阻力,巡航工况,跳转步骤S5;如果最大牵引力小于列车运行阻力,牵引工况,跳转步骤S5;
S5:判断列车是否处于惰行区间内:如果是,惰行工况,跳转步骤S6;如果否,跳转步骤S6;
S6:判断列车是否处于停车状态:如果是,停车工况,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S7;
S7:检算列车是否需要制动:如果是,制动工况,更新制动工况区间,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S8;
S8:输出列车运行工况。
具体的,判断列车是否处于制动工况区间:计算列车在当前位置、以当前速度即刻制动到停车为止,是否满足线路限速(线路参数)要求和安全距离(信号参数)要求;若到停车为止都不超过限速,同时停车点与前车车尾或无通行许可的信号分区起点的距离都大于安全距离,就判断不需要制动;若超过限速,或小于安全距离,就判断需要制动,则将当前位置、超过限速位置限速区间起点或停车点,存储为制动工况区间数据。制动工况区间数据,在后续时间节点的计算中,直接调用。
具体的,列车处于不同运行工况时,机械特性如下:
牵引工况时:C=(F-R)/mg,其中,C表示单位合力,F表示牵引力,R表示列车运行阻力,m表示列车质量,
列车运行阻力R包括两部分,基本阻力和附加阻力,列车基本阻力按照Davis公式计算,附加阻力依据线路的坡度、曲线、隧道计算。
巡航工况时:C=0;
惰行工况时:C=-R/mg;
停车工况时:C=0;
制动工况时:C=(Bele+Bmech-R)/mg,其中,Bele表示电制动力,Bmech表示机械制动力。电制动力和机械制动力合称制动力。
具体的,列车处于不同运行工况时,电气特性如下:
惰行工况时:I=Paux/U
停车工况时:I=Paux/U
其中,I代表列车电流,Paux代表辅助功率,Ptra代表牵引功率,Pbra代表电制动功率,代表牵引网压U下列车的最大牵引电流,代表牵引网压U下列车的最大再生电流,ηd代表电制动效率,ηc代表牵引效率,v代表列车运行速度。和都包括了列车辅助设备的电流。
本发明采用的技术方案还是:一种上述基于供电和信号系统的牵引仿真方法所使用的牵引仿真模型,包括线路、车辆、行车、供电和信号,其中,
所述线路参数中包括坡度、曲线和隧道,
所述行车参数中包括载客率,
所述车辆参数中包括最大牵引电流-网压曲线、最大再生电流-网压曲线,车重、车长、基本阻力公式,
所述供电参数包括牵引网压,
所述信号参数包括信号分区、安全距离,
线路参数中坡度、曲线、隧道,行车参数载客率和车辆参数车长、车重用于计算附加阻力,车辆参数车重、基本阻力公式和行车参数载客率用于计算基本阻力;基本阻力加上附加阻力等于列车运行阻力;
基于列车的位置、速度,和列车运行阻力、牵引网压、最大牵引电流-网压曲线、最大再生电流-网压曲线和安全距离确定列车运行工况。
所述线路的参数还包括车站、限速;
所述车辆的参数还包括转动惯量、牵引力-速度曲线、电制动力-速度曲线、机械制动力-速度曲线、牵引电流-速度曲线、再生电流速度曲线、牵引效率-速度曲线、电制动效率-速度曲线、辅助功率、功率因数;
所述行车的参数还包括运行交路、停站时间、发车时间;
工作原理:列车在牵引时,会从牵引网(轨)取流;电制动时,可能向牵引网(轨)返流。牵引时,牵引网压降低,若牵引网压下降到一定程度,则会限制列车牵引功率;电制动时,牵引网压抬升,若牵引网压上升到一定程度,会限制列车电制动功率。因此,无论列车处于牵引或是制动状态,都受到牵引网压的限制。本发明满足车辆-供电接口规范、标准,将最大电流-电压曲线加入车辆的电气参数,进行牵引仿真。列车运行与牵引网压是耦合的,每个时刻都需要依据列车的位置、电流计算牵引网压。
