微电网动态稳定性研究述评-北京物流信息联盟

2017第六届新能源发电系统技术创新大会

中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。

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华南理工大学电力学院、广东省绿色能源技术重点实验室（华南理工大学）、风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室（华南理工大学）的研究人员赵卓立、杨苹、郑成立、许志荣、王月武，在2017年第10期《电工技术学报》上撰文指出，在微电网内部，电力电子变换器接口型分布式电源广泛存在。

电力电子接口微源与传统交流同步发电机在功率变换、控制策略和动态特性方面差异性较大，控制方法的多样性以及电力电子接口微源的高渗透率将给低惯量微电网的安全稳定运行带来严峻挑战。同时，多类型微源、多类型负荷在微电网内混合共存，可能引发源源耦合交互、负荷间交互以及源荷交互，不同特性的设备间相互作用将重新塑造区别于传统电力系统的动态响应特性，并诱发稳定性问题。

首先对近年来国内外微电网稳定性的研究进行评述，归纳总结可再生能源渗透率不断提升下微电网典型运行特性和存在的动态稳定性问题；在微电网动态稳定性分类的基础上，分别从微电网动态稳定问题和微电网动态稳定分析方法两方面对微电网稳定性的研究动态进行分析、评价和探讨；最后，预测和探讨了微电网稳定性研究的发展趋势。

可再生和绿色分布式发电系统渗透率的不断提高，将促进发电方式、输配电方式和电能使用方式出现新的变革。作为实现智能电网中主动配电网的有效方式，微电网有利于引入大量可再生能源发电，减少太阳能、风能等强波动性/间歇性能源的接入对大电网造成冲击，在中低压层面上有效解决分布式电源高渗透率运行时的问题，同时降低电网脆弱性，使电力系统更可靠、安全、清洁和经济[1-3]。

微电网是由分布式电源（Distributed Generators, DGs）、分布式储能（DistributedStorages, DSs）、能量转换装置、相关负荷、联合协调控制保护装置和智能调度系统组成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统[4-6]。

微电网运行分为并网及离网（孤岛）两种运行模式[7]。正常状况下，微电网通过公共耦合点（Point of CommonCoupling, PCC）与主网相连，微电网与主网配网系统进行电能交换，共同给微电网中的负荷供电；当监测到主网故障或电能质量不能满足要求时，或应用于偏远地区和海岛供电时，微电网需孤岛运行，由微电网内的分布式电源给微电网内关键负荷继续供电，保证负荷的不间断电力供应，维持微电网自身供需能量平衡，从而提高了供电的安全性和可靠性。

Microgrid Central Controller, MGCC）需要根据实际运行条件的变化实现两种模式之间的平滑切换[8]。

传统电力系统稳定性分析体系建立在同步发电机理论基础上，功角稳定、频率稳定与电压稳定及其对应的小干扰动态与暂态稳定、短期和长期等稳定性问题均与同步发电机的动态特性密切相关[9]。

而在微电网内部，分布式电源以电力电子变换器（Power-Electronic-Converter,PEC）接口微源而广泛存在，电力电子接口微源具备与传统电力系统电源功率变换、控制策略和动态特性的差异性，控制方法的多样性、电力电子接口微源高渗透率将给微电网的协调控制和安全稳定运行带来严峻的挑战，经过数十年建立并完善的传统电力系统的控制与稳定性分析方法在微电网中很可能不再直接适用，这也成为智能微电网推广和普及的基础理论和技术瓶颈。

由于微电网中风力发电、光伏发电等可再生能源出力的强间歇性、随机性和弱支撑性的特点，其动态特性给微电网系统的稳定运行带来较大影响。因此，可再生能源高渗透率将给微电网的安全稳定运行带来巨大挑战[10]。

近年来，针对微电网稳定性问题得到了广泛的研究。然而，由于微电源接口类型、微电网类型、运行方式、控制策略、网络参数等具有多种形式，微电网稳定运行特性也会随之改变。为应对微电网的大规模发展，全面深入揭示微电网的稳定运行机制，在微电网的动态特性与稳定性分析方法方面亟待进一步探讨与研究。

