KR102632411B1 - 전력 시스템의 안전도 예측 방법 - Google Patents

전력 시스템의 안전도 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하 변경에 따라 예상되는 전력 시스템의 조류와 전압을 기반으로 하는 전력 시스템의 안전도 예측 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템 안전도 예측 방법은 서로 연결되는 모선 간 선로의 현재 조류와 임의의 모선에 대한 현재 전압을 측정하는 단계; 각각의 모선에 발생하는 부하를 변경하며 시간의 경과에 따른 예상 조류와 예상 전압을 상기 현재 조류 및 상기 현재 전압을 기초로하여 소정 개수만큼 계산하는 단계; 상기 예상 조류를 이용하여 조류 안전도를 계산하는 단계; 및 상기 예상 전압을 이용하여 전압 안전도를 계산하는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

전력 시스템의 안전도 예측 방법{SAFETY PEFORMANCE FORECASTING METHOD OF POWER SYSTEM}
본 발명은 전력 시스템의 안전도 예측 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 부하 변경에 따라 예상되는 전력 시스템의 조류와 전압을 기반으로 하는 전력 시스템의 안전도 예측 방법에 관한 것이다.
전력 시스템은 변전소로 예시되는 다수의 모선과 각각의 모선을 연결하는 선로들로 구성될 수 있다. 전력 시스템의 원활환 유지/보수와 선로 사고에 대한 빠른 대응을 위해선 전력 시스템의 안전도에 대한 평가가 요구된다.
따라서, 전력 시스템의 현재 안전도를 측정하고 관리하기 위하여 EMS(Energy Management System)을 통해 지속적으로 모선과 선로의 조류와 전압 상태를 측정하고 있는 실정이다.
하지만, 전력 계통을 지속적으로 안정적으로 관리하기 위해선, 현재의 안전도와 미래 시점의 안전도도 예측될 수 있어야 한다. 전력 시스템의 문제점이 커지는 방향으로 발산하게 되는 것으로 예측 되면, 미리 대비하여 문제가 예상되는 모선 또는 선로를 정비할 수 있게 된다.
프랑스 RTE에서는 +1시간~+2일까지 예상되는 전력망의 상태에 대해 AGC기능, 안전도 해석 기능을 2019년도 까지 구현할 예정인 것으로 알려져 있다. 이 때, 예측되는 시스템에 대해서 발산위험도를 평가할 필요가 있으며, 조류관점에서 Maximum Lyapunov Exponent를 활용한 지수는 제안되었다. 전압관점에서는 별도로 제안된 지수는 없는 것으로 분석된다.
종래의 전력 시스템 안전도 예측 방법은 Lyapunov Exponent의 개념을 적용하게 되면 무한한 케이스를 상정하여 안전도를 평가하기 때문에, 유한개의 미래 예측 시스템을 다루는 경우에 적용하는 것은 비현실적이어서, 정확하지 않은 안전도가 측정되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템의 안전도 예측 방법은 한정된 수의 케이스를 이용하여 조류 안전도 또는 전압 안전도를 예상함으로써 보다 현실에 부합하고 정확한 전력 시스템의 안전도를 도출하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템의 안전도 예측 방법은 전력 시스템의 안전도를 보다 정확히 예상함으로써 전력 시스템 운용자가 선로 사고와 같은 문제점 등을 각각의 모선 별로 알 수 있게 하여 선제적으로 대비할 수 있도록 하는 것에 다른 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템 안전도 평가 방법은 전력 시스템의 안전도를 평가하는 방법에 있어서, 서로 연결되는 모선 간 선로의 현재 조류와 임의의 모선에 대한 현재 전압을 측정하는 단계; 각각의 모선에 발생하는 부하를 변경하며 시간의 경과에 따른 예상 조류와 예상 전압을 상기 현재 조류 및 상기 현재 전압을 기초로하여 소정 개수만큼 계산하는 단계; 상기 예상 조류를 이용하여 조류 안전도를 계산하는 단계; 및 상기 예상 전압을 이용하여 전압 안전도를 계산하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 조류 안전도를 계산하는 단계는
수식
에 의하여 상기 조류 안전도를 계산하는 단계이고, 상기 수식에서 λp는 상기 조류 안전도이고, N은 상기 소정 개수의 값이며, xn은 상기 예상 조류의 값일 수 있다.
