CN115940235A - 基于边缘计算风电储能协调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于边缘计算风电储能协调控制系统，其包括：一并网点数据采集端；一风电储能协调控制终端，分别连接并网点数据采集端及风电场AGC/AVC系统，用于接收并网点的有功功率、无功功率、电压、频率数据及风电场AGC/AVC系统分配的有功功率与无功功率；一储能电站，包括储能电池的一EMS系统，EMS系统连接至风电储能协调控制终端，用于上传储能电站的实时SOC参数；一单台风机控制系统，连接至风电储能协调控制终端，用于上传对应风机的实时功率；通过将边缘计算技术、物联网技术、自动发电控制技术、自动电压控制技术、一次调频技术、期望功率输出控制算法同风力发电机与储能有机结合，实现风力发电机组同储能的协调。

Description

基于边缘计算风电储能协调控制系统

技术领域

本发明涉及单台风力发电机与储能协调控制的技术领域，具体而言，涉及一种基于边缘计算风电储能协调控制系统，更具体地是利用边缘计算及控制优势，并充分利用风力发电的特性与高倍率储能电池的特性，建立风机与储能协调控制，以实现按期望值输出风力发电曲线，提高风力发电消纳，进而实现一次调频及AGC/AVC功能，满足电网运行控制要求。

背景技术

随着全球气候的变化以及巴黎协定的执行，节能减排任务艰巨，调整能源供给及利用结构是能源行业的大趋势。随着现今高比例的新能源接入电网，对电网安全稳定地运行与消纳都提出新的技术问题。然而，风力发电具有随机性、反调峰性，会受到风速、气压、空气密度、温度等气象因素的影响，因而决定风力发电的功率不具有稳定性，其波动较大。

如何将单台风力发电机变成灵活可调，按照期望功率曲线输出，提升新能源消纳并与风机一起配置一定容量的储能，以构成新型发电系统，是解决前述问题的较好技术路径之一。带储能的风力发电系统，可以平滑风机功率发电曲线，快速参与一次调频及AGC/AVC控制。因此，为了实现新型发电系统输出期望功率曲线、一次调频及AGC/AVC功能，本领域需要一种能够对风机与储能实现协调控制的系统，以期达到安全稳定运行、高效利用风力发电机的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于边缘计算风电储能协调控制系统，通过将边缘计算技术、物联网技术、自动发电控制技术、自动电压控制技术、一次调频技术、期望功率输出控制算法同风力发电机与储能有机结合，实现风力发电机组同储能的协调。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于边缘计算风电储能协调控制系统，其包括：

一并网点数据采集端，用于采集风电机组交流侧并网点的有功功率、无功功率、电压与频率；

一风电储能协调控制终端，分别连接所述并网点数据采集端及风电场AGC/AVC系统，用于接收并网点的有功功率、无功功率、电压、频率数据及所述风电场AGC/AVC系统分配的有功功率与无功功率；

一储能电站，其包括储能电池的一EMS系统，所述EMS系统连接至所述风电储能协调控制终端，用于上传储能电站的实时SOC参数；

一单台风机控制系统，连接至所述风电储能协调控制终端，用于上传对应风机的实时功率；

其中，所述风电储能协调控制终端利用所述并网点数据采集端采集到的有功功率，采用滑动平均法计算对应风机的期望有功功率P0，得到期望功率曲线，并将所述单台风机控制系统上传的实时功率与期望有功功率P0进行比较，执行如下控制过程：

A.风机功率曲线平滑控制，具体为：

当0.1≤实时SOC<0.9，且实时功率>P0，所述风电储能协调控制终端启动并控制所述储能电站的变流器进行储能充电，直至0.98≤实时SOC时，充电停止；

当0.1≤实时SOC<0.9，且实时功率<P0，所述风电储能协调控制终端启动并控制所述储能电站的变流器进行储能放电，直至实时SOC<0.1，放电停止；

重复上述充放电过程，以实现风力发电功率曲线平滑，即维持风机发电功率曲线与期望功率曲线同趋势运行；

B.一次调频控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且所述储能电站状态正常、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，若并网点的频率超过电网设定的一次调频频率范围，则所述风电储能协调控制终端启动一次调频算法，计算出频率变化需要调整的有功功率值，并根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配或储能优先分配方式进行配置，将功率调整值根据计算结果分配给储能电站或风机，并确保频率满足需求，以实现单台风机一次调频功能；

