考慮微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率的混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化

孟 明，吳亞帆，蘇亞慧

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003)

0 引 言

風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式能源在環(huán)境日益惡化的當(dāng)今世界中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。隨著這些可再生能源滲透率的提高，其隨機(jī)性、不確定性等負(fù)面影響也受到了越來(lái)越多的重視。儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)分布式發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性都具有較好的調(diào)控能力，在平抑波動(dòng)、削峰填谷、運(yùn)行備用等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。因此，為微電網(wǎng)配置合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)顯得尤為重要。

儲(chǔ)能設(shè)備可分為能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能，采用功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以使其充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能[5-6]。

目前，針對(duì)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化已經(jīng)有了很多研究成果，其中很大部分是針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化研究[7-9]。針對(duì)微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化還存在很多需要改進(jìn)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]針對(duì)并網(wǎng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)提出了優(yōu)化蓄電池工作狀態(tài)的能量管理策略，建立了以提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化模型進(jìn)行了儲(chǔ)能的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的方法，對(duì)含儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了容量?jī)?yōu)化配置。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)的接入給電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)行帶來(lái)了許多新問(wèn)題，其中包括聯(lián)絡(luò)線的使用情況。因?yàn)椴⒕W(wǎng)型微電網(wǎng)自身具備發(fā)電能力，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線處于低負(fù)載率的運(yùn)行情況，因此，有專(zhuān)家對(duì)并網(wǎng)型微電網(wǎng)在規(guī)劃和運(yùn)行中采用“全備用”的方式提出了質(zhì)疑。所以在考慮并網(wǎng)型微電網(wǎng)自身經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還需要關(guān)注配電網(wǎng)資產(chǎn)利用情況[12]。目前，考慮微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率的研究還很少。本文通過(guò)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行調(diào)整來(lái)提高聯(lián)絡(luò)線利用率，得到的聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化結(jié)果可以為大電網(wǎng)的調(diào)度部門(mén)提供參考，進(jìn)而提高配電網(wǎng)資產(chǎn)利用情況。

本文采用離散小波變換對(duì)微電網(wǎng)中的凈負(fù)荷功率進(jìn)行分解，得到滿足聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)要求的聯(lián)絡(luò)線功率以及蓄電池和超級(jí)電容分配到的功率，引入聯(lián)絡(luò)線功率平移調(diào)整量為優(yōu)化變量，建立了既能提高聯(lián)絡(luò)線利用率又能滿足經(jīng)濟(jì)性要求的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型。并采用遺傳算法進(jìn)行求解。

1 并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)

并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)可控電源，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以及本地負(fù)荷通過(guò)電力電子器件與直流母線相連，微電網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與外部大電網(wǎng)連接。光伏系統(tǒng)發(fā)出的功率為PDG，柴油發(fā)電機(jī)的功率輸出為PM，本地負(fù)荷消耗的有功功率為PL，蓄電池和超級(jí)電容器的功率分別為PB和PC，聯(lián)絡(luò)線上的功率為Pg。當(dāng)蓄電池和超級(jí)電容放電時(shí)功率為正，充電時(shí)功率為負(fù)，當(dāng)大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送電能是Pg為正，微電網(wǎng)向大電網(wǎng)倒送電能時(shí)Pg為負(fù)。

微電網(wǎng)中由光伏發(fā)電、柴油機(jī)發(fā)電和負(fù)荷用電產(chǎn)生的不平衡功率為凈負(fù)荷PJ，對(duì)于并網(wǎng)型微電網(wǎng)產(chǎn)生的凈負(fù)荷功率由儲(chǔ)能系統(tǒng)和大電網(wǎng)共同進(jìn)行補(bǔ)償。

(1)

2 功率分解

2.1 離散小波變換原理及實(shí)現(xiàn)

以一天為計(jì)算周期，選取典型日凈負(fù)荷功率作為樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行采樣分析，采樣點(diǎn)為T(mén)。

PJ=PJ(t),t=1,2,…,T

(2)

離散小波變換可以將信號(hào)分解為低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，其中低頻信號(hào)還可以繼續(xù)進(jìn)行分解，分解層數(shù)越多，得到的低頻分量波動(dòng)越小，離散小波變換可表示為

(3)

式中:n為離散小波變換的分解層數(shù),分解層數(shù)決定了聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)情況；Dn為凈負(fù)荷功率分解得到的第n層低頻分量；Gi為凈負(fù)荷功率分解得到的第i層高頻分量。

Dn為得到的波動(dòng)較小的低頻分量分配給聯(lián)絡(luò)線功率Pline；nBC為蓄電池和超級(jí)電容的頻率臨界層，從第1層到第nBC層頻率較高的分量分給超級(jí)電容器，第nBC+1層到第層n頻率較低的分量分給蓄電池。對(duì)凈負(fù)荷功率進(jìn)行頻譜分析選擇合適的頻率臨界層。得到蓄電池和超級(jí)電容的分配功率為