本文针对微电网大规模发展的背景下，对近年来国内外微电网动态稳定性的研究进行评述，归纳总结可再生能源渗透率不断提升下微电网中存在的动态稳定性问题，分别从动态稳定问题和动态稳定分析方法的角度对微电网稳定性进行分析、评价和探讨，最后，预测和探讨了微电网稳定性研究的发展趋势。

图1给出了一个典型的微电网系统框图，系统代表了不同类型的微电源和负荷形式的整合。微电源类型、负荷、网络拓扑参数、控制架构随着不同的应用场合、需求和实际条件而变化。

分布式发电技术的差异化使得各种分布式电源具有不同的动态特性。表1归纳了典型的用于微电源（包括分布式发电系统和分布式储能系统）并入微电网的接口变换配置和对应的功率潮流控制方法。

一般地，微电源可通过多种类型的微电源接口接入微电网：包括AC旋转电机和电力电子变换器接口。AC旋转电机接口一般连接具有较大惯性时间常数的分布式发电单元，对应响应速度较慢，如柴油发电机、小水电和定速风电机组等[11,12]，其机械转子速度响应时间尺度大于500ms。

而电力电子变换器接口单元对应响应速度相对较快的分布式发电单元，如光伏发电系统、变速风电机组、燃料电池发电系统、能量型和功率型储能系统等[13-15]。需要指出的是，对于电力电子变换器接口，其直流电容电压响应时间尺度大于100ms，交流电感电流响应时间尺度约为10ms[16]。

除少数直接并网的分布式电源外，大部分分布式发电通过电力电子变换器并网。因此分布式发电系统是一个由一次能源、电力电子变换器和控制系统等环节相互耦合的强非线性系统，其输出动态特性是各单元在多个时间尺度上特性的叠加[17]。

根据微电网协调控制架构和运行控制的需求，电力电子变换器的功率潮流控制方法能够归类分为：电网跟随型、电网形成型、电压源型电网支持和电流源型电网支持控制策略，如图2所示[18-20]。电网跟随型电力电子变换器主要目标是向微电网输送特定的有功和无功功率，它们能够用连接到微电网中的理想电流源及其并联高阻抗表示。

电网形成型电力电子变换器可作为微电网主电源控制，提供微电网电压和频率参考，该类变换器能够用并网的具有低输出阻抗的理想电压源等效。此外，电网支持型变换器可细分为电压源型和电流源型，可分别用理想电压源串联输出阻抗和理想可控电流源并联输出阻抗等效表示；该类变换器能够通过调整输出功率直接或间接地参与微电网电压和频率调整。

图2 微网中微电源电力电子变换器的四种基本功率潮流控制结构

由上述分析可知，与传统电力系统稳定性相比，多类型微源、多类型负荷在微电网内混合共存，可能引发源源耦合交互、负荷间交互以及源荷交互，不同特性的设备间相互作用将重新塑造区别于传统电力系统的动态响应特性，并诱发稳定性问题。

微电网动态稳定是指微电网遭受小扰动后恢复到稳定运行状态的能力。微电网时刻经受着小的干扰，如微电网内风电机组、光伏阵列和其他可再生能源发电受气候和天气变化影响导致输出功率波动，负荷在小范围内切换变化以及部分参数的缓慢变化等。这些类型的小范围功率波动事件十分频繁，时刻影响微电网的运行状态。

由第1节分析可知，通过电力电子变换器接口接入微电网的分布式电源，其运行和控制较为灵活，当受到外部扰动时，由于惯性缺失或低惯量特性，更容易发生振荡失稳。因此，一个设计良好的微电网系统，首先必须是动态稳定的，否则，即使在稳态工况下，系统也无法正常运行。保证微电网在小扰动工况下动态稳定的鲁棒性，是确保微电网可靠运行的关键。

微源和微源的强耦合作用严重恶化的微电网动态稳定问题，可能引发系统低频振荡和高频振荡等问题。

在采用不依赖关键通信设施的分散式控制架构的微电网中，为了实现微电网分布式电源的即插即用功能，多个逆变器型分布式电源均采用图2中的电压源型电网支持控制策略，模拟传统同步发电机组“功频静特性”，共同作为主电源支撑微电网的频率和电压[21]。