상기 예상 조류는 상기 발생하는 부하를 일정한 비율로 증가시키거나 감소시킴으로써 소정 시간대 별로 예상되는 상기 선로에 대한 조류 값일 수 있다.
상기 전압 안전도를 계산하는 단계는
수식
에 의하여 상기 전압 안전도를 계산하는 단계이고, 상기 수식에서 λv는 상기 전압 안전도이고, N은 상기 소정 개수의 값이며, xn은 예상 전압의 값이고, xref는 상기 모선에 대한 기준 전압 값이며, wn은 상기 xn의 값의 범위에 대응하여 정해지는 값일 수 있다.
상기 예상 전압은 상기 발생하는 부하를 일정한 비율로 증가시키거나 감소시킴으로써 소정 시간대 별로 예상되는 상기 모선에 대한 전압 값일 수 있다.
상기 조류 안전도와 상기 전압 안전도를 복수의 모선에 대해서 계산하고, 각각의 모선과 선로에 대해서 계산된 상기 조류 안전도 및 상기 전압 안전도 중 하나 이상이 소정의 제한 범위를 벗어나면 관련된 모선과 선로를 사용자에게 표시하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템의 안전도 예측 방법은 한정된 수의 케이스를 이용하여 조류 안전도 또는 전압 안전도를 예상함으로써 보다 현실에 부합하고 정확한 전력 시스템의 안전도를 도출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템의 안전도 예측 방법은 전력 시스템의 안전도를 보다 정확히 예상함으로써 전력 시스템 운용자가 선로 사고와 같은 문제점 등을 각각의 상정사고 별로 알 수 있게 하여 선제적으로 대비할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템의 안전도 예측 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 조류 관점에서 전력 시스템 안전도 예측에 대한 발산 위험을 예시하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 전압 관점에서 전력 시스템 안전도 예측에 대한 발산 위험을 예시하여 설명하기 위한 도면이다
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전력 시스템의 조류 안전도를 계산되는 과정을 예시하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 전력 시스템의 전압 안전도를 계산되는 과정을 예시하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명을 예시한 실시 형태들이 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템의 안전도 예측 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 전력 시스템 안전도 예측 방법은 현재 조류 및 현재 전압 측정 단계(S100), 예상 조류 및 예상 전압 계산 단계(S200), 조류 안전도 계산 단계(S300), 전압 안전도 계산 단계(S400) 및 안전도 표시 단계(S500)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 전력 시스템은 변전소로 예시될 수 있는 복수의 모선들과 각각의 모선들을 통해 전력을 전달하기 위해 모선 간에 연결되는 선로를 포함할 수 있다. 이러한 전력 시스템은 중앙의 제어 장치에 의하여 선로 간의 연결 상태를 제어할 수 있고, 선로 간에 전송되는 전력 상태는 선로 간 조류와 전압을 통해 파악될 수 있다. 이를 위하여, 제어 장치는 각각의 모선과 선로에 연결될 수 있다.
현재 조류 및 현재 전압 측정 단계(S100)는 서로 연결되는 모선 간 선로의 현재 조류와 임의의 모선에 대한 현재 전압을 측정하는 단계를 의미할 수 있다. 상기한 제어 장치는 제어 가능한 각각의 모선과 선로에 대한 조류와 전압을 측정할 수 있다. 현재 조류는 측정 시간을 기준으로 임의의 모선인 제1 모선과 제2 모선 간의 선로에 흐르는 조류의 양을 측정하여 생성될 수 있다. 그리고 현재 전압은 측정 시간을 기준으로 제1 모선에 인가되는 전압의 크기 측정하여 생성될 수 있다. 각각의 모선은 전력 시스템의 환경과 모선 및 선로의 구성에 따라 다양한 기준 전압을 가질 수 있다.
예상 조류 및 예상 전압 계산 단계(S200)는 각각의 모선에 발생하는 부하를 변경하며 시간의 경과에 따른 예상 조류와 예상 전압을 소정 개수만큼 계산하는 단계를 의미할 수 있다.
