DE102007018952A1 - Integrated network information and control system for motor vehicle, detects information such as current, from generator and processes information according to algorithms and controls voltage system and energy system by actuators - Google Patents

Integrated network information and control system for motor vehicle, detects information such as current, from generator and processes information according to algorithms and controls voltage system and energy system by actuators Download PDF

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Abstract

The system (1) detects sensoric information such as voltage and current flow, frequency, flicker noise factor and harmonics from a public high voltage system and disposability, current and voltage from a regenerative energy system (5) and content volume, durability and disposability from an energy storage (8) e.g. gas storage. The system detects information such as operating condition, voltage and current, from a generator (7) e.g. hydraulic power turbine, and processes the information according to algorithms and controls the voltage system and the energy system by actuators.

Description

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optimalen Nutzung regenerativ gewonnener elektrischer Energie durch deren bedarfsgerechte Einspeisung in die Energieübertragungsverbundnetze und lokale Elektroenergienetze.The The invention includes a method and apparatus for optimal Use of regenerative electrical energy through their needs-based feed-in into the energy transmission interconnection networks and local electrical energy networks.

Die Nutzung regenerativer Energiequellen, wie Windkraft, Sonnenstrahlung, Meeresgezeiten, aber auch Wasserkraft ist mit einer nicht kontinuierlichen Verfügbarkeit verbunden. Der heutige Elektroenergiebedarf der Verbraucher in allen Bereichen des Lebens ist ein kontinuierlicher Bedarf, der zwischen Spitzenlastbedarf, Durchschittslastbedarf und Schwachlastbedarf schwankt und von den Elektroenergieerzeugern über die Energienetze gedeckt wird.The Use of renewable energy sources, such as wind power, solar radiation, Sea tides, but also hydropower is having a discontinuous Availability connected. Today's electrical energy needs of consumers in all Areas of life is a continuous need between Peak load requirement, average load requirement and low load requirement fluctuates and is covered by electricity producers via the energy networks becomes.

Die Bereitstellung der Elektroenergie in den entwickelten Industrieländern und den weltweiten industriellen Ballungszentren und Wohngebieten erfolgt durch kontinuierlich arbeitende Kraftwerke auf der Basis von Kohle, Kernkraft, großen Wasserkraftanlagen, Gas- und Ölkraftwerken nach den vorgenannten Lastkriterien.The Provision of electric energy in developed industrialized countries and global industrial centers and residential areas by continuously operating power plants based on coal, Nuclear power, big Hydroelectric power plants, gas and oil power plants according to the aforementioned load criteria.

Die heute objektiv geforderte kontinuierliche Verfügbarkeit von Elektroenergie ist mit regenerativen Energiequellen nicht möglich, wenn die gewonnene elektrische Energie oder kinetische Energie nicht gespeichert und bei Bedarf verfügbar gemacht wird.The Today objectively required continuous availability of electrical energy is not possible with regenerative energy sources if the gained electrical Energy or kinetic energy is not stored and when needed available is done.

Die Speicherung elektrischer Energie für größere Leistungen ist praktisch nur durch Umwandlung in kinetische Energie, wie bei Wasserkraft, Druckgas und durch elektrochemische Umwandlung möglich. Die elektrochemische Umwandlung in Akkumulatoren ist ein seit vielen Jahren erfolgreich eingesetztes Prinzip. Es ist aber nur für relativ kleine Energiemengen möglich. Mit der Elektrolyse von Wasser und der Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff ist ein Prinzip der Energieumwandlung vorhanden, welches auch für große Energiemengen nutzbar ist. Die Speicherung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff ist technisch gelöst. Die Rückwandlung der als Wasserstoff und Sauerstoff gespeicherten Energie in elektrische Energie ist mit den heutigen und in Zukunft verfügbaren technischen Lösungen, wie Brennstoffzellen oder Wasserstoffmotoren, möglich geworden.The Storing electrical energy for greater power is handy only by conversion into kinetic energy, as in hydropower, Compressed gas and by electrochemical conversion possible. The electrochemical Conversion into accumulators has been a successful one for many years used principle. But it is only for relatively small amounts of energy possible. With the electrolysis of water and the production of hydrogen and oxygen is a principle of energy conversion, which also for size Energy is available. The storage of gases hydrogen and oxygen is technically solved. The reconversion the energy stored as hydrogen and oxygen in electrical Energy is with today's and tomorrow's available technical solutions, like fuel cells or hydrogen engines, become possible.

