智能電網(wǎng)詳細解析

摘要: 智能電網(wǎng)建設是一項長期而復雜的系統(tǒng)工程, 不僅涉及技術問題, 還需要全社會的參與。文 中分析了智能電網(wǎng)的概念成因、 發(fā)展需求及本質(zhì)動因, 揭示智能電網(wǎng)的深層次內(nèi)涵, 特別指出在智 能電網(wǎng)發(fā)展的初期, 不能一味強調(diào) 智能 的外向表現(xiàn)而忽視物理載體和支撐技術的建設, 必須遵循 可靠性原則, 夯實電網(wǎng)結(jié)構, 以全局視野實現(xiàn)電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟性的高效優(yōu)化協(xié)調(diào)。剖析了智能電 網(wǎng)建設的相關技術需求和關鍵突破點, 從本質(zhì)動因?qū)用鎸χ袊鴪詮娭悄茈娋W(wǎng)建設進行有益探索。

0 引言

為了滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的新需求和實現(xiàn)電網(wǎng)的 升級換代, 以歐盟和美國為代表的一些組織和國家 提出了智能電網(wǎng)概念, 政府部門、 電力企業(yè)、 電氣設 備生產(chǎn)商和 IT 業(yè)界廠商也紛紛響應 [ 1 4] 。智能電網(wǎng) 被認為是當今世界電力系統(tǒng)發(fā) 展變革的新的 制高 點, 也是未來電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢。

目前, 智能電網(wǎng)的研究和探索都處于起步階段。 由于能源特點、 電網(wǎng)特質(zhì)以及社會需求的差異, 各國 對智能電網(wǎng)的定義不盡相同 [ 5 9] 。如何正確認識智 能電網(wǎng), 制定符合本國能源經(jīng)濟需要的電網(wǎng)發(fā)展路 線, 并明確具體的技術需求和突破點, 是建設智能電 網(wǎng)的關鍵。

智能化是電網(wǎng)發(fā)展的一個內(nèi)涵豐富且長遠的愿 景, 是電網(wǎng)發(fā)展的目標, 是一個過程。因此, 智能電 網(wǎng)建設是一項長期的系統(tǒng)工程, 不僅涉及技術問題, 還需要全社會的參與。

1 如何認識智能電網(wǎng)

1 1 智能電網(wǎng)的概念成因

21 世紀電力工業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn): 一是環(huán)保壓 力, 全球氣候變暖問題日益嚴重, 電力工業(yè)節(jié)能減排 任務艱巨; 二是安全壓力, 包括電力的安全生產(chǎn)及客 戶的安全用電; 三是經(jīng)濟壓力, 即新技術必須能夠以 合理的成本被市場接受。

為了積極迎接挑戰(zhàn), 許多國家根據(jù)本國能源資 源和電力工業(yè)發(fā)展的特點, 形成了以智能電網(wǎng)為核 心內(nèi)容的各具特色的電網(wǎng)發(fā)展模式。目的都是致力 于保障能源安全、 提高能源效率、 改善能源結(jié)構、 應對氣候變化、 提升服務水平。但社會需求、 環(huán)境發(fā)展 及利益驅(qū)動等國情的差異, 又導致了各國對智能電 網(wǎng)研究和實踐的內(nèi)容不盡相同[ 10 11] 。

美國主要是對陳舊老化的電力設施進行更新改 造或依靠技術手段提高利用效率, 歐洲國家主要是 促進并滿足風能、 太陽能和生物質(zhì)能等可再生能源 快速發(fā)展的需要。從技術層面上看, 歐美所倡導的 智能電 網(wǎng)的主要特征是自愈、 互動、 優(yōu)質(zhì)、 兼容、 集 成、 經(jīng)濟, 更關注于源端及客戶端的接入、 信息的獲 取與傳輸、 新能源開發(fā)利用等[ 12] 。

1 2 智能的解讀

與 Intellig rid 和 GridWise 相比, Sm art Grid 更 被電力業(yè)界和學術流派所認同。Smart 最傳神的內(nèi) 涵 是 巧 , 巧 具 有 聰 明 ( intellig ent ) 和 靈 活 ( f lexible) 2 方面含義。靈活是指具有堅強可靠特質(zhì) 的靈活性, 富有可持續(xù)性和應變能力。堅強平臺和 先進技術的有機協(xié)調(diào)才能充分提升 巧 的能力。因 此, 如果一味強調(diào)智能( int ellig ence) 而忽視對物理 基 礎 的 夯 實, 智 能 電 網(wǎng) 建 設 將 會 走 向 誤 區(qū), intellig ence 也只能是一種 空中樓閣式的 夢想而缺 乏現(xiàn)實可行性。建設智能電網(wǎng), 并不是說現(xiàn)在的電 網(wǎng)就不具備智能性, 事實上, 電力工作者一直在為電 網(wǎng)的智能化而努力。今后一段時間內(nèi), 信息化、 自動 化和互動化將作為智能電網(wǎng)的主要特征而為人們所 關注。