信号系统一般是依据确定的列车运行曲线,进行追踪计算,判断列车运行是否满足安全距离要求。一般的,城市轨道交通,采用移动闭塞系统;但在车站、折返线等区域,仍采用固定闭塞,即划分信号分区。列车运行与安全距离是相互影响的,每个时刻都需要依据列车的位置、速度计算安全距离。本发明列车在运行中,会根据前车位置和信号分区通行许可计算安全距离。当列车不满足安全距离要求时,采取制动。
列车运行之前,会输入一个既定运行图;列车在区间运行或车站停车时,受到其它因素干扰,可能会偏离既定运行图。城市轨道交通列车发车间隔小,当一个列车因某种原因偏离运行图时,后续列车可能会受到干扰,并可能影响更后续列车,而形成阻塞。本发明针对类似但不限于上述的工况进行仿真,得到贴合实际仿真结果。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果是:本发明在基于线路、行车、车辆的基础上,增加对供电系统和信号系统输入,供电系统分析牵引网压对列车牵引和电制动的影响,信号系统检算列车运行是否满足要求。本发明能够将城市轨道交通列车运行中各种因素协同考虑,仿真结果具有更高的准确性,更贴合实际。
附图说明
图1为本发明实施例的参数输入示意图;
图2为本发明实施例的仿真流程图;
图3为本发明实施例的列车运行工况判断示意图;
图4为本发明实施例的城市轨道交通供电分区示意图;
图5为本发明实施例的牵引网压分布示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明的实施例提供了一种基于供电和信号系统的牵引仿真模型,如图1所示,包括线路、车辆、行车、供电和信号,
其中,线路的参数包括车站、坡度、曲线、隧道、限速;
车辆的参数包括车重、车长、基本阻力公式、转动惯量、牵引力-速度曲线、电制动力-速度曲线、机械制动力-速度曲线、牵引电流-速度曲线、再生电流速度曲线、牵引效率-速度曲线、电制动效率-速度曲线、辅助功率、功率因数、最大牵引电流-网压曲线、最大再生电流-网压曲线;
行车的参数包括运行交路、停站时间、发车时间、载客率;
供电的参数包括牵引网压;
信号的参数包括信号分区、安全距离。
在仿真过程中,线路参数和车辆参数不变。行车参数中运行交路、载客率保持,停站时间、发车时间是预设目标值。
列车的最大牵引电流与牵引网压具有对应关系。一般的,当牵引网压大于等于a*UN(UN供电系统额定网压;a系数,小于1,一般为0.9),牵引电流达到最大牵引电流;当牵引网压低于a*UN且大于Umin(Umin是最低牵引网压)时,最大电流线性下降。当牵引网压低于Umin时,最大牵引电流等于0。
列车的最大再生电流与牵引网压具有对应关系。一般的,当牵引网压小于等于b*UN(b系数,大于1,一般为1.2)时,再生电流达到最大再生电流;当牵引网压大于b*UN时,最大电流线性下降;当牵引网压大于Umax(Umax是最高牵引网压)时,再生电流等于0。
牵引网压是供电系统的输入。列车处于牵引工况时,牵引网压会限制列车的牵引功率,进而限制列车的牵引力。若列车使用的牵引力小于需求的牵引力时,列车的运行会偏离既定运行图。列车处于制动工况时,牵引网压会限制列车的电制动功率。若列车可使用的电制动功率小于需求的电制动功率,列车需要增加机械制动维持正常运行。
列车在进行牵引仿真时,需要判断是否满足安全距离。列车在运行时,以前车的车尾和不允许通行的信号分区起点进行安全距离的计算。若列车此时的运行速度不满足安全距离要求,列车需要进行制动。
本发明的实施例提供了一种基于供电和信号系统的牵引仿真方法,如图2所示,包括以下步骤:
步骤1:输入线路参数、车辆参数、行车参数、供电参数和信号参数;
步骤2:初始化车辆参数、线路参数和行车参数;设定各车站到车、发车时间;列车从始发站开始,按照一定运行交路,到终点站停止,或者列车从给定位置、给定速度开始,按照运行交路运行,到给定位置、给定速度或给定时间停止。
步骤3:初始化供电参数和信号参数;
步骤4:设置时间颗粒度;所述时间颗粒度依据工程需要设置。
步骤5:依据牵引网压计算列车最大牵引电流、再生电流;
