CN202167860U - 智能型储能机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能型储能机，大规模使用智能型储能机可使电网用电负荷相对稳定，平衡昼夜用电负荷，实现“削峰填谷”的作用；且有小型风电、光伏发电输入接口，轻松实现新能源接入电力系统。智能型储能机，包括有柜壳、控制系统、能源装置和储能装置：能源装置用于为负载提供能源；所述能源装置包括有光能装置、风能装置和市电；光能装置和风能装置产生的电能储存在储能装置中；所述储能装置为一种储能电池组，所述储能电池组用于储存光能装置和风能装置产生的能源以及市电充电的能源；所述控制系统包括有：风光互补控制器、并网逆变器、离网逆变器、PLC控制器、电池管理系统以及双向智能电度表。

Description

智能型储能机

技术领域

本实用新型属于家用电器的技术领域，涉及智能型储能机，尤指用于家庭、公共场所使用的智能型储能机。

背景技术

随着经济和现代工业的发展，社会对电能的要求日趋增长，电力用户对供电质量，供电稳定性的要求也越来越高。各大电网正在高负荷的给各工商住户业输送电力，但是用电高峰都在白天较多，夜间用电基本减少，使得各大电网的峰谷差日趋增大，而发电站却不能停止工作。因此，在夜间易造成电力资源的浪费。而风力、光能发电，容易受天气等自然因素的影响，造成电压及功率极不稳定。另外，随着近年修建的大型超临界发电机组和核能发电机组的电站(不能频繁开停)陆续投产发电及国家对宏观经济的调控和高耗能企业的限制，低谷时缺乏调峰手段的问题将更为突出。

近二三十年来，储能技术有了较快的发展，通常以抽水储能、蓄冰储能、电池储能、飞轮储能等多种形式出现，其中抽水蓄能电站有一定的使用规模，抽水储能在日、美、意、德、法等国家装机容量较多，但因其投资规模较大、受地理环境限制、对水资源造成污染等原因，发展受到限制。电池储能技术是最近几年发展的新型储能技术，MW级工业储能电站在国内外都有使用，但工业储能电站以电力公司为建设单位，主要解决整个电网的电力调配，忽略了以家庭为单元的小型电力储能需求，大型工业储能电站难以解决家庭用电问题。智能型储能设备解决了电网夜间浪费、由助有电网调峰、解决风能和光能发电无法并网等问题，适合于中小容量电能储能场合，如家庭、别墅、医院、农场、岛屿、户外临时电源等场合。同时智能储能设备可作为备用电源，当市电停电时，智能型储能设备提供电源输出；并实现错峰用电，节约电费支出。现有技术中尚没有公开具有理想效果的智能型储能设备的技术方案。

在现有技术中，多数仅仅涉及备用电源设备，或单个的风光储能，例如：只是采用铅酸电池作成不间断电源，没有风光储能，双向送电功能。仍然存在需要解决的以下问题：1、家庭二次能源发电储能电池循环寿命短的问题；2、家庭发电有富余时不能并网卖电的问题；3、家庭用电计量没用和智能家电控制对接的问题；4、解决无法享受低谷电价的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种智能型储能机，大规模使用家庭智能型储能设备可使电网用电负荷相对稳定，平衡昼夜用电负荷，实现“削峰填谷”的作用；且有小型风电、光伏发电输入接口，轻松实现新能源接入电力系统。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

智能型储能机，包括有柜壳、控制系统、能源装置和储能装置：所述能源装置用于为负载提供能源；其中：

所述能源装置包括有光能装置、风能装置和市电；

所述光能装置用于收集太阳光能，并通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；所述风能装置用于将风力中包含的机械能转换为电能；光能装置和风能装置产生的电能储存在储能装置中；

所述储能装置为一种储能电池组，所述储能电池组用于储存光能装置和风能装置产生的能源以及市电充电的能源；

所述控制系统包括有：风光互补控制器、并网逆变器、离网逆变器、PLC控制器、电池管理系统以及双向智能电度表；

所述风光互补控制器是一种能量转化装置，所述光能装置和风能装置通过风光互补控制器进行控制和调整并输出电压稳定的直流电源对储能电池组进行充电，把电能储存在储能电池组里；

