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      分布式發(fā)電技術(shù)及其應用現(xiàn)狀

      2010-08-15 00:52:23谷永剛
      電網(wǎng)與清潔能源 2010年6期
      關(guān)鍵詞:分布式配電網(wǎng)發(fā)電

      谷永剛,王 琨,張 波

      (1.西北電網(wǎng)有限公司,西安 710048;2.西安供電局,西安 710048;3.杭州市電力局,杭州 310000)

      0 引言

      隨著電力需求迅速增長,以大機組、大電網(wǎng)、高電壓為主要特征的大型電網(wǎng)的弊端日益顯著。尤其在近年來,世界范圍內(nèi)接連發(fā)生了幾次大面積停電事故,充分暴露了電網(wǎng)的脆弱性[1-4],具體表現(xiàn)為以下幾個方面:

      1)大型互聯(lián)電網(wǎng)的故障容易擴散,從而導致大面積停電。大電網(wǎng)中某處故障所產(chǎn)生的擾動可能會對整個電網(wǎng)造成較大影響,嚴重時可能引起大面積停,電甚至是全網(wǎng)崩潰,造成災難性后果。

      2)大電網(wǎng)的成本高,運行難度大,難以適應用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求[5]。

      3)大型電網(wǎng)對環(huán)境保護和土地需求的壓力不斷地增大。

      隨著分布式發(fā)電(DG)技術(shù)的不斷進步、能源危機的加劇以及人們對環(huán)境的關(guān)注,DG日益受到重視。美國電力科學研究院(EPRI)的研究顯示,到2010年DG將占到新增發(fā)電容量的25%。同時,研究還指出DG今后將占到整個電力市場20%的份額[1]。我國在2007年發(fā)布的 《可再生能源中長期規(guī)劃》中也明確指出,要充分利用水電、沼氣、太陽能熱利用和地熱能等技術(shù)成熟、經(jīng)濟性好的分布式可再生能源技術(shù),逐步提高優(yōu)質(zhì)清潔可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例,力爭到2010年使可再生能源消費量達到能源消費總量的10%,2020年達到15%。

      本文首先介紹了DG的概念以及分類。然后介紹了幾種常用的DG技術(shù),并分析了DG的并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響。最后對DG技術(shù)的應用現(xiàn)狀進行了分析。

      1 分布式發(fā)電概念及特點

      目前,對于DG還沒有統(tǒng)一的定義。有文獻指出,DG是指靠近負荷側(cè)安裝某些中小型發(fā)電站,它既可以獨立于公共電網(wǎng)直接為少量用戶提供電能,也可以將其接入配電網(wǎng)絡,與公共電網(wǎng)一起為用戶提供電能[2-7]。也有文獻指出,DG是指功率從幾十kW到幾百kW,模塊式的、分布在負荷附近的清潔環(huán)保發(fā)電設施,能夠經(jīng)濟、高效、可靠地發(fā)電。與遠離負荷中心依靠遠距離輸配的傳統(tǒng)電源相比,DG具有如下特點[8]:

      1)節(jié)能環(huán)保,污染小。由于DG大量采用可再生能源和清潔能源(如風力發(fā)電、太陽能發(fā)電和生物能源發(fā)電等),因而相對火力發(fā)電更加環(huán)保。

      2)提高電網(wǎng)的可靠性。由于DG裝置與大電網(wǎng)的接入和斷開具有相對自主性,當大電網(wǎng)發(fā)生故障時,可通過啟動斷開裝置使DG與電網(wǎng)斷開,由DG獨立為用戶供電。

      3)投資少,安裝和運營具有更高的靈活性。由于容量及體積均較小,因此易于找到合適的安裝地點,可以方便地為邊遠地區(qū)供電。同時,分布式電源多采用性能先進的中小型、微型機組,操作簡單,負荷調(diào)節(jié)靈活[10]。

      2 分布式發(fā)電技術(shù)及分類

      分布式發(fā)電系統(tǒng)將各種不同形式的能源轉(zhuǎn)換為電能加以利用。不同的研究領域有不同的分類方法,如按照DG的發(fā)電技術(shù)可分為:光伏發(fā)電、風力發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等;根據(jù)DG與電力系統(tǒng)并網(wǎng)連接方式可分為直接與系統(tǒng)相聯(lián)的機電式和通過逆變器與系統(tǒng)相聯(lián)2大類[11]。下面就幾種常用的DG技術(shù)進行介紹。

