电工技术学报
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2017年 32卷 21期
刊出日期:2017-11-10

电力电子与电力传动
电机与电器
电力系统及其自动化
电工理论与新技术
高电压与绝缘技术
   
 电力电子与电力传动
基于灰色扩展卡尔曼滤波的锂离子电池荷电状态估算
潘海鸿, 吕治强, 李君子, 陈琳
准确估算电池荷电状态(SOC)是电池管理系统的核心技术之一。为提高扩展卡尔曼滤波(EKF)估算电池SOC精度,将灰色预测模型(GM)和EKF融合,构建灰色扩展卡尔曼滤波(GM-EKF)算法用于电池SOC估算。该算法首先用GM(1,1) 替代EKF算法中Jacobian矩阵,对当前时刻电池系统状态预测,即实现系统状态先验估算;再通过观测值对系统状态进行更新和修正,获得后验估算值,实现对电池SOC的估算;最后在自主搭建的电池实验平台上对电池进行模拟工况放电实验。实验结果表明,GM-EKF算法相比EKF算法,估算电池SOC具有更高的精度,估算误差不超过±0.005。研究结果对电池管理系统估算电池SOC具有现实指导意义。
2017 32 (21): 1-8.  摘要 (  26 )   PDF (2202 KB)   ( 109 )
基于双层准谐振开关电容的锂电池组均衡方法
李泉, 周云山, 王建德, 傅兵

电动汽车用动力锂电池组一般采用多个电池单体串并联的结构,由于电池单体本身的不一致性,需要在电池组充、放电过程中进行能量的均衡控制。采用双层准谐振开关电容的均衡方法进行串联电池组的能量主动均衡,通过对常规双层开关电容均衡方法的改进,利用准谐振软开关实现开关的零电流导通和截止。仿真及实验结果验证了该方法的有效性。

2017 32 (21): 9-15.  摘要 (  28 )   PDF (1860 KB)   ( 81 )
基于列车运行状态的城轨超级电容储能装置控制策略
夏欢, 杨中平, 杨志鸿, 林飞, 李旭阳
研究应用于城轨交通的地面式超级电容储能装置的控制策略。首先建立结合列车、储能装置和制动电阻的牵引供电系统的数学模型,分析了列车再生制动时超级电容和制动电阻能量分配的影响因素,并由此提出了考虑列车运行状态的储能装置控制策略。该控制策略通过列车实时功率、位置数据,动态调整储能装置的充电电压指令,从而调整超级电容的充电功率,使储能装置工作在最优状态。为了验证所提出的控制策略的有效性,利用北京地铁八通线梨园站的兆瓦级超级电容储能装置开展了实际列车运营实验。现场实验表明,该控制策略可有效地提高超级电容的利用率,增大储能装置的节能量,降低地铁系统的运行能耗。
2017 32 (21): 16-23.  摘要 (  35 )   PDF (2477 KB)   ( 87 )
具有宽范围输出电压的三电平半桥LLC谐振变换器控制策略
王暄, 王广柱, 孙晓伟, 柳丹青
由于三电平变换器的开关管电压应力仅为输入电压的一半,在大功率DC-DC电源、电动汽车充电等应用领域得到广泛的关注和研究。为了实现宽范围输出电压调节控制,克服三电平半桥LLC谐振变换器采用变频调制时电压调节范围小的缺点,将移相调制策略引入三电平半桥LLC谐振变换器控制,分析了其工作过程、电压调节范围及软开关条件,导出了实现软开关的工作状态分界点,由此提出一种三电平半桥LLC谐振变换器移相和变频相结合的混合式调制策略。该策略根据软开关工作状态,切换移相调制和变频调制,以实现全程软开关和宽范围输出电压控制。实验验证了理论分析结果的正确性以及所提调制策略的可行性和有效性。
2017 32 (21): 24-33.  摘要 (  29 )   PDF (2568 KB)   ( 127 )
MTPA控制下逆变器-IPMSM系统直流侧电压稳定性研究
钟志宏, 方晓春, 林飞, 杨中平