Mit der technischen Lösung der Wandlung, Speicherung und Rückwandlung großer elektrischer Energiemengen besteht energetisch die Voraussetzung für eine kontinuierliche Deckung des Elektroenergiebedarfs lokaler Elektroenergienetze sowie eine kontinuierliche Netzeinspeisung in Verbundnetze der Energieversorger mit regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen.With the technical solution the conversion, storage and reconversion greater Electric energy is energetically the prerequisite for one Continuous coverage of the electrical energy requirements of local electric power grids as well as a continuous grid feed-in in interconnected networks of the energy suppliers with regenerative electric power generation plants.

Die Umsetzung der oben benannten Lösungen zur kontinuierlichen Deckung des Elektroenergiebedarf lokaler Energienetze, der kontinuierlichen Netzeinspeisung in die Verbundnetze der Energieversorger erfordert eine umfassende Information zu den Netzdaten zum Verbrauch sowie der Energiebereitstellung der kontinuierlich einspeisenden Elektroenergieerzeugungsanlagen, die Aufbereitung dieser Daten und eine entsprechende Steuerung und Regelung der regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen, die Energieumwandlung, die Energiespeicherung und die Rückumwandlung in Elektroenergie.The Implementation of the above named solutions for the continuous coverage of the electrical energy demand of local energy networks, continuous grid feed-in into the interconnected grids of energy providers requires comprehensive information about the network data for consumption as well as the energy supply of the continuously feeding Electric power generation plants, the preparation of these data and a corresponding control and regulation of the regenerative electric power generation plants, the energy conversion, the energy storage and the reconversion in electrical energy.

Diese Aufgabe soll das der Erfindung zugrunde liegende integrierte Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) übernehmen.These The object of the invention is based integrated network information and control system (INIS) take over.

Die erfinderische Aufgabenstellung für das INIS beinhaltet ein System, welches für alle Fälle der kontinuierlichen Bereitstellung von elektrischer Energie aus regenerativen, diskontinuierlich arbeitenden Elektroenergieerzeugungsanlagen anwendbar ist.The inventive task for The INIS includes a system which is in every case of continuous deployment of electrical energy from regenerative, discontinuous working Electric power generation plant is applicable.

Zur Darstellung der technischen Lösung der erfinderischen Aufgabenstellung soll als Beispiel die Energiegewinnung aus Windkraftanlagen und deren kontinuierliche Bereitstellung über die elektrochemische Energieumwandlung und Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff und deren Rückumwandlung über rotierende, wasserstoffgetriebene Generatoren oder Brennstoffzellen dienen.to Presentation of the technical solution The inventive task should be an example of energy from wind turbines and their continuous provision over the electrochemical energy conversion and storage of hydrogen and oxygen and their reconversion via rotating, Hydrogen driven generators or fuel cells are used.

In der 1 ist das Blockschaltbild eines INIS mit seinen sensorischen und aktorischen Bezügen zu den energetischen Komponenten für regenerative Elektroenergieerzeugungsanlagen mit Wasserstoff/Sauerstoffspeicherung schematisch dargestellt. Mit Hilfe dieser sensorischen Informationen und Algorithmen aus dem Betrieb von Windkraftanlagen, den öffentlichen Hochspannungsnetzen und den Anlagen der Energieumwandlung, Speicherung und elektrischen Rückwandlung steuert INIS über eine entsprechende Aktorik den elektrischen Energiefluß in das Verbrauchernetz. Die sensorischen Informationen betreffen:

  • 1) das elektrische Energie-Netz (öffentliches Hochspannnungsnetz) Spannungs- und Stromverlauf, Frequenz und cosφ Entwicklung, Flickerstörfaktor, Oberschwingungen
  • 2) Umweltdaten: Ganglinien des Verbrauchs, die bereits Kenntnisse aus Jahreszeit und Gebrauchsgewohnheiten enthalten, Windprognosen, Solarstrahlungs- und Temperaturprognosen.
  • 3) die regenerative Energieanlage: Verfügbarkeit, Spannung, Strom und cosφ
  • 4) den Energiespeicher: Inhaltsvolumen, Dauer der Verfügbarkeit
  • 5) den Energiestation/Generator: Verfügbarkeit, Betriebszustand, Spannung, Strom, cosφ
Algorithmus für die Integration von erneuerbaren Energien in das Netzmanagement Netz, Verbraucher Statistische Daten Regenerative Energieanlage (Reg. EA) Umweltdaten Elekto lyseur Speicher Generator Netzeinspeisung Bedarf Spannung, Frequenz, Strom, cosφ Erzeugung Erzeugung H2 gespeichertes H2-Volumen Erzeugung über konstant hoch nein nicht nein Reg. EA hoch relevant hoch nein nicht nein Reg. EA relevant hoch nein nicht nein Reg. EA relevant konstant hoch nein nicht nein Reg. EA mittel relevant hoch ja nicht voll nein Reg. EA ' hoch ja nicht voll nein Reg. EA konstant hoch ja nicht voll nein keine tief konstant mittel nein nicht nein Reg. EA hoch relevant mittel nein nicht nein Reg. EA relevant mittel nein nicht nein Reg. EA relevant konstant mittel nein nicht nein Reg. EA mittel relevant mittel nein nicht nein Reg. EA relevant mittel ja nicht voll nein Reg. EA konstant mittel ja nicht voll nein keine konstant gering nein gefüllt ja Generator hoch gering nein gefüllt ja Generator gering nein nicht nein Reg. EA relevant nein Reg. EA konstant gering nein nicht mittel relevant gering nein nicht nein Reg. EA relevant gering nein nicht voll nein Reg. EA konstant gering nein nicht voll nein Reg. EA In the 1 is the block diagram of an INIS with its sensory and aktorischen references to the energetic components for regenerative electric power generation plants with hydrogen / oxygen storage shown schematically. With the help of these sensory information and algorithms from the operation of wind turbines, the public high-voltage grids and the systems of energy conversion, storage and electrical conversion, INIS uses a corresponding actuator system to control the electrical energy flow into the consumer network. The sensory information concerns:
  • 1) the electric power network (public high voltage network) voltage and current waveform, frequency and cosφ development, flicker factor, harmonics
  • 2) Environmental data: Consumption curves, which already contain knowledge of the season and habits of use, wind forecasts, solar radiation and temperature forecasts.
  • 3) the regenerative energy system: availability, voltage, current and cosφ
  • 4) the energy storage: content volume, duration of availability
  • 5) the power station / generator: availability, operating state, voltage, current, cosφ
Algorithm for the integration of renewable energy into network management Network, consumers Statistical data Regenerative energy plant (Reg. EA) environmental data Electric lyseur Storage generator power supply requirement Voltage, frequency, current, cosφ generation Generation H 2 stored H 2 volume generation above constant high No Not No Reg. EA high relevant high No Not No Reg. EA relevant high No Not No Reg. EA relevant constant high No Not No Reg. EA medium relevant high Yes not full No Reg. EA ' high Yes not full No Reg. EA constant high Yes not full No none deep constant medium No Not No Reg. EA high relevant medium No Not No Reg. EA relevant medium No Not No Reg. EA relevant constant medium No Not No Reg. EA medium relevant medium No Not No Reg. EA relevant medium Yes not full No Reg. EA constant medium Yes not full No none constant low No filled Yes generator high low No filled Yes generator low No Not No Reg. EA relevant No Reg. EA constant low No Not medium relevant low No Not No Reg. EA relevant low No not full No Reg. EA constant low No not full No Reg. EA

Mit der allgemein üblichen Einspeisung von elektrischer Energie von Windkraftanlagen (WKA) in das öffentliche Hochspannungsnetz sind eine Reihe von Netzproblemen verbunden, die sich aus dem zeitlich unterschiedlichen Verbrauch durch die Endverbraucher, aber auch aus der diskontinuierlichen Arbeit der regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen, wie bei WKA und photovoltaischen Solaranlagen, ergeben.With the commonplace Infeed of electrical energy from wind turbines (WKA) in the public High voltage network are connected to a number of network problems that arising from the different consumption by end users, but also from the discontinuous work of regenerative electric power generation plants, as with wind turbines and photovoltaic solar systems result.

