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      物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用

      2011-06-06 06:33:58王哲孫純軍
      電力建設(shè) 2011年10期
      關(guān)鍵詞:傳感子系統(tǒng)變電站

      王哲,孫純軍

      (1.江蘇省電力科學(xué)研究院,南京市,210103;2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院,南京市,210103)

      0 引言

      物聯(lián)網(wǎng)一般是指“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是機(jī)器與機(jī)器的對(duì)話,通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別物體并獲取數(shù)據(jù)信息,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1],為新一代信息通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛關(guān)注,物聯(lián)網(wǎng)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展已被納入國(guó)家戰(zhàn)略,國(guó)家科技部、工業(yè)與信息化部等部委先后在多項(xiàng)國(guó)家重大科技專項(xiàng)中設(shè)立課題支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化[2]。

      近年來(lái),隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)概念的提出,許多與智能電網(wǎng)相融合的新技術(shù)也不斷被提出,智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合作為一種具有極高戰(zhàn)略意義的新型產(chǎn)業(yè)技術(shù),被世界各國(guó)高度重視。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物,能有效地對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)施資源進(jìn)行整合,提高設(shè)施的利用率,進(jìn)而促進(jìn)電力系統(tǒng)管理水平的提高[3]。

      1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站應(yīng)用前景分析

      智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐,具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的特征,由先進(jìn)、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的設(shè)備組合而成,以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)傳輸信息,自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能,并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用功能[4]。

      目前,智能變電站的建設(shè)大多關(guān)注智能開(kāi)關(guān)、數(shù)字式保護(hù)監(jiān)控合一裝置、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)以及后臺(tái)功能的高級(jí)應(yīng)用等方面[5],對(duì)于變電站配置的輔助系統(tǒng)關(guān)注度還不是很高。目前變電站配置的圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)[6]、火災(zāi)報(bào)警[7]、主變消防、給排水、采暖通風(fēng)[8]等輔助生產(chǎn)系統(tǒng),依然是各自獨(dú)立的、不具備智能對(duì)話功能的小型自動(dòng)化裝置,需要更多的人工來(lái)關(guān)注、理解和處理這些設(shè)備的信息。變電站的輔助系統(tǒng)配置功能及不足如表1所示。

      伴隨著對(duì)智能變電站理解的不斷深入,新的智能化功能要求將不斷提出。從智能管理角度來(lái)看[9],搭建一個(gè)公用的監(jiān)測(cè)輔助控制平臺(tái),集成所有的輔助系統(tǒng)功能,方便新的智能化功能擴(kuò)充,有利于設(shè)備管理;規(guī)范各類輔助系統(tǒng)的信息傳輸方式及通信規(guī)約,有利于統(tǒng)一化管理;通過(guò)集成輔助系統(tǒng)的信息,有利于遠(yuǎn)方人員對(duì)站內(nèi)狀況全盤(pán)掌控,提高監(jiān)管質(zhì)量。

      物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)管理和控制。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過(guò)對(duì)外界的感知,構(gòu)建傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)影響變電站運(yùn)行的因素實(shí)施全方位智能監(jiān)測(cè)。在傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)基礎(chǔ)上建立一套全站公用的智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng),集成目前圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報(bào)警、主變消防、采暖通風(fēng)等輔助系統(tǒng)的系統(tǒng)功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)人員的巡檢、操作運(yùn)行維護(hù)等正確行為的驗(yàn)證,從而達(dá)到“智能監(jiān)測(cè)、智能判斷、智能管理、智能驗(yàn)證”的要求,實(shí)現(xiàn)變電站智能運(yùn)行管理。

      表1 變電站的輔助系統(tǒng)配置功能和不足Tab.1 The main function and its shortcoming of the substation's auxiliary system

      智能監(jiān)測(cè)是指對(duì)影響變電站運(yùn)行的因素采用全方位、多手段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),自動(dòng)評(píng)估變電站運(yùn)行狀態(tài),減少人為工作量,是變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理的前提。

      智能判斷是指在減少遠(yuǎn)方人員參與的前提下,根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)評(píng)估變電站的運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)判出各類異常情況,生成處理方案,形成判斷結(jié)果。