在电机闭环控制系统中,由于转矩的快速跟随,可将逆变器-电机负载当做恒功率负载。恒功率负载的负阻抗特性使得牵引传动系统阻尼较小,从而引发直流侧电压和电流的振荡。通过深入分析牵引变流器模型、内置式永磁同步电机数学模型以及控制系统的数学模型,从机理上阐述了恒功率负载引发的牵引传动系统直流侧振荡产生的原因;进而通过小信号分析法,推导了最大转矩电流比控制下,逆变器-内置式永磁同步电机系统的导纳模型。在该导纳模型的基础上,通过频域下的伯德图以及奈奎斯特稳定性判据,分析了直流侧LC参数、电机电感参数、定子电阻参数以及功率对系统稳定性的影响,发现了各参数对稳定性的影响规律以及电机运行过程中的稳定性变化过程。基于该文的理论分析,实现了一种主动阻尼补偿方式,并通过仿真和实验验证了该补偿方式能有效增大系统阻尼,提升系统的稳定性。
2017 32 (21): 34-43.  摘要 (  35 )   PDF (637 KB)   ( 74 )
 电机与电器
基于最优开环截止频率学习的永磁伺服系统PI控制器参数整定方法
王爽, 冯坚栋, 丁雪, 石坚
提出一种基于最优开环截止频率学习的永磁伺服系统PI控制器参数整定方法。针对永磁同步电机转速/电流级联的双PI控制系统,基于同步旋转坐标系下电机频域数学模型,推导出电流环和速度环PI控制器参数的解析表达式。根据期望的系统要求,从时域分析入手,对电流环和速度环分别构建性能评价函数,通过迭代给定激励信号下的最小评价函数值,学习性能最优的开环截止频率,从而实现电流环和速度环PI控制器参数整定。对拖伺服平台上的实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。
2017 32 (21): 44-54.  摘要 (  16 )   PDF (937 KB)   ( 74 )
基于三自由度内模控制的永磁同步电机矢量控制方法
尹忠刚, 张迪, 蔡剑, 杜超, 钟彦儒
针对传统内模控制方法不能兼顾系统跟随性、抗干扰性和鲁棒性的问题,提出了一种基于三自由度内模控制的永磁同步电机矢量控制方法。该方法基于永磁同步电机矢量控制系统,分析了系统实现稳定性和鲁棒性的条件,根据永磁同步电机矢量控制系统的稳定性和鲁棒性条件设计了反馈控制器、反馈滤波器和前馈控制器,从而实现分别对永磁同步电机矢量控制系统的跟随性、抗干扰性和鲁棒性三种性能的优化控制,提升永磁同步电机的控制性能。仿真和实验结果验证了基于三自由度内模控制的永磁同步电机矢量控制方法的正确性和有效性。
2017 32 (21): 55-64.  摘要 (  24 )   PDF (674 KB)   ( 106 )
绕组分段永磁直线同步电机无传感器控制
祝贺, 张今朝, 董睿, 刘春元, 李立毅
绕组分段永磁同步直线电机(WS-PMLSM)定子特殊的分段结构导致动子在跨段过程中各关键电磁参数将随动子位置改变而剧烈变化,从而将给实施无位置传感器控制带来巨大的挑战与困难。为解决这一问题,首先利用有限元分析及实验测试的方法对动子跨段过程中关键电磁参数的非线性变化规律进行分析,从而构建WS-PMLSM的精确数学模型;然后针对相邻两段定子观测反电动势信号幅值变化的规律,提出基于反馈自适应滑模观测器的段间观测反电动势同步合成法,以取得段间磁极位置的精确辨识,最终实现其在宽调速范围内全行程无传感器电流-速度双闭环运行;最后对所提算法进行仿真分析和实验测试,结果证明该方法有效可行。
2017 32 (21): 65-76.  摘要 (  26 )   PDF (1204 KB)   ( 63 )
基于多项式磁饱和模型及EKF的感应电机磁链观测
刘璐, 王晓年, 杜旭东
感应电机的转子磁链通常用定子电流进行观测,易受测量噪声影响,且观测模型精度与电机参数有关。当电机内磁场幅值变化时,磁路非线性饱和效应会引起互感参数波动,导致观测磁链的幅值和方向偏离实际值,使控制出现偏差。对此,提出基于四阶多项式磁饱和模型以及扩展卡尔曼滤波(EKF)的全状态估计算法,以定子电流作为反馈,观测转子磁链的同时,辨识互感参数。仿真及实验结果表明所提算法能降低磁饱和非线性对控制系统的影响。