多逆变器并联下垂运行时，微电网系统低频动态特性对逆变器最外环功率分配控制器P-f和Q-V下垂系数高度敏感[22]。在弱电网系统条件下，使用大下垂系数有助于提高微电源响应速度，改善系统动态特性，同时确保不同机组间无功功率分配精度，降低配电网电压波动对机组无功功率输出的影响[23,24]。然而，功率分配控制器中采用较大的下垂增益将降低微电网系统的全局稳定性，严重时将引发微电源间低频振荡现象。

在微电网整合多类型分布式电源时，电力电子接口型分布式电源与同步电机接口型分布式电源共存，电力电子接口型分布式电源的功率潮流控制策略将显著影响孤岛微电网的小干扰动态行为。研究表明，电力电子接口型分布式电源基于电压-无功下垂特性和电压调整的功率管理策略将导致过补偿问题；有功和无功功率控制器的控制参数有效改变微电网系统振荡模式的阻尼[11,25]。

当微电网进一步考虑异步接口型分布式电源的存在时，分布式电源间的交互问题将复杂化。在混合源微电网中引入异步型定速风电机组，将产生新的欠阻尼低频段特征根，并重塑系统振荡模态[26]。当电力电子接口型分布式电源（储能系统）采用电流源型电网支持控制策略间接参与微电网电压和频率调整时，为保证和提高微电网系统在扰动下的频率和电压动态表现而采用的大f-P下垂系数将产生定速风电机组、储能系统和柴油发电机组的功率交互，系统发生低频振荡失稳[27]。

由前述分析可见，大部分与电力电子型微源控制回路相关的稳定性问题由最外环功率控制器及相应的控制参数引起。

为了有效抑制高频谐波，微电网系统中的电力电子变换器接口型微源常通过LCL滤波器并网，且多呈并联结构。LCL滤波器能够通过较小的总电感取得单电感的滤波效果，功率密度更大，然而其存在固有的谐振问题。

在电力电子变换器并联运行的微电网系统中，频域分析结果表明LCL滤波器引入额外的正向和反向谐振尖峰[28,29]。当变换器数量、变换器电流环控制带宽以及微电网线路等效阻抗变化时，系统高频振荡分量可能被激发，导致微电网系统高频失稳[30]。

RLC负荷、电力电子接口型负荷和感应电机动态负荷在微电网中广泛存在，负荷动态与微电源动态的交互加剧微电网动态稳定特性的复杂度。

为简化微电网建模与分析的难度，目前大部分微电网稳定性分析研究中均采用RL阻抗对负荷进行简化[31]。在微电网中，RL恒阻抗负荷动态往往与电力电子变换器内环电流控制器、微电网动态网络共同影响微电网高频模式[22]。

部分现代负荷，如电机驱动、感应加热、背靠背变流器和电动汽车等均通过电力电子变换器接口接入微电网，该类型负荷为有源负荷。有源负荷的存在进一步使微电网电力电子化。先进电力电子接口中，为有效实现负荷/发电表现需求，控制器往往需要对控制变量进行严格调节。

然而，严格调节的变换器将产生负输入阻抗，导致端电压增加/减小时，吸收电流相应减小/增加。因而，该类负荷可用恒功率负荷（Constant PowerLoad, CPL）进行建模[32]。通常地，恒功率负荷（CPL）由于负阻尼效应将使直流微电网和交流微电网失稳[33]。

典型地，配电网络中超过50%的电气负荷是感应电机负荷，计及78%的工业负荷，43%的商业负荷和37%居民用电负荷消耗[34]。为此，微电网中必须考虑感应电机负荷与微电源可能产生的交互失稳问题。

研究表明，微电网中电机负荷的引入将对系统产生新的欠阻尼特征根，并实际上影响系统特征根分布 [35]。感应电机的存在也降低微电网系统关键机电振荡模式的阻尼[36]。由于大型电机转子振荡的弱阻尼特性，即使在DG低下垂增益情况下，也有可能导致功率振荡和失稳。

风光等可再生能源发电输出功率和负荷功率的随机性与波动性使微电网稳态运行点时刻发生变化，并影响微电网系统的稳定裕度。为确保微电网在宽运行点范围内可靠运行，部分学者研究了运行点对系统阻尼的影响。