因此, 智能電網(wǎng)是適應未來發(fā)展并寄托了人們 美好愿望的現(xiàn)代先進電力系統(tǒng)的統(tǒng)稱, 并且首先應 當是一個堅強的電網(wǎng)。堅強是智能電網(wǎng)的基礎, 智 能是堅強電網(wǎng)充分發(fā)揮作用的關鍵, 兩者相輔相成、 協(xié)調(diào)統(tǒng)一。靈活性貫穿于電力系統(tǒng)全過程, 如靈活 接入可再生能源( 包括大規(guī)模和分布式) 、 靈活安排 運行方式、 讓用戶靈活安排用電。同樣, 堅強可靠網(wǎng)架也是電網(wǎng)安全靈活運行的保障。

智能電網(wǎng)建設是一項長期且復雜的系統(tǒng)工程。 技術層面上, 應通過各種現(xiàn)代的控制、 信息、 通信和 管理技術與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的技術和業(yè)務相融合, 使 電網(wǎng)運行更加安全、 可靠、 經(jīng)濟和靈活, 為用戶提供 更為優(yōu)質(zhì)的服務。社會層面上, 需要深入研究與之 配套的宏觀政策、 發(fā)展戰(zhàn)略、 市場機制、 經(jīng)營管理等 方面的軟科學。

1 3 中國特色的堅強智能電網(wǎng)

中國能源資源分布和電力需求的發(fā)展 很不平 衡, 需要在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置, 這 是中國能源發(fā)展戰(zhàn)略的出發(fā)點。 堅強 被賦予智能 電網(wǎng)的 中國特色 , 源于 2 個現(xiàn)實因素, 一是輸電側(cè) 尚處于 爬坡 發(fā)展階段, 二是配電側(cè)和用戶側(cè)基礎 薄弱。

從輸電側(cè)看, 首先, 中國經(jīng)濟社會正處于快速發(fā) 展階段, 作為國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)的電力工業(yè)發(fā)展空 間巨大。而中國電網(wǎng)發(fā)展長期滯后, 以適度超前為 發(fā)展原則的輸電網(wǎng)建設, 必須形成堅強的網(wǎng)架結(jié)構, 才能夠具備優(yōu)化能源資源配置的能力。其次, 中國 的能源結(jié)構以及能源資源與負荷中心分布相逆的特 性, 決定了能源的遠距離、 大規(guī)模輸送是必然趨勢。 另外, 中國太陽能、 風能等資源大多遠離能源消費中 心, 必須走 大規(guī)模集中開發(fā) 的發(fā)展道路, 通過大電 網(wǎng)在全國范圍內(nèi)消納。

在配電側(cè)和用戶側(cè), 要求不斷提高電力可靠性 和電能質(zhì)量, 滿足用戶對供電性能和多元化的需求。 但是, 中國電力市場目前僅存在于發(fā)電與輸電之間, 尚未形成以電價為反饋信號的電網(wǎng)與客戶的互動機 制, 配電側(cè)和用電側(cè)形成有效的智能電網(wǎng)尚需時日。

電網(wǎng)不僅是電能輸送的載體, 也是實現(xiàn)能源資 源優(yōu)化配置的載體。智能電網(wǎng)應該從物理層面、 信 息通信支撐以及調(diào)度控制等環(huán)節(jié)全面建設。首先, 在物理層面應建設好輸電網(wǎng)架, 配置適應新技術需 求的智能元件和良好的測量裝置, 做到保護和控制 及時到位; 其次, 建立一個強大、 即時的通信信息網(wǎng) 絡; 同時, 建立一個高級控制中心[ 13] , 實現(xiàn)調(diào)度的智 能分析和控制。