C.AGC功能控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且所述储能电站状态正常、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，则所述风电储能协调控制终端根据所述风电场AGC/AVC系统103分配的有功功率及当前电价，计算有功功率调整值ΔP，并根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配或储能优先分配方式进行配置，并反馈所述风电场AGC/AVC系统调整分配给风机或储能电站的有功功率，以实现并网点有功功率的调节；以及

D.AVC功能控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且所述储能电站状态正常、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，则所述风电储能协调控制终端根据所述风电场AGC/AVC系统分配的无功功率，且在并网点的电压满足合格的条件下，计算需调整的无功功率ΔQ，将需调整的无功功率ΔQ根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配或储能优先分配方式进行配置，并反馈所述风电场AGC/AVC系统调整分配给风机或储能电站的无功功率，以实现并网点电压与无功功率的调节。

在本发明一实施例中，其中，所述风电储能协调控制终端的硬件采用四核Cortex-A53架构，其具有串口、工业以太网及物联网卡4G/5G通信模块，软件平台采用基于RT-linux开放操作系统。

在本发明一实施例中，其中，所述储能电站包括复数高倍率充放电长寿命周期的储能电池，其中所述储能电池为钛酸锂电池。

在本发明一实施例中，其中，计算对应风机的期望有功功率P0的滑动平均法具体为：

设系统采样间隔为Δt，初始时刻为t₁，当前时刻为t_i＝(i-1)*Δt，采集风机实时输出功率P_w，则风电输出平滑功率值为：

式中，P_h(t_i)为t_i时刻计算得到的风电输出功率期望值，N为移动平均值算法所取的步长；

对平滑功率作变化率限制处理，从而得到最终的风电期望功率P0，即令

式中，P_h(t_i+1)与P_h(t_i)为相邻时刻的平滑功率值，m为变化率幅值。

在本发明一实施例中，其中，一次调频算法具体为：

步骤S01：通过设定频率与有功功率折线函数实现风电场快速频率响应有功功率-频率下垂特性，即：

式中，f_d为快速频率响应死区，f_N为系统额定频率，P_N为额定功率，δ％为快速频率响应调差率，P₀为有功功率初值；

步骤S02：计算快速频率响应技术指标，其包括：

响应性能指标：对于调节目标变化量不低于额定出力10％的频率阶跃扰动，响应过程应满足以下要求：

响应滞后时间t_hx：自频率越过风电场站调频死区开始到发电出力可靠的调频方向开始变化所需的时间；

响应时间t_0.9：自频率超出调频死区开始，至有功功率调节量达到调频目标值与初始功率之差的90％所需的时间；

调节时间t_s：自频率超出调频死区开始，至有功功率达到稳定(即功率波动不超过额定出力±1％)的最短时间；及

调频控制偏差指标：调频控制偏差风电场应控制在额定出力的±2％以内；

测频精度指标：频率测量分辨率不大于0.003Hz；

且快速频率响应有功控制周期应不大于1s，风电场站快速频率响应功能应能够躲过单一短路故障引起的瞬时频率突变。

在本发明一实施例中，其中，需调整的无功功率ΔQ的计算过程具体为：

ΔQ＝Q1-Q2

式中，Q1为并网点采集到的无功功率，Q2为风电场AGC/AVC系统分配的无功功率。

本发明提供的基于边缘计算风电储能协调控制系统，与现有技术相比至少具有如下优势：

1)将储能与风机协调控制，构成新型的风机发电系统；

2)采用边缘计算容器与虚拟技术，将自动发电控制系统(AGC)/自动电压调整(AVC)、一次调频、风机与储能协调控制、平滑单台风机功率发电曲线融入一台边缘计算协调控制终端；

3)在风力发电单元引入高倍率充放电长寿命周期储能的钛酸锂电池；

4)将峰、尖峰、谷、平电价引入协调控制系统，从而实现安全稳定运行、高效利用风力发电机的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明一实施例的系统架构图；

图2为本发明一实施例的系统程序控制的示意图；

图3为本发明一实施例中风电场快速频率响应有功-频率下垂特性示意图；

图4为本发明一实施例中快速频率响应频率阶跃扰动过程调节示意图。

附图标记说明：101-风电储能协调控制终端；102-并网点数据采集端；103-风电场AGC/AVC系统；104-EMS系统；105-单台风机控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例的系统架构图，图2为本发明一实施例的系统程序控制的示意图，如图1和图2所示，本实施例提供一种基于边缘计算风电储能协调控制系统，其包括：

