JP2022509631A - 電子式減結合インピーダンス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、網側と負荷側のいずれかにおいて電力線自体に生じるインピーダンスから電力線上の(以降、「犠牲機器」と称する)機器を減結合させるために使用できる電子式減結合インピーダンスに関する。本発明は、所定の周波数帯域内における網の低過ぎるインピーダンスを許容できない幾つかの機器、例えば、アクティブフィルターに適用できる。特別な用途は、電気エネルギーの消費量を記録して、その情報を電力線モデムを介して電力供給業者に伝える「スマート」電気メーター機器である。
エネルギー計測量の自動的な読み取りは、従来技術で周知であり、幾つかのデータ伝送技術に頼っている。電気メーターでは、電力線通信信号が、典型的には、相と中立点の間に、即ち、差分モードで注入される。それらの信号の振幅のピークは、典型的な35kHz~500kHzの周波数帯域において約10V以下である。
本発明に適した電力線通信用周波数バンドは、次の通り割り当てられている。
欧州における35kHz~91kHz(CENELEC Aバンドの一部)
欧州における98kHz~122kHz(CENELEC Bバンドの一部)
日本における155kHz~403kHz(ARIBバンドの一部)
米国における155kHz~487kHz(FCCバンドの一部)
欧州における35kHz~91kHz(CENELEC Aバンドの一部)
欧州における98kHz~122kHz(CENELEC Bバンドの一部)
日本における155kHz~403kHz(ARIBバンドの一部)
米国における155kHz~487kHz(FCCバンドの一部)
それらの機器の問題は、電力線に存在する負荷インピーダンスによって信号が減衰することである。負荷インピーダンスが低過ぎる、例えば、1オーム以内である場合、信号が危険なほど低いレベルにまで減衰して、通信が失敗する可能性がある。
更に、網上の負荷は、伝送誤りを引き起こす可能性のある妨害と疑似信号を信号伝送周波数バンドに発生させる。
50/60Hzの電源電流を阻止することなく、35kHz以上における信号減衰を制限するインダクタンスを発生させるために、スマートメーターの下流のスマートメーターと負荷の間に、チョーク網又は別の受動式減衰網を導入することが知られている。そのチョークは、飽和を防止するために十分に大きくなければならず、必然的に電力損失を生じさせる。
上記の状況は、スマートメーターに限らず、アクティブEMIフィルターの場合にように、例えば、既知の受動式解決策の場合よりも小さなパッケージと低いコストで、所定の周波数バンドにおいて電気網上の機器をその網のインピーダンスの変化から切り離すことが必要な如何なる場合にも起こり得る。
本発明は、犠牲機器の下流の所定の周波数バンドにおける線路インピーダンスを安定化させる改善された解決策を提供する。一つの用途では、犠牲機器は、前述した周波数バンドで伝送を行うPLCモデム又はスマートメーターである。
本発明は、第一の独立請求項の特徴を有する能動式減結合インピーダンスによって、周知技術の限界を克服する。本発明は、電力線に接続可能な一次側を有し、二次側が能動式負担回路によって負荷を加えられる、電流変成器のような変成器を備えた能動式インピーダンスを提案する。この能動式負担回路は、電力周波数において低いインピーダンスを提供し、目標バンドにおいて、より高いインピーダンスを提供するように配置構成される。追加の利点は、これらの変成器と負担が電力線から電気的に切り離されることである。
本発明の特徴の御蔭で、低い負担値に起因する、電力周波数における電圧降下が維持され、その結果、磁化用磁束が維持されて、飽和を防止するのに、小さいコアで十分となる。それと同時に、目標バンドにおける負担インピーダンスが大きくなり、その結果、変成器の一次側から見たインピーダンスが、それに比例して大きくなって、信号が減衰されなくなる。本発明の機器は、目標バンドに追加のインピーダンスを導入するように設計されており、そのようにして、負荷に関係無く、過剰な減衰を防止することができる。このインピーダンスは、好ましくは、特性において抵抗性であり、その大きさは、5オームよりも、より良くは10オームよりも大きい。実用的な実現形態では、約50~100オームの値を達成できる。
