CN116335876A - 风力发电机组出力特性评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种风力发电机组出力特性评价方法，包括：获取风电场中各风力发电机组的运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线；根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标；根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，以根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价。本申请实施例提供的风力发电机组出力特性评价方法能够根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价根据风电场各机组的评价分数高低来确定哪台机组需要优先进行运维，具有较高的精准度。

Description

风力发电机组出力特性评价方法

技术领域

本申请涉及风力发电机组监控技术，尤其涉及一种风力发电机组出力特性评价方法。

背景技术

风力发电机组是将风能转换为电能的设备，需要建设在风力满足发电要求的地区。一个风电场通常设有数十台风力发电机组，各机组之间的距离较长，且风电场的环境较为恶劣，很难做到由运营人员对每台机组进行全面查检，一般通过巡检、定检来保障机组安全和高效运行。其中，各机组的出力特性是巡检安排和定检计划的关键指标。

而出力特性的相关标准众多，各种指标计算方法较为复杂，目前的监控系统至少在不同的界面零散地呈现各机组功率曲线、发电量等指标信息，并没有直观地体现机组出力特性供运维人员进行分析。另外，由于各风电场、各机位的风资源具有一定的差异性和不确定性，仅用发电量的大小并不能完全表征机组的运行状态，导致对各风电场机组的性能分析精准性较差。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种风力发电机组出力特性评价方法。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种风力发电机组出力特性评价方法，包括：

获取风电场中各风力发电机组的运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线；

根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标；

根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，以根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价。

本申请实施例提供的技术方案，通过获取风电场中各风力发电机组的运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线；根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标；根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，以根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价根据风电场各机组的评价分数高低来确定哪台机组需要优先进行运维，具有较高的精准度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的风力发电机组出力特性评价方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的风力发电机组出力特性评价方法中确定各风力发电机组的出力特性指标的流程图；

图3为本申请实施例提供的风力发电机组出力特性评价方法中计算设计应发功率的流程图；

图4为本申请实施例提供的风力发电机组出力特性评价方法中计算实际应发功率的流程图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供一种风力发电机组出力特性评价方法，能够对风电场各台风力发电机组的出力性能进行分析和统计，从而确定个机组需要进行运维的优先级，可对排名靠前的机组进行有限运维，降低机组故障率，提高风电场的可靠性。

实际应用中，该风力发电机组出力特性评价方法可以通过计算机程序实现，例如，应用软件等；或者，该方法也可以实现为存储有相关计算机程序的介质，例如，U盘、云盘等；再或者，该方法还可以通过集成或安装有相关计算机程序的实体装置实现，例如，芯片、可移动智能设备等。

如图1所示，本实施例所提供的风力发电机组出力特性评价方法包括如下步骤：

步骤10、获取风电场中各风力发电机组的运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线。

运行时序数据可以包括风速、环境温度、桨距角、发电机转速、发电机功率等数据，可通过设置于机组机舱上的风速传感器、温度传感器等器件检测上述数据。功率曲线可根据预设功率和实测功率进行计算确定。

步骤20、根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标。

步骤30、根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，以根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价。

出力特性指标可以为实发电量、满发功率等，根据这些性能指标计算评价分数，根据风电场各机组的评价分数高低来确定哪台机组需要优先进行运维，具有较高的精准度。

在上述技术方案的基础上，本实施例提供一种具体的实现方式：

运行时序数据包括：风速、环境温度、环境湿度、气压、桨距角、发电机转速、发电机功率、上网功率中的至少一种。

如图2所示，上述步骤20中，根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标，具体包括如下步骤：

步骤201、根据风速、环境温度、环境湿度、气压确定标准空气密度下的风速。

标准空气密度下的风速通过如下公式计算得到：

其中，U′为标准空气密度下的预设周期内的平均风速，ρ是预设周期内的平均空气密度，U为预设周期内的风速，ρ₀为标准空气密度1.225kg/m³。预设周期具体可以为5分钟。

ρ通过如下公式计算得到：

其中，T是测量得到的预设周期内的环境温度，B是修正到机组轮毂高度的预设周期气压平均值(Pa)，R₀是干燥空气的气体常数287.05(J/(Kg·K))，Φ是环境湿度(范围为0％-100％)，R_W是水蒸气的气体常数4615(J/(Kg·K))，P_W是蒸汽压力等于0.0000205e^0.0631846T。