一并网点数据采集端102，用于采集风电机组交流侧(即出口)并网点的有功功率、无功功率、电压、频率等数据；

一风电储能协调控制终端101，分别连接并网点数据采集端102及风电场AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制，用于进行有功功率控制)/AVC(Automatic Voltage Control，自动电压控制，用于进行无功电压控制)系统103，用于接收并网点的有功功率、无功功率、电压、频率数据及风电场AGC/AVC系统103分配的有功功率与无功功率，其中，风电场AGC/AVC系统103是风电场现有系统，故不赘述；

在本实施例中，其中，风电储能协调控制终端101的硬件采用四核Cortex-A53架构，其具有串口、工业以太网及物联网卡4G/5G通信模块，软件平台采用基于RT-linux开放操作系统，但不以此为限。

一储能电站，其包括储能电池的一EMS系统(能量管理系统)104，EMS系统104连接至风电储能协调控制终端101，用于上传储能电站的实时SOC(State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量)参数；

在本实施例中，其中，储能电站包括复数高倍率充放电长寿命周期的储能电池，其中所述储能电池为钛酸锂电池，但不以此为限。

一单台风机控制系统105，连接至风电储能协调控制终端101，用于上传对应风机的实时功率；

其中，风电储能协调控制终端101利用并网点数据采集端102采集到的有功功率，采用滑动平均法计算对应风机的期望有功功率P0，得到期望功率曲线，并将单台风机控制系统105上传的实时功率与期望有功功率P0进行比较，执行如下控制过程：

A.风机功率曲线平滑控制，具体为：

当0.1≤实时SOC<0.9，且实时功率>P0，风电储能协调控制终端101启动并控制储能电站的变流器进行储能充电，直至0.98≤实时SOC时，充电停止；

当0.1≤实时SOC<0.9，且实时功率<P0，风电储能协调控制终端101启动并控制储能电站的变流器进行储能放电，直至实时SOC<0.1，放电停止；

重复上述充放电过程，以实现风力发电功率曲线平滑，即维持风机发电功率曲线与期望功率曲线同趋势运行；

B.一次调频控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且储能电站状态正常(即变流器状态正常、电池簇状态正常)、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，若并网点的频率超过电网设定的一次调频频率范围，则风电储能协调控制终端101启动一次调频算法，计算出频率变化需要调整的有功功率值，并根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配、储能优先分配等方式进行配置，将功率调整值根据计算结果分配给储能电站或风机，并确保频率满足需求，以实现单台风机一次调频功能；本实施例的一次调频算法可以采用现有算法，故不赘述；

C.AGC功能控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且储能电站状态正常(即变流器状态正常、电池簇状态正常)、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，则风电储能协调控制终端101根据风电场AGC/AVC系统103(主要为AGC)分配的有功功率及当前电价，计算有功功率调整值ΔP，并根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配、储能优先分配等方式进行配置，并反馈风电场AGC/AVC系统103调整分配给风机或储能电站的有功功率，以实现并网点有功功率的调节；

D.AVC功能控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且储能电站状态正常(即变流器状态正常、电池簇状态正常)、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，则风电储能协调控制终端101根据风电场AGC/AVC系统103(主要为AVC)分配的无功功率，且在并网点的电压满足合格条件下，计算需调整的无功功率ΔQ，将需调整的无功功率ΔQ根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配、储能优先分配等方式进行配置，并反馈风电场AGC/AVC系统103调整分配给风机或储能电站的无功功率，以实现并网点电压与无功功率的调节。

在本实施例中，其中，需调整的无功功率ΔQ的计算过程具体为：

ΔQ＝Q1-Q2

式中，Q1为并网点采集到的无功功率，Q2为风电场AGC/AVC系统分配的无功功率。

本实施例的风电储能协调控制终端通过采集到的风力发电机组交流测并网点的有功功率、无功功率、电网频率、电压、储能电站SOC等参数；并利用风机出口并网点有功功率，采用滑动平均法计算出风机期望有功功率；然后利用高倍率储能电池组成的储能电站，满足SOC在安全区间内，以期望功率值为基础计算，即当风力发电功率高于期望功率值，储能充电；当风力发电功率低于期望功率值，储能放电；当频率高于或低于电网规定一次调频频率时，一次调频功能启动，并计算出需要调整功率，根据优先级设定分配给储能或风机；当电网需要调峰控制或电压控制时，根据调峰(AGC/AVC分配值)、电价或电压控制要求，根据期望的有功功率及无功功率或风电场AGC/AVC输出控制指令值，计算出需要调整有功功率或无功功率，根据优先级设定，分配给风机或储能参与调节与控制。本实施例通过将储能与风机协调控制，构成风机新型发电系统，将峰、尖峰、谷、平电价引入协调控制系统，并实现将自动发电控制系统(AGC)/自动电压调整(AVC)、一次调频、风机与储能协调控制、平滑单台风机功率发电曲线融入一台边缘计算协调控制终端进行协调控制。