従属請求項は、上述した標準に基づく35kHz~500kHzである目標バンドの周波数、ハイパスフィルターの出力に応じて、目標バンドにおいて負担網内を流れる電流を打ち消す増幅器又は単位利得バッファを備えた有利な能動式構造、直列のインピーダンスを有する負担網を含む、任意選択の有利な特徴に関する。これらの負担網とハイパスフィルターは、電力周波数において、増幅器の出力電流が実質的にゼロである一方、目標バンドにおいて、負担網が変成器から電流を取り込まないように設計される。
本発明は、例として与えられ、図面により図示された実施形態の記述の助けを借りて、より良く理解される。
図1は、本発明による減結合インピーダンスを含むスマートメーター設備を図示している。領域30は、(図示されていない)配電用変圧器から到来して、別の消費者にも供される二次側電力線35に接続された幾つかの負荷を有する、消費者の電気設備を表す。
その入口に置かれたスマートメーター40は、累積電力消費量を記録して、plcモデム45とデータ集信機47を介して、それを電力提供業者のサーバー60に伝送する。この消費情報は、例えば、課金と網の制御のために使用される。サーバーからメーターへの両方向通信も可能である。
メーター40と負荷32の間に置かれた電子式減結合インピーダンス20は、線路インピーダンスが負荷インピーダンスによって引き下げられることを防止して、通信信号の減衰を回避するとともに、冒頭で述べた負荷からの雑音の放出を緩和する。
本発明の課題が網のインピーダンスの変化から電力網上の機器を減結合することである限りにおいて、その有用性がスマートメーターに限定されるのではなく、網のインピーダンスの変化から(「犠牲機器」と称される)機器を保護する必要がある多くの状況にまで拡がることを理解されたい。従って、図1に図示された用途は、本発明を網羅するものではなく、本発明は、plc通信インタフェースの存在に関係無く、如何なる犠牲機器40を減結合させるためにも使用することができる。図2aの通り、負荷側のインピーダンス変動からも、図2bの通り、網側のインピーダンス変動からも、犠牲機器を保護することができる。
図5は、本発明の減結合装置が如何にして犠牲機器40と負荷32の間で電力線と誘導結合されるのかを図示している。本発明の能動式減結合インピーダンスは、電力線に接続可能な一次巻線と、負担網29上で閉じる二次巻線とを備えた変成器を有する。有利には、この変成器は、電力線のケーブル又はバスを中に挿入できる固体リング式コア25を備えた電流変成器であるとすることができ、その結果、一次側の巻数はNp=1である。このようにして、本発明の能動式減結合インピーダンスは、図3に図示されている通り、電力線を切断することなく設置することができる。それ以外の考え得る配置構成は、電力線を開くことなく、電力線にクランプできる分割コア式変成器を包含し、他方において、一次巻線を備えた変成器を包含する。
以下の記述では、全ての値が一次側と関連する変成器モデルを考える。この変成器モデルは、通常は巻数比を考慮した理想的な変成器を包含する。簡略化するために、この記述では、変成器は、巻線比が1:1であると仮定する。大抵の実際の用途では、変成器は、1つの巻数の一次巻線に対して、複数の巻数の二次巻線を有する。電力線から見た、負担網のインピーダンスの大きさは、巻線比の二乗Zp=Zs・(Np/Ns)2となり、この記述では、浮遊インダクタンス、巻線抵抗及び浮遊容量などのスプリアス成分も無視している。好適な回路動作のためには、動作周波数バンド内において、これらの成分のインピーダンスをそれ以外の回路インピーダンスパラメータと比べて小さくすべきである。
変成器の結合係数kは、1に十分に近くすべきである。この場合、浮遊インダクタンスは、それ以外のインダクタンス値と比べて小さい。
ア 電圧S/N比
図2aは、犠牲機器が挿入された電力線のモデル図である。この犠牲機器は、図1のスマートメーター、能動式EMCフィルター又は負荷のインピーダンスの変化から減結合されるべき機器である。犠牲機器が接続された網内箇所における以下の電圧とインピーダンスを考える。
Vs 通信信号電圧
Zs 通信信号源インピーダンス
Vm 犠牲機器での受信電圧
Zm 犠牲機器の入力インピーダンス
Zi 減結合インピーダンス
Vn 負荷からの雑音電圧
Zn 負荷からの雑音源インピーダンス