(4)

2.2 聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)要求

聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)情況在一定程度上可以反映出微電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的影響，因此需要對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)情況進(jìn)行分析，從而得到滿足波動(dòng)要求的聯(lián)絡(luò)線功率。表征聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)情況的主要有兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為聯(lián)絡(luò)線功率變化率和聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)率。聯(lián)絡(luò)線功率變化率定義為

(5)

式中:Dg為聯(lián)絡(luò)線功率變化率;Pline，max和Pline，min分別為Δt時(shí)間間隔內(nèi)的最大值和最小值。

聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)率以聯(lián)絡(luò)線功率的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)情況

(6)

聯(lián)絡(luò)線變化率適合作為短時(shí)功率波動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)率適合作為長(zhǎng)時(shí)功率波動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]。綜合考慮聯(lián)絡(luò)線波動(dòng)要求，選取合適的分解層數(shù)，得到滿足要求的聯(lián)絡(luò)線功率目標(biāo)。

3 微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率

聯(lián)絡(luò)線承擔(dān)著并網(wǎng)型微電網(wǎng)與大電網(wǎng)雙向互動(dòng)的任務(wù)，不僅向并網(wǎng)型微電網(wǎng)輸送電能，同時(shí)將并網(wǎng)型微電網(wǎng)過(guò)剩的電能返送給大電網(wǎng)。微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率定義為在一定周期內(nèi)，實(shí)際輸送的電能(包括微電網(wǎng)向大電網(wǎng)倒送的電能)與聯(lián)絡(luò)線最大輸送能力的比值。

(7)

式中:Uline是聯(lián)絡(luò)線利用率;Eg-in是大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送的電量;Eg-out是微電網(wǎng)向大電網(wǎng)倒送的電量;Eline是聯(lián)絡(luò)線額定功率下輸送的電量。

(8)

式中:Pline是聯(lián)絡(luò)線功率值;Pline，0是聯(lián)絡(luò)線額定功率取聯(lián)絡(luò)線上輸送功率的最大值。

由離散小波變換得到的聯(lián)絡(luò)線功率情況，可以對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率通過(guò)向上或向下平移，以便在不改變聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的前提下來(lái)提高聯(lián)絡(luò)線利用率，平移量記為ΔPline。當(dāng)ΔPline<0時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率整體向上平移|ΔPline|，當(dāng)ΔPline>0時(shí)，聯(lián)絡(luò)線功率整體向下平移|ΔPline|。某聯(lián)絡(luò)線功率如圖1所示，則隨著功率平移調(diào)整量的變化，聯(lián)絡(luò)線利用率的變化如圖2所示。每個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線利用率的變化都不相同，因此對(duì)不同的微電網(wǎng)都應(yīng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線利用率變化的分析。

圖1 聯(lián)絡(luò)線功率

圖2 聯(lián)絡(luò)線利用率變化曲線

合理地選取ΔPline對(duì)聯(lián)絡(luò)線利用率有重要影響，因此，將ΔPline作為一個(gè)優(yōu)化變量加入到儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的模型中，通過(guò)合理地取值實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線利用率的提升和系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性?？煽仉娫床裼桶l(fā)電機(jī)的輸出功率也要配合聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(9)

式中：Pline,a為調(diào)整后的聯(lián)絡(luò)線功率;PM0為調(diào)整后的柴油發(fā)電機(jī)功率。

4 建立優(yōu)化配置模型

建立以聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整量、蓄電池和超級(jí)電容的額定功率、額定容量為優(yōu)化變量的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)年運(yùn)行成本、聯(lián)絡(luò)線利用率以及柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電成本的變化量所組成的綜合目標(biāo),使用遺傳算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

由于不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命周期各不相同，因此，在計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本時(shí)，需要將儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資費(fèi)用折算成等年值。

(10)

式中:C0為混合儲(chǔ)能的總成本;CB、CC分別為蓄電池和超級(jí)電容的購(gòu)置成本和運(yùn)行維護(hù)成本之和;YB、YC為蓄電池和超級(jí)電容的使用壽命;SB、HB、SC、HC分別為蓄電池和超級(jí)電容的功率成本系數(shù)和容量成本系數(shù);GB、GC為蓄電池和超級(jí)電容的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)。

蓄電池的使用壽命與工作方式密切相關(guān)，主要受蓄電池的放電深度、循環(huán)使用次數(shù)的影響。蓄電池的放電深度越大，循環(huán)壽命越短。蓄電池的放電深度DOD為蓄電池允許的放電量與其標(biāo)稱(chēng)容量的百分比。根據(jù)蓄電池放電深度與儲(chǔ)能循環(huán)使用壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以擬合出其函數(shù)關(guān)系為[14]