예상 조류는 상기 제어 장치의 운용자의 설정에 따라 다양한 값을 가지며, 다양한 개수만큼 생성될 수 있다. 설명의 편의를 위하여 제1 모선과 제2 모선에 인가되는 부하를 10분 간격으로 5%씩 증가시키며, 예상되는 제1 모선과 제2 모선 간의 선로에 50분 간 변화되는 예상 조류를 계산하기로 한다. 제1 모선과 제2 모선에 인가되는 부하가 변화됨과 함께 제1 모선과 제2 모선 간의 조류의 양도 변화하게 된다. 상기한 예시에서, 측정 시간을 기준으로 현재 제1 모선과 제2 모선 간에 흐르는 조류를 X0이라 할 때, 10분 경과시 제1 모선과 제2 모선 간에 발생하는 5%의 부하에 따라 예상되는 조류를 X1, 20분 경과시 제1 모선과 제2 모선 간에 발생하는 10%의 부하에 따라 예상되는 조류를 X2, 30분 경과시 제1 모선과 제2 모선 간에 발생하는 15%의 부하에 따라 예상되는 조류를 X3과 같이 정의할 수 있다.
예상 전압은 상기한 바와 마찬가지로, 제어 장치의 운용자의 설정에 따라 다양한 값을 가지며, 다양한 개수만큼 생성될 수 있다. 설명의 편의를 위하여 제1 모선에 인가되는 부하를 10분 간격으로 5%씩 증가시키며, 50분 간 변화되는 예상 조류를 생성하는 것으로 설정된 것을 예시하기로 한다. 그러면 제1 모선에 인가되는 부하가 변화됨과 함께 제1 모선의 전압 크기도 변화하게 된다. 상기한 예시에서, 측정 시간을 기준으로 현재 제1 모선의 전압 크기를 Y0이라 할 때, 10분 경과시 제1 모선과 제2 모선 간에 발생하는 5%의 부하에 따라 예상되는 조류를 Y1, 20분 경과시 제1 모선과 제2 모선 간에 발생하는 10%의 부하에 따라 예상되는 조류를 Y2, 30분 경과시 제1 모선과 제2 모선 간에 발생하는 15%의 부하에 따라 예상되는 조류를 Y3과 같이 정의할 수 있다.
시간에 따라 모선과 선로에 발생하는 부하의 증감 정도나 조류 또는 전압의 측정 시간 대는 제어 장치의 운용자의 설정에 따라 달라질 수 있으며, 상기한 예시에 한정되지 않는다.
조류 안전도 계산 단계(S300)는 예상 조류를 이용하여 조류 안전도를 계산하는 단계를 의미할 수 있다. 보다 상세하게, 조류 안전도 계산 단계(S400)는 제어 장치가 [수식 1]에 의하여 상기 조류 안전도를 계산하는 단계일 수 있다.
[수식 1]
상기 [수식 1]에서 λp는 상기 조류 안전도이고, N은 상기 소정 개수의 값이며, xn은 상기 예상 조류의 값을 의미할 수 있다.
상기 [수식 1]에 의해 계산되는 조류 안전도는 무한한 개수의 케이스가 아닌 유한한 개수의 케이스를 이용함으로써 전력 계통의 조류 안전도에 대한 새로운 평가 지수로 사용될 수 있다.
[수식 1]을 이용하여 전력 시스템에서 조류 상태가 발산하는 지 또는 수렴하는 지 여부를 계산하기 위해 각 케이스 별로 변화되는 조류의 비율을 반영할 수 있다. 조류 안전도의 값이 양의 값을 가진다면 해당 전력 시스템의 모선은 불안정 하다는 것이며, 음의 값을 가진다면 해당 전력 시스템의 모선은 안정된 방향으로 형성된다고 판단할 수 있다.
전압 안전도 계산 단계(S400)는 예상 전압을 이용하여 전압 안전도를 계산하는 단계를 의미할 수 있다. 보다 상세하게, 전압 안전도 계산 단계(S500)는 제어 장치가 [수식 2]에 의하여 상기 전압 안전도를 계산하는 단계일 수 있다.
