CN116295595A - 基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，在区域主机内对电气柜的多个火灾特征信息量设初始值，采集终端组件在线监测获取电气柜多个火灾特征信息量，并传输至区域主机；区域主机将多个火灾特征信息量根据其数据特点进行分类计算多个火灾特征信息量的初始值变量和测量值变量；并依据测量值变量与初始值变量相差后的变化率来计算多个火灾特征信息量所对应的单向风险值，将多个单向风险值进行融合计算，得出总体风险值，结合计算后的单项风险值和融合后的总体风险值，根据风险评估模型判别各电气柜火灾风险等级，本发明融合多个参量对电气柜火灾风险进行综合评估，全方位实现电气柜的火灾早期预警功能，提高了预警准确率。

Description

基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法
技术领域
本发明属于电气柜火灾风险评估预警技术领域，具体涉及基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法。
背景技术
电气柜作为一种执行电能分配和线路保护的设备，广泛应用于电力系统发电、输电、变电、配电等环节，其安全运行直接关系着电力的安全生产。在使用过程中，电气柜内电力电缆、开断接触点、电缆接头等均有可能因为松动、绝缘腐蚀、电弧冲击等存在故障点继而产生大量热量，由于柜体整体密封，柜体内的故障点热量容易局部堆积，从而会导致内部设备的受热损坏，严重时还会发生火灾险情，传统的电气柜缺乏防火预警装置，同时当电气柜内部着火时，由于密封性和内部狭小的空间以及设备可能仍然带电，给火灾扑救造成了很大困难，容易引起的大面积停电事故，造成经济损失，严重威胁电网和人员安全。因此预防火灾发生，对电气柜的安全运行具有重大的意义。但目前，关于电气柜的火灾预防仍存在以下的不足，体现在：
(1)电力部门的规章中要求，在电气柜室内需配置火灾自动报警系统，通过感烟、感光、感温、火焰、气体、吸气式等火灾探测器探测初期火灾并发出警报。然而火灾探测器检测的是火灾发生后的物质，只能在某种程度上减少火灾的损失，属于被动消防，无法实现早期预警监测。
(2)部分单位安装了电气柜火灾早期预警系统，如通过在触头、母排连接处、电缆接头等位置安装无线测温传感器，还有通过监测电气柜内微环境中的电缆受热产生的热解粒子浓度变化进行预警，也有通过温度、烟雾、火光等单一类别传感器监测火灾信息的，但是，这些都存在获取火灾特征种类单一、原理各有自身局限性、覆盖面小、受环境等因素影响较大等缺陷，难以满足电气柜实际应用场所全方位准确预警的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，通过监测电器柜多个来源的异构火灾特性信息信号，从不同角度、多维参量对电气柜火灾状态监控分析，建立风险评估模型，融合多个参量对电气柜火灾风险进行综合评判，给出风险等级，并产生分级预警，提供状态检修策略，全方位实现电气柜的火灾早期预警功能，提高了预警准确率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，在区域主机内对电气柜的多个火灾特征信息量设初始值，采集终端组件在线监测获取电气柜多个火灾特征信息量，并传输至区域主机；
区域主机将多个火灾特征信息量根据其数据特点进行分类计算多个火灾特征信息量的初始值变量和测量值变量；
区域主机依据测量值变量与初始值变量相差后的变化率来计算多个火灾特征信息量所对应的单向风险值，多个单向风险值即多源异构特征量；
将多源异构特征量进行融合计算，得出总体风险值，结合计算后的单项风险值和融合后的总体风险值，根据风险评估模型判别各电气柜火灾风险等级，区域主机根据风险等级判断是否发出警报，并在发出警报后通过显示模块显示相应的检修策略。
进一步的，多个火灾特征信息量分别为n个电气柜温度特征量、m个特征气体特征量和l个热解离子特征量，其中特征气体和热解离子采集时，先抽气2分钟再进行采集。
进一步的，n个电气柜温度特征量包括电气柜的触头温度特征量、母排接点温度特征量、电缆接头温度特征量和柜体内环境温度特征量；触头、母排和电缆的温度值会随流过的运行负荷电流大小的变化而发生变化，因此触头、母排和电缆的单相温度特征量变化包含负荷电流的共性影响，为防止误判需要消除这种共性影响,采用纵横比分析法,首先对三相测量点的温度特征量进行横向相比，消除负荷电流产生的共性影响，剩余量即为故障引起的温升变化，然后纵向比较变化率，计算单相风险值，横向比较计算公式为：
Figure BDA0003839021770000021