机组设计功率曲线是机组在生产制造出厂时给定的，实测功率曲线是认证机构检测得到的，都是已知曲线。曲线数据预先存储在存储器内，在需要时由处理器从存储器读出即可。

步骤202、根据桨距角、发电机转速、发电机功率、上网功率确定机组停机状态、满发后状态、限功率发电状态。

确定机组停机状态，包括：判断机组在预设周期(5分钟)内是否满足以下条件，若满足以下条件中的至少一种，则确定机组处于停机状态：

(1)上网功率均值小于第一功率阈值，第一功率阈值可以为0.0。

(2)发电机转速均值小于第一转速阈值，第一转速阈值可以为额定转速的30％。

(3)发电机转速最小值小于第二转速阈值，第二转速阈值为额定转速的5％。

(4)桨距角最大值大于第一桨距角阈值，第一桨距角阈值为80°。

(5)桨距角均值大于第二桨距角阈值，第二桨距角阈值为50°。

确定机组满发后状态，包括：判断机组在预设周期(5分钟)内是否满足如下条件，若满足则确定机组处于满发后状态：

上网功率均值大于第二功率阈值，且桨距角均值大于第三桨距角阈值。第二功率阈值为0.95*满发功率，第三桨距角阈值为1.5°。

确定机组限功率发电状态，包括：判断机组在预设周期(5分钟)内是否满足如下条件，若满足如下条件中的至少一种，则确定机组处于限功率发电状态：

(1)上网功率均值小于第三功率阈值且桨距角均值大于第四桨距角阈值，第三功率阈值为0.9*满发功率，第四桨距角阈值为3°。

(2)上网功率与理论功率之比小于第四功率阈值，第四功率阈值为0.6。

(3)发电机功率的标准差小于第五功率阈值，且风速标准差大于第一风速阈值，第五功率阈值为15，第一风速阈值为0.3。

(4)发电机转速标准差小于第三转速阈值且风速标准差大于第二风速阈值，第三转速阈值为15，第二风速阈值为0.3。

步骤203、根据标准空气密度下的风速、机组停机状态、满发后状态、限功率发电状态确定各风力发电机组的出力特性指标。

具体的，风力发电机组的出力特性指标包括：每日全时实发电量G₁、每日全时设计应发电量G₂、每日全时实际应发电量G₃、每日发电时实发电量G₄、每日发电时设计应发电量G₅、每日发电时实际应发电量G₆，机组正常满发后功率均值G₇，机组的机会损失电量G₈，机组的停机损失电量G₉，机组的限功率损失电量G₁₀，机组的性能损失电量G₁₁。

一台机组的每日全时实发电量G₁通过如下公式计算得到：

一台机组的每日全时设计应发电量G₂通过如下公式计算得到：

上述p(U_i')的计算方式可参照图3，先判断U_i'是否介于j*0.5与(j+i)*0.5之间，若是则计算p(U′_i)＝(U′_i-j*0.5)/0.5*(Pc(j+1,2)-Pc(j,2))+Pc(j,2)；

若否，则判断j是否小于50。若大于或等于50，则结束计算；若小于50，则j＝j+1，然后计算p(U′_i)＝(U′_i-j*0.5)/0.5*(Pc(j+1,2)-Pc(j,2))+Pc(j,2)。

上述Pc为机组设计功率曲线二维表，第一列Pc(m,1)为风速列，第二列Pc(m,2)为功率列。

一台机组的每日全时实际应发电量G₃通过如下公式计算得到：

上述p'(U_i')的计算方式可参照图4，先判断U_i'是否介于j*0.5与(j+i)*0.5之间，若是则计算p′(U′_i)＝(U′_i-j*0.5)/0.5*(Pd(j+1,2)-Pd(j,2))+Pd(j,2)；

若否，则判断j是否小于50。若大于或等于50，则结束计算；若小于50，则j＝j+1，然后计算p′(U′_i)＝(U′_i-j*0.5)/0.5*(Pd(j+1,2)-Pd(j,2))+Pd(j,2)。

上述Pd为机组实测功率曲线二维表，第一列Pd(m,1)为风速列，第二列Pd(m,2)为功率列。

一台机组的每日发电时实发电量G₄通过如下公式计算得到：

一台机组的每日发电时设计应发电量G₅通过如下公式计算得到：

一台机组的每日发电时实际应发电量G₆通过如下公式计算得到：

一台机组正常满发后功率均值G₇通过如下公式计算得到：

一台机组的机会损失电量G₈通过如下公式计算得到：

G₈＝G₃-G₁。

一台机组的停机损失电量G₉通过如下公式计算得到：

一台机组的限功率损失电量G₁₀通过如下公式计算得到：

一台机组的性能损失电量G₁₁通过如下公式计算得到：

G₁₁＝G₅-G₄。

其中，P_i为第i个预设周期的机组上网功率均值，p(U'_i)为机组在U'_i风速下计算的设计应发功率，p'(U'_i)为机组在U'_i风速下计算的实际应发功率，St_i为第i个预设周期内判定的机组停机状态，Sm_i为第i个预设周期内判定的机组正常满发状态，Sl_i为第i个预设周期内判定的机组限功率发电状态，为，为，为，A为预设周期的个数。预设周期为5分钟。