中國特 色 的 堅強 智 能 電 網(wǎng) 發(fā)展 的 總 體 目 標 是[ 14] : 以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架, 以各級電 網(wǎng)協(xié)調(diào) 發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎, 利用先進的通信、 信息和控 制等技術, 構建以信息化、 自動化、 互動化為特征的 自主創(chuàng)新、 國際領先的堅強智能電網(wǎng)。特高壓的投 運也大大推動了智能電網(wǎng)概念的成熟。在智能電網(wǎng) 探索之路上, 中國的步伐舉足輕重, 將是各國關注的 焦點。然而, 在智能電網(wǎng)建設初期, 發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)必將面臨成本上升的問題, 需要政府從提升全 社會資源利用率的角度, 對相關政策進行調(diào)整, 以保 證智能電網(wǎng)的健康發(fā)展。

2 智能電網(wǎng)的本質(zhì)動因

智能電網(wǎng)概念的提出, 以及智能電網(wǎng)建設的不 斷推進, 都有著特殊的推動因素。本文基于社會經(jīng) 濟發(fā)展的階段性特征、 能源可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求 以及電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律, 將智能電網(wǎng)建設的本質(zhì) 動因歸納為以下 7 個方面:

1) 社會經(jīng)濟發(fā)展與全球金融危機

全球能源衰竭日益嚴重, 但社會經(jīng)濟快速發(fā)展 又促使能源消費急劇增加, 這對電力發(fā)展提出了更 高要求。一方面, 要加快各級電網(wǎng)建設, 構筑結(jié)構合 理、 能力強大、 運行靈活的電網(wǎng)系統(tǒng); 另一方面, 要依 靠科技進步, 進一步提升電網(wǎng)調(diào)度管理水平, 提高供 電可靠性和電能質(zhì)量, 實現(xiàn)安全可靠和經(jīng)濟高效的 電力供應。

本次全球金融危機爆發(fā)前, 智能電網(wǎng)的概念已 被提出, 人們開始設想未來電網(wǎng)應具備所期望的各 種智能化功能。金融危機的爆發(fā)促使許多國家紛紛 出臺刺激經(jīng)濟復蘇計劃。電網(wǎng)作為不可或缺的基礎 性社會設施, 容易與先進 的電子信息技術 相結(jié)合。 電網(wǎng)的改造升級及優(yōu)化不僅關系國計民生, 而且還 能帶動相關領域( 信息業(yè)、 材料業(yè)、 裝備制造業(yè)等) 的 發(fā)展, 既有利于促進經(jīng)濟增長, 又能緩解就業(yè)壓力。 因此, 金融危機成為了驅(qū)動智能電網(wǎng)熱的標志性事 件, 如美國奧巴馬政府提出的智能電網(wǎng)建設計劃。

2) 能源安全與環(huán)保約束

能源需求的快速增長對能源資源的可供量、 承 載能力以及國家能源安全提出嚴峻挑戰(zhàn); 全球氣候 變化使得環(huán)保約束日趨嚴格。資源節(jié)約型和環(huán)境友 好型的社會發(fā)展戰(zhàn)略目標, 要求電力工業(yè)肩負起節(jié) 能減排、 發(fā)展低碳經(jīng)濟、 保障經(jīng)濟社會和諧發(fā)展的重 任。因此, 大力發(fā)展可再生清潔能源成為了必然選 擇, 這對保障能源安全和緩解資源環(huán)境壓力都具有 重大意義。有效解決風電、 太陽能等新型可再生能 源的大規(guī)模開發(fā)、 接入、 遠距離輸送以 及消納等問 題, 要求電網(wǎng)更為堅強、 兼容, 具備更強的互動能力, 以真正實現(xiàn)能源資源在全國范圍的統(tǒng)一高效配置。

3) 高度靈活可靠的電網(wǎng)安全性要求

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的快速發(fā)展和互聯(lián)大電網(wǎng)的逐步 形成, 特高壓、 遠距離輸電、 交直流混聯(lián)、 大送端及大 受端、 電源形式多元化等特征日趨明顯, 電網(wǎng)運行工 況極具復雜性, 如何有效抵御各類嚴重故障, 降低事 故風險, 對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、 運行與管理等各個環(huán)節(jié)都提出了極大的安全性挑戰(zhàn)。未來電網(wǎng)應具備多級 一體化協(xié)調(diào)的高度靈活可靠性, 以提升駕馭大電網(wǎng) 安全運行的能力。

4) 清潔高效的電網(wǎng)經(jīng)濟性要求

面對資源節(jié)約和環(huán)境友好的社會發(fā)展需求, 電 網(wǎng)既要充分提高能源效率, 又要節(jié)能環(huán)保, 實現(xiàn)清潔 高效的經(jīng)濟運行。因此, 積極采用先進技術, 推廣使 用高效節(jié)能的發(fā)電及輸電設備, 改進發(fā)電調(diào)度方式, 加強電力需求側(cè)管理, 是未來電網(wǎng)建設的要求。