其中Ta、Tb、Tc分别为触头连接点、母排接点和电缆连接头处中任意一个的A相、B相、C相测量的温度数值，r为触头连接点温度的特征量、母排接点温度的特征量和电缆连接头处温度的特征量中任意一个；柜体内环境温度采用柜内温度值与区域主机柜外温度差值做风险值分析计算变量，消除柜体内环境温度会随着外界环境温度变化而变化的影响，计算公式为：y＝Tinter-Tout；其中Tinger为柜内内环境温度测量数值，Tout为区域主机柜外测量的温度数值，y为柜体内环境温度特征量；对各电气柜温度特征量进行纵向比较时，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：rT＝(xT-xT0)/xT0×100％；其中rT为电气柜温度特征变化率，xT为电气柜温度特征量的当前测量计算变量，xT0为电气柜温度特征量的计算变量初始值。
进一步的，n个电气柜温度的单项风险值计算公式为：
Figure BDA0003839021770000031
其中，hi为电气柜温度的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
进一步的，m个电气柜特征气体特征量包括电气柜的CO、CO2、SO2、HCL、NOX和O3的电气柜特征气体含量；各电气柜特征气体含量做纵向比较，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：rG＝(xG-xG0)/xG0×100％；其中rG为电气柜特征气体特征变化率，xG为电气柜特征气体特征量的当前测量计算变量，xG0为电气柜特征气体特征量的计算变量初始值。
进一步的，m个电气柜特征气体特征量的单项风险值计算公式为：
Figure BDA0003839021770000032
其中，hj为电气柜特征气体的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
进一步的，l个电气柜热解离子特征量包括电气柜的PM1.0、PM2.5、PM10和烟雾离子含量；各热解离子含量做纵向比较，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：；rP＝(xp-xp0)/xp0×100％；其中rp为电气柜热解离子特征变化率，xp为电气柜热解离子特征量的当前测量计算变量，xp0为电气柜热解离子特征量的计算变量初始值。
进一步的，l个电气柜热解离子特征量的单项风险值计算公式为：
Figure BDA0003839021770000041
其中，hk电气柜热解离子特征量的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
进一步的，对n个电气柜温度特征量、m个特征气体特征量和l个热解离子特征量风险值进行融合计算，计算公式为：
Figure BDA0003839021770000042
其中
Figure BDA0003839021770000043
为融合后的总体风险值，Qi为每个电气柜温度特征值的权值，n为电气柜温度特征量个数；Qj为每个特征气体特征值的权值，m为电气柜温度特征量个数；Qk为每个热解离子特征值的权值，l为热解离子特征量个数。
进一步的，风险评估模型将电气柜火灾风险等级分为A正常、B注意、C异常和D严重，各个风险等级的总体风险值为：
Figure BDA0003839021770000044
进一步的，区域内电气柜为多个时，以最近一个月为时间窗，对区域内的同厂家、同批次电气柜按B、C、D预警等级分别统计发生预警的比例，当比例超过30％时，认为区域内此类预警为家族性火灾风险预警。
基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警系统，包括区域主机和对应设置在若干电气柜内的采集终端组件，区域主机和采集终端组件通信连接，
区域主机包括第一MCU、显示模块、第一LoRa通信模块、报警模块和柜外温度采集模块，显示模块、第一LoRa通信模块、报警模块和柜外温度采集模块与第一MCU电连接。
进一步的，区域主机内还设置有电源模块，电源模块分别与柜外温度采集模块、报警模块、第一MCU和第一LoRa通信模块电连接。
进一步的，采集终端组件包括抽气采集模块、特征气体采集模块、热离子采集模块、无线测温模块，无线测温模块和抽气采集模块安装在电气柜内，特征气体采集模块和热离子采集模块设置在抽气采集模块内，抽气采集模块、特征气体采集模块、热离子采集模块和无线测温模块与区域主机通信连接。
进一步的，抽气采集模块包括采样室、转接头、第二MCU、微型泵、第二LoRa通信模块和采样管，采样室经转接头连接采样管，微型泵和第二MCU安装在转接头内，第二MCU分别与微型泵和第二LoRa通信模块电连接。
进一步的，采样室内设置有容纳特征气体采集模块和热离子采集模块的安装空间。