文献[36]研究了光伏-柴发微电网的小信号稳定问题，该研究表明随着光伏功率渗透率的提升，微电网系统关键机电振荡模式阻尼不断减小，高渗透率光伏功率可导致系统振荡。此外，文献[26]针对风柴储微电网，分析了风速波动与扰动导致系统主导特征根阻尼减小的小干扰稳定问题。

融合集中控制和分散控制的优势，分层控制架构协调微电网一次控制、二次控制和三次控制，成为微电网控制架构的范例。通过二次控制实现的电压调整和频率恢复在信息采集和传输过程中存在固有的通信延迟，甚至出现数据丢失。为此，保证微电网系统控制策略对通信延迟的鲁棒性吸引了大量学者的研究[37,38]。

在工程应用中，常采用时延微分方程（Delay Differential Equations, DDEs）研究时延系统的稳定性。与忽略通信延迟可采用常微分方程描述的系统相比，时延微电网系统特征方程是超越的因而有无穷多的解，特征根求解更为复杂。文献[37,38]建立了考虑二次控制通信延迟的微电网小干扰动态模型，分析表明信号传输中存在大通信延迟将导致系统发散失稳。

混合交直流微电网可有效减小交流微电网或直流微电网单独整合不同特性的微电源和负荷时产生的功率转换过程，在增加系统运行方式灵活性的同时，也增加了系统结构的复杂性。一般地，混合AC-DC微电网通过双向AC-DC变换器进行连接，电气耦合紧密，直流微电网和交流微电网间相互影响[39]。

文献[40]针对混合AC-DC微电网设计了协调控制策略，以维持并网和离网模式下负荷和可再生能源发电变化时混合微电网的稳定运行。文献[41]基于奈奎斯特导纳比判据研究了混合交直流网络的小干扰稳定问题，认为级联多变换器混合微电网系统可能违背稳定判据；此外，混合微电网中大量设置严格调节目标的电力电子变换器将产生增量式负输入导纳，并引起公共直流母线的失稳。然而，目前针对交直流混合微电网稳定的本质仍缺乏全面认识，亟待深入研究。

随着微电网的广泛应用，将地理位置毗邻的微电网互联，则构成微电网群系统。微电网群通过群内子微电网之间的能量互济和调度，以进一步增强彼此间的供电可靠性，提高可再生能源发电的渗透率[42]。

在多微电网系统中，小干扰稳定性问题可能是局部的，也可能是全局性的[43]。局部问题涉及多微电网系统中的一小部分，表现的局部振荡一般指区域内某一台微电源几台微源相对区域内其余机组的振荡，电气距离较小，机组间振荡频率较高。

全局小干扰稳定问题是由多微电网系统中大量微电源之间相互影响造成的；表现出的全局振荡是多微电网系统中不同子微电网的两组微电源群之间的交互振荡，电气距离较大，振荡频率一般较低。

微电网互联时，即使所有子微电网单独都是局部稳定的，但微电网间过度的交互可能导致功率摇摆，失去同步耦合[44]。此外，微电网群的互联点的选择很大程度上将影响形成的微电网群系统的稳定裕度，进而影响微电网群系统的动态表现。

动态稳定性分析在多机电力系统中已经有一段较长的历史，尤其是用于分析和预防大规模互联电网的低频振荡现象的发生[45]。微电网动态稳定性分析主要用于预测参数发生改变时系统的动态行为，为控制参数的选择、微电网系统配置、运行控制策略的制定等提供理论依据和参考。

与传统多机电力系统相比，微电网惯性缺失、动态时间尺度更宽，传统小干扰动态稳定性分析方法能否适用于电力电子变换器主导的微电网中?需要针对微电网特殊的对象进行哪些修正?传统方法是否能够准确预测微电网系统的不同频率范围、不同时间尺度内的动态?这些都亟待深入研究。

微电网工程应用中不仅需要判断系统是否稳定，而且还希望知道微电网系统在小扰动下的系统过渡过程相关特征。对于主要存在的振荡性过渡过程，感兴趣的特征主要包括：振荡频率、模态阻尼、相应振荡在系统中的分布（即反映各个状态量中振荡的幅值和相对相位）、振荡引起的原因、状态变量对振荡的贡献等等，这些信息可为微电网全局和本地控制策略的最佳整定提供依据[46]。