Zur Sicherung eines stabilen Netzbetriebes werden dann bei hohem Energieangebot der WKA und niedrigem Verbrauch im Netz WKA abgeschaltet, bzw. bei hohem Verbrauch und geringem oder keinem Energieangebot der WKA sind zusätzliche Energieeinspeisungen notwendig. Diese Situation im Netz kann durch die Speicherung der überschüssigen Energie bei hohem Energieaufkommen und geringem Verbrauch sowie durch die Umwandlung der elektrischen Energie in chemische Energie als Wasserstoff und Sauerstoff erfolgen. Die Rückumwandlung erfolgt dann bei hohem Energiebedarf im Netz durch die Einspeisung elektrischer Energie über Wasserstoff-Motorgeneratoren oder Brennstoffzellen. Diese technische Lösung ist unabhängig von geographischen Bedingungen, wie dies bei Pumpspeicheranlagen der Fall ist und kann an netzseitig günstigen bzw. zentralen Standorten der Energieversorgung errichtet werden.In order to ensure stable grid operation, wind turbines will then be switched off when there is a high energy supply of the wind turbines and low consumption in the grid, or additional energy feeds will be necessary in the event of high consumption and low or no energy supply from the wind turbine. This situation in the network can be achieved by storing the excess energy with high energy consumption and low consumption and by converting the electrical energy into chemical energy as hydrogen and oxygen. The back conversion then takes place at high energy demand in the network by the supply of electrical En energy via hydrogen engine generators or fuel cells. This technical solution is independent of geographic conditions, as is the case with pumped storage systems and can be installed at the grid side or central locations of the power supply.

Für den vorgenannten Fall der Netzkopplung von regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen und der vollständigen Nutzung des Energieangebotes ist die erfindungsgemäße Steuerungs- und Regeleinrichtung INIS eine effiziente Lösung.For the aforementioned Case of grid coupling of regenerative electric power generation plants and the complete Use of the energy supply is the control system according to the invention. and control system INIS an efficient solution.

Die erfindungsgemäße Lösung INIS zur vollständigen energetischen Nutzung von diskontinuierlich arbeitenden regenerativen elektrischen Elektroenergieerzeugungsanlagen ist für eine autarke Energieerzeugung im sogenannten Inselbetrieb unverzichtbar, wenn eine Optimierung der Energiebereitstellung mit einer regenerativen elektrischen Energieerzeugung in Verbindung mit einem schwankenden Energieverbrauch erreicht werden soll.The inventive solution INIS to the full energetic use of discontinuous regenerative electric electric power generation is for a self-sufficient Energy generation in the so-called island operation indispensable, if an optimization of the energy supply with a regenerative electric power generation in conjunction with a fluctuating one Energy consumption is to be achieved.

Mit der Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse steht neben dem Einsatz des Wasserstoffes als Energieträger zur Erzeugung von elektrischer Energie ein vielfach nutzbares Gas zum Antrieb von Motorfahrzeugen, BHKWs zur Wärme- und Elektroenergieerzeugung zur Verfügung. Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff dienen als Ausgangsstoffe für viele chemische Prozesse.With the production and storage of hydrogen and oxygen by means of Electrolysis is in addition to the use of hydrogen as an energy source Generation of electrical energy is a gas that can be used many times Drive of motor vehicles, CHPs for heat and electric power generation to disposal. The Gases Hydrogen and oxygen serve as starting materials for many chemical processes.