[수식 2]
상기 수식에서 λv는 상기 전압 안전도이고, N은 상기 소정 개수의 값이며, xn은 예상 전압의 값이고, xref는 상기 제1 모선에 대한 기준 전압 값이며, wn의 값은 모선의 전압 크기 xn이 최소 전압 xi min 내지 최대 전압 xi max 의 범위 내에 있으면 1이고, 상기 범위를 벗어 나면 임의로 설정된 큰 값(large value) 값을 가질 수 있다. [수식 2]를 통해 모선에 발생하는 부하의 변화에 따른 전압 값이 기준 전압 값과 가지는 차이를 계산함으로써 전압 안전도가 계산될 수 있다. [수식 2]를 참조할 때, 모선에 인가되는 전압(xn)의 크기가 기준 전압(xref)의 크기와 차이가 적다면 전압안전도의 값이 적게 도출될 수 있다. 전압 안전도 값의 크기가 작을수록 해당 모선은 전압 관점에서 안정성이 큰 것으로 이해될 수 있다. 상기 기준 전압 값(xref)은 제어 장치의 운용자의 설정에 따라 상기 현재 전압 값이 사용될 수 있다.
상기 [수식 2]에 의해 계산되는 전압 안전도 역시 상기 조류 안전도와 마찬가지로 유한개의 케이스를 이용함으로써 전력 계통의 전압 안전도에 대한 새로운 평가 지수로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 안전도 표시 단계(S500)를 더 포함할 수 있다. 안전도 표시 단계(S500)는 상기 조류 안전도와 상기 전압 안전도를 복수의 모선에 대해서 계산하고, 각각의 모선과 선로에 대해서 계산된 상기 조류 안전도 및 상기 전압 안전도 중 하나 이상이 소정의 제한 범위를 벗어나면 관련된 모선과 선로를 사용자에게 표시하는 단계를 의미할 수 있다.
도 2는 조류 관점에서 전력 시스템 안전도 예측에 대한 발산 위험을 예시하여 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 [수식 1]을 이용한 조류 안전도 계산을 보다 상세히 알 수 있다. Y=LN(X) 그래프와 관련하여 조류 xn+1의 값이 조류 xn 의 값보다 클 때, 같을 때, 작을 때에 대응하여 조류 안전도 λp의 값이 변화 하는 것을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 [수식 2]를 이용한 전압 안전도 계산을 보다 상세히 알 수 있다.
도 3은 전압 관점에서 전력 시스템 안전도 예측에 대한 발산 위험을 예시하여 설명하기 위한 도면이다. 임의의 모선에 인가되는 전압의 크기 xn를 기준 전압 xref와 비교하고, 모선의 전압 크기와 기준 전압과의 차이의 크기에 대응하여 전압 안전도 λv의 값이 변화되는 것을 알 수 있다. wn의 값은 모선의 전압 크기 xn이 최소 전압 xi min 내지 최대 전압 xi max 의 범위 내에 있으면 1이고, 그 외의 경우 임의로 설정된 큰 값(large value)을 가질 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전력 시스템의 조류 안전도를 계산되는 과정을 예시하기 위한 도면이다.
도 4는 여러 모선 간의 선로에 흐르는 현재 조류를 측정한 케이스(X0)와 현재 조류를 기초로 부하를 5%씩 증가하여 예상 조류들(X1 내지 X4)를 계산한 것을 예시한다. 그리고 이를 토대로 계산된 조류 안전도(λp)를 도시한다. 도 4의 선로 중 1번 모선과 2번 모선을 연결하는 선로의 조류 안전도 값이 제일 낮고 4번 모선과 3번 모선을 연결하는 선로의 조류 안전도의 값이 제일 큰 것을 알 수 있다. 즉, 1번 모선과 2번 모선을 연결하는 선로가 조류 관점에서 제일 안정적인 것으로 볼 수 있고, 4번 모선과 3번 모선을 연결하는 선로가 조류 관점에서 제일 불안정적인 것으로 볼 수 있다.