図2aは、犠牲機器が挿入された電力線のモデル図である。この犠牲機器は、図1のスマートメーター、能動式EMCフィルター又は負荷のインピーダンスの変化から減結合されるべき機器である。犠牲機器が接続された網内箇所における以下の電圧とインピーダンスを考える。
Vs 通信信号電圧
Zs 通信信号源インピーダンス
Vm 犠牲機器での受信電圧
Zm 犠牲機器の入力インピーダンス
Zi 減結合インピーダンス
Vn 負荷からの雑音電圧
Zn 負荷からの雑音源インピーダンス
犠牲機器での受信電圧Vmは、網からの通信信号と負荷からの雑音電圧の合計である。(以降、SNRと称する)電圧の信号対雑音比は、本装置の入力インピーダンスZmがそれ以外のインピーダンスと比べて大きいと仮定していることを示す。この近似において、図2aの等価回路を解くことができ、安定器のインピーダンスZiを挿入する前と後のSNRは、次の通り計算される。
(本発明の無い場合)
犠牲機器で受信される信号電圧:Vm1=Vs・Zn/(Zs+Zn)
犠牲機器で受信される雑音電圧:Vm2=Vn・Zn/(Zs+Zn)
SNR: Vm1/Vm2=Vs/Vn・Zn/Zs
(本発明の有る場合)
犠牲機器で受信される信号電圧:Vm3=Vs・(Zn+Zi)/(Zs+Zn+Zi)
犠牲機器で受信される雑音電圧:Vm4=Vn・Zs/(Zs+Zn)
SNR: Vm3/Vm4=Vs/Vn・(Zn+Zi)/Zs
(本発明の無い場合)
犠牲機器で受信される信号電圧:Vm1=Vs・Zn/(Zs+Zn)
犠牲機器で受信される雑音電圧:Vm2=Vn・Zn/(Zs+Zn)
SNR: Vm1/Vm2=Vs/Vn・Zn/Zs
(本発明の有る場合)
犠牲機器で受信される信号電圧:Vm3=Vs・(Zn+Zi)/(Zs+Zn+Zi)
犠牲機器で受信される雑音電圧:Vm4=Vn・Zs/(Zs+Zn)
SNR: Vm3/Vm4=Vs/Vn・(Zn+Zi)/Zs
本発明の能動式減結合インピーダンスは、負荷インピーダンスを安定化させると見做されて、次の式により与えられる電圧のS/N比の改善を生み出す。
そのため、電圧の信号対雑音比を改善するためには、Zi>>Znとしなければならない。
同様の考えは、図2bの通り、減結合インピーダンス20が網側に有る場合に適用される。
イ 動作原理
ここで、図3,4a,4bを参照して、動作原理を考察し、その第一の図は、次のパラメータから成る減結合インピーダンスに対する等価回路を図示している。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Lm 磁化インダクタンス
Rm コア損失抵抗
im 磁化電流
Lb 負担インダクタンス
ib 負担電流
Rr 残留抵抗
ir 残留電流
ic 補償電流
ここで、図3,4a,4bを参照して、動作原理を考察し、その第一の図は、次のパラメータから成る減結合インピーダンスに対する等価回路を図示している。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Lm 磁化インダクタンス
Rm コア損失抵抗
im 磁化電流
Lb 負担インダクタンス
ib 負担電流
Rr 残留抵抗
ir 残留電流
ic 補償電流
一次電流は、ip=im+ib+ir-icにより定義される。
ウ 電力周波数(図4a)
ic≒0及びir≒0と仮定すると、電力周波数における突入電流は、ip=im+ibとなる。Lm>>Lbの場合、ip≒ibであり、そのため、一次電圧は、vp=ip・jωLbとなり、磁化電流は、im=vp/(jωLm)となる。そして、im・jωLm=ip・jωLbである。
ic≒0及びir≒0と仮定すると、電力周波数における突入電流は、ip=im+ibとなる。Lm>>Lbの場合、ip≒ibであり、そのため、一次電圧は、vp=ip・jωLbとなり、磁化電流は、im=vp/(jωLm)となる。そして、im・jωLm=ip・jωLbである。
従って、ip/im=Lm/Lbであり、変成器コアの飽和電流はimである。負担の追加は、相電流をip=(Lm/Lb)・imとする。
上の記述が、浮遊インダクタンスと全ての巻線抵抗のインピーダンスの合計が電力周波数におけるインピーダンスLbよりも著しく小さいとの仮定に依存することに留意されたい。
エ 目標周波数(図4b)
ic=im+ibとすると、ip=irとなり、突入信号電圧vpは電流irを発生させる。一次側インピーダンスは、Zp=vp/irである。更に、ir=vp/Rrであり、そのため、Zp=Rrとなる。