      2.1 太陽能發(fā)電技術(shù)

      太陽能光伏發(fā)電技術(shù)利用半導體材料的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能[12-13]。太陽能光伏發(fā)電根據(jù)是否并網(wǎng)可以分為獨立運行系統(tǒng)和并網(wǎng)運行光伏系統(tǒng)。獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要蓄電池作為儲能裝置,主要用于無電網(wǎng)的邊遠地區(qū)和人口分散地區(qū),如牧場的牧民以及高原地區(qū)的移動基站等。在有公共電網(wǎng)的地區(qū),光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點,但是光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率比較低,同時光伏電池的輸出功率受日照強度、天氣等因素影響,因而光伏發(fā)電的成本比較高。

      2.2 風力發(fā)電技術(shù)

      風力發(fā)電技術(shù)是將風能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。風力發(fā)電作為一種綠色能源有著改善能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟環(huán)保等方面的優(yōu)勢,是未來能源電力發(fā)展的一個趨勢[14-15]。風力發(fā)電形式可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。離網(wǎng)型風力發(fā)電機單機功率從幾十W到幾十kW不等,可以為邊遠地區(qū)的邊防連隊哨所及海島駐軍等公共電網(wǎng)覆蓋不到的地方提供電能。并網(wǎng)型風力發(fā)電場通常由多臺大容量風力發(fā)電機組成,它們之間通過會流母線,鏈接到到升壓變壓器進而接入電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。并網(wǎng)型風力發(fā)電場具有大型化、集中安裝和控制等特點,是大規(guī)模開發(fā)風電的主要形式,也是近幾年來風電發(fā)展的主要趨勢。但是風能具有很大的隨機性、不可預測性和不可控性,風電場出力波動范圍通常較大,速度也較快,對電網(wǎng)安全穩(wěn)定及正常調(diào)度運行造成一定的影響[16-18]。

      2.3 微型燃氣輪機發(fā)電技術(shù)

      微型燃氣輪機發(fā)電是指利用小型熱力發(fā)電機獲得電能。微型燃氣輪機一般以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料,單機功率范圍為25~300 kW。先進微型燃氣輪機具有多臺集成擴容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進技術(shù)特征,除了分布式發(fā)電外,還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負荷發(fā)電等[19-20]。但是微型燃氣輪機與現(xiàn)有的其它發(fā)電技術(shù)相比,效率較低。

      2.4 燃料電池發(fā)電技術(shù)

      燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[21-22]。燃料電池按電解質(zhì)可以劃分為6個種類,即堿性燃料電池、磷酸鹽型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池、固體聚合物燃料電池及生物燃料電池。燃料電池具有以下特點:

      1)效率高且不受負荷變化的影響;

      2)清潔無污染、噪音低;

      3)安裝周期短、安裝位置靈活,可省去配電系統(tǒng)的建設。能量轉(zhuǎn)化效率高,負荷響應快,運行質(zhì)量高,燃料電池電站占地面積小,建設周期短。但是燃料電池造價昂貴,技術(shù)發(fā)展還不夠完善,并沒有開始大規(guī)模的應用。

      2.5 生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)

      生物質(zhì)能是指太陽能以化學能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式,即以生物質(zhì)為載體的能量[23-24]。生物質(zhì)是指通過光合作用而形成的各種有機體,包括所有的動植物和微生物,其可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源。生物質(zhì)能通常依據(jù)來源的不同,可以將適合于能源利用的生物質(zhì)分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等5大類,其具有污染低、分布廣泛、總量豐富等諸多優(yōu)點。生物質(zhì)能是世界第四大能源,僅次于煤炭、石油和天然氣。我國可開發(fā)為能源的生物質(zhì)資源到2010年可達3億t。隨著農(nóng)林業(yè)的發(fā)展,生物質(zhì)資源還將越來越多。

      3 分布式發(fā)電對電網(wǎng)的影響

      合理的DG分布可以給系統(tǒng)帶來許多效益,如可有效地減小線路損耗、提高系統(tǒng)可靠性、有效地為供電消峰、減少輸電阻塞及延緩配電設備投資新建等。但隨著DG技術(shù)的不斷發(fā)展[1-2],DG在配電網(wǎng)的容量和滲透率不斷提高,這樣以來,DG會給電力系統(tǒng)的運行帶來一些問題,如潮流反向、電壓不平衡、電網(wǎng)諧波增加、保護誤動等[25,30]。