2017 32 (21): 77-86.  摘要 (  20 )   PDF (585 KB)   ( 60 )
失磁故障下交错磁极混合励磁发电机的等效二维解析磁场模型
徐敦煌, 王东, 林楠, 魏锟
交错磁极混合励磁发电机由于两端交错磁极的不对称布置,其磁通表现为三维分布特性,尤其是失磁故障下,其磁场分布将进一步发生明显变化。在磁路分析的基础上,利用多个等效二维气隙磁场解析模型可以较充分地反映失磁故障下交错磁极混合励磁发电机中磁通的分布特点。针对改进的交错磁极混合励磁发电机,建立了其等效二维解析模型,分析了其失磁故障下的磁场特性,并利用有限元方法验证了该模型的准确性。
2017 32 (21): 87-93.  摘要 (  21 )   PDF (6658 KB)   ( 77 )
机械弹性储能系统中永磁同步电机反推SVM-DTC控制
米增强, 郑晓明, 余洋, 畅达, 孙辰军
机械弹性储能系统在储能过程中驱动电机负载的转矩和转动惯量连续变化,情况复杂,需要一种能够快速跟踪其变化且抗干扰能力较强的控制系统。直接转矩控制响应快,能快速跟踪储能箱转矩,结合反推自适应控制算法,可以使其有较好的稳态和暂态性能。首先采用遗忘因子递推最小二乘算法辨识储能箱转矩和转动惯量,实时更新控制对象参数,结合辨识结果设计转角、转速、转矩和磁链反推控制器,并最终得到定子电压在两相静止坐标系下的分量,同时设计转矩和转动惯量自适应控制器消除辨识误差对控制性能的影响,进一步应用电压空间矢量调制方法产生频率恒定的开关信号,控制逆变器运行。实验结果表明永磁同步电机输出转矩能够快速跟踪负载转矩,且转矩转速脉动较小,储能过程平稳。
2017 32 (21): 94-102.  摘要 (  22 )   PDF (620 KB)   ( 43 )
 电力系统及其自动化
基于小波包分解和改进Elman神经网络的风电场风速和风电功率预测
叶瑞丽, 郭志忠, 刘瑞叶, 刘建楠
准确预测风电场风速和风电功率对做好风电场运行维护、合理安排开停机计划以及确保电力系统的安全稳定运行具有重要意义。提出了基于小波包分解和改进Elman神经网络的新型风电场风速和风电功率预测方法并给出了具体应用步骤。首先利用小波包分解理论对经过初步处理的历史风速数据进行分解处理,根据相关性剔除随机数据,保留最优分解树;随后提出带扰动的PSO训练算法用以提高Elman神经网络的训练速度,并解决PSO算法易陷入局部最优解的问题;最后利用不同结构的Elman神经网络寻找最优分解树不同频段下的风速规律进而获得风速和风电功率预测结果。南方某风电场算例表明该方法具有更高的预测精度,能够正确反映风速和风电功率规律。
2017 32 (21): 103-111.  摘要 (  37 )   PDF (2650 KB)   ( 90 )
考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法
黄际元, 李欣然, 常敏, 黎淑娟, 刘卫健
规模间歇电源并网引起的电网频率问题,导致对引入储能辅助调频的研究越发迫切。提出一种考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法。阐述了储能电池功率和容量设计的通用方法;通过分析储能电池在调频运行过程中的成本和效益,基于全寿命周期理论,运用净现值法结合仿真模型构建储能电池参与一次调频的技术经济模型;设计了一种储能电池参与一次调频的充放电策略,在此基础上,考虑受风电出力波动影响的电网综合负荷,从与之对应的电网频率信号波动特性出发,在确定的电网调频及储能电池运行要求约束下,得出调频效果最优、经济性最优以及两者综合最优目标下的储能电池容量配置方案。仿真结果表明了该方法的合理性及有效性。本研究有助于推动储能电池在辅助调频服务上的示范与工程化应用。
