CN115764930A - 一种针对大扰动下频率变化的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对大扰动下频率变化的调节方法，包括如下：计算电网受扰时每个节点分配到的不平衡功率；根据每个节点分配到的不平衡功率，计算每个节点的频率变化率；根据每个节点的频率变化率，通过在各节点处配置频率变化保护阈值、规定节点惯量下限，将频率变化率维持在可接受范围又或者是采用虚拟惯性控制来减小各节点频率变化率大小以增强并网点的电网强度，使系统恢复动态稳定运行。本发明为新能源接入后电网调频措施提供支撑，防止一系列连锁反应的发生，减小频率变化率大小，提高系统保持频率稳定的能力，充分提升发电机组的调频能力，最大程度上保证系统的稳定运行。

Description

一种针对大扰动下频率变化的调节方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种针对大扰动下频率变化的调节方法。

背景技术

频率稳定是电力系统稳定运行的关键指标。目前，我国新能源发电装机规模居世界第一，发电比例稳步提高。截至2022年4月底，风电、太阳能等新能源发电装机容量大幅增长，同比增长20.5％。随着新能源渗透率提高，传统火电机组占比不断下降，电力系统惯量水平持续降低，频率稳定支持能力下降。截至2020年底，全国220千伏及以上输电线路回路长度达到79.4万千米，同比增长4.6％。我国共成功投运“十四交十六直”30个特高压工程，跨省跨区输电能力达1.4亿千瓦时。虽然特高压交直流输电提升了线路的传输容量，但是同时也提高了扰动的冲击性，两者相互叠加进一步放大了电力系统频率失稳的风险。

现有研究主要集中于对系统整体惯量数值的评估以及系统整体惯量下降对频率稳定的影响，缺乏系统中不同节点分布惯量对频率稳定影响的研究以及如何从分布惯量调频的角度为系统调频措施提供支撑。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种针对大扰动下频率变化的调节方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种针对大扰动下频率变化的调节方法，包括如下步骤：

S1：计算电网受扰时每个节点分配到的不平衡功率；

S2：根据步骤S1中每个节点分配到的不平衡功率，计算每个节点的频率变化率；

S3：根据步骤S2中每个节点的频率变化率，通过在各节点处配置频率变化保护阈值、规定节点惯量下限，将频率变化率维持在可接受范围又或者是采用虚拟惯性控制来减小各节点频率变化率大小以增强并网点的电网强度，使系统恢复动态稳定运行。

优选的，通过测量得到的扰动点带来的不平衡功率，结合电网结构阻抗参数，计算得到电网中每个节点处发电机组分配到的不平衡功率；其中，

针对三机及以上系统，对扰动点两侧的发电机组进行组合将其分解为若干级二机系统；

针对两机系统，扰动点两侧线路分配的不平衡功率大小与扰动点两侧线路的电网结构阻抗参数成反比，所述电网结构阻抗参数包括线路阻抗和发电机组内部的暂态电抗。

优选的，步骤S2中，

其中，

为节点的频率变化率的标幺值，ΔP_*为节点分配到的不平衡功率的标幺值，T_j为节点的发电机惯性时间常数。

优选的，步骤S3中，配置频率变化保护阈值具体为：

设置频率越限保护，调整触发低频减载保护装置动作的频率变化保护阈值，采用基于实时频率变化率的切负荷自适应、半适应低频减载方案，即在节点分配到的不平衡功率较大时加速切除相匹配的负荷，从而抑制频率快速变化，防止频率不稳定而造成破坏事故，自适应减载方案动作量的定值要与节点的惯量相适应；

规定节点惯量下限具体为：

根据节点可接受的频率变化率上限

以及步骤S1中节点处分配到的不平衡功率ΔP计算该节点的惯量下限；

其中T_jmin为该节点处惯性时间常数的下限值；

采用虚拟惯性控制具体为：

当有功功率发生变化，虚拟同步发电机输出有功会发生振荡虚拟同步发电机引入虚拟惯量或虚拟阻尼来抑制发生的振荡，加快动态响应速度，利用虚拟同步发电机参数可自由配置的特点，在不同阶段，采取不同的虚拟惯量的大小来减小频率变化率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的有益效果：