所述并网逆变器用于实时检测市电的参数，实现将储能电池组的能量逆变输出回馈给市电；

所述离网逆变器(具备UPS逆变器功能)用于实现直流电到交流电的转换控制，当市电停止供电时，离网逆变器快速切换到储能电池组为负载供电电源，保障负载用电不间断；

所述PLC控制器，是智能型储能机各个组成模块协调控制的核心控制部分，以通讯的方式连接各个模块，依据监测的电池参数、设定参数、输出需求，制定并向各个组成模块输出的内部控制指令；

所述电池管理系统，用于保护和控制所述储能电池组；电池管理系统实时监测、监视单体电池的参数及特征点温度，同时电池管理系统根据监测数据计算出电池剩余电量，针对监测结果输出相应的控制管理模式；

所述双向智能电度表用于电能双向计量，同时能够分时电价计费；

所述储能电池组、风光互补控制器、并网逆变器、离网逆变器、PLC控制器、电池管理系统以及双向智能电度表均设置在柜壳上或内腔中。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的智能型储能机，首先作为家庭储能设备使用，由于能源装置包括有光能装置、风能装置和市电，控制系统包括有：风光互补控制器、并网逆变器、离网逆变器、PLC控制器、电池管理系统以及双向智能电度表；大规模使用该智能型储能机可使电网用电负荷相对稳定，平衡昼夜用电负荷，实现“削峰填谷”的作用。对关键场所如基站、数据中心、医院急症室、电站控制室等可满足后备电源的功能，保证系统供电稳定，对设备正常运转提供供电安全保障。当市电停电时，家庭储能设备提供电源输出，可满足1-2天的临时供电。本实用新型的智能型储能机增加并网馈电功能，实现小型分布式能源发电系统；具备电能双向计量功能，同时具备分时电价计费等功能。同时还具备以下扩展功能：有小型风电，光伏发电输入接口，轻松实现新能源接入电力系统；设备有通讯接口，可实现智能家电控制功能；模块式设计，系统扩容简单方便。具体优点描述如下：

(1)、备用电源功能：当市电异常或停电时，家庭储能器瞬间切换到电池供电输出，为负载提供可靠电源。

(2)、实现错峰用电，节约电费支出：在实行“峰谷电价”的地区，家庭储能器可实现“谷时存电，峰时输出”，达到始终消费低价电的效果，同时减轻电网峰时用电的负担。

(3)、预留小型风电、光伏发电输入接口，轻松实现新能源接入电力系统，家少电费支出。

(4)、在允许家庭向电网并网馈电的地区，可选配并网配件，当风光电二次能源供大于求时，可通过家庭储能器向电网并网馈电，实现卖电收益。

(5)、智能型储能机具备电费双向计量功能、智能家电控制等功能。

(6)、模块式设计，系统扩容简单方便，扩容后，可满足大容量输出场合使用。

智能型储能机在家庭使用时的经济效益主要表现以下方面：

一、实现错峰用电，节约电费支出。如果实现峰谷电价，按照当前工业峰谷电价计算，使用家用储能设备月电费节约计算如下：(以珠海为例)

目前低谷电价为0.34元/度、峰时电价为1.08元/度、中小家庭一月用电量按150度考虑，可节约电费＝(峰时电价低谷电价)*月用电量＝(1.080.34)*150＝111元，一年节约电费：111*12＝1332元。