ic=im+ibとすると、ip=irとなり、突入信号電圧vpは電流irを発生させる。一次側インピーダンスは、Zp=vp/irである。更に、ir=vp/Rrであり、そのため、Zp=Rrとなる。
好ましくは、上記の表現式を実現するために、変成器の結合係数を極めて大きくするべきである。結合係数を小さくすることは、浮遊インダクタンスを大きくして、効率を低下させる。
オ 開ループ電圧制御式実施形態(図6a,6b)
図6aと6bは、開ループコントローラとして構成された、能動式負担網を有する本発明の減結合インピーダンスの考え得る実施例を図示している。この負担は、図6bに図示されている通り、変成器の二次巻線に接続されており、図6aは、一次側から見た等価回路図である。フィルター105は、plc通信を行う周波数バンドにおける電圧信号を選定して、増幅器108と制御式電圧源112によって、補償電圧を発生させる。以下の略号を採用する。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Zmb 磁化及び負担等価インピーダンス
imb 磁化及び負担等価電流
Rr 残留抵抗
ir 残留電流
ic 補償電流
Av ループ電圧利得
図6aと6bは、開ループコントローラとして構成された、能動式負担網を有する本発明の減結合インピーダンスの考え得る実施例を図示している。この負担は、図6bに図示されている通り、変成器の二次巻線に接続されており、図6aは、一次側から見た等価回路図である。フィルター105は、plc通信を行う周波数バンドにおける電圧信号を選定して、増幅器108と制御式電圧源112によって、補償電圧を発生させる。以下の略号を採用する。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Zmb 磁化及び負担等価インピーダンス
imb 磁化及び負担等価電流
Rr 残留抵抗
ir 残留電流
ic 補償電流
Av ループ電圧利得
ip=irであるためには、ic=imbである必要がある。その場合、vp=ic・Zmb及びv0=ic・(Z0+Zmb)である。そのため、ループ電圧利得が、Av=v0/vp=(Z0+Zmb)/Zmbであり、その結果得られる一次側のインピーダンスは、Zp=vp/ir=Rrによって与えられる。
図6bは、変成器25の二次巻線に直に接続された、図6aの変化形態における能動式負担29を図示している。
図9は、図6a,6bの実施形態で使用できる能動式負担回路29の考え得る実現形態を図示している。この増幅器108は、インダクタンスL1とL2の間のノードに注入される電圧を発生させ、それによって、目標バンドにおいて、これらを通って流れる電流を低下させる。L1又はL2が省略された別のインダクタンスの配置構成も考えられる。
カ 閉ループ電流制御式実施形態(図7a,7b)
図示されている通りの別の考え得る実施例は、補助電流変成器である電流センサー24に入力を接続された増幅器108によって駆動される、制御式電流源114を有する。このフィルター105は、補償回路の作用を目標バンドに制限し、その結果、電力周波数において、本発明の減結合インピーダンスが図4aの回路と等価となる。以下の略号を採用する。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Zmb 磁化及び負担等価インピーダンス
imb 磁化及び負担等価電流
Rr 残留抵抗
ir 残留電流
ic 補償電流
Ai ループ電流利得
図示されている通りの別の考え得る実施例は、補助電流変成器である電流センサー24に入力を接続された増幅器108によって駆動される、制御式電流源114を有する。このフィルター105は、補償回路の作用を目標バンドに制限し、その結果、電力周波数において、本発明の減結合インピーダンスが図4aの回路と等価となる。以下の略号を採用する。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Zmb 磁化及び負担等価インピーダンス
imb 磁化及び負担等価電流
Rr 残留抵抗
ir 残留電流
ic 補償電流
Ai ループ電流利得
ip=irであるためには、ic=imbである必要がある。その場合、vp=ic・Zmb及びir=vp/Rrである。ループ電流利得が、Ai=i0/ir=Rr/Zmbであり、その結果得られる一次側のインピーダンスは、前の例の通り、Zp=vp/ir=Rrによって与えられる。