(11)

式中:Db為蓄電池的基準(zhǔn)放電深度;NB(Di)為放電深度為Di時(shí)對(duì)應(yīng)的蓄電池使用壽命。由此可得出放電深度為Di時(shí)的第i次循環(huán)對(duì)應(yīng)放電深度為基準(zhǔn)值時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

(12)

蓄電池的實(shí)際運(yùn)行年限可得

(13)

式中:Nj(Di)為第j天中第i次循環(huán)對(duì)應(yīng)的等效循環(huán)次數(shù);l為1 d內(nèi)的充放電次數(shù);p為 1 a內(nèi)工作運(yùn)行的天數(shù)。

聯(lián)絡(luò)線利用率根據(jù)第3節(jié)進(jìn)行計(jì)算，由于調(diào)整聯(lián)絡(luò)線會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率，因此在考慮聯(lián)絡(luò)線利用率的同時(shí)也要考慮柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本的變化。柴油發(fā)電機(jī)的成本計(jì)算如下[15]：

CM=kM(f0PMP+f1P)

(14)

式中:kM為單位燃料成本;PMP為柴油發(fā)電機(jī)的額定功率;P為其當(dāng)前輸出功率;f0、f1為燃料相關(guān)曲線的系數(shù)。

柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)平移調(diào)整后，成本的變化量為

ΔCM=CM0-CM=kMf1ΔPline

(15)

式中:ΔCM為柴油發(fā)電機(jī)的成本變化量;CM0為調(diào)整后的柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電成本;CM為調(diào)整前的柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電成本。

綜上，優(yōu)化模型的總目標(biāo)函數(shù)可表示如下，其中α為聯(lián)絡(luò)線利用率的經(jīng)濟(jì)性折算系數(shù)。

minF=min{C0+ΔCM-αUline}

(16)

4.2 約束條件

①柴油發(fā)電機(jī)輸出功率的約束

柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率受柴油機(jī)本身的約束，最小為0，最大為其額定功率。

PMmin≤PM≤PMmax

(17)

②聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整量的上下限約束

聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整量的取值會(huì)影響到其功率以及柴油發(fā)電機(jī)的輸出，因此聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)整量要在滿足聯(lián)絡(luò)線功率和柴油發(fā)電機(jī)功率要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行選取。

-ΔPline,min≤ΔPline≤ΔPline,max

(18)

③儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

儲(chǔ)能系統(tǒng)約束包括儲(chǔ)能任意時(shí)刻剩余電量和充放電功率的約束。為保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命，儲(chǔ)能系統(tǒng)任意時(shí)刻的剩余電量應(yīng)滿足一定約束條件。

(19)

儲(chǔ)能系統(tǒng)任意時(shí)刻的充放電功率應(yīng)該不超過(guò)其額定功率的值。

(20)

④負(fù)荷缺電率約束

負(fù)荷缺電率是衡量一個(gè)系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，放電功率不足造成負(fù)荷缺電，負(fù)荷缺電率為負(fù)荷缺電量與負(fù)荷實(shí)際所需電量之比。當(dāng)蓄電池和超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)不能滿足所需放電功率時(shí)，需要對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器的放電功率進(jìn)行調(diào)整。

(21)

式中:ηB、ηC分別為蓄電池和超級(jí)電容的充放電效率。

蓄電池和超級(jí)電容器造成的負(fù)荷缺電率分別LB、LC，滿足一定的約束條件來(lái)保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

(22)

⑤能量損失率約束

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率不足時(shí)會(huì)造成發(fā)電能量的損失，當(dāng)蓄電池和超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)不能滿足所需的充電功率時(shí)，需要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率進(jìn)行調(diào)整。

(23)

儲(chǔ)能充電功率不足時(shí)造成發(fā)電能量的損失，蓄電池和超級(jí)電容器造成的能量損失率分別為QB、QC，應(yīng)滿足一定的約束條件以保證能源的利用率。

(24)

4.3 優(yōu)化模型的求解流程

①根據(jù)離散小波變換對(duì)凈負(fù)荷功率進(jìn)行分解，得到聯(lián)絡(luò)線功率，得到蓄電池和超級(jí)電容分配到的功率，確定各儲(chǔ)能的平抑目標(biāo)，確定儲(chǔ)能額定功率和儲(chǔ)能額定容量的最大值、最小值。