二、设备输出是以电池电量逆变输出供给用电负荷，避免家电因市电供电压波动对家电造成的损坏，保证家用电器供电电压稳定度高，延长家电寿命。

三、备用电源的功能，市电停电时，智能型储能机可实现不间断电源功能，保证用电正常，满足家用供电的高品质需求。

四、可定制增加风光发电储存功能，实现二次能源的接入，可以使家庭用电达到零成本(如果电量多余，可回馈电网，达到负成本)。

五、可定制智能家电控制功能，实现家电等智能控制。

附图说明

图1是本实用新型智能型储能机的主视结构示意图；

图2是本实用新型智能型储能机的侧视结构示意图；

图3是本实用新型智能型储能机的控制原理示意图；

图4是本实用新型智能型储能机的接线原理示意图；

图5是本实用新型智能型储能机的工作方法流程图；

图6是本实用新型智能型储能机的远程监控原理示意图；

图7是本实用新型智能型储能机的储能电池单体结构示意图；

图8是本实用新型智能型储能机的储能电池组充放电电池容量/循环寿命检测曲线图；

图9是本实用新型智能型储能机的供电示意图；

图10是本实用新型智能型储能机的电池管理系统接线原理示意图。

附图标记说明：

1、储能电池组，2、触摸屏，3、并网逆变器，4、离网逆变器，5、PLC控制器，6、电池管理系统，7、双向智能电度表，8、风光互补控制器，9、低压配电器，10、柜壳，11、充电器，12、远程监控电脑，13、交换机，14、分流器，15、二极管。

具体实施方式

请见图1、图2、图3所示，本实用新型公开了一种智能型储能机，包括有柜壳10、控制系统、能源装置和储能装置：所述能源装置用于为负载提供能源；其中：

所述能源装置包括有光能装置、风能装置和市电；

所述光能装置用于收集太阳光能，并通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；所述风能装置用于将风力中包含的机械能转换为电能；光能装置和风能装置产生的电能储存在储能装置中；

所述储能装置为一种储能电池组1，所述储能电池组1用于储存光能装置和风能装置产生的能源以及市电充电的能源；

所述控制系统包括有：风光互补控制器8、并网逆变器3、离网逆变器4、PLC控制器5、电池管理系统6以及双向智能电度表7；

所述风光互补控制器8是一种能量转化装置，所述光能装置和风能装置通过风光互补控制器进行控制和调整并输出电压稳定的直流电源对储能电池组进行充电，把电能储存在储能电池组里；

所述并网逆变器3用于实时检测市电的参数，实现将储能电池组的能量逆变输出回馈给市电；

所述离网逆变器4用于实现直流电到交流电的转换控制，当市电停止供电时，离网逆变器快速切换到储能电池组为负载供电电源，保障负载用电不间断；

所述PLC控制器5，是智能型储能机各个组成模块协调控制的核心控制部分，以通讯的方式连接各个模块，依据监测的电池参数、设定参数、输出需求，制定并向各个组成模块输出的内部控制指令；

所述电池管理系统6，用于保护和控制所述储能电池组；电池管理系统实时监测、监视单体电池的参数及特征点温度，同时电池管理系统根据监测数据计算出电池剩余电量，针对监测结果输出相应的控制管理模式；

所述双向智能电度表7用于电能双向计量，同时能够分时电价计费；

所述储能电池组1、风光互补控制器8、并网逆变器3、离网逆变器4、PLC控制器5、电池管理系统6以及双向智能电度表7均设置在柜壳10上或内腔中。

所述柜壳10的正面设置有触摸屏2，用于显示智能型储能机各参数情况并作为人机互动输入口。

所述控制系统包括有：低压配电器9和充电器11。

如图4，双向智能电度表7通过开关QF0与市电连接，中间继电器KA20连接市电电源，用于检测市电是否正常，并将信息发送给PLC控制器；充电器11一端连接市电的N线和L1线，另一端连接直流母线，充电器11和市电的L1线之间的连线上设置有保护开关QF1和可控制开关KA1；并网逆变器3一端连接市电的N线和L1线，另一端连接直流母线，并网逆变器3和市电的L1线之间的连线上设置有保护开关QF2和可控制开关KA2；离网逆变器4一端连接市电的N线和L1线，另一端连接直流母线，离网逆变器4和市电的L1线之间的连线上设置有保护开关QF3，离网逆变器4具有输出线路N10和L10；储能电池组1的两端分别连接直流母线的正极线和负极线，中间设置有能够检测直流电流的分流器14；风光互补控制器8的两端分别连接直流母线的正极线和负极线，中间设置有确保电流单向流动的二极管15；风光互补控制器8具有光能装置直流输入接口和风能装置三相交流输入接口；市电通过N2线和L2线向负载输出电源。

如图6，远程监控电脑12为选配部件，所述智能型储能机预留以太网通讯接口，能够接入家庭网络或链接Internet实现远程监控及能耗统计，其中PLC控制器5包括有两个CPU主机及多个扩展模块，相互之间以以太网TCP/IP方式连接并通过交换机13实现数据交换，远程监控电脑12以TCP/IP和PLC通讯，PLC控制器5和电池管理系统6、并网逆变器3、触摸屏2以及双向智能电度表7之间以自由口通讯方式实现数据交换，通讯接口为RS485。