本发明从电网中不同节点分布惯量调频的角度，研究了电网受扰时各节点不平衡功率的分配特性、各节点频率变化率的分布特性以及在含新能源机组电网产生扰动后的连锁反应原因分析，针对电网各节点进行频率评估，有利于后续新能源高渗透率系统的工程应用中根据频率变化率分布的特点有针对性地采取一系列应对频率变化率过大的措施，并采用时域仿真软件BPA系统算例对结论进行验证分析，为新能源接入后电网调频措施提供支撑，防止一系列连锁反应的发生，减小频率变化率大小，提高系统保持频率稳定的能力，充分提升发电机组的调频能力，最大程度上保证系统的稳定运行。

附图说明

图1为本发明流程框图；

图2为本发明两机系统不平衡功率分配模型；

图3为本发明算例四机两区系统模型图；

图4为本发明算例两机五节点系统模型图；

图5为本发明两机五节点系统模型中不同节点频率偏差曲线图；

图6为本发明两机五节点系统模型中不同测量点的频率变化率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明从电网中不同节点分布惯量调频的角度，研究了电网受扰(指切机、切负荷、大功率直流闭锁事故、连续换相失败、换流器故障、新能源集群脱网等多种故障带来有功功率扰动冲击)时各节点不平衡功率的分配特性、各节点频率变化率的分布特性以及在含新能源机组电网产生扰动后的连锁反应原因分析，针对电网各节点进行频率评估，有利于后续新能源高渗透率系统的工程应用中根据频率变化率分布的特点有针对性地采取一系列应对频率变化率过大的措施，并采用时域仿真软件BPA系统算例对结论进行验证分析，为新能源接入后电网调频措施提供支撑，防止一系列连锁反应的发生，减小频率变化率大小，提高系统保持频率稳定的能力，充分提升发电机组的调频能力，最大程度上保证系统的稳定运行。

如图1所示，本发明公开了一种针对大扰动下频率变化的调节方法，包括如下步骤：

步骤S1：计算电网受扰时每个节点分配到的不平衡功率。

在两机系统中，每个发电机组对应一个节点，电网扰动点处发生扰动后，扰动点带来的不平衡功率从扰动点向电网线路两侧分布输送到两侧发电机组，考虑线路各节点电压角度差变化不大时，系统电压也在额定电压附近，扰动点带来的不平衡功率ΔP可近似为不平衡电流ΔI，即电网某点K处发生功率扰动时，扰动点K带来的不平衡功率相当于在扰动点K给电网施加一个反向电流源，该反向电流源的电流大小为不平衡电流ΔI，该反向电流由扰动点K向两侧线路分流，扰动点K两侧线路分配的反向电流大小与扰动点K两侧线路的电网结构阻抗参数(包括线路阻抗和发电机组内部的暂态电抗)成反比，两侧线路分配的不平衡功率大小与该分配的反向电流大小呈正相关。由此建立不平衡功率分配模型，如图2所示的两机系统中，计及发电机内电势的不平衡电流分配公式如下：

式中：X₁和X₂分别为扰动点K到发电机组1和发电机组2的线路阻抗，X'_d1和X'_d2分别为发电机组1和发电机组2内部的暂态电抗，ΔI₁和ΔI₂分别为由扰动点K流向发电机组1和发电机组2的不平衡电流，ΔI为扰动点K带来的等效不平衡电流。根据公式(1)可知，扰动点K两侧线路分配的不平衡电流的比例关系如下：

ΔI₁:ΔI₂＝(X₂+X'_d2):(X₁+X'_d1)

扰动点K两侧线路分配的不平衡功率的比例关系等同于上述扰动点K两侧线路分配的不平衡电流的比例关系，即扰动点K分配到发电机组1和发电机组2的不平衡功率分别为ΔP₁和ΔP₂，则ΔP₁:ΔP₂＝(X₂+X'_d2):(X₁+X'_d1)，因此在扰动点K带来的不平衡功率已知的情况下，根据上述比例关系计算分别分配到发电机组1和发电机组2的不平衡功率。