Guarini和Porcile(2016)[12]的研究發(fā)現(xiàn)，眾創(chuàng)空間的發(fā)展模式可以歸納為三種，即聯(lián)合辦公型、投資驅(qū)動(dòng)型和技術(shù)平臺(tái)型，其中技術(shù)平臺(tái)型模式可以從產(chǎn)業(yè)鏈出發(fā)打通創(chuàng)新鏈。Capdevila(2018)[13]的研究發(fā)現(xiàn)，從眾創(chuàng)空間的運(yùn)營(yíng)特征來(lái)看，可分為技術(shù)眾創(chuàng)型、產(chǎn)品眾創(chuàng)型、龍頭企業(yè)資源整合型、聯(lián)合項(xiàng)目型等多種模式。賈天明等(2017)[14]認(rèn)為，眾創(chuàng)空間運(yùn)營(yíng)的主流模式包括兩類(lèi)，一類(lèi)是創(chuàng)業(yè)社區(qū)模式，將地產(chǎn)與其他創(chuàng)業(yè)元素相融合，通過(guò)收取租賃費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)贏利；另一類(lèi)是全面服務(wù)模式，依托于產(chǎn)業(yè)資本與金融資本，注重內(nèi)外部創(chuàng)業(yè)資源互動(dòng)，提供全面的創(chuàng)業(yè)服務(wù)，主要通過(guò)服務(wù)收入來(lái)實(shí)現(xiàn)盈利。

②對(duì)蓄電池、超級(jí)電容的額定功率和額定容量以及聯(lián)絡(luò)線功率平移調(diào)整量進(jìn)行初始化。

③計(jì)算總適應(yīng)度函數(shù)值。

④進(jìn)行選擇、交叉、變異。

⑤重復(fù)步驟③和④直到達(dá)到收斂條件或設(shè)定好的迭代次數(shù)。

⑥多次計(jì)算后，綜合選取最優(yōu)變量值。

5 算例分析

以新疆塔城區(qū)的一個(gè)光伏發(fā)電的微電網(wǎng)為例進(jìn)行驗(yàn)證分析。其中，光伏的容量和柴油發(fā)電機(jī)的容量分別為60kW和5kW。以光伏、柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電以及用電負(fù)荷為依據(jù)，采用本文中的優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算，從而得到混合儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置。新疆地區(qū)由于其獨(dú)特的地理位置，光照充足，因此光電資源豐富。采樣時(shí)間為1min，冬季某典型日光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)及可控電源柴油機(jī)組的發(fā)電數(shù)據(jù)如圖3所示，由式(1)可以得到凈負(fù)荷功率曲線如圖4所示。對(duì)凈負(fù)荷進(jìn)行離散小波變換，分解層數(shù)為7層，頻率臨界層為4，得到滿足波動(dòng)要求的聯(lián)絡(luò)線功率，以及蓄電池和超級(jí)電容的分解功率如圖5所示。由得到的結(jié)果可以看出，經(jīng)離散小波變換后得到的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)較小，較儲(chǔ)能平抑之前的波形平滑許多?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容所分配的功率中，超級(jí)電容作為功率型儲(chǔ)能負(fù)責(zé)頻率較高，波動(dòng)性較強(qiáng)的分量，而蓄電池作為能量型儲(chǔ)能負(fù)責(zé)頻率較低的波動(dòng)分量。

表1 相關(guān)費(fèi)用系數(shù)

圖3 功率數(shù)據(jù)

圖4 凈負(fù)荷功率

圖5 聯(lián)絡(luò)線、蓄電池和超級(jí)電容功率

圖6 蓄電池和超級(jí)電容剩余電量

6 結(jié) 論

針對(duì)采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)型微電網(wǎng)，考慮其聯(lián)絡(luò)線利用率的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行混合儲(chǔ)能容量的優(yōu)化。通過(guò)離散小波變換對(duì)凈負(fù)荷功率進(jìn)行分解。對(duì)

表2 優(yōu)化結(jié)果

聯(lián)絡(luò)線功率的平移調(diào)整量對(duì)聯(lián)絡(luò)線利用率的影響進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率的平移調(diào)整可以在不改變聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的情況下有效提高聯(lián)絡(luò)線利用率，從而提高配電網(wǎng)資產(chǎn)利用情況，提升微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。引入聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)整量為優(yōu)化變量，建立優(yōu)化模型并采用遺傳算法進(jìn)行求解。在優(yōu)化混合儲(chǔ)能容量的同時(shí)，得到對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率和柴油發(fā)電機(jī)功率最優(yōu)調(diào)整量，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)成本與聯(lián)絡(luò)線利用率綜合目標(biāo)的最優(yōu)。所得結(jié)果可為聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)度分配和柴油發(fā)電機(jī)的輸出提供參考。

以實(shí)際算例進(jìn)行分析，優(yōu)化結(jié)果表明：

①通過(guò)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)整，提高了聯(lián)絡(luò)線的利用率，由調(diào)整前的43.08%提高到了49.99%，調(diào)整后比調(diào)整前相對(duì)提高了16%。

②降低了柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本。柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本降低了5 808元。微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益有所提升。

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