进一步的，特征气体采集模块包括分别与区域主机通信连接的CO无源无线传感器、CO2无源无线传感器、SO2无源无线传感器、HCL无源无线传感器、NOX无源无线传感器和O3无源无线传感器。
进一步的，热解离子采集模块包括分别与区域主机通信连接的PM1.0无源无线传感器、PM2.5无源无线传感器和烟雾监测传感器、PM10无源无线传感器和烟雾无源无线传感器。
进一步的，报警模块为报警灯。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过监测电器柜多个来源的异构火灾特性信息信号，从不同角度、多维参量对电气柜火灾状态监控分析，建立风险评估模型，融合多个参量对电气柜火灾风险进行综合评判，给出风险等级，并产生分级预警，提供状态检修策略，有效避免了单一监测传感器监测的不足，全方位实现电气柜的火灾早期预警功能，减少误报、漏报情况发生，有效提升火灾预警准确率。
附图说明
图1为本发明工作流程图；
图2为本发明原理框图；
图3为本发明区域主机原理框图；
图4为本发明抽气采集模块原理框图；
具体实施方式
参照图1，基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，在区域主机内对多个火灾特征信息量设初始值，多个火灾特征信息量分别为n个电气柜温度特征量、m个特征气体特征量和l个热解离子特征量，其中特征气体和热解离子采集时，先抽气2分钟再进行采集。
采集火灾特征信息量，采集终端组件在电气柜内抽气2分钟，然后采集特征气体和热解离子，并发送至区域主机；采用A、B、C三相测量的方式采集电气柜的触头温度、母排接点温度和电缆接头温度，采集柜体内环境温度和区域主机柜外温度，并发送至区域主机。
因为触头、母排和电缆的温度值会随流过的运行负荷电流大小的变化而发生变化，因此触头、母排和电缆的单相温度特征量变化包含负荷电流的共性影响，为防止误判需要消除这种共性影响,采用纵横比分析法,首先对三相测量点的温度特征量进行横向相比，消除负荷电流产生的共性影响，剩余量即为故障引起的温升变化，计算出触头温度特征量、母排接点温度特征量和电缆接头温度特征量；横向比较计算公式为：
Figure BDA0003839021770000061
其中Ta、Tb、Tc分别为触头连接点、母排接点和电缆连接头处中任意一个的A相、B相、C相测量的温度数值，r为触头连接点温度的特征量、母排接点温度的特征量和电缆连接头处温度的特征量中任意一个；
为了消除柜体内环境温度会随着外界环境温度变化而变化的影响，柜体内环境温度采用柜内温度值与区域主机柜外温度差值做风险值分析计算变量，消除柜体内环境温度会随着外界环境温度变化而变化的影响，计算出柜体内环境温度特征量，计算公式为：y＝Tinter-Tout；其中Tinger为柜内内环境温度测量数值，Tout为区域主机柜外测量的温度数值，y为柜体内环境温度特征量。
其后依据变化率计算公式为：rT＝(xT-xT0)/xT0×100％；计算出为电气柜温度特征变化率，其中rT为电气柜温度特征变化率，xT为电气柜温度特征量的当前测量计算变量，xT0为电气柜温度特征量的计算变量初始值。
再依据单项风险值计算公式计算出n个电气柜温度的单项风险值；
Figure BDA0003839021770000062
其中hj为电气柜特征气体特征量的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
其后计算电气柜特征气体特征变化率，m个电气柜特征气体特征量包括电气柜的CO、CO2、SO2、HCL、NOX和O3的电气柜特征气体含量；各电气柜特征气体含量做纵向比较，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：；rG＝(xG-xG0)/xG0×100％；rG为电气柜特征气体特征变化率，其中xG为电气柜特征气体特征量的当前测量计算变量，xG0为电气柜特征气体特征量的计算变量初始值。
再依据单项风险值计算公式计算出m个电气柜特征气体特征量的单项风险值，
Figure BDA0003839021770000071
hj为电气柜特征气体的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
再计算电气柜热解离子特征变化率，l个电气柜热解离子特征量包括电气柜的PM1.0、PM2.5、PM10和烟雾离子含量；各热解离子含量做纵向比较，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：rP＝(x-x0)/x0×100％；rP＝(xp-xp0)/xp0×100％；其中rp为电气柜热解离子特征变化率，xp为电气柜热解离子特征量的当前测量计算变量，xp0为电气柜热解离子特征量的计算变量初始值。