上述步骤30中，根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，具体包括：

抽取每天各台机组的每日全时实发电量G₁、每日全时设计应发电量G₂、每日全时实际应发电量G₃、每日发电时实发电量G₄、每日发电时设计应发电量G₅、每日发电时实际应发电量G₆，机组正常满发后功率均值G₇，机组的机会损失电量G₈，机组的停机损失电量G₉，机组的限功率损失电量G₁₀、机组的性能损失电量G₁₁及每日平均风速G₁₂，每日停机时间G₁₃、每日发电时间G₁₄，形成n行m列的矩阵A，n为风电场的机组台数，m＝14。矩阵A示例如下表：

然后对G₁至G₇和G₁₂至G₁₄进行正向归一化，对G₈至G₁₁进行负向归一化，形成正向化矩阵X。

正向归一化公式如下：

x_ij为矩阵A的元素；

负向归一化公式如下：

再对矩阵X进行标准化，得到矩阵Z；标准化公式如下：

之后根据矩阵Z计算各机组的评价分数，具体如下：

根据如下公式确定指标最大值Z⁺：

根据如下公式确定指标最小值Z^-：

根据如下公式确定第i个待评价机组与指标最大值之间的距离：

根据如下公式确定第i个待评价机组与指标最小值之间的距离：

根据如下公式确定第i个待评价机组未归一化的得分S_i：

根据上述计算得到的评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价，包括：

获取风电场各台机组每日的得分S_i；然后进行箱型图统计，确定各台机组得分S_i的中位数h和异常下限值q；

当机组的得分S_i≥h时，运维指标F_i＝1；否则当S_i＜q时,运维指标F_i＝n，其它情况F_i＝n/2；

计算一个统计周期内每台机组的运维指标F_i的均值，运维指标F_i的均值越大，该机组需要运维的优先级越高。

基于上述方法，本实施例还提供一种风力发电机组出力特性评价系统，包含数据采集及处理、故障监测及保护、数据存储、通讯等功能，既能保证将数据安全可靠传输至上位机系统。能够同步采集风速、风向、风场气象数据、机组出口功率、机组转速等信息，其中功率误差要求不大于0.5％；气象数据至少应包括温度、湿度、大力压力。系统设有硬件时钟电路，在失去电源的情况下，硬件时钟应能正常工作，精度应满足24小时内误差不大于5秒，并且支持时钟同步功能，可以与网络时钟源进行同步。系统具备存储空间管理功能，防止处理器向非预期的或不允许的存储空间进行数据存取而导致处理器死机。另外，系统还具有数据存储功能，可以将所需数据进行连续滚动覆盖存储，支持对数据至少30天的存储，且分辨精度至少应达到1s。支持以MODBUS TCP等方式与风电场数智化系统进行实时信息传输和交换，并具备断点续传功能，保证数据完整性和正确性。且具有本地配置和管理功能，并支持远程软件升级功能。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，C语言、VHDL语言、Verilog语言、面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组出力特性评价方法，其特征在于，包括：

获取风电场中各风力发电机组的运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线；

根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标；

根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，以根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行时序数据包括：风速、环境温度、环境湿度、气压、桨距角、发电机转速、发电机功率、上网功率中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据运行时序数据、机组设计功率曲线和实测功率曲线确定各风力发电机组的出力特性指标，包括：

根据风速、环境温度、环境湿度、气压确定标准空气密度下的风速；

根据桨距角、发电机转速、发电机功率、上网功率确定机组停机状态、满发后状态、限功率发电状态；

根据标准空气密度下的风速、机组停机状态、满发后状态、限功率发电状态确定各风力发电机组的出力特性指标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据风速、环境温度、环境湿度确定标准空气密度下的风速，包括：

标准空气密度下的风速通过如下公式计算得到：

其中，U′为标准空气密度下的预设周期内的风速，ρ是预设周期内的平均空气密度，U为预设周期内的风速，ρ₀为标准空气密度1.225kg/m³；

ρ通过如下公式计算得到：

其中，T是预设周期内的环境温度，B是修正到机组轮毂高度的预设周期气压平均值(Pa)，R₀是干燥空气的气体常数287.05(J/(Kg·K))，Φ是环境湿度，R_W是水蒸气的气体常数4615(J/(Kg·K))，P_W是蒸汽压力等于0.0000205e^0.0631846T。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