11
INIS – integriertes NetzinformationssystemINIS - integrated Network information system
22
Netz (Verbraucher)network (Consumer)
33
NetzanschlußanlagePower supply system
44
Umrichterinverter
55
Regenerative Energieanlagen (Windenergie, Photovoltaik, Wasserkraft, Biogas)renewable Energy plants (wind energy, photovoltaic, hydroelectric power, biogas)
66
Elektrolyseur, Kompressor, Pumpeelectrolyzer, Compressor, pump
77
Generator (Wasserstoff-Motor, Brennstoffzelle, BHKW, Pressluft-motor, Wasserkraftturbine)generator (Hydrogen engine, fuel cell, CHP, compressed air engine, hydroelectric turbine)
88th
Speicher (Gas, Feststoff, Flüssigkeit)Storage (Gas, solid, liquid)
99
Umweltdaten (Wind, Sonne, Wasserstände)environmental data (Wind, sun, water levels)
1010
statistische Daten (Netzlastdaten, Verbraucherdaten)statistical Data (network load data, consumer data)

Claims (4)

Integriertes Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) zur Steuerung und Regelung einer kontinuierlichen elektrischen Energieeinspeisung und zum Nutzbarmachen aller anfallenden Energie von diskontinuierlich arbeitenden regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass dieses System die sensorischen Informationen 1) aus dem elektrische Energie-Netz (öffentliche Hochspannungsnetz): wie Spannungs- und Stromverlauf, die Frequenz und die cosφ Entwicklung, den Flickerstörfaktor, die Oberschwingungen, 2) aus der Umwelt; wie Ganglinien des Verbrauchs, die bereits Kenntnisse aus Jahreszeit und Gebrauchsgewohnheiten enthalten, die Windprognosen, die Solarstrahlungs- und Temperaturprognosen, 3) aus der regenerativen Energieanlage; wie die Verfügbarkeit, die Spannung, den Strom und den cosφ, 4) aus dem Energiespeicher; wie das Inhaltsvolumen, die Dauer der Verfügbarkeit, 5) aus der Energiestation/Generator; wie die Verfügbarkeit, den Betriebszustand, die Spannung, den Strom, cosφ erfaßt und nach dem folgenden Algorithmus verarbeitet Netz, Verbraucher Statistische Daten Regenerative Energieanlage (Reg. EA) Umwelt daten Elekto lyseur Speicher Generator Netzeinspeisung Bedarf Spannung, Frequenz, Strom, cosΦ, Erzeugung Erzeugung H2 gespeichertes H2-Volumen Erzeugung über konstant hoch hoch nein nicht relevant nein Reg. EA hoch nein nicht relevant nein Reg. EA hoch nein nicht relevant nein Reg. EA konstant mittel hoch nein nicht relevant nein Reg. EA hoch ja nicht voll nein Reg. EA hoch ja nicht voll nein Reg. EA konstant tief hoch ja nicht voll nein keine konstant hoch mittel nein nicht relevant nein Reg. EA mittel nein nicht relevant nein Reg. EA mittel nein nicht relevant nein Reg. EA konstant mittel mittel nein nicht relevant nein Reg. EA mittel nein nicht relevant nein Reg. EA mittel ja nicht voll nein Reg. EA konstant tief mittel ja nicht voll nein keine konstant hoch gering nein gefüllt ja Generator gering nein gefüllt ja Generator gering nein nicht relevant nein Reg. EA konstant mittel gering nein nicht relevant nein Reg. EA gering nein nicht relevant nein Reg. EA gering nein nicht voll nein Reg. EA konstant tief gering nein nicht voll nein Reg. EA
und über Aktoren die betreffenden Anlagen und Geräte steuert.
Integrated network information and control system (INIS) for the control and regulation of a continuous electrical power supply and harnessing of all accumulated energy from discontinuous regenerative electric power generation plants, characterized in that this system provides the sensory information 1) from the electrical energy grid (public high voltage grid): such as voltage and current history, the frequency and the cosφ development, the flicker-breaking factor, the harmonics, 2) from the environment; such as consumption curves, which already contain knowledge of the season and habits of use, wind forecasts, solar radiation and temperature forecasts, 3) from the regenerative energy system; such as the availability, the voltage, the current and the cosφ, 4) from the energy store; such as the volume of content, the duration of availability, 5) from the energy station / generator; such as the availability, the operating state, the voltage, the current, cosφ detected and processed according to the following algorithm Network, consumers Statistical data Regenerative energy plant (Reg. EA) Environmental data Electric lyseur Storage generator power supply requirement Voltage, frequency, current, cosΦ, generation Generation H 2 stored