      3.1 DG對電力系統(tǒng)規(guī)劃、負荷預測的影響

      DG的加入,使得配電網(wǎng)規(guī)劃中出現(xiàn)許多發(fā)電機節(jié)點,這將導致系統(tǒng)的規(guī)劃與過去相比有更大的不確定性。同時,也使得準確預測負荷的增長情況更加困難,從而影響到后續(xù)規(guī)劃。而合理的規(guī)劃能夠準確評估DG對所在電網(wǎng)的影響,從而給出DG的最優(yōu)位置和規(guī)模,這樣就可以達到減小配電網(wǎng)的線路損耗、提高系統(tǒng)可靠性、為供電消峰、減少輸電阻塞及延緩配電設備投資新建等目的[31]。因此,為了充分發(fā)揮DG的效益,并減小和消除DG對配電網(wǎng)的影響,必須對DG進行合理的規(guī)劃。

      文獻[32]基于恒電流負荷模型和恒電流穩(wěn)態(tài)模型,對接有多個DG的放射狀鏈式配電網(wǎng)絡的電壓分布進行了研究,從電壓影響角度初步解決了DG接入位置和注入容量限制的實際應用問題。研究表明從穩(wěn)態(tài)電壓角度,分布式電源接入饋線的位置和具體注入容量的大小有較嚴格的理論依據(jù)。

      文獻[33]介紹了一種可在中低電壓等級配電網(wǎng)中確定DG最優(yōu)位置的算法。該算法考慮了饋線容量極限、饋線電壓形態(tài)及三相短路電流等技術(shù)約束,建立了以網(wǎng)絡擴建及網(wǎng)損費用最少的目標函數(shù),采用基因算法對DG的安裝位置及容量大小進行尋優(yōu)。

      文獻[34]針對遠離發(fā)電中心、與輸電系統(tǒng)弱連接的配電系統(tǒng),以DG投資費用和向輸電網(wǎng)購電費用最小為優(yōu)化目標,分別對輸電網(wǎng)正常運行且價格固定、考慮停運狀態(tài)和實時電價等3種典型輸電網(wǎng)情況下聯(lián)網(wǎng)DG系統(tǒng)進行規(guī)劃,并采用啟發(fā)式算法,得到了各種情況下系統(tǒng)最優(yōu)供電方案。

      上述文獻探討了DG加入之后對配電網(wǎng)規(guī)劃等的相關(guān)問題,但都只是側(cè)重于單一電源結(jié)構(gòu)情況下,DG的接入位置和接入容量對電力系統(tǒng)的影響。由于DG技術(shù)和所采用一次能源的多樣化,使得如何在配電網(wǎng)中確定合理的DG類型和各種類型的DG之間的協(xié)調(diào)就成為新出現(xiàn)的而且迫切需要解決的問題。因此DG的廣泛應用,使得國家能源政策、能源規(guī)劃等直接滲透到與DG有關(guān)的電力系統(tǒng)規(guī)劃中,并影響規(guī)劃的決策過程。

      3.2 DG對潮流計算、系統(tǒng)電壓的影響

      分布式電源接入配電網(wǎng)后,配電系統(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu),這使得系統(tǒng)的潮流大小和方向都發(fā)生了改變[35]。但傳統(tǒng)的潮流計算方法由于沒有考慮分布式發(fā)電的影響,因而計算的結(jié)果不再有效。潮流大小和方向的改變同時影響到配電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓,使原有的調(diào)壓方案不一定能滿足接入分布式電源后的配電網(wǎng)電壓要求。因此,隨著DG在配電網(wǎng)中滲透率的不斷增加,必須采用新的潮流計算方法來評估和分析分布式電源對電力系統(tǒng)電壓的影響,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

      文獻[35]研究了含有風力發(fā)電的DG配電網(wǎng)潮流計算問題。文獻將每一臺風力發(fā)電機組的有功出力視為風速的函數(shù),將其無功出力視為有功功率和節(jié)點電壓的函數(shù),建立了基于異步發(fā)電機等值電路的風力發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)模型,提出了確定并聯(lián)電容器組初始安裝容量、安裝組數(shù)和實時投切組數(shù)的方法。并通過程序嵌入已有的前推回推法潮流計算程序,實現(xiàn)了考慮風力發(fā)電機組的配電網(wǎng)潮流計算。文獻通過對33節(jié)點的計算及分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)進行仿真計算驗證了該方法和程序的有效性和實用性。文獻[36]建立了風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機分析模型,并將此模型引入到接有分布式發(fā)電的IEEE-34的配電系統(tǒng)中進行隨機潮流計算,得到了節(jié)點電壓概率密度曲線。