在本实施例中，其中，计算对应风机的期望有功功率P0的滑动平均法具体为：

设系统采样间隔为Δt，初始时刻为t₁，当前时刻为t_i＝(i-1)*Δt，采集风机实时输出功率P_w，则风电输出平滑功率值为：

式中，P_h(t_i)为t_i时刻计算得到的风电输出功率期望值，N为移动平均值算法所取的步长；

由于风速的随机变化性较大，仅对P_w作移动平均值处理得到的平滑功率可能还会有较大的波动，因此可以对平滑功率作变化率限制处理，从而得到最终的风电期望功率P0，即令

式中，P_h(t_i+1)与P_h(t_i)为相邻时刻的平滑功率值，m为变化率幅值。

在本实施例中，其中，一次调频算法具体为：

步骤S01：风电场站利用有功功率控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功功率-频率下垂特性控制，使其在并网点具备参与电网频率快速调整能力。通过设定频率与有功功率折线函数实现风电场快速频率响应有功功率-频率下垂特性，即：

式中，f_d为快速频率响应死区(Hz)，f_N为系统额定频率(Hz)，P_N为额定功率(MW)，δ％为快速频率响应调差率，P₀为有功功率初值(MW)；如图3所示，图3为本发明一实施例中风电场快速频率响应有功-频率下垂特性示意图；

步骤S02：计算快速频率响应技术指标，其包括：

响应性能指标：图4为本发明一实施例中快速频率响应频率阶跃扰动过程调节示意图，如图4所示，对于调节目标变化量不低于额定出力10％的频率阶跃扰动，响应过程应满足以下要求：

响应滞后时间t_hx：自频率越过风电场站调频死区开始到发电出力可靠的调频方向开始变化所需的时间；其中，对风电场站来说其不超过2秒；

响应时间t_0.9：自频率超出调频死区开始，至有功功率调节量达到调频目标值与初始功率之差的90％所需的时间，其中，对于风电场站来说其不超过12秒；

调节时间t_s：自频率超出调频死区开始，至有功功率达到稳定(即功率波动不超过额定出力±1％)的最短时间，其中，对于风电场站来说其不超过15秒；

调频控制偏差指标：调频控制偏差风电场应控制在额定出力的±2％以内；

测频精度指标：频率测量分辨率不大于0.003Hz；

且快速频率响应有功控制周期应不大于1s，风电场站快速频率响应功能应能躲过单一短路故障引起的瞬时频率突变。

本发明提供的基于边缘计算风电储能协调控制系统，具有如下优势：

1)将储能与风机协调控制，构成新型的风机发电系统；

2)采用边缘计算容器与虚拟技术，将自动发电控制系统(AGC)/自动电压调整(AVC)、一次调频、风机与储能协调控制、平滑单台风机功率发电曲线融入一台边缘计算协调控制终端；

3)在风力发电单元引入高倍率充放电长寿命周期储能的钛酸锂电池；

4)将峰、尖峰、谷、平电价引入协调控制系统，从而实现安全稳定运行、高效利用风力发电机的目的。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于边缘计算风电储能协调控制系统，其特征在于，包括：

一并网点数据采集端，用于采集风电机组交流侧并网点的有功功率、无功功率、电压与频率；

一风电储能协调控制终端，分别连接所述并网点数据采集端及风电场AGC/AVC系统，用于接收并网点的有功功率、无功功率、电压、频率数据及所述风电场AGC/AVC系统分配的有功功率与无功功率；

一储能电站，其包括储能电池的一EMS系统，所述EMS系统连接至所述风电储能协调控制终端，用于上传储能电站的实时SOC参数；

一单台风机控制系统，连接至所述风电储能协调控制终端，用于上传对应风机的实时功率；

其中，所述风电储能协调控制终端利用所述并网点数据采集端采集到的有功功率，采用滑动平均法计算对应风机的期望有功功率P0，得到期望功率曲线，并将所述单台风机控制系统上传的实时功率与期望有功功率P0进行比较，执行如下控制过程：