図7bは、ip信号を抽出するために使用される追加の電流変成器24を備えた変成器25の二次巻線に直に接続された、図7aの変化形態における能動式負荷29を図示している。
キ 開ループ電圧制御式電流源による実施形態(図8)
図8は、バンドパスフィルター105と、入力が(1/Lm+1/Lb)により重み付けされた増幅器103及び重み1/Rmによる比例分岐を備えた網とを介して、入力電圧vpにより駆動される電圧制御式電流源114に基づく、本発明の回路に関する別の考え得る構造を図示しており、その結果、フィルター105により選定された周波数バンドにおいて、補正電流がic=vp/Rm+(1/Lm+1/Lb)・∫vpdtにより与えられ、そのため、ip=vp/Rrとなる。そして、Zp=vp/ir=Rrである。この出力電流icが、検知された電圧vpに直接的な影響を与えない、即ち、開ループ制御であることに留意されたい。
図8は、バンドパスフィルター105と、入力が(1/Lm+1/Lb)により重み付けされた増幅器103及び重み1/Rmによる比例分岐を備えた網とを介して、入力電圧vpにより駆動される電圧制御式電流源114に基づく、本発明の回路に関する別の考え得る構造を図示しており、その結果、フィルター105により選定された周波数バンドにおいて、補正電流がic=vp/Rm+(1/Lm+1/Lb)・∫vpdtにより与えられ、そのため、ip=vp/Rrとなる。そして、Zp=vp/ir=Rrである。この出力電流icが、検知された電圧vpに直接的な影響を与えない、即ち、開ループ制御であることに留意されたい。
図8の能動式負担回路は、図6bの通り、変成器の二次端子に接続することができる。
ク 閉ループ電圧制御式実施形態(図11)
図示されている通りの別の考え得る実施例は、制御式電圧源112を有し、出力vpは、図7a/7bの実施形態の通り、補助電流変成器である電流センサー24に入力を接続された増幅器108によって駆動される。フィルター105は、補償回路の作用を信号伝送バンドに制限する。検知された電流ipから駆動電圧vpを発生させる伝達機能は、順方向トランスインピーンダスZxである。インピーダンスZxは、一次側で測定されるインピーダンスと同じである。増幅器108が、電圧源112と共に、負担網を流れる電流ipを打ち消すように配置構成されており、その結果、所望の周波数バンドにおける負荷網のインピーダンスが増大される。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Zmb 磁化及び負担等価インピーダンス
imb 磁化及び負担等価電流
ic 補償電流
Zx 順方向トランスインピーンダス
図示されている通りの別の考え得る実施例は、制御式電圧源112を有し、出力vpは、図7a/7bの実施形態の通り、補助電流変成器である電流センサー24に入力を接続された増幅器108によって駆動される。フィルター105は、補償回路の作用を信号伝送バンドに制限する。検知された電流ipから駆動電圧vpを発生させる伝達機能は、順方向トランスインピーンダスZxである。インピーダンスZxは、一次側で測定されるインピーダンスと同じである。増幅器108が、電圧源112と共に、負担網を流れる電流ipを打ち消すように配置構成されており、その結果、所望の周波数バンドにおける負荷網のインピーダンスが増大される。
vp 一次電圧
ip 一次電流
Zmb 磁化及び負担等価インピーダンス
imb 磁化及び負担等価電流
ic 補償電流
Zx 順方向トランスインピーンダス
順方向トランスインピーンダスは、Zx=vp/ipであり、電流は、imb=ip+ic、imb=vp/Zmbで与えられる。そこで、電圧源112から引き出される電流は、ic=vp・(1/Zmb-1/Zc)である。その結果得られる、一次側で測定されるインピーダンスはZxである。
図10は、図9の実施形態における本発明による減結合インピーダンスの作用を図示したボード線図である。この回路は、CENELEC Aバンドでの信号伝送に関して最適化されている。配電とplc信号伝送で使用される周波数バンドが、それぞれ斜線の領域130及び140で表示されている。一次側インピーダンス120の大きさが50~60Hzにおいて非常に低く、そのことが、損失を低下させて、コアを飽和させることなく循環できる最大電流を増大させるとともに、信号伝送バンドにおいて約100Ωに上昇していることが分かる。位相線図125によって図示されている通り、信号伝送バンドにおけるインピーダンスは、特性において実質的に抵抗性である。