所述储能电池组1包括有一组以上的磷酸铁锂电池或钛酸锂电池。如图7为磷酸铁锂电池单体外形结构图。储能电池组1采用二次电池磷酸铁锂电池(在钛酸锂电池技术成熟时可能选用钛酸锂电池)，作为整个系统的能量储存介质，磷酸铁锂电池相对铅酸电池、镍氢电池、锰酸锂电池等二次电池，在安全性能、循环寿命、能量密度等方面有无可争议的优势，在现有的风、光发电系统、备用直流电源等场合，磷酸铁锂电池有取代其他电池的趋势。同时该电池可大倍率充放电，满足家庭使用过程中负载跳变等特点，不足之处售价较高，长远考虑使用磷酸铁锂电池性价比更高。磷酸铁锂电池采用模块式设计，单个模块电压为3.2V，容量100AH～460AH可调，使用过程中需要多个模块经过串并联构成电池组。

图8为3.2V，460AH磷酸铁锂模块电池及电池循环特性图，可看出电池容量与循环次数之间的曲线关系，当电池循环次数增加，容量略有减少。

如图9，市电N2线、L2线和离网逆变器4的输出线路N10、L10之间通过选择开关SA1进行选择，互为备用，并为PLC控制器5、电池管理系统6和负载并提供电源。

如图10，所述电池管理系统6包括有信号采集单元、整流单元以及通讯单元；信号采集单元通过B+、B1至B20端口采集储能电池组的信号，通过T1+、T1-、T2+、T2-端口采集温度信号；根据电池的多少设置有不少于1个电池采集模块，最多可连接126个采集模块。

由图1、2可以看到，本实用新型的智能型储能机由以下主要部分组成：储能电池组、触摸屏2、并网逆变器3、离网逆变器4、PLC控制器5、电池管理系统6(BMS)、双向智能电度表7、风光互补充电器8、低压配电器9、柜壳10等部分构成，在PLC控制器5的管理下，自动实现家庭的买电、发电、储存、用电、卖电及家庭电器智能化控制、电能消费的双向计量。为实现上述功能，产品通过软件编程协调各模块的工作，以优先使用二次能源，节省电能消耗为目标，综合考虑错峰用电、电源备用、智能控制等因素。

各主要器件具体解释如下：

风光互补控制器：主要将风光电经过整流、调压等处理后，电能以直流电的形式保存到储能电池中，工作原理如下：1，风力发电机在风力作用下产生不稳定的交流电，经过整理二极管整理、电容滤波、DC稳压处理等，输出稳定的直流电压，该直流电压连接电池，当电池亏电时间，依靠风力给电池充电；2光能光伏板产生不稳定的直流电，经过DC/DC稳压处理，输出连接电池，当电池亏电时间，依靠太阳能板给电池充电。为保证系统的效率、安全性等方面，系统还需要增加刹车保护、卸载电路、报警指示等辅助电路。

并网逆变器：主要将储能电池里的能量输出到电网，由于电池储存的为直流电，要经过并网逆变设备，得到与电网频率、电压、相位角相同的交流电；并网逆变器的控制元件为MCU控制系统，功率器件为IGBT器件，辅助电路包括有升压单元、滤波单元、检测单元、通讯单元和报警单元。小功率一般为单相AC220V输出，大功率可做到3AC 380V输出，产品设计预留功率调节功能、具备“孤岛”保护、具备可编程开关机功能。

离网逆变器：与并网逆变器最大区别是可脱离电网独立工作，在智能型储能器中的作用是：输出稳定的交流电源，满足负载的使用，设备输入由交流输入和直流电池输入，平时市电正常时，交流输入经稳压、滤波处理，直接输出到负载端，当市电故障(或用电高峰)，瞬间切换到电池供电，切换时间≤10ms，同时保证后端电器继续正常工作，满足不间断电源的功能。