A.风机功率曲线平滑控制，具体为：

当0.1≤实时SOC<0.9，且实时功率>P0，所述风电储能协调控制终端启动并控制所述储能电站的变流器进行储能充电，直至0.98≤实时SOC时，充电停止；

当0.1≤实时SOC<0.9，且实时功率<P0，所述风电储能协调控制终端启动并控制所述储能电站的变流器进行储能放电，直至实时SOC<0.1，放电停止；

重复上述充放电过程，以实现风力发电功率曲线平滑，即维持风机发电功率曲线与期望功率曲线同趋势运行；

B.一次调频控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且所述储能电站状态正常、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，若并网点的频率超过电网设定的一次调频频率范围，则所述风电储能协调控制终端启动一次调频算法，计算出频率变化需要调整的有功功率值，并根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配或储能优先分配方式进行配置，将功率调整值根据计算结果分配给储能电站或风机，并确保频率满足需求，以实现单台风机一次调频功能；

C.AGC功能控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且所述储能电站状态正常、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，则所述风电储能协调控制终端根据所述风电场AGC/AVC系统103分配的有功功率及当前电价，计算有功功率调整值ΔP，并根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配或储能优先分配方式进行配置，并反馈所述风电场AGC/AVC系统调整分配给风机或储能电站的有功功率，以实现并网点有功功率的调节；以及

D.AVC功能控制，具体为：

当0.1≤实时SOC≤0.9，且所述储能电站状态正常、风机实时功率正常、风电机组设备正常时，则所述风电储能协调控制终端根据所述风电场AGC/AVC系统分配的无功功率，且在并网点的电压满足合格的条件下，计算需调整的无功功率ΔQ，将需调整的无功功率ΔQ根据预设优先级按照等比例分配、等增量分配、风机优先分配或储能优先分配方式进行配置，并反馈所述风电场AGC/AVC系统调整分配给风机或储能电站的无功功率，以实现并网点电压与无功功率的调节。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算风电储能协调控制系统，其特征在于，所述风电储能协调控制终端的硬件采用四核Cortex-A53架构，其具有串口、工业以太网及物联网卡4G/5G通信模块，软件平台采用基于RT-linux开放操作系统。

3.根据权利要求1所述的基于边缘计算风电储能协调控制系统，其特征在于，所述储能电站包括复数高倍率充放电长寿命周期的储能电池，其中所述储能电池为钛酸锂电池。

4.根据权利要求1所述的基于边缘计算风电储能协调控制系统，其特征在于，计算对应风机的期望有功功率P0的滑动平均法具体为：

设系统采样间隔为Δt，初始时刻为t₁，当前时刻为t_i＝(i-1)*Δt，采集风机实时输出功率P_w，则风电输出平滑功率值为：

式中，P_h(t_i)为t_i时刻计算得到的风电输出功率期望值，N为移动平均值算法所取的步长；

对平滑功率作变化率限制处理，从而得到最终的风电期望功率P0，即令

式中，P_h(t_i+1)与P_h(t_i)为相邻时刻的平滑功率值，m为变化率幅值。

5.根据权利要求1所述的基于边缘计算风电储能协调控制系统，其特征在于，一次调频算法具体为：

步骤S01：通过设定频率与有功功率折线函数实现风电场快速频率响应有功功率-频率下垂特性，即：

式中，f_d为快速频率响应死区，f_N为系统额定频率，P_N为额定功率，δ％为快速频率响应调差率，P₀为有功功率初值；

步骤S02：计算快速频率响应技术指标，其包括：

响应性能指标：对于调节目标变化量不低于额定出力10％的频率阶跃扰动，响应过程应满足以下要求：

响应滞后时间t_hx：自频率越过风电场站调频死区开始到发电出力可靠的调频方向开始变化所需的时间；

响应时间t_0.9：自频率超出调频死区开始，至有功功率调节量达到调频目标值与初始功率之差的90％所需的时间；

调节时间t_s：自频率超出调频死区开始，至有功功率达到稳定(即功率波动不超过额定出力±1％)的最短时间；及

调频控制偏差指标：调频控制偏差风电场应控制在额定出力的±2％以内；

测频精度指标：频率测量分辨率不大于0.003Hz；

且快速频率响应有功控制周期应不大于1s，风电场站快速频率响应功能应能够躲过单一短路故障引起的瞬时频率突变。

6.根据权利要求1所述的基于边缘计算风电储能协调控制系统，其特征在于，需调整的无功功率ΔQ的计算过程具体为：

ΔQ＝Q1-Q2

式中，Q1为并网点采集到的无功功率，Q2为风电场AGC/AVC系统分配的无功功率。

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