可以认为不平衡功率分配与线路阻抗参数(发电机内部的暂态电抗一般相同)成反比，因此邻近机组(与扰动点距离较近的发电机组)分配到的不平衡功率比较大，较远机组(与扰动点距离较远的发电机组)分配到的不平衡功率较小。这为电网分析掌握不平衡功率分配情况提供了理论指导。

针对三机及以上系统，对扰动点两侧的发电机组进行组合可以将其分解为若干级二机系统，然后针对每级二机系统进行不平衡功率分配。以四机系统为例，扰动点一侧线路有发电机组1和发电机组3，扰动点另一侧线路有发电机组2和发电机组4，将发电机组1和发电机组3看做一个整体，将发电机组2和发电机组4看做一个整体，该四机系统可以等价为一个一级二机系统，因此根据扰动点两侧的电网结构阻抗参数可以得到分配到发电机组1和发电机组3的不平衡功率之和(ΔP₁+ΔP₃)以及分配到发电机组2和发电机组4的不平衡功率之和(ΔP₂+ΔP₄)的比例关系，因此在扰动点带来的不平衡功率已知的情况下，根据上述比例关系计算得到分配到发电机组1和发电机组3的不平衡功率之和以及分配到发电机组2和发电机组4的不平衡功率之和；进一步的，发电机组1和发电机组3可以等价为一个二级二机系统，因此根据发电机组1和发电机组3之间的公共点(相当于该二级二机系统的扰动点)两侧的电网结构阻抗参数可以得到分别分配到发电机组1和发电机组3的不平衡功率的比例关系，因此在分配到发电机组1和发电机组3的不平衡功率之和已知的情况下，根据上述比例关系计算分别分配到发电机组1和发电机组3的不平衡功率；同理，发电机组2和发电机组4可以等价为一个二级二机系统，因此根据发电机组2和发电机组4之间的公共点(相当于该二级二机系统的扰动点)两侧的电网结构阻抗参数可以得到分别分配到发电机组2和发电机组4的不平衡功率的比例关系，因此在分配到发电机组2和发电机组4的不平衡功率之和已知的情况下，根据上述比例关系计算分别分配到发电机组2和发电机组4的不平衡功率。

因此，通过测量得到的扰动点带来的不平衡功率，结合电网结构阻抗参数，可以计算得到电网中每个节点处发电机组分配到的不平衡功率。扰动点带来的不平衡功率可以通过PMU(power management unit，电源管理单元)装置测量。

步骤S2：根据步骤S1中每个节点分配到的不平衡功率，计算每个节点的频率变化率。

本发明中引入频率变化率来刻画不同节点位置发生功率扰动后引起节点的频率发生偏差程度，在不同节点的位置测量到的频率变化率大小不一样，可知电网中频率变化率呈现分布特性。

采用如上方式，本发明中采用节点处分配到不平衡功率的大小和该节点处发电机组惯量来计算节点的频率变化率。

发电机转子的转速和母线频率下降的快慢是与发电机惯量大小和不平衡功率分配相关，根据步骤S1计算得到的不平衡功率大小和发电机惯量来计算节点的频率变化率，扰动点不平衡功率的分配在步骤S1已具体研究，以下简单了解发电机惯量。

电力系统惯量表现为对频率波动的抵抗，响应频率变化大小，惯量是描述物体惯性大小的量值，发电机的惯量则表现为发电机转子对转速变化的抵抗力。发电机转子运动方式如公式(2)所示：

式中：δ为发电机功角，ω为角频率，ω₀为初始角频率，P_T为机械功率，P_E为电磁功率，T_j为发电机惯性时间常数。

由于发电机角频率和电网频率相同，发电机惯量通常表示为发电机惯性时间常数T_j，因此发电机机端发生功率扰动时，发电机会释放旋转动能来平衡功率差额，发电机机端初始频率变化率可以描述为不平衡功率和发电机惯性时间常数的量化关系(不平衡功率理论为机械功率与电磁功率的差值)，如公式(3)所示：