      智能管理是指執(zhí)行判斷結(jié)果,實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng),消除異常情況造成的影響,形成異常情況處理過(guò)程報(bào)告,及時(shí)將結(jié)果上報(bào)遠(yuǎn)方集控中心,監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),執(zhí)行遠(yuǎn)方集控中心的各項(xiàng)命令。

      智能驗(yàn)證是驗(yàn)證站內(nèi)人員的巡檢、操作運(yùn)行維護(hù)等行為的正確性,與站內(nèi)人員行為實(shí)現(xiàn)互動(dòng),保證人員安全,避免事故發(fā)生。

      2 變電站智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)組成及功能

      江蘇目前正在建設(shè)的某220 kV智能變電站,其智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)方集控站管理主機(jī)、站內(nèi)控制主機(jī)及智能傳感器網(wǎng)組成的變電站各輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)3部分組成,如圖1所示。輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)集成了目前變電站應(yīng)用的各類輔助系統(tǒng),包括視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、防入侵子系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警及消防子系統(tǒng)、采暖通風(fēng)子系統(tǒng)、給排水子系統(tǒng)、GIS室SF6泄漏在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、智能巡視維護(hù)認(rèn)證子系統(tǒng)、高壓設(shè)備運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及主變紅外熱成像診斷子系統(tǒng)。

      變電站智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)主要完成以下功能:

      (1)站內(nèi)輔助生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境全景信息收集與建模。通過(guò)對(duì)不同數(shù)據(jù)類型和來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建模、標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)服務(wù),為輔助生產(chǎn)設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境提供完備的全景信息庫(kù)。

      (2)智能化協(xié)調(diào)感知。對(duì)影響變電站運(yùn)行的因素進(jìn)行全方位、多手段的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè),自動(dòng)評(píng)估變電站運(yùn)行狀態(tài)。

      (3)智能信息處理。根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),自動(dòng)評(píng)估變電站的運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)判出各類異常情況,生成處理方案,形成判斷結(jié)果。

      (4)執(zhí)行判斷結(jié)果,實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng),消除異常情況造成的影響。形成異常情況處理過(guò)程報(bào)告,及時(shí)將結(jié)果上報(bào)遠(yuǎn)方集控中心,執(zhí)行遠(yuǎn)方集控站的各項(xiàng)命令。

      圖1 智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)構(gòu)架體系Fig.1 The architecture of the new auxiliary system

      (5)智能驗(yàn)證站內(nèi)人員的操作運(yùn)行維護(hù)、檢修等的物理操作位置與工作票要求的邏輯位置的符合正確性,與站內(nèi)人員行為實(shí)現(xiàn)互動(dòng),保證操作人員的安全,避免事故發(fā)生。

      (6)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià),為智能調(diào)度功能擴(kuò)展提供設(shè)備狀態(tài)參考依據(jù)。

      3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

      3.1 主機(jī)系統(tǒng)

      接收傳感網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù),評(píng)估變電站的運(yùn)行狀態(tài),自動(dòng)判出各類異常情況,執(zhí)行判斷結(jié)果,實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng),消除異常情況造成的影響;形成異常情況處理過(guò)程報(bào)告,及時(shí)將結(jié)果上報(bào)遠(yuǎn)方集控中心;監(jiān)測(cè)輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),執(zhí)行遠(yuǎn)方集控中心的各項(xiàng)命令,規(guī)范與監(jiān)控系統(tǒng)的通信規(guī)約。具體聯(lián)動(dòng)方案如圖2所示。

      3.2 傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

      傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)包含了溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)、煙霧傳感節(jié)點(diǎn)、水浸傳感節(jié)點(diǎn)等設(shè)備。各傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚后上傳至主機(jī)。組網(wǎng)方式可分為有線傳感網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),具體比較如表2所示。

      若采用電池供電,電池壽命的長(zhǎng)短主要取決于傳感器的工作電流大小和電池容量(尺寸)的大小,而傳感器工作電流的大小又取決于傳感器的材料、工作原理和被測(cè)目標(biāo)的變化率(特征頻率),各類傳感器電池供電時(shí)間調(diào)查如表3所示。

      根據(jù)變電站的實(shí)際情況,用在高壓帶電設(shè)備上的溫度傳感器采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),采用一次鋰亞電池供電,在裝置的全壽命周期內(nèi)無(wú)需更換電池。其他輔助設(shè)備的傳感器由于沒(méi)有絕緣問(wèn)題且易于布線的采用有線網(wǎng)絡(luò),這可以降低成本便于維護(hù)。