此外，稳定裕度的计算也是重要的分析内容。由于特征根分析法能够提供系统动态稳定的大量重要信息，因此成为微电网小干扰稳定性分析最有效的方法之一[22]。特征根分析方法和时域仿真法相结合，可以使微电网系统在线性化模型下设计的控制策略进一步在大扰动工况和非线性系统模型下进行时域仿真校验，这是目前微电网系统中控制策略设计和校验的科学方法与思路。图4给出了多源共存微电网小干扰动态稳定计算的特征值分析法过程。

广域测量系统（Wide-AreaMeasurement System, WAMS）的出现促进了辨识方法在电力系统小干扰稳定分析的应用。辨识方法能够避免求解微电网特征值，无需事先知道微电网系统的结构和详细参数。微电网规模较小的特点，实时全局信息获取的便捷性将使系统辨识方法成为研究微电网稳定性的有力工具。常见的辨识方法包括 Prony方法、Matrix Pencil方法、Hilbert-Huang变换和预测误差法等。

其中，Prony方法通过指数函数的线性组合来拟合原始采样数据，对测量得到的微电网状态量进行在线辨识，以获取微电网系统的结构参数、平衡点信息和主要的振荡模态。与特征值分析法相比，Prony方法是模态辨识的时域方法，能提供全面的系统信息，但不需要求解微电网系统的特征值[47]。然而，由于该方法对噪声敏感，可能在测量和辨识过程中产生错误的模式。虽然改进的迭代Prony算法能够一定程度上避免噪声的影响，但迭代算法也大幅度提高了计算复杂度。

Hilbert-Huang变换法能够提取系统瞬时模态信息，但是其端点效应问题的抑制需要进一步研究[48]。Matrix Pencil方法能够有力解决计算复杂度和噪声敏感性，然而其阈值的选择受原始采样数据规模和噪声强度的影响，目前该技术仍有待一般化以提供理论指导[49]。

奈奎斯特阻抗稳定性判据是频域分析法的代表性方法[50]。该准则应用时首先将所有子系统模型整合成全系统模型，然后在任意点将该模型分成负荷子系统和源子系统。在此基础上，通过分析全频段内负荷输入阻抗Zl和源输出阻抗Zs的匹配以判别系统稳定性。由于奈奎斯特稳定准则应用的直观性，吸引了较多的研究。奈奎斯特判据最初只适用于单输入单输出系统、直流系统以及源变换器为电压源的级联系统[50]。

19世纪70年代，MacFarlane将本身用于标量传递函数的奈奎斯特稳定型理论扩展成可用于矩阵传递函数的通用型奈奎斯特判据[51]。文献[52]采用近似阻抗模型将多输入多输出交互动态问题转换成单输入单输出问题，从而使传统奈奎斯特判据得以应用。文献[50]建立了适用于多输入多输出（Multiple-InputMultiple-Output, MIMO）系统的通用型奈奎斯特判据，并应用于交流配电网系统。目前，导纳比奈奎斯特判据已应用到逆变器型微电网和混合AC-DC微电网的小干扰稳定分析中[53]。

然而，阻抗判据的稳定性结果高度依赖于系统中分为负荷和源子系统的界面。同时，提供的判据暗中假设潮流只是单向的，这使得不能直接应用在负荷侧中存在DGs的场合[54]。再者，奈奎斯特判据在微电网场合分析方法的有效性仍需用特征根分析方法、实际微电网中阻抗测量进行验证。

当微电网中微源和负荷的数量较多时，特征根计算方法存在耗费计算资源的劣势。为此，对微电网小干扰模型的降阶分析凸显其优势和需求。微电网降阶分析的适用性问题主要来源于其低惯量特性，在降阶分析时需要保留哪些状态变量方可在降阶模型中仍能准确捕捉微电网动态，值得进一步深入研究。

目前奇异摄动法已开始被应用到微电网系统的降阶分析中，它可有效解决微电网双时间尺度降阶问题[55]。文献[56]在多源微电网降阶模型中忽略了同步发电机定子磁链暂态。文献[57]假设忽略逆变器中间电压环、内环电流环以及功率网络动态。