双向智能电度表：采用大规模集成电路，成熟的软件算法，低功耗设计和SMT工艺，依靠国际、国内相关标准设计制作，仪表具备计量、显示、通讯、检测功能于一身，可精确分时计量正反向有功电能，同时精确实时检测电压、电流、有功功率、功率因数、频率等参数，可广泛应用低压电能分时计量。

触摸屏：采用现在市场上已大量使用的4线电阻式工业触摸屏，该触摸屏满足工业现场使用，软件编程采用专用编程软件编辑平台，屏幕触控灵敏，分辨率高，存储容量128MB，通讯接口齐全，可满足控制和监测显示功能。

PLC控制器：PLC是各个模块协调控制的核心控制部分，通过软件编程，以RS485通讯的方式连接个模块，依据监测的电池参数、设定参数、输出需求，以低碳环保、节省开支为目标，制定内部的控制策略。

电池管理系统BMS：为了提高电池的利用率，延长电池的寿命，锂电池需要增加锂电池管理系统，电池管理系统实时监测、监视单体电池的电压、温度、电流，同时针对监测结果输出相应的控制，如热管理、均衡管理，使得电池工作在合理的温度范围内，使得电池的容量争取存储最大电量，使得电池一致性提高，循环寿命延长，同时电池管理系统根据监测数据计算出电池剩余电量，参与系统控制输出等。

智能型储能机的工作方法，其中，包括如下步骤：

①当市电处于正常状态，储能电池组的容量小于放电下限，且当前处于低谷电价时段时，控制系统指令市电对储能电池组充电，当市电充电后储能电池组容量达到设定的上限，停止市电充电；

②当市电处于正常状态，储能电池组的容量大于放电下限、且不大于风光充电上限、同时当前处于高峰电价时段时，光能装置、风能装置对储能电池组充电，同时断开市电电源，智能型储能机逆变输出，为负载提供电源，减少电费支出；

③当市电处于正常状态，储能电池组的容量大于设定逆变上限，且当前处于高峰电价时段，控制系统指令并网逆变器输出，“卖电”给电网。

如图5，智能型储能机的工作方法，包括如下具体工作步骤：

步骤s1：启动智能型储能机，工作开始；

步骤s2：判断市电是否处于正常状态，如是进入步骤s6，如否则进入步骤s3；

步骤s3：判断储能电池组是否处于低压状态，如是进入步骤s5，如否则进入步骤s4；

步骤s4：离网逆变器工作，输出稳定的交流电源，满足家用电器的使用；

步骤s5：如果市电断电，且电池电量处于下限，关闭智能型储能机；

步骤s6：判断储能电池组是否处于低压状态，如是进入步骤s7，如否则进入步骤s9；

步骤s7：判断市电是否处于谷电时段，如是进入步骤s8，如否则进入步骤s9；

步骤s8：市电为储能电池组充电，进入步骤s9；

步骤s9：判断储能电池组是否处于高压状态，如是进入步骤s10，如否则进入步骤s11、步骤s12；

步骤s10：光能装置、风能装置停止储能电池组充电；

步骤s11：光能装置、风能装置对储能电池组充电，进入步骤s9再次判断；

步骤s12：判断市电是否处于峰电时段，如是进入步骤s13，如否则进入步骤s14；

步骤s13：判断储能电池组是否处于正常状态，如是进入步骤s15、s16，如否则进入步骤s14；

步骤s14：由市电供电；

步骤s15：并网逆变器将储能电池里的能量输出到电网卖电；

步骤s16：储能电池组为负载供电。

上述所列具体实现方式为非限制性的，对本领域的技术人员来说，在不偏离本实用新型范围内，进行的各种改进和变化，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.智能型储能机，包括有柜壳(10)、控制系统、能源装置和储能装置：所述能源装置用于为负载提供能源；其特征在于：

所述能源装置包括有光能装置、风能装置和市电；

所述光能装置用于收集太阳光能，并通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；

所述风能装置用于将风力中包含的机械能转换为电能；光能装置和风能装置产生的电能储存在储能装置中；

所述储能装置为一种储能电池组(1)，所述储能电池组(1)用于储存光能装置和风能装置产生的能源以及市电充电的能源；

所述控制系统包括有：风光互补控制器(8)、并网逆变器(3)、离网逆变器(4)、PLC控制器(5)、电池管理系统(6)以及双向智能电度表(7)；

所述风光互补控制器(8)是一种能量转化装置，所述光能装置和风能装置通过风光互补控制器进行控制和调整并输出电压稳定的直流电源对储能电池组进行充电，把电能储存在储能电池组里；