20 能動式減結合インピーダンス、能動式インピーダンス安定器
24 検知用変成器
25 変成器
28 補助電源
29 能動式負担網
30 消費者
32 負荷
35 電力線
40 犠牲機器/スマートメーター
42 kWhメーター
45 PLCモデム
47 データ集信機
60 サーバー
103 増幅器
104 減衰器
105 フィルター
108 増幅器
112 制御式電圧源
114 制御式電流源
120 振幅
125 位相
130 電力周波数バンド
140 目標周波数バンド、信号伝送バンド
24 検知用変成器
25 変成器
28 補助電源
29 能動式負担網
30 消費者
32 負荷
35 電力線
40 犠牲機器/スマートメーター
42 kWhメーター
45 PLCモデム
47 データ集信機
60 サーバー
103 増幅器
104 減衰器
105 フィルター
108 増幅器
112 制御式電圧源
114 制御式電流源
120 振幅
125 位相
130 電力周波数バンド
140 目標周波数バンド、信号伝送バンド
Claims (7)
- 犠牲機器(40)と電気負荷(32)の間の電力線(35)に接続可能な一次巻線を備えた変成器(25)と、この変成器(25)の二次巻線に接続された負担網(29)とを有する能動式減結合インピーダンス(20)であって、
この負担網が、電力周波数において電力線に第一のインピーダンスを発生させ、電力周波数を上回る所定の周波数バンドにおいて第一のインピーダンスの絶対値よりも大きな絶対値を有する第二のインピーダンスを発生させるように配置構成されている当該能動式減結合インピーダンス。 - 請求項1に記載の能動式減結合インピーダンス(20)において、
前記の変成器(25)が電流変成器である能動式減結合インピーダンス。 - 請求項2に記載の能動式減結合インピーダンス(20)において、
前記の所定の周波数バンドが、
35kHz~91kHz、
98kHz~122kHz、
155kHz~403kHz、
155kHz~487kHz、
のいずれかの範囲内に含まれる能動式減結合インピーダンス。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載の能動式減結合インピーダンス(20)において、
前記の周波数バンドにおける電力線から見たインピーダンスの絶対値が少なくとも5オームである能動式減結合インピーダンス。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の能動式減結合インピーダンス(20)において、
前記の周波数バンドにおける電力線から見たインピーダンスの絶対値が少なくとも10オームである能動式減結合インピーダンス。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載の能動式減結合インピーダンス(20)において、
前記の周波数バンドにおける線路電圧の成分を選定するフィルター(105)と、このフィルターの出力に入力を接続された増幅器(108)とを有し、この増幅器(108)が、所定の周波数バンドにおける負担網を流れる電流(ip)を打ち消して、その結果、所定の周波数バンドにおける負担網のインピーダンスが増大されるように配置構成されている能動式減結合インピーダンス。 - エネルギー供給業者と一つ又は幾つかの電気負荷(32)の間の電力線(35)に接続可能である、この一つ又は幾つかの電気負荷(32)による電気エネルギーの使用量を測定するための電力メーター(40)と組み合わされた、請求項1~6のいずれか1項に記載の能動式減結合インピーダンス(20)において、
この電気メーター(40)が、所定の周波数バンドにおいて電力線(35)を介してデータを送信及び/又は受信するためのPLCインタフェース(45)を有し、この線路インピーダンス安定器が、これらの電気メーターと一つ又は幾つかの電気負荷の間に接続される能動式減結合インピーダンス。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18209935.8 | 2018-12-03 | ||
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