步骤6:依据车重、基本阻力公式、载客率计算基本阻力;依据坡度、曲线、隧道和载客率计算附加阻力。列车运行阻力等于基本阻力加上附加阻力。
步骤7:依据信号分区通行许可、前车位置计算安全距离;
步骤8:依据列车运行阻力、最大牵引电流、再生电流和安全距离计算列车运行工况;
步骤9:根据列车运行工况计算列车电流、牵引力或制动力;
步骤10:根据列车电流、牵引力或制动力计算列车速度、位置;
步骤11;跳到下一时间节点,更新列车信息;
步骤12:判断是否完成仿真:若是,输出计算结果;若否,更新供电、信号参数,返回步骤5;
步骤13:输出仿真结果。
作为优选,在步骤2中,设定各车站到车、发车时间;列车从始发站开始,按照一定运行交路,到终点站停止,或者列车从给定位置、给定速度开始,按照运行交路运行,到给定位置、给定速度或给定时间停止。
在步骤8中,列车运行工况的确定,基于列车的行车和目标速度、列车运行阻力,同时受牵引网压和安全距离的影响。列车运行工况有五种,分别为:牵引工况、巡航工况、惰行工况、停车工况和制动工况;如图3所示,列车运行工况计算步骤如下:
S1:根据牵引网压,计算当前最大牵引电流、再生电流,跳转步骤S2;
S2:判断列车是否处于制动工况区间:如果是,制动工况,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S3;
S3:判断列车是否达到设定运行速度:如果是,跳转步骤S4;如果否,牵引工况,跳转步骤S5;
S4:计算列车运行阻力,如果最大牵引力大于等于列车运行阻力,巡航工况,跳转步骤S5;如果最大牵引力小于列车运行阻力,牵引工况,跳转步骤S5;
S5:判断列车是否处于惰行区间内:如果是,惰行工况,跳转步骤S6;如果否,跳转步骤S6;
S6:判断列车是否处于停车状态:如果是,停车工况,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S7;
S7:检算列车是否需要制动:如果是,制动工况,更新制动工况区间,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S8;
S8:输出列车运行工况。
列车停车状态包括车站停车和区间停车两种。停车原因包括正常停车和不满足安全距离两种。
判断列车是否处于制动工况区间采用制动曲线预判的方式,即计算列车在当前位置、以当前速度即刻制动到停车为止,是否满足线路限速(线路参数)要求和安全距离(信号参数)要求;若到停车为止都不超过限速,同时停车点与前车车尾或无通行许可的信号分区起点的距离都大于安全距离,就判断不需要制动;若超过限速,或小于安全距离,就判断需要制动,则将当前位置、超过限速位置限速区间起点或停车点,存储为制动工况区间数据。
列车处于不同运行工况时,机械特性如下:
牵引工况时:C=(F-R)/mg,其中,C表示单位合力,F表示牵引力,R表示列车运行阻力,m表示列车质量,
列车运行阻力R包括两部分,基本阻力和附加阻力,列车基本阻力按照Davis公式计算,附加阻力依据线路的坡度、曲线、隧道特性计算。
巡航工况时:C=0;
惰行工况时:C=-R/mg;
停车工况时:C=0;
制动工况时:C=(Bele+Bmech-R)/mg,其中,Bele表示电制动力,Bmech表示机械制动力。电制动力和机械制动力合称制动力。
列车的加速度γ代表整车的转动惯量。城市轨道交通中,各个部分的转动惯量不同,需要进行加权平均。其中mi表示第i部分的质量,γi表示第i部分的转动惯量系数。列车在运行中,载客量不一致,各个区间转动惯量也不一致,列车跳转区间后更新转动惯量。
列车在牵引仿真中,电气行为和机械行为同时仿真。列车处于不同运行工况时,电气特性如下:
惰行工况时:I=Paux/U
停车工况时:I=Paux/U
其中,I代表列车电流,Paux代表辅助功率,Ptra代表牵引功率,Pbra代表电制动功率,代表牵引网压U下列车的最大牵引电流,代表牵引网压U下列车的最大再生电流,ηd代表电制动效率,ηc代表牵引效率,v代表列车运行速度。和都包括了列车辅助设备的电流。