也可以表示为：

式中：

为节点的频率变化率的标幺值，(P_T-P_E)_*表示节点发电机的机械功率和电磁功率差的标幺值，ΔP_*为节点分配到的不平衡功率的标幺值。

由公式(4)可以计算得出每个节点频率变化率的大小，并且从公式(4)中可以看出：

一方面，节点的发动机组分配到的不平衡功率相同的情况下，低惯量(发电机惯性时间常数小)机组对频率稳定的支撑能力较弱(计算出的频率变化率大)，高惯量(发电机惯性时间常数大)机组对频率稳定的支撑能力较强(计算出的频率变化率小)，验证了当前高比例新能源电力系统中，由于惯量水平降低，对频率的支撑能力大大降低；

另一方面，在上述一台发电机组为无穷大惯量机组，仅考虑扰动点与另一台发电机组的情况下，扰动点离非无穷大惯量的发电机端越近，该发动机组的频率变化率越大，反之，扰动点离非无穷大惯量的发电机端越远，该发动机组的频率变化率较小，因此线路上频率变化率具有分布特性。

验证计算时，假设仅考虑ΔP_*作用在一台发电机组(即分配到惯性时间常数为T_j的发电机组)，不考虑该发电机组励磁调节器的作用，该发电机组空载电动势E_q为常数，将系统的状态方程在平衡点线性化可得以下公式：

式中：E_q*为发电机空载电动势标幺值，U_*为扰动点母线电压标幺值，δ为空载电动势E_q对扰动点母线电压U的相对角即发电机功角，Δδ为受到功率扰动时功角δ的变化量，X_d∑*为发电机组内部暂态电抗和线路阻抗之和的标幺值。

步骤S3：根据每个节点的频率变化率，通过在各节点处配置更合理的低频减载方案的频率变化保护阈值、规定节点惯量下限，将频率变化率维持在可接受范围又或者是采用虚拟惯性控制来减小各节点频率变化率大小以增强并网点的电网强度，使系统恢复动态稳定运行。

步骤S1中的不平衡功率分配特性和步骤S2中的频率变化率分布特性也适用于新能源电力系统中，发电机组与新能源机组连接母线频率曲线基本相同，针对当前高比例新能源电力系统抗扰动能力较差，各节点功率扰动冲击过大引起过大的频率变化率后，分析新能源机组产生附加连锁反应的原因以及采取相应措施以应对频率变化率过大。

目前电力系统高比例新能源渗透率特征显著，当功率扰动作用在新能源机组附近线路上，新能源机组并入电网是经过层层升压，阻抗放大数倍后，等同于远距离机组，当线路某点发生扰动后的暂态过程中，远端机组(扰动点与发电机组之间线路阻抗较大)由于端口电压波动较小，励磁调节不起作用，发电机组内暂态电抗一般为稳态电抗，再加上线路阻抗较大，由不平衡功率分配公式可知，远端机组分配的不平衡功率较小，远端机组具有较大的惯量(大惯量机组对频率稳定的支撑能力较强)，由公式(4)计算可得频率变化率较小，即远端机组对扰动点的频率响应变化范围较小，若扰动点频率跌落较大，远端机组起不到提升频率稳定的作用。扰动点大容量有功冲击仅依靠原有的发电机组承担，惯量支撑能力有限，会引起系统频率快速跌落或飙升(过大的频率变化率)，继而触发电网第三道防线中的低频减载、高周切机等安全自动装置动作，使系统面临大面积切负荷、切机风险。为了确保电网稳定运行，解决新能源电力系统中频率变化率过大的问题，可采用以下方式：

一是规定节点惯量下限，将每个节点的频率变化率维持在可接受范围；可采用如下方法：根据节点可接受的频率变化率上限

以及步骤S1中节点处分配到的不平衡功率ΔP计算该节点的惯量下限；

其中T_jmin为该节点处惯性时间常数的下限值。

二是设置频率越限保护，调整触发低频减载保护装置动作的频率变化保护阈值(例如触发低频减载保护装置动作的频率变化保护阈值从±0.125Hz/s提升至±1Hz/s)，采用基于实时频率变化率的切负荷自适应、半适应低频减载方案，即在节点分配到的不平衡功率较大时加速切除相匹配的负荷，从而尽快抑制频率快速变化，防止频率不稳定而造成破坏事故，自适应减载方案动作量的定值(即切除的负荷数)要与节点的惯量相适应。