再依据单项风险值计算公式计算出1个电气柜热解离子特征量的单项风险值，
Figure BDA0003839021770000072
hk电气柜热解离子特征量的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
将上述计算出的多个单向风险值进行融合计算，得出总体风险值，结合计算后的单项风险值和融合后的总体风险值，总体风险值计算公式为：
Figure BDA0003839021770000073
Figure BDA0003839021770000081
其中/>
Figure BDA0003839021770000082
为融合后的总体风险值，Qi为每个电气柜温度特征值的权值，n为电气柜温度特征量个数；Qj为每个特征气体特征值的权值，m为电气柜温度特征量个数；Qk为每个热解离子特征值的权值，l为热解离子特征量个数。根据风险评估模型判别各电气柜火灾风险等级，区域主机根据风险等级判断是否发出警报，并在发出警报后通过显示模块显示相应的检修策略，区域内电气柜为多个时，以最近一个月为时间窗，对区域内的同厂家、同批次电气柜按B、C、D预警等级分别统计发生预警的比例，当比例超过30％时，认为区域内此类预警为家族性火灾风险预警。
表1电气柜火灾特征信息量风险值计算参量
Figure BDA0003839021770000083
表2电气柜风险评估模型
Figure BDA0003839021770000084
Figure BDA0003839021770000091
表3电气柜火灾风险检修策略
Figure BDA0003839021770000092
参照图2，基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警系统，包括区域主机和对应设置在若干电气柜内的采集终端组件，区域主机和采集终端组件通信连接。
参照图3，进一步的，区域主机包括第一MCU、显示模块、第一LoRa通信模块、报警模块和柜外温度采集模块，显示模块、第一LoRa通信模块、报警模块和柜外温度采集模块与第一MCU电连接。
进一步的，区域主机内还设置有电源模块，电源模块分别与柜外温度采集模块、报警模块、第一MCU和第一LoRa通信模块电连接。
参照图4，进一步的，采集终端组件包括抽气采集模块、特征气体采集模块、热离子采集模块、无线测温模块，无线测温模块和抽气采集模块安装在电气柜内，特征气体采集模块和热离子采集模块设置在抽气采集模块内，抽气采集模块、特征气体采集模块、热离子采集模块和无线测温模块与区域主机通信连接。
进一步的，抽气采集模块包括采样室、转接头、第二MCU、微型泵、第二LoRa通信模块和采样管，采样室经转接头连接采样管，微型泵和第二MCU安装在转接头内，第二MCU分别与微型泵和第二LoRa通信模块电连接。
进一步的，采样室内设置有容纳特征气体采集模块和热离子采集模块的安装空间。
进一步的，特征气体采集模块包括具有LoRa通信功能且分别与区域主机通信连接的CO无源无线传感器、CO2无源无线传感器、SO2无源无线传感器、HCL无源无线传感器、NOX无源无线传感器和O3无源无线传感器。
进一步的，热解离子采集模块包括具有LoRa通信功能且分别与区域主机通信连接的PM1.0无源无线传感器、PM2.5无源无线传感器和烟雾监测传感器、PM10无源无线传感器和烟雾无源无线传感器。
进一步的，报警模块为报警灯。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：在区域主机内对电气柜的多个火灾特征信息量设初始值，采集终端组件在线监测获取电气柜多个火灾特征信息量，并传输至区域主机；
区域主机将多个火灾特征信息量根据其数据特点进行分类计算多个火灾特征信息量的初始值变量和测量值变量；
区域主机依据测量值变量与初始值变量相差后的变化率来计算多个火灾特征信息量所对应的单向风险值，多个单向风险值即多源异构特征量；
将多源异构特征量进行融合计算，得出总体风险值，结合计算后的单项风险值和融合后的总体风险值，根据风险评估模型判别各电气柜火灾风险等级，区域主机根据风险等级判断是否发出警报，并在发出警报后通过显示模块显示相应的检修策略。
2.根据权利要求1所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：多个火灾特征信息量分别为n个电气柜温度特征量、m个特征气体特征量和l个热解离子特征量，其中特征气体和热解离子采集时，先抽气2分钟再进行采集。