确定机组停机状态，包括：判断机组在预设周期内是否满足以下条件，若满足以下条件中的至少一种，则确定机组处于停机状态：

上网功率均值小于第一功率阈值；发电机转速均值小于第一转速阈值；发电机转速最小值小于第二转速阈值；桨距角最大值大于第一桨距角阈值；桨距角均值大于第二桨距角阈值；

确定机组满发后状态，包括：判断机组在预设周期内是否满足如下条件，若满足则确定机组处于满发后状态：

上网功率均值大于第二功率阈值，且桨距角均值大于第三桨距角阈值；

确定机组限功率发电状态，包括：判断机组在预设周期内是否满足如下条件，若满足如下条件中的至少一种，则确定机组处于限功率发电状态：

上网功率均值小于第三功率阈值且桨距角均值大于第四桨距角阈值；上网功率与理论功率之比小于第四功率阈值；发电机功率标准差小于第五功率阈值且风速标准差大于第一风速阈值；发电机转速标准差小于第三转速阈值且风速标准差大于第二风速阈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第一功率阈值为0，第一转速阈值为额定转速的30％，第二转速阈值为额定转速的5％，第一桨距角阈值为80°，第二桨距角阈值为50°，第二功率阈值为0.95*满发功率，第三桨距角阈值为1.5°，第三功率阈值为0.9*满发功率，第四桨距角阈值为3°，第四功率阈值为0.6，第五功率阈值为15，第一风速阈值为0.3，第三转速阈值为15，第二风速阈值为0.3。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，风力发电机组的出力特性指标包括：每日全时实发电量G₁、每日全时设计应发电量G₂、每日全时实际应发电量G₃、每日发电时实发电量G₄、每日发电时设计应发电量G₅、每日发电时实际应发电量G₆，机组正常满发后功率均值G₇，机组的机会损失电量G₈，机组的停机损失电量G₉，机组的限功率损失电量G₁₀，机组的性能损失电量G₁₁；

一台机组的每日全时实发电量G₁通过如下公式计算得到：

一台机组的每日全时设计应发电量G₂通过如下公式计算得到：

一台机组的每日全时实际应发电量G₃通过如下公式计算得到：

一台机组的每日发电时实发电量G₄通过如下公式计算得到：

一台机组的每日发电时设计应发电量G₅通过如下公式计算得到：

一台机组的每日发电时实际应发电量G₆通过如下公式计算得到：

一台机组正常满发后功率均值G₇通过如下公式计算得到：

一台机组的机会损失电量G₈通过如下公式计算得到：

G₈＝G₃-G₁，

一台机组的停机损失电量G₉通过如下公式计算得到：

一台机组的限功率损失电量G₁₀通过如下公式计算得到：

一台机组的性能损失电量G₁₁通过如下公式计算得到：

G₁₁＝G₅-G₄，

其中，P_i为第i个预设周期的机组上网功率均值，p(U_i')为机组在U_i'风速下计算的设计应发功率，p'(U_i')为机组在U_i'风速下计算的实际应发功率，St_i为第i个预设周期内判定的机组停机状态，Sm_i为第i个预设周期内判定的机组正常满发状态，Sl_i为第i个预设周期内判定的机组限功率发电状态，为，为，为，A为预设周期的个数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据各风力发电机组的出力特性指标计算各风力发电机组的评价分数，包括：

抽取每天各台机组的每日全时实发电量G₁、每日全时设计应发电量G₂、每日全时实际应发电量G₃、每日发电时实发电量G₄、每日发电时设计应发电量G₅、每日发电时实际应发电量G₆，机组正常满发后功率均值G₇，机组的机会损失电量G₈，机组的停机损失电量G₉，机组的限功率损失电量G₁₀、机组的性能损失电量G₁₁及每日平均风速G₁₂，每日停机时间G₁₃、每日发电时间G₁₄，形成n行m列的矩阵A，n为风电场的机组台数，m＝14；

对G₁至G₇和G₁₂至G₁₄进行正向归一化，对G₈至G₁₁进行负向归一化，形成正向化矩阵X；正向归一化公式如下：

x_ij为矩阵A的元素；

负向归一化公式如下：

对矩阵X进行标准化，得到矩阵Z；标准化公式如下：

根据矩阵Z计算各机组的评价分数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据矩阵Z计算各机组的评价分数，包括：

根据如下公式确定指标最大值Z⁺：

根据如下公式确定指标最小值Z^-：

根据如下公式确定第i个待评价机组与指标最大值之间的距离：

根据如下公式确定第i个待评价机组与指标最小值之间的距离：

根据如下公式确定第i个待评价机组未归一化的得分S_i：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述评价分数对风力发电机组的出力性能进行评价，包括：

获取风电场各台机组每日的得分S_i；

确定各台机组得分S_i的中位数h和异常下限值q；

当机组的得分S_i≥h时，运维指标F_i＝1；否则当S_i＜q时,运维指标F_i＝n，其它情况F_i＝n/2；

计算一个统计周期内每台机组的运维指标F_i的均值，运维指标F_i的均值越大，该机组需要运维的优先级越高。

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