由于描述微电网的动态模型存在双时间尺度行为，其中快动态需要小时间步长，而慢动态需要较长的仿真时间。快动态包括与转动惯量、电感电容等状态变量。包含快动态将增加系统模型的阶数。而忽略小参数则不能确保准确的稳定性分析结果。

需要指出，在传统互联电网系统稳定性分析中，忽略同步发电机定子动态和输电网络暂态是合适的[43]。然而，在快动态主导的系统中，如低惯量小容量电力电子变换器主导的微电网中，此降阶分析可能导致不可信的分析结果。

动态相量模型是一种广义的动态平均模型，基于傅里叶级数（Fourier Serie,FS）理论基础，是一种能在较高精度范围内近似时域模型的建模方法。而动态相量模型用于预测系统动态稳定性兼具准确性和简洁性，作为一种有效的建模手段，动态相量法已广泛用于次同步谐振，可控串联补偿装置和柔性交流输电系统分析中。

文献[58]基于动态相量法建立了考虑网络电路元件动态的逆变器型微电网模型，该研究显示，与降阶小干扰稳定模型相比，提出的微电网系统动态相量模型能够准确预测系统稳定裕度，同时有效降低计算负担。

此外，在用户侧单相-三相混合系统中，常规动态分析方法由于不平衡系统中负序分量产生的周期性时变状态变量而不能有效应用[59]。而动态相量法作为平均化技术，能够将周期性时变状态变量转换为直流状态变量，有效计及单/三相系统不平衡条件，因此具有重要的应用前景。

基于上述分析和评述，表2归纳了微电网各种动态稳定分析方法潜在的优势和劣势。

本文通过对微电网小干扰动态稳定问题和动态稳定分析方法两方面研究的评述，梳理出微电网稳定与控制相关的研究难点和研究展望。

前述分析表明微电源外特性显著影响微电网小干扰动态稳定性，考虑未来能源网络的电力电子化趋势以及电力电子接口微电源功率潮流控制方法的多样性，研究电力电子变换器型微电源主导/高渗透率的微电网系统建模、动态特性分析及控制策略改进方案，具有十分重要的实用价值。

由于微电网三相间不均匀的负荷分布以及大量用户侧光伏发电以单相形式接入微电网，形成单相-三相混合系统。针对不平衡系统，基于abc框架下的动态模型能够用于动态表现分析。然而，由于周期性变化的状态变量，常规平衡点线性化不能应用到这些模型中[59]。动态相量法可有效应对不平衡系统的小干扰稳定性建模、分析与控制存在的技术瓶颈，因此将为该研究方向提供重要的理论支撑。

未来微电网互联视角下，，而此分层控制架构下存在多通信延迟。研究含多通信延迟的微电网稳定性及控制参数整定问题，具有十分重要的研究意义。

虚拟同步发电机在微电网电力电子变换器控制中显示优异的性能[60-62]，然而，研究虚拟同步发电机与传统电压源型电网支持控制策略的根本性差异，多台虚拟同步发电机间的参数设计与协调控制，以及虚拟同步发电机与传统同步发电机之间的动态交互与协调，对提升微电网系统控制运行稳定性具有重要的研究意义。

多类型微源、多类型负荷在微电网内混合共存，不同特性的设备间相互作用将重新塑造区别于传统电力系统的动态响应特性，并诱发稳定性问题。

本文针对微电网稳定性研究进行了详细的评述，在对微电源接口类型和控制方法进行梳理的基础上，总结了微电网典型运行特性，归纳了微电网存在的稳定性问题。微电网存在的动态稳定问题主要由微源和微源交互、微源和负荷交互、运行点变化、通信延迟、AC-DC网络交互以及多微电网互联交互引起，通常归因于系统振荡阻尼不足。

特征值分析法、辨识方法、频域分析法、奇异摄动法及动态相量法可预测参数发生改变时微电网系统的动态行为，为控制参数的选择、微电网系统配置、运行控制策略的制定等提供理论依据和参考。最后，针对微电网稳定性研究的发展趋势，总结和梳理出一些具有重要参考价值的研究方向。

致谢：本文研究中的微电网动态稳定性问题与归类分析得到了英国帝国理工学院Timothy C. Green教授的启发与建议，在此向他表示衷心的感谢。

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