所述并网逆变器(3)用于实时检测市电的参数，实现将储能电池组的能量逆变输出回馈给市电；

所述离网逆变器(4)用于实现直流电到交流电的转换控制，当市电停止供电时，离网逆变器快速切换到储能电池组为负载供电电源，保障负载用电不间断；

所述PLC控制器(5)，是智能型储能机各个组成模块协调控制的核心控制部分，以通讯的方式连接各个模块，依据监测的电池参数、设定参数、输出需求，制定并向各个组成模块输出的内部控制指令；

所述电池管理系统(6)，用于保护和控制所述储能电池组；电池管理系统实时监测、监视单体电池的参数及特征点温度，同时电池管理系统根据监测数据计算出电池剩余电量，针对监测结果输出相应的控制管理模式；

所述双向智能电度表(7)用于电能双向计量，同时能够分时电价计费；

所述储能电池组(1)、风光互补控制器(8)、并网逆变器(3)、离网逆变器(4)、PLC控制器(5)、电池管理系统(6)以及双向智能电度表(7)均设置在柜壳(10)上或内腔中。

2.如权利要求1所述的智能型储能机，其特征在于：所述柜壳(10)的正面设置有触摸屏(2)，用于显示智能型储能机各参数情况并作为人机互动输入口。

3.如权利要求2所述的智能型储能机，其特征在于：所述控制系统包括有：低压配电器(9)和充电器(11)。

4.如权利要求3所述的智能型储能机，其特征在于：所述双向智能电度表(7)通过开关QF0与市电连接，中间继电器KA20连接市电电源，用于检测市电是否正常，并将信息发送给PLC控制器；充电器(11)一端连接市电的N线和L1线，另一端连接直流母线，充电器(11)和市电的L1线之间的连线上设置有保护开关QF1和可控制开关KA1；并网逆变器(3)一端连接市电的N线和L1线，另一端连接直流母线，并网逆变器(3)和市电的L1线之间的连线上设置有保护开关QF2和可控制开关KA2；离网逆变器(4)一端连接市电的N线和L1线，另一端连接直流母线，离网逆变器(4)和市电的L1线之间的连线上设置有保护开关QF3，离网逆变器(4)具有输出线路N10和L10；储能电池组(1)的两端分别连接直流母线的正极线和负极线，中间设置有能够检测直流电流的分流器(14)；风光互补控制器(8)的两端分别连接直流母线的正极线和负极线，中间设置有确保电流单向流动的二极管(15)；风光互补控制器(8)具有光能装置直流输入接口和风能装置三相交流输入接口；市电通过N2线和L2线向负载输出电源。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的智能型储能机，其特征在于：所述智能型储能机预留以太网通讯接口，能够接入家庭网络或链接Internet实现远程监控及能耗统计，其中PLC控制器(5)包括有两个CPU主机及多个扩展模块，相互之间以以太网TCP/IP方式连接并通过交换机(13)实现数据交换，远程监控电脑(12)以TCP/IP和PLC通讯，PLC控制器(5)和电池管理系统(6)、并网逆变器(3)、触摸屏(2)以及双向智能电度表(7)之间以自由口通讯方式实现数据交换，通讯接口为RS485。

6.如权利要求5所述的智能型储能机，其特征在于：所述储能电池组(1)包括有一组以上的磷酸铁锂电池或钛酸锂电池。

7.如权利要求5所述的智能型储能机，其特征在于：市电N2线、L2线和离网逆变器(4)的输出线路N10、L10之间通过选择开关SA1进行选择，互为备用，并为PLC控制器(5)、电池管理系统(6)和负载并提供电源。

8.如权利要求5所述的智能型储能机，其特征在于：所述电池管理系统(6)包括有信号采集单元、整流单元以及通讯单元；信号采集单元通过B+、B1至B20端口采集储能电池组的信号，通过T1+、T1-、T2+、T2-端口采集温度信号；根据电池的多少设置有不少于1个电池采集模块，最多可连接126个采集模块。

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