2017 32 (21): 112-121.  摘要 (  28 )   PDF (2989 KB)   ( 73 )
基于二层规划的用户侧能源互联网规划
吴聪, 唐巍, 白牧可, 张璐, 丛鹏伟
针对能源系统规划中对多个供能区域的协调互济及多能流联合调度考虑不足的现状,研究基于二层规划的用户侧能源互联网规划方法。首先,梳理供能系统结构,对各能量单元建模,并分析用户侧能源互联网内的负荷特性;其次,综合考虑多种能源互联、多个供能区域协调互济及多能流联合调度,建立用户侧能源互联网的二层规划模型,上层以年费用最低为目标,各能量单元的安装容量为优化变量,下层以年运行费最低为目标,各时段能量单元的调度值为优化变量;最后,采用精英保留策略遗传算法对上层规划模型求解,下层为0-1混合整数线性规划模型,采用分支定界法求解。算例表明:所提规划建模方法具有可行性和有效性;多能流联合调度、多区域协调互济可以大幅削减年费用,还可缓解负荷与燃机热电比不匹配等问题;通过多种能源网络实现互联较通过单一电网或热网互联更经济。
2017 32 (21): 122-131.  摘要 (  19 )   PDF (3116 KB)   ( 44 )
风电-氢储能与煤化工多能耦合系统全寿命周期经济性评估
李国军, 袁铁江, 孙谊媊, 陈广宇, 梅生伟
针对风电-氢储能与煤化工多能耦合系统(WP-HES&CCMFCS)的经济性评估问题,提出了一种多能耦合系统全寿命经济性评估的方法。首先,阐述了多能耦合系统集成方案;其次,以多能耦合系统全寿命周期净利润为目标,以风电尽可能多的消纳与WP-HES&CCMFCS能量流动和稳定运行为约束,构建了多能耦合系统全寿命周期经济评估数学模型,并对多能耦合系统资金回收期及全寿命周期净利润进行求解;最后,以新疆地区某风电场与煤化工企业为背景仿真计算了所提的风电-氢储能与煤化工多能耦合系统全寿命周期经济评估模型,并分析了不同风电并网比例与风电非电形态消纳比例条件下系统资金回收期与全寿命周期净利润变化规律。
2017 32 (21): 132-142.  摘要 (  20 )   PDF (647 KB)   ( 56 )
 电工理论与新技术
考虑漏磁特性的变压器电磁干扰特性模型
董纪清, 陈晓威, 林苏斌
变压器是隔离型功率变换器电磁干扰(EMI)噪声传输的关键器件。针对先期建立的变压器三电容容性EMI噪声特性模型在评估小匝比变压器及高频噪声时误差增大的现象,首先分析高频下变压器漏磁对噪声电压分布的影响,然后补充变压器二次侧耦合噪声对电磁噪声的影响情况,对比总结不同匝比结构对变压器噪声影响因素,在此基础上提出考虑漏磁特性的变压器EMI特性模型。通过能反映变压器二端口特性的参数测量评估方法进行实验评估,实验和仿真结果验证了理论分析和模型的正确性。
2017 32 (21): 143-152.  摘要 (  21 )   PDF (2705 KB)   ( 60 )
电流比较仪多层小气隙磁屏蔽磁场的解析解
郑天宇, 陈德智, 王雪, 胡浩亮, 李冬
磁屏蔽磁场的分析是实现高精度电流比较仪优化设计的关键,然而磁屏蔽气隙结构复杂,有限元法计算量大、计算精度难以满足要求。考虑磁屏蔽分层结构以及一次电流偏心和外部磁场干扰对磁场分布的影响,提出一个二维简化模型,利用极坐标系下Poisson方程解的正交函数展开式推导磁场的解析解,并利用有限元法验证解析解的正确性。通过二维解析模型与三维实际问题有限元计算结果的对比,发现两者具有简单的比例关系,且该比例关系不依赖于干扰源的位置,因此可用二维解析模型对三维实际磁屏蔽结构做出快速有效的评估。对坡莫合金的B-H曲线进行拟合,以线性近似下的磁场解析解为基础,利用安匝平衡时检测线圈的感应电压导出电流检测的误差估算公式,作为磁屏蔽效能分析的定量指标。对不同磁屏蔽结构的分析表明,双层结构比同样尺寸单层结构的屏蔽效能可提高近三个数量级。最后通过实验验证了解析表达式分析实际问题的有效性。