三是采用自适应虚拟惯性控制来改善系统的频率稳定性：当有功功率发生变化，VSG(虚拟同步发电机)输出有功会发生振荡，VSG引入虚拟惯量或虚拟阻尼来抑制发生的振荡(减小频率的波动)，加快动态响应速度。利用VSG参数可自由配置的特点，在不同阶段，采取适当的虚拟惯量的大小来减小频率变化率。与方式一中的规定节点惯量下限相比：在方式一中，尽管通过规定节点惯量下限减小了当前扰动下的频率变化率，但由于节点惯量是固定的，无法保证在其他扰动下依然满足节点能够承受的频率变化率；而方式三中采用虚拟惯量控制，在当前扰动下通过配置VSG参数采取适当的虚拟惯量来减小频率变化率，使得满足节点能够承受的频率变化率，在其他扰动下也能够通过配置不同的VSG参数采取不同的虚拟惯量来减小频率变化率，同样使得满足节点能够承受的频率变化率，控制方法更简单、有效。

考虑高比例新能源的新型电力系统下，发生功率扰动后，虚拟惯量支撑能力有限，根据上述研究的频率变化率分布特性以便于后续通过在各节点处配置更合理的触发低频减载方案的频率变化保护阈值、规定节点惯量下限，将频率变化率维持在可接受范围又或者是采用虚拟惯性控制来减小各节点频率变化率大小以增强并网点的电网强度，使系统恢复动态稳定运行。

以下采用时域仿真软件BPA系统算例对本发明步骤S1中的不平衡功率分配特性和步骤S2中的频率变化率分布特性进行验证分析：

如图3所示的IEEE四机系统仿真模型(规定：区域一为发电机组1和发电机组2整体，区域二为发电机组3和发电机组4整体)分析不平衡功率分配特性，两区之间的线路K点(母线7)切负荷，模拟线路上发生功率扰动，不平衡功率作用在两侧发电机组上。

设置系统基准容量均为900MVA，所述四机系统的参数设置如表1所示：

表1

其中，X_d1、X_d2、X_d3、X_d4分别为发电机组1、发电机组2、发电机组3和发电机组4的d轴同步电抗，X_q1、X_q2、X_q3、X_q4分别为发电机组1、发电机组2、发电机组3和发电机组4的q轴同步电抗，X’_d1、X’_d2、X’_d3、X’_d4为分别为发电机组1、发电机组2、发电机组3和发电机组4的d轴暂态电抗，X’_q1、X’_q2、X’_q3、X’_q4分别为发电机组1、发电机组2、发电机组3和发电机组4的q轴暂态电抗，X”_q1、X”_q2、X”_q3、X”_q4分别为发电机组1、发电机组2、发电机组3和发电机组4的q轴次暂态电抗，X_T1、X_T2、X_T3、X_T4分别为发电机组1、发电机组2、发电机组3和发电机组4的变压器电抗，H₁、H₂分别为发电机1和发电机2的惯性时间常数，H₃、H₄分别为发电机3和发电机4的惯性时间常数。

在仿真验证中，通过加大扰动点K与区域2的发电机组的电气距离(即不断增大扰动点K与区域2之间的线路阻抗)，得出：扰动点K分配到区域2的不平衡功率越来越小，分配到的不平衡功率大小和线路阻抗大小近似成反比。

如图4所示的两机五节点系统仿真模型分析频率变化率分布特性。仿真模型中，发电机组1位于母线1处，发电机组2位于母线2处，发电机组为考虑阻尼绕组的次暂态模型，基准容量100MW，发电机组1的惯性时间常数可看作是无穷大，发电机组2机端电压为13.8kV，位于母线K(扰动点)处接有恒阻抗负荷90MW。所述二机系统参数设置具体如表2所示：

表2

其中，X_d2为发电机组2的d轴同步电抗，Xq₂为发电机组2的q轴同步电抗，X’_d2为发电机组2的d轴暂态电抗，X’_q2为发电机组2的q轴暂态电抗，X_L1、X_L2分别为母线K到母线1、母线2的线路阻抗，X_T1、X_T2分别为母线1、母线2处的变压器电抗，H₂为发电机组2的惯性时间常数，H₁为发电机组1的惯性时间常数，H₁为无穷大。