仿真模型中,列车牵引计算各项参数可参照《TB/T1407.1-2018列车牵引计算第1部分机车牵引式列车》、《GB50157-2013地铁设计规范》、《TCCES2-2017市域快速轨道交通设计规范》、《GB/T 7928-2003地铁车辆通用技术条件》、《TB 10007-2017铁路信号设计规范》和《BS EN 50388:2012》等确定,也可依据工程实际和车辆资料确定。
列车运行结果:列车速度、里程、电流、牵引力或制动力-时间曲线。本发明的所有中间参数,可以输出,对计算结果进行校核或其它用途。
如图4-5所示,给出了两个牵引变电所及其供电分区的示意图(单向)。列车1和列车2位于牵引变电所1和牵引变电所2之间,朝向牵引变电所2行驶。在此供电分区中,有两个列车都处于牵引(取流)状态。列车1对应的牵引网压处在额定网压(UN)与a*UN之间,牵引电流达到极值;列车2对应的牵引网压处在a*UN与最低网压Umin之间,牵引电流达不到极值。2个列车的牵引电流都达不到最大牵引电流。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的示例性实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案,或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下,在本发明的实质和保护范围内,设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的,或者对申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:输入线路参数、车辆参数、行车参数、供电参数和信号参数;
所述线路参数包括车站、坡度、曲线、隧道、限速;
所述车辆参数包括车重、车长、基本阻力公式、转动惯量、牵引力-速度曲线、电制动力-速度曲线、机械制动力-速度曲线、牵引电流-速度曲线、再生电流速度曲线、牵引效率-速度曲线、电制动效率-速度曲线、辅助功率、功率因数、最大牵引电流-网压曲线、最大再生电流-网压曲线;
所述行车参数包括运行交路、停站时间、发车时间、载客率;
所述供电参数包括牵引网压;
所述信号参数包括信号分区、安全距离;
步骤2:初始化车辆参数、线路参数和行车参数;
步骤3:初始化供电参数和信号参数;
步骤4:设置时间颗粒度;
步骤5:依据牵引网压计算列车最大牵引电流、再生电流;
步骤6:依据车重、基本阻力公式、载客率计算基本阻力;依据坡度、曲线、隧道和载客率计算附加阻力;基本阻力加上附加阻力等于列车运行阻力;
步骤7:依据信号分区的通行许可、前车位置计算安全距离;
步骤8:依据列车运行阻力、最大牵引电流、再生电流和安全距离计算列车运行工况;
步骤9:根据列车运行工况计算列车电流、牵引力或制动力;
步骤10:根据列车电流、牵引力或制动力计算列车速度、位置;
步骤11;跳到下一时间节点,更新列车信息;
步骤12:判断是否完成仿真:若是,输出计算结果;若否,更新供电、信号参数,返回步骤5;
步骤13:输出仿真结果。
2.如权利要求1所述的基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:在步骤2中,设定各车站到车、发车时间、载客率;列车从始发站开始,按照运行交路运行,到终点站停止,或者列车从给定位置、给定速度开始,按照运行交路运行,到给定位置、给定速度或给定时间停止。
3.如权利要求1所述的基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:在步骤4中,所述时间颗粒度依据工程需要设置。