3.根据权利要求1或2所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：n个电气柜温度特征量包括电气柜的触头温度特征量、母排接点温度特征量、电缆接头温度特征量和柜体内环境温度特征量；触头、母排和电缆的温度值会随流过的运行负荷电流大小的变化而发生变化，因此触头、母排和电缆的单相温度特征量变化包含负荷电流的共性影响，为防止误判需要消除这种共性影响，采用纵横比分析法，首先对三相测量点的温度特征量进行横向相比，消除负荷电流产生的共性影响，剩余量即为故障引起的温升变化，然后纵向比较变化率，计算单相风险值，横向比较计算公式为：
Figure QLYQS_1
其中Ta、Tb、Tc分别为触头连接点、母排接点和电缆连接头处中任意一个的A相、B相、C相测量的温度数值，r为触头连接点温度的特征量、母排接点温度的特征量和电缆连接头处温度的特征量中任意一个。
4.根据权利要求3所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：柜体内环境温度采用柜内温度值与区域主机柜外温度差值做风险值分析计算变量，消除柜体内环境温度会随着外界环境温度变化而变化的影响，计算公式为：y＝Tinter-Tout；其中Tinger为柜内内环境温度测量数值，Tout为区域主机柜外测量的温度数值，y为柜体内环境温度特征量；对各电气柜温度特征量进行纵向比较时，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：rT＝(xT-xT0)/xT0×100％；rT为电气柜温度特征变化率，其中xT为电气柜温度特征量的当前测量计算变量，xT0为电气柜温度特征量的计算变量初始值。
5.根据权利要求4所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：m个电气柜特征气体特征量包括电气柜的CO、CO2、SO2、HCL、NOX和O3的电气柜特征气体含量；各电气柜特征气体含量做纵向比较，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：rG＝(xG-xG0)/xG0×100％；rG为电气柜特征气体特征变化率，其中xG为电气柜特征气体特征量的当前测量计算变量，xG0为电气柜特征气体特征量的计算变量初始值。
6.根据权利要求5所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：l个电气柜热解离子特征量包括电气柜的PM1.0、PM2.5、PM10和烟雾离子含量；各热解离子含量做纵向比较，采用测量值变量与初始值变量相差后的变化率，消除电气柜的初始环境不同和初始值大小不同所带来的影响，变化率计算公式为：rP＝(xp-xp0)/xp0×100％；rp为电气柜热解离子特征变化率，其中xp为电气柜热解离子特征量的当前测量计算变量，xp0为电气柜热解离子特征量的计算变量初始值。
7.根据权利要求6所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：对n个电气柜温度特征量、m个特征气体特征量和l个热解离子特征量风险值进行融合计算，计算公式为：
Figure QLYQS_2
其中
Figure QLYQS_3
为融合后的总体风险值，Qi为每个电气柜温度特征值的权值，n为电气柜温度特征量个数；Qj为每个特征气体特征值的权值，m为电气柜温度特征量个数；Qk为每个热解离子特征值的权值，l为热解离子特征量个数。
8.根据权利要求7所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：l个电气柜热解离子特征量的单项风险值计算公式为：
Figure QLYQS_4
n个电气柜温度的单项风险值计算公式为：
Figure QLYQS_5
m个电气柜特征气体特征量的单项风险值计算公式为：
Figure QLYQS_6
其中，hj为电气柜特征气体的单项风险值，其中hj为电气柜特征气体特征量的单项风险值，hk电气柜热解离子特征量的单项风险值，YI代表一级风险预警阈值、YII代表二级风险预警阈值、YIII代表三级风险预警阈值，VI代表一级预警风险值、VII代表二级预警风险值、VIII代表三级预警风险值。
9.根据权利要求8所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：风险评估模型将电气柜火灾风险等级分为A正常、B注意、C异常和D严重，各个风险等级的总体风险值为：
Figure QLYQS_7
10.根据权利要求8所述的基于多源异构信息的电气柜火灾风险评估预警方法，其特征是：区域内电气柜为多个时，以最近一个月为时间窗，对区域内的同厂家、同批次电气柜按B、C、D预警等级分别统计发生预警的比例，当比例超过30％时，认为区域内此类预警为家族性火灾风险预警。
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