H 2 volume generation above constantly high high No Not relevant No Reg. EA high No Not relevant No Reg. EA high No Not relevant No Reg. EA constant medium high No Not relevant No Reg. EA high Yes not full No Reg. EA high Yes not full No Reg. EA constant low high Yes not full No none constantly high medium No Not relevant No Reg. EA medium No Not relevant No Reg. EA medium No Not relevant No Reg. EA constant medium medium No Not relevant No Reg. EA medium No Not relevant No Reg. EA medium Yes not full No Reg. EA constant low medium Yes not full No none constantly high low No filled Yes generator low No filled Yes generator low No Not relevant No Reg. EA constant medium low No Not relevant No Reg. EA low No Not relevant No Reg. EA low No not full No Reg. EA constant low low No not full No Reg. EA
and controls the relevant systems and devices via actuators.
Integriertes Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) zur Steuerung und Regelung einer kontinuierlichen elektrischen Energieeinspeisung und zum Nutzbarmachen aller anfallenden Energie von diskontinuierlich arbeitenden regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Integrierte Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) für die Einspeisung in öffentliche Hochspannungsnetze, aber auch für autarke elektrische Energiesysteme zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Energieversorgung mit diskontinuierlich arbeitenden regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen genutzt wird.Integrated network information and control system (INIS) for controlling and regulating a continuous electrical Energy supply and harnessing all accumulated energy of discontinuous regenerative electric power generation plants according to claim 1, characterized in that the integrated network information and control system (INIS) for feeding into public high-voltage grids, but also for self-sufficient electrical energy systems to ensure a continuous Energy supply with discontinuous regenerative energy Electric power generation facilities is used. Integriertes Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) zur Steuerung und Regelung einer kontinuierlichen elektrischen Energieeinspeisung und zum Nutzbarmachen aller anfallenden Energie von diskontinuierlich arbeitenden regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Elektrolyse erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff neben der Elektroenergieerzeugung auch für den Antrieb von Fahrzeugen, Blockheizkraftwerken (BHKW) und als Ausgangsstoffe für chemische Prozesse geeignet sind.Integrated network information and control system (INIS) for controlling and regulating a continuous electrical Energy supply and harnessing all accumulated energy of discontinuous regenerative electric power generation plants according to claim 1, characterized in that the electrolysis produced gases hydrogen and oxygen in addition to the production of electricity also for the drive of vehicles, combined heat and power plants (CHP) and as Starting materials for chemical processes are suitable. Integriertes Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) zur Steuerung und Regelung einer kontinuierlichen elektrischen Energieeinspeisung und zum Nutzbarmachen aller anfallenden Energie von diskontinuierlich arbeitenden regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dieses Integrierte Netzinformations- und Steuerungssystem (INIS) in Verbindung mit Elektrolyseur, Gasspeicher, Motorgeneratoren, Umrichter und Netzanschlußanlagen auch zur Speicherung von allgemein im Netz überschüssiger verfügbarer Elektroenergie und deren Einspeisung in Spitzenlastzeiten an dafür netzseitig günstigen bzw. zentralen Standorten genutzt wird.Integrated network information and control system (INIS) for controlling and regulating a continuous electrical Energy supply and harnessing all accumulated energy of discontinuous regenerative electric power generation plants according to claim 1, characterized in that this integrated Network Information and Control System (INIS) in conjunction with Electrolyzer, gas storage, motor generators, converters and power supply systems also for the storage of generally available in the network excess available electrical energy and their Infeed in peak load times for on the net side favorable or central locations.
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