2017 32 (21): 153-160.  摘要 (  17 )   PDF (2643 KB)   ( 45 )
磁耦合谐振式无线电能传输系统功效同步研究
唐治德, 杨帆, 徐阳阳, 彭一灵
针对磁耦合谐振式无线电能传输系统中传输效率最大值与功率最大值难以同步的问题,利用等效电路理论对无线电能传输系统进行建模分析,给出系统传输效率最佳频率和传输功率最佳频率的计算方法,提出最佳谐振频率和功效同步因数的概念,得出系统传输效率与功率最大值同步出现的条件。借助仿真软件分析系统传输效率和功率与负载的变化规律,搭建实验平台,通过对比实验数据和仿真结果,证明了理论分析的正确性,也为进一步优化系统功效同步性能,同时提高传输效率和功率提供了有益的参考。
2017 32 (21): 161-168.  摘要 (  25 )   PDF (2396 KB)   ( 65 )
1 MW/60 MJ飞轮储能系统设计与实验研究
戴兴建, 姜新建, 王秋楠, 汪勇, 王善铭

为钻机混合动力传动系统研制了1套1 MW/60 MJ飞轮储能系统,开展了轴系动平衡、充放电、损耗和效率测试实验研究。采用高强度合金钢变截面飞轮存储动能,飞轮电机轴系为立式支撑结构,重型拼装永磁环轴承承担了97%的轴系重量。永磁电机转子采用格柵结构硅钢内嵌磁钢,以实现较高速度安全运转。基于大容量功率电子变换和电机控制技术,开发了100~300 kW充电、500~1 000 kW放电的控制电路硬件和软件,充电过程中采用了弱磁、转速和电流的双闭环控制策略,放电过程中采用电压闭环和电流前馈控制策略。动平衡后飞轮储能机组振动减少为0.07 mm以内。飞轮储能电源充放电循环效率达到86%~88%。

2017 32 (21): 169-175.  摘要 (  20 )   PDF (2271 KB)   ( 70 )
基于磁偶极子模型的材料缺陷漏磁检测正演问题的单元积分计算方法
李岩松, 刘启智, 刘君, 唐晓骏

在基于磁偶极子解析模型的漏磁检测正演问题中,已有文献关于磁荷在缺陷壁上均匀分布的假设不成立。磁化后的缺陷材料相当于磁媒质,考虑到材料的非线性,磁荷在整个缺陷材料内及缺陷壁上非均匀分布。所以,该文从磁化后整个缺陷材料区域中磁化强度的分布出发,将单位体积内的磁偶极矩的矢量和等效为一个磁偶极矩,并作为磁场源点。从磁偶极子模型出发,推导出任意单元的磁媒质在场点处产生的磁场的积分公式,将整个缺陷材料的积分问题转换为对若干单元进行积分后的叠加。对于任一单元的积分问题,采用数值积分方法求解,并将该方法扩展到整个源区单元,最终整理得到任一场点处磁场的计算方程。通过COMSOL多物理场仿真软件搭建缺陷材料的漏磁场仿真模型,将仿真结果与计算结果进行对比分析,验证该方法的有效性。

2017 32 (21): 176-185.  摘要 (  24 )   PDF (4947 KB)   ( 44 )
 高电压与绝缘技术
固体氧化物燃料电池传感器检测变压器油中溶解气体定量特性
范竞敏, 汪沨, 蒋勤稷, 裴文杰, 周武
在线油色谱法是目前公认的发现变压器潜伏性故障的重要检测方法,对变压器运行状态的评估具有重要意义。气体传感器是在线色谱的关键技术。目前,国内外研制了许多油色谱在线监测传感器,但都存在灵敏度不高、线性范围难以满足要求等缺点,上述缺陷限制了在线色谱技术取代传统的离线检测技术。针对上述问题,提出一种固体氧化物燃料电池传感器检测变压器油中溶解气体的方法,介绍了传感器的制备方法、实验方法及步骤,并对油中气体的气敏响应机制进行探讨。在此基础上,基于Nernst方程构建传感器的定量数学模型。实验结果表明,固体氧化物燃料电池(SOFC)检测器技术及该文构建的模型能实现H2、CH4、C2H4、C2H6和C2H2的准确定量及高精度测量,对C2H2的灵敏度达到1×10-7,能较好地解决常规传感器及其定量方法稳定性差、准确性和灵敏度低等问题,具有重要的推广及应用价值。