4.如权利要求1所述的基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:在步骤8中,列车运行工况的确定,基于列车的位置、速度和列车运行阻力,同时受牵引网压和安全距离影响。
5.如权利要求1所述的基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:在步骤8中,所述列车运行工况有五种,分别为:牵引工况、巡航工况、惰行工况、停车工况和制动工况;所述列车运行工况计算步骤如下:
S1:根据牵引网压,计算当前最大牵引电流、再生电流,跳转步骤S2;
S2:判断列车是否处于制动工况区间:如果是,制动工况,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S3;
S3:判断列车是否达到设定运行速度:如果是,跳转步骤S4;如果否,牵引工况,跳转步骤S5;
S4:计算列车运行阻力,如果最大牵引力大于等于列车运行阻力,巡航工况,跳转步骤S5;如果最大牵引力小于列车运行阻力,牵引工况,跳转步骤S5;
S5:判断列车是否处于惰行区间内:如果是,惰行工况,跳转步骤S6;如果否,跳转步骤S6;
S6:判断列车是否处于停车状态:如果是,停车工况,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S7;
S7:检算列车是否需要制动:如果是,制动工况,更新制动工况区间,跳转步骤S8;如果否,跳转步骤S8;
S8:输出列车运行工况。
6.如权利要求5所述的基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:判断列车是否处于制动工况区间:计算列车在当前位置、以当前速度即刻制动到停车为止,是否满足线路限速要求和安全距离要求;若到停车为止都不超过限速,同时停车点与前车车尾或无通行许可的信号分区起点的距离都大于安全距离,就判断不需要制动;若超过限速,或小于安全距离,就判断需要制动,则将当前位置、超过限速位置限速区间起点或停车点,存储为制动工况区间数据。
7.如权利要求5所述的基于供电和信号系统的牵引仿真方法,其特征在于:列车处于不同运行工况时,机械特性如下:
牵引工况时:C=(F-R)/mg,其中,C表示单位合力,F表示牵引力,R表示列车运行阻力,m表示列车质量,
巡航工况时:C=0;
惰行工况时:C=-R/mg;
停车工况时:C=0;
制动工况时:C=(Bele+Bmech-R)/mg,其中,Bele表示电制动力,Bmech表示机械制动力,电制动力和机械制动力合称制动力。
9.一种权利要求1-8中任一所述基于供电和信号系统的牵引仿真方法使用的牵引仿真模型,包括线路、车辆、行车、供电和信号,其中,
所述线路参数中包括坡度、曲线和隧道,
所述行车参数中包括载客率,
所述车辆参数中包括最大牵引电流-网压曲线、最大再生电流-网压曲线,车重、车长、基本阻力公式,
所述供电参数包括牵引网压,
所述信号参数包括信号分区、安全距离,
线路参数中坡度、曲线、隧道,行车参数载客率和车辆参数车长、车重用于计算附加阻力,车辆参数车重、基本阻力公式和行车参数载客率用于计算基本阻力,基本阻力加上附加阻力等于列车运行阻力;
基于列车的位置、速度,和列车运行阻力、牵引网压、最大牵引电流-网压曲线、最大再生电流-网压曲线和安全距离确定列车运行工况。
10.如权利要求9所述的牵引仿真模型,其特征在于:
所述线路参数还包括车站、限速;
所述车辆参数还包括转动惯量、牵引力-速度曲线、电制动力-速度曲线、机械制动力-速度曲线、牵引电流-速度曲线、再生电流速度曲线、牵引效率-速度曲线、电制动效率-速度曲线、辅助功率、功率因数;
所述行车参数还包括运行交路、停站时间、发车时间。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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