      文獻[37]對分布式發(fā)電接入后的配電網(wǎng)以提高全網(wǎng)電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡損耗和抑制電壓波動為目標,并計及分布式發(fā)電啟停的影響,建立了多目標電壓優(yōu)化模型。構(gòu)造模糊評價函數(shù),將各目標函數(shù)值轉(zhuǎn)換為對優(yōu)化結(jié)果的滿意度,以便于目標間的比較;利用判斷矩陣法,根據(jù)各目標間的相對重要性確定權(quán)重系數(shù),采用主動禁忌搜索算法求解。仿真結(jié)果表明,該方法能兼顧各目標并有效提高全網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

      文獻[38]針對靠近負荷中心的分布式發(fā)電系統(tǒng)配電網(wǎng),研究分布式電源接入放射狀鏈式配電網(wǎng)絡前后負荷節(jié)點電壓的變化。同時針對開式配電網(wǎng),研究分布式電源接入放射狀鏈式配電網(wǎng)絡前后負荷節(jié)點電壓的變化,并運用潮流程序進行多分布式電源接入后電壓分布的計算,提出專門評價節(jié)點電壓前后變化的指標,全面總結(jié)了分布式電源在配電網(wǎng)中接入位置、出力限制等方面的運行規(guī)律。研究結(jié)果表明只有合理正確運用分布式電源,才能真正發(fā)揮電壓支撐作用。

      文獻[39]通過實例計算分析了不同類型的分布式發(fā)電設備及其在配網(wǎng)中的不同安裝位置對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。文獻還對采用的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標進行了討論,分析了該指標與系統(tǒng)負荷增長因子之間的關(guān)系。

      以上文獻對含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)系統(tǒng)潮流計算問題進行了研究,給出一些新的方法。同時,也對分布式發(fā)電對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓的影響進行了分析。而隨著分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中容量的不斷增加,以上問題將會更加的突出,還需要進一步的探索。

      3.3 運行可靠性、電能質(zhì)量的影響

      分布式發(fā)電大量并網(wǎng)相當于給系統(tǒng)接入大量的非線性負載,會給電網(wǎng)注入大量的諧波,同時引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變,從而導致整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性問題。

      文獻[40]考慮了當前配電系統(tǒng)元件和負荷原始參數(shù)的不確定性,采用基于區(qū)間計算的配電網(wǎng)可靠性評估算法分析了參數(shù)不確定性對配電系統(tǒng)可靠性的影響,并通過對網(wǎng)絡進行簡化等值提高了計算速度。同時,文章以RBTS-6母線配電系統(tǒng)為例,計算了分布式電源接入前后配電系統(tǒng)可靠性評估的各項區(qū)間指標,根據(jù)可靠性指標分析了不同接入位置對配電網(wǎng)可靠性的影響,驗證了作為備用電源的分布式電源在改善電網(wǎng)可靠性方面的作用。

      文獻[41]提出利用短路比和剛性率來評估分布式電源對配網(wǎng)供電電壓質(zhì)量影響的方法。同時文章還進一步分析旋轉(zhuǎn)型分布式電源和逆變型分布式電源對系統(tǒng)供電電壓的不同影響。分析結(jié)果證明在同等滲透率下,逆變型分布式電源對并網(wǎng)節(jié)點的電壓影響比旋轉(zhuǎn)型更小,向系統(tǒng)提供的短路電流也要遠小于旋轉(zhuǎn)型,在同等條件下逆變型分布式電源更加適合應用于密集負荷、高短路容量的城市配電網(wǎng)。文獻最后針對逆變型分布式電源抑制供電電壓波動的特點,提出電壓控制方法,改善了配電網(wǎng)內(nèi)供電電壓質(zhì)量問題。

      3.4 DG對饋線保護、繼電保護的影響

      DG接入配電網(wǎng)后,輻射式的網(wǎng)絡將變?yōu)槎喾植茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網(wǎng)絡,潮流也不再單向地從變電站母線流向各負荷[42]。傳統(tǒng)的保護系統(tǒng)是在假定配電網(wǎng)是在放射狀的基礎上設計的,隨著DG在配電網(wǎng)的滲透,保護系統(tǒng)的設計基礎就發(fā)生了改變。同時,饋線潮流的不確定性,也將會給電力系統(tǒng)繼電保護裝置和動作整定帶來一定的難度。文獻[43]結(jié)合杭州市電力局配網(wǎng)饋線保護的配置及實際應用,詳細分析DG引入位置對配電網(wǎng)饋線保護及其動作行為的影響。文獻[43-44]研究并總結(jié)了DG對系統(tǒng)的繼電保護的影響。研究結(jié)果表明,DG對系統(tǒng)繼電保護主要有以下幾個方面:

      1)DG運行時可能會引起繼電保護的失效。DG產(chǎn)生的故障電流可能會減小流過饋線繼電器的電流,從而使繼電保護失效。

      2)DG接入配電網(wǎng)后可能會使繼電保護誤動作。相鄰饋線的故障有可能會使原本沒有故障的饋線跳閘。

      3)DG改變了配電網(wǎng)的故障水平。

      4 分布式發(fā)電的應用現(xiàn)狀

      分布式發(fā)電作為一種具有廣闊發(fā)展空間的新型發(fā)電方式,其能源綜合利用方式得到了廣泛的應用。發(fā)達國家如歐洲、美國、日本等已開始研究并采用多種一次能源形式的結(jié)合,探索大電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式,以節(jié)省電網(wǎng)投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性。歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術(shù)、先進電力電子技術(shù)等實現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效緊密結(jié)合,并積極鼓勵社會各界廣泛參與電力市場,共同推進電網(wǎng)發(fā)展。歐洲有些國家已經(jīng)成功將風力發(fā)電的比例提高到10%以上,其中絕大多數(shù)是小型、分散式風電。比如丹麥所建設的多數(shù)是1萬~2萬kW的小風電場,全國300多萬kW的風機比較均勻地分布在各地,以“就地上網(wǎng)、就地銷納”為主,減小了對電網(wǎng)的影響,提高了電網(wǎng)的安全性。美國電力可靠性技術(shù)協(xié)會(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions,CERTS) 最早提出了由分布式發(fā)電技術(shù)構(gòu)成的微電網(wǎng)的概念,并成為眾多微電網(wǎng)概念中最權(quán)威的一個。日本立足于國內(nèi)能源日益緊缺、負荷日益增長的現(xiàn)實,也展開了微電網(wǎng)研究,但其發(fā)展目標主要定位于能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個性化電力需求等。

      目前,中國的電網(wǎng)還主要以大機組、大電網(wǎng)的集中供電為主,分布式發(fā)電在我國處于剛起步階段,但分布式發(fā)電的特點適應中國電力發(fā)展的需求與方向,在中國有著廣闊的發(fā)展前景[45]。一方面,充分利用可再生能源發(fā)電對于中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境、開發(fā)西部、解決農(nóng)村用能及邊遠地區(qū)用電、進行生態(tài)建設等均具有重要意義;另一方面,中國可再生能源總的儲量豐富,發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆N覈c分布式發(fā)電相關(guān)的技術(shù)研究和開發(fā)已經(jīng)廣泛的展開,由天津大學承擔的分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)問題的“973”研究計劃擬就分布式發(fā)電需要解決的4個方面的科學問題進行展開:

      1)分布式發(fā)電的運行特性及高滲透率下與大電網(wǎng)相互作用的機理;

      2)含分布式發(fā)電新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃理論與方法;

      3)含分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)的保護與控制;

      4)分布式發(fā)電供能系統(tǒng)綜合仿真與能量優(yōu)化管理方法。

      5 結(jié)論

      分布式發(fā)電作為一種很有發(fā)展前途的新型發(fā)電和能源綜合利用方式,已經(jīng)成為21世紀電力行業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。DG具有節(jié)能、環(huán)保、投資少、占地小的特點,與集中供電相比,分布式電源應對高峰期的電力負荷更加經(jīng)濟、有效,得到了廣泛的關(guān)注和應用。雖然我國現(xiàn)階段主要依靠傳統(tǒng)集中式大電網(wǎng)滿足國民生產(chǎn)生活,但隨著DG技術(shù)的不斷成熟和不可再生能源的緊缺,分布式發(fā)電作為集中供電的一種補充,將會在配電網(wǎng)中得到廣泛的應用。歐美一些發(fā)達國家已經(jīng)對分布式發(fā)電開展了廣泛的研究和應用。但是,我國還處于剛剛起步階段,因此,需要繼續(xù)的對DG投入大量的精力和物力,鼓勵相關(guān)人員對此進行廣泛深入的研究。

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