在发电机组1与发电机组2中间一条线路母线K处切除负荷后，在另一条线路上不同节点插入母线，观察各节点处母线频率跌落大小，如图5。

图5可以看出，仿真与理论分析结果相一致。在发电机组1(无穷大惯量机组)与发电机组2中间一条线路母线K处受到功率扰动时，另一条线路上各节点测量到的频率跌落大小不一样，低惯量机组附近的频率偏差较大(频率偏差指的是该点频率实际值与标称值之差)。

不断改变母线K在线路上的位置，插入点选为a、b、c、d(距离发电机组2由近到远)，如下表3所示。

表3

理论验证分析，为了避免测量的偶然性，取扰动发生后初始0.2s内的数据(仅考虑系统产生偏差功率后频率变化最为剧烈的初始时间段，该时刻主要是惯性响应参与系统频率调节，一次调频还未动作)。根据上述公式(4)、公式(5)(假设Eq恒定，U取扰动处的母线电压)。仿真计算得出结果，如图6所示。

由图6可知：发电机组1为无穷大惯量机组时，只对扰动点到发电机组2机端之间线路分析，仿真数据验算得出扰动点K距离发电机组2越近，频率变化率越大，即发电机组2对电网频率响应变化范围越大，反之，频率变化率越小，发电机组2对电网频率响应变化范围越小。

随着电力系统中新能源比例越来越高，传统发电机组比例逐渐下降，低惯量电力系统在遭受有功功率扰动时，产生过大的频率变化率更易造成系统频率崩溃事件的发生。因而在当前背景中，有待改善频率变化率大小以保证电力系统的稳定运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种针对大扰动下频率变化的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：计算电网受扰时每个节点分配到的不平衡功率；

S2：根据步骤S1中每个节点分配到的不平衡功率，计算每个节点的频率变化率；

S3：根据步骤S2中每个节点的频率变化率，通过在各节点处配置频率变化保护阈值、规定节点惯量下限，将频率变化率维持在可接受范围又或者是采用虚拟惯性控制来减小各节点频率变化率大小以增强并网点的电网强度，使系统恢复动态稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种针对大扰动下频率变化的调节方法，其特征在于，通过测量得到的扰动点带来的不平衡功率，结合电网结构阻抗参数，计算得到电网中每个节点处发电机组分配到的不平衡功率；其中，

针对三机及以上系统，对扰动点两侧的发电机组进行组合将其分解为若干级二机系统；

针对两机系统，扰动点两侧线路分配的不平衡功率大小与扰动点两侧线路的电网结构阻抗参数成反比，所述电网结构阻抗参数包括线路阻抗和发电机组内部的暂态电抗。

3.根据权利要求1所述的一种针对大扰动下频率变化的调节方法，其特征在于，步骤S2中，

其中，

为节点的频率变化率的标幺值，ΔP_*为节点分配到的不平衡功率的标幺值，T_j为节点的发电机惯性时间常数。

4.根据权利要求1所述的一种针对大扰动下频率变化的调节方法，其特征在于，步骤S3中，配置频率变化保护阈值具体为：

设置频率越限保护，调整触发低频减载保护装置动作的频率变化保护阈值，采用基于实时频率变化率的切负荷自适应、半适应低频减载方案，即在节点分配到的不平衡功率较大时加速切除相匹配的负荷，从而抑制频率快速变化，防止频率不稳定而造成破坏事故，自适应减载方案动作量的定值要与节点的惯量相适应；

规定节点惯量下限具体为：

根据节点可接受的频率变化率上限

以及步骤S1中节点处分配到的不平衡功率ΔP计算该节点的惯量下限；

其中T_jmin为该节点处惯性时间常数的下限值；

采用虚拟惯性控制具体为：

当有功功率发生变化，虚拟同步发电机输出有功会发生振荡虚拟同步发电机引入虚拟惯量或虚拟阻尼来抑制发生的振荡，加快动态响应速度，利用虚拟同步发电机参数可自由配置的特点，在不同阶段，采取不同的虚拟惯量的大小来减小频率变化率。

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