도 5는 상기 도 4의 선로 중 1번 모선과 2번 모선을 연결하며 0.72의 조류 안전도를 가지는 선로와 4번 모선과 3번 모선을 연결하며 -1.45의 조류 안전도를 가지는 선로의 조류 값을 케이스별로 그래프를 통해 표시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 전력 시스템의 전압 안전도를 계산되는 과정을 예시하기 위한 도면이다.
도 6은 여러 모선에 인가되는 현재 전압을 측정한 케이스(X0)와 현재 전압을 기초로 부하를 5%씩 증가하여 예상 전압들(X1 내지 X4)를 계산한 것을 예시한다. 그리고 이를 토대로 계산된 전압 안전도(λp)를 도시한다. 도 6의 모선 중 1번 모선의 전압 안전도 값이 제일 낮고, 7번 모선의 전압 안전도의 값이 제일 큰 것을 알 수 있다. 즉, 1번 모선이 전압 관점에서 제일 안정적인 것으로 볼 수 있고, 7번 모선이 전압 관점에서 제일 불안정적인 것으로 볼 수 있다.
도 7은 상기 도 6의 모선 중 1번 모선과 7번 모선의 케이스별 전압 값을 나타낸 그래프이다. 도 7에서 최소 전압 xi min 은 0.95로, 최대 전압 xi max 은 1.05로 설정되었으며, wn의 값은 xn의 값이 최소 전압 xi min 내지 최대 전압의 범위 안에 있을 때 1이고, 이외의 경우 10의 값을 가지도록 설정된다.
도 7은 상기 도 6의 모선 중 1번 모선이 1.002의 전압 안전도를 가지는 케이스와 7번 모선이 1.504의 전압 안전도를 가지는 케이스를 그래프를 통해 표시한 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 현재 조류 및 현재 전압 측정 단계
S200: 예상 조류 및 예상 전압 계산 단계
S300: 조류 안전도 계산 단계
S400: 전압 안전도 계산 단계
S500: 안전도 표시 단계

Claims (6)

  1. 전력 시스템의 안전도를 평가하는 방법에 있어서,
    서로 연결되는 모선 간 선로의 현재 조류와 임의의 모선에 대한 현재 전압을 측정하는 단계;
    각각의 모선에 발생하는 부하를 변경하며 시간의 경과에 따른 예상 조류와 예상 전압을 상기 현재 조류 및 상기 현재 전압을 기초로 하여 소정 개수만큼 계산하는 단계;
    상기 예상 조류를 이용하여 조류 안전도를 계산하는 단계; 및
    상기 예상 전압을 이용하여 전압 안전도를 계산하는 단계; 를 포함하고,
    상기 조류 안전도를 계산하는 단계는
    수식
    에 의하여 계산하는 단계로서, λp는 상기 조류 안전도, N은 상기 소정 개수의 값, xn은 상기 예상 조류의 값이며,
    상기 전압 안전도를 계산하는 단계는
    수식
    에 의하여 계산하는 단계로서, λv는 상기 전압 안전도, N은 상기 소정 개수의 값, xn은 예상 전압의 값, xref는 상기 모선에 대한 기준 전압 값, wn은 상기 xn의 값의 범위에 대응하여 정해지는 값을 포함하는 전력 시스템 안전도 평가 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 예상 조류는
    상기 발생하는 부하를 일정한 비율로 증가시키거나 감소시킴으로써 소정 시간대 별로 예상되는 상기 선로에 대한 조류 값인 것을 특징으로 하는 전력 시스템 안전도 평가 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 예상 전압은
    상기 발생하는 부하를 일정한 비율로 증가시키거나 감소시킴으로써 소정 시간대 별로 예상되는 상기 모선에 대한 전압 값인 것을 특징으로 하는 전력 시스템 안전도 평가 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 조류 안전도와 상기 전압 안전도를 복수의 모선에 대해서 계산하고, 각각의 모선과 선로에 대해서 계산된 상기 조류 안전도 및 상기 전압 안전도 중 하나 이상이 소정의 제한 범위를 벗어나면 관련된 모선과 선로를 사용자에게 표시하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 시스템 안전도 평가 방법.
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