      表2 有線傳感網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)比較表Tab.2 The Comparison of the wired-sensor network and wireless-sensor network

      表3 傳感器工作壽命、能耗、電池供電時(shí)間Tab.3 The working life,energy consumption,battery-powered time of the sensor

      圖2 聯(lián)動(dòng)方案示意圖Fig.2 The sketch of linkage scheme

      3.3 圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)子系統(tǒng)

      針對(duì)常規(guī)變電站安全監(jiān)視系統(tǒng)配置的不足,組建多類型探測(cè)器節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知的網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)全新的目標(biāo)識(shí)別、多點(diǎn)融合和協(xié)同感知,具有以下特征:多種探測(cè)原理的前端探測(cè)手段協(xié)同綜合工作、智能識(shí)別;對(duì)變電站圍界進(jìn)行全天時(shí)動(dòng)態(tài)智能感知;探測(cè)分析、阻擋延緩、復(fù)核響應(yīng)多手段融合,可依據(jù)具體情況按需按時(shí)布防和撤防。聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)的功能一部分由系統(tǒng)集成平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)(報(bào)警聯(lián)動(dòng)、視頻觸發(fā)等),另一部分由硬件I/O量控制器實(shí)現(xiàn)(照明、音頻告警和物理布防撤防等)。通過(guò)基于圖像模式識(shí)別的信號(hào)處理技術(shù),智能視頻處理系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別、跟蹤進(jìn)入視場(chǎng)范圍內(nèi)的入侵目標(biāo)。

      當(dāng)入侵行為觸發(fā)報(bào)警時(shí),系統(tǒng)立即和智能視頻分系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng),相關(guān)攝像機(jī)自動(dòng)凝視侵入目標(biāo),該視頻圖像自動(dòng)彈出在監(jiān)視器的最頂層,值班人員可迅速直觀地看到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況;與此同時(shí),變電站控制主機(jī)會(huì)發(fā)送音頻信號(hào)至現(xiàn)場(chǎng)的音頻設(shè)備,向現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聲音告警;值班人員亦可通過(guò)麥克風(fēng)設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)通話告警,警告可疑人員。前端探測(cè)分系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

      圖3 前端探測(cè)分系統(tǒng)示意圖Fig 3 The sketch of the front detection system

      3.4 火災(zāi)報(bào)警及消防子系統(tǒng)

      火災(zāi)報(bào)警及消防子系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理念集成現(xiàn)有成熟產(chǎn)品,通過(guò)讀取感煙感溫傳感器的信號(hào),結(jié)合圖像識(shí)別、環(huán)境溫度等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站火災(zāi)的智能檢測(cè)、報(bào)警及主變充氮滅火的聯(lián)動(dòng)處理,如圖4所示;實(shí)現(xiàn)對(duì)各種消防設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)與故障警報(bào);實(shí)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)與空調(diào)、風(fēng)機(jī)的閉鎖聯(lián)動(dòng)。

      3.5 采暖通風(fēng)子系統(tǒng)

      圖4 火災(zāi)報(bào)警及消防子系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備聯(lián)動(dòng)示意圖Fig.4 The sketch of the linkage scheme between fire alarming subsystem and related equipments

      采暖通風(fēng)子系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)外的溫濕度情況,經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn),再經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)上傳站內(nèi)控制主機(jī);主機(jī)根據(jù)室內(nèi)外的溫濕度情況,自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的切換運(yùn)行;當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)與火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)閉鎖空調(diào)、風(fēng)機(jī),防止火災(zāi)蔓延;可遠(yuǎn)程查詢溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài),精確定位系統(tǒng)故障,遠(yuǎn)程控制空調(diào)運(yùn)行。采暖通風(fēng)子系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備聯(lián)動(dòng)如圖5所示。

      圖5 采暖通風(fēng)子系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備聯(lián)動(dòng)示意圖Fig.5 The sketch of the linkage scheme between the heating ventilation subsystem and related equipments

      3.6 給排水子系統(tǒng)