2017 32 (21): 186-193.  摘要 (  24 )   PDF (2412 KB)   ( 32 )
基于二次维数约简的油中溶解气体浓度预测
唐勇波, 熊印国
针对变压器油中溶解气体浓度的检测问题,提出基于二次维数约简的油中溶解气体浓度预测模型。首先,采用互信息变量选择方法选取预测模型的输入变量;然后,对输入变量进行相空间重构,采用核主元分析对重构相空间进行特征提取,达到数据降维、滤除数据噪声、消除变量间相关性的目的,并用Renyi熵信息测度确定核主元分析的模型参数;最后,将核主元分析提取的主元变量作为核极限学习机的输入,建立变压器油中溶解气体浓度的预测模型。与灰色预测模型、仅变量选择的预测模型、仅特征提取的预测模型的对比实验结果表明,所提出的基于二次维数约简的油中溶解气体浓度预测模型具有较优的预测精度和泛化能力。
2017 32 (21): 194-202.  摘要 (  21 )   PDF (2926 KB)   ( 69 )
特高压交流线路Y型复合绝缘子串静电场分布
魏梦婷, 黄道春, 霍锋, 阮江军, 黄从鹏
通过建立理想条件下特高压双回输电线路Y型复合绝缘子串的三维静电场有限元分析模型,计算了Y型绝缘子串和均压环表面电场分布。分析了串长比例、V串部分夹角和单双联串型对绝缘子串和均压环电场分布的影响。研究结果表明,串长比例和夹角对跑道型均压环和复合绝缘子表面电场强度最大值的影响与导线到上横担的距离密切相关。仅从静电场角度分析,建议串长比例为4 m/5 m(I部分/V部分),相比初设参数2 m/7 m,跑道环表面最大电场强度降低了1.6%,复合绝缘子降低了3.5%,相同串长位置(2 m)处承担电压降低了13.2%;鉴于夹角变化时均压环和复合绝缘子表面最大电场强度变化都在2%以内,建议夹角保持初设参数105°;单联Y型串各部分最大电场强度均小于双联Y型串,其中I串大环达8.7%,复合绝缘子21.9%,串型选择建议采用单联Y型串。
2017 32 (21): 203-210.  摘要 (  26 )   PDF (2669 KB)   ( 59 )
基于雨水混合物模型的平抗直流套管的雨闪故障分析
邓万婷, 张勃, 汪涛, 李亮
雨闪故障一直是电力系统外绝缘研究领域的热点。结合有限元方法,进行500 kV直流系统平波电抗器出线套管的雨闪故障分析。通过引入雨水在空气中所占体积比的方法,将水滴和空气等效成单一的混合物介质。通过流体场-电场的耦合分析实现了下雨条件下套管电场的求解。计算表明,下雨时套管上端更易受到雨水的碰撞、集聚,致使局部电场强度增大,此时套管上端表面电场强度相比于干燥环境下更高,更易形成闪络。通过与雨闪故障现场图片对比,仿真结果与实际事故中发生闪络的位置一致,验证了考虑雨水混合物模型在雨闪故障分析中的准确性。
2017 32 (21): 211-217.  摘要 (  40 )   PDF (2470 KB)   ( 37 )
基于最低合理可行准则的接地网安全风险评估
潘文霞, 柴守江, 周建文, 刘铜锤
目前我国的接地网安全设计要求依靠设计规范完成。规范中把人体电阻、土壤表层电阻率及接地短路存在的时间作为固定值来计算,实际上人体电阻、土壤表层电阻率及接地短路存在的时间随着各种因素在较大范围内变动,因此考虑影响的随机特性才能更加全面地评估接地网的安全风险。该文综合考虑接地网所处的环境、人员出现的概率等,计算人身安全事故的总概率。采用最低合理可行(ALARP)准则风险评价体系对接地网进行安全评价,对落入不同区域的风险概率进行相应的风险管理,能够降低接地网的改造费用。为电网运行和设计部门提供了一种新的接地网评价方法。
2017 32 (21): 218-224.  摘要 (  21 )   PDF (2351 KB)   ( 42 )
       
 
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