      監(jiān)測(cè)給排水設(shè)備的狀態(tài),測(cè)量用水量及排水量,檢測(cè)污物、污水池水位及異常警報(bào),檢測(cè)水箱水位,控制給排水設(shè)備的啟停。實(shí)現(xiàn)對(duì)積水情況的檢測(cè)及智能處理,安裝浸水檢測(cè)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)積水自動(dòng)排放;啟動(dòng)攝像頭聯(lián)動(dòng),查看現(xiàn)場(chǎng)情況;遠(yuǎn)程查詢浸水檢測(cè)情況,確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行;遠(yuǎn)程控制水泵運(yùn)行積水情況的準(zhǔn)確檢測(cè);發(fā)出報(bào)警信號(hào),提示值班人員采取相應(yīng)措施。

      3.7 SF6泄漏監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

      SF6傳感器監(jiān)測(cè)空氣中SF6的濃度,氧氣傳感器監(jiān)測(cè)氧氣的濃度。多個(gè)SF6和氧氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同融合處理后,判斷出SF6泄漏狀況,并對(duì)風(fēng)機(jī)控制器發(fā)出排風(fēng)指令,啟動(dòng)聲光報(bào)警;只要有人員進(jìn)入操作室,紅外監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)感知信號(hào),并對(duì)風(fēng)機(jī)控制器發(fā)出排風(fēng)指令;風(fēng)機(jī)控制器同時(shí)接收監(jiān)控中心通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出的排風(fēng)指令。

      3.8 智能巡檢維護(hù)認(rèn)證子系統(tǒng)

      在巡視路徑關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置高清攝像機(jī)(與圖像監(jiān)視子系統(tǒng)共享),巡檢人員身穿帶可識(shí)別標(biāo)志的巡視服裝按設(shè)定路徑進(jìn)行巡視;系統(tǒng)通過(guò)智能視頻識(shí)別技術(shù),自動(dòng)識(shí)別巡視人員是否經(jīng)過(guò)了某個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),記錄下巡檢人員在經(jīng)過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)的時(shí)間與對(duì)應(yīng)視頻信息;根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)本次巡檢的質(zhì)量情況進(jìn)行判斷,對(duì)質(zhì)量欠佳的巡視進(jìn)行提示。

      在對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢修或現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí),系統(tǒng)根據(jù)操作票自動(dòng)生成邏輯操作保護(hù)區(qū)域和自動(dòng)生成邏輯圍欄。自動(dòng)定位到圖像傳感器,獲取物理圍欄的圖像數(shù)據(jù),并自動(dòng)判定物理圍欄與邏輯圍欄是否重合,對(duì)可能的圍錯(cuò)間隔自動(dòng)發(fā)出告警信息。自動(dòng)判定檢修操作人員是否在圍欄安全區(qū)內(nèi),對(duì)在安全區(qū)外的活動(dòng)自動(dòng)生成告警信息和告警記錄。

      3.9 溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

      無(wú)線溫度傳感器采用結(jié)構(gòu)膠安裝方式,直接安裝在高壓輸變電設(shè)備可能的發(fā)熱處,如:動(dòng)力電纜、電纜接頭、刀閘觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)靜觸點(diǎn)、銅排連接點(diǎn)、電抗器、電容器外殼和設(shè)備安裝環(huán)境內(nèi)與場(chǎng)地,實(shí)現(xiàn)溫度和溫升的高可靠實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。溫度信息經(jīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至站內(nèi)控制主機(jī),主機(jī)通過(guò)比較設(shè)備與環(huán)境的相對(duì)溫升、室內(nèi)與室外大氣的相對(duì)溫升,分析可能的過(guò)熱情況,提前發(fā)出預(yù)警信號(hào),提醒管理人員進(jìn)行處理。溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)如圖6所示。

      圖6 溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)示意圖Fig.6 The sketch of online temperaturemonitoring subsystem

      4 結(jié)語(yǔ)

      物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合,通過(guò)自動(dòng)、實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)管理和控制。

      利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段,構(gòu)建傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響變電站運(yùn)行的各類因素全方位的智能監(jiān)測(cè)。在傳感網(wǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)上,建立智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報(bào)警、主變消防、采暖通風(fēng)等功能的集成,解決輔助系統(tǒng)各自獨(dú)立、不具備智能交流、管理繁瑣的問(wèn)題,全面實(shí)現(xiàn)變電站智能運(yùn)行管理。

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