智能電網(wǎng)建設初期階段, 綠色電力成本較高, 另 外, 隨著人們用電習慣的改善, 電費支出將減少?？?以預見, 同一時間段內(nèi)電網(wǎng)公司的經(jīng)濟效益將會下 降, 但可以帶來全社會效益的最大化。

5) 高度信息化與自動化的調(diào)度需求

調(diào)度是電網(wǎng)安全運行和資源優(yōu)化配置的關鍵。 一方面, 電網(wǎng)層級增多, 電氣聯(lián)系增強, 電網(wǎng)運行特 性更加復雜; 同步運行的設備數(shù)量和用戶數(shù)量大幅 增長, 交換功率容量顯著提高, 加劇了電網(wǎng)運行工況 和潮流的多變性; 交直流混聯(lián)加大了電網(wǎng)運行控制 的難度; 大型水電、 火電、 核電、 風電基地加快開發(fā), 機網(wǎng)協(xié)調(diào)矛盾更加凸顯, 全局統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制成為電 網(wǎng)調(diào)度的必然, 而這一目標又強烈依賴于高度信息 化與自動化的技術支撐。另一方面, 電力運行要求 功率實時平衡的特性導致電網(wǎng)中大量的發(fā)輸變配資 產(chǎn)的投入僅是為了滿足峰荷需求, 設備利用小時數(shù) 不高。如果通過合理調(diào)配, 所有發(fā)電機都運行在其 最優(yōu)出力附近, 則可以大大減少裝機容量, 既節(jié)約了 社會資源, 又減少了碳排放。

6) 高質(zhì)量及多元化的用電需求

隨著生活水平的不斷提高, 用戶對用電安全性、 電能質(zhì)量及電力多元化服務的需求會越來越高。然 而, 目前的電網(wǎng)狀況還遠未能滿足人們對用電服務 的期 望。此外, 風電、 光伏發(fā)電等分布式能 源的接 入, 要求配用電網(wǎng)絡能夠滿足雙向兼容性, 亟需智能 化的配用電技術予以支撐。

7) 新技術和新設備的廣泛應用

現(xiàn)代化的新理念、 新技術和新設備的不斷涌現(xiàn), 先進的信息、 通信、 網(wǎng)絡、 新能源、 新材料、 傳感器、 儲 能、 電力電子等新型技術及設備在電力系統(tǒng)中的廣 泛應用, 為電網(wǎng)的智能化運行和控制提供了技術保 障, 使智能電網(wǎng)有了實現(xiàn)的可能。

3 智能電網(wǎng)的技術需求

智能電網(wǎng)要求具備高度的安全可靠性和靈活互 動性, 能夠充分提高能源利用效率, 促進綠色電力發(fā) 展, 提高電能質(zhì)量, 滿足多元化的用電需求。智能電網(wǎng)建設的本質(zhì) 動因直接驅(qū)動了其技術 的需求和發(fā) 展。

安全可靠供電是電網(wǎng)運行的第一要義, 對于智 能電網(wǎng)更應如此, 既要求物理結(jié)構的可靠性, 又要求 支撐技術的先進性。因此, 應采用新型先進的發(fā)輸 變配電設備, 構建堅強可靠的網(wǎng)架; 研究靈活交直流 輸電技術, 提高電網(wǎng)輸送能力和控制靈活性; 開展大 電網(wǎng)安全穩(wěn)定、 智能調(diào)度、 狀態(tài)檢修、 全壽命周期管 理、 智能防災和應急技術, 提高大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運 行水平及綜合防御能力。

提高能源資源的利用效率, 應從 3 個方面開展: 一是提高發(fā)電資源利用效率, 需要研究先進的發(fā)電 和儲能技術、 多能源聯(lián)合協(xié)調(diào)優(yōu)化技術; 二是提高電 網(wǎng)運行和輸送效率, 降低電網(wǎng)全局損耗, 需要研究電 網(wǎng)優(yōu)化分析與運行技術, 安排合理的運行方式; 三是 提高用戶側(cè)能源資源利用效率, 研究需求側(cè)智能化 管理技術。

發(fā)展綠色電力能 夠降低能源消耗和污染物排 放, 需要研究可再生能源并網(wǎng)、 監(jiān)視、 預測、 分析、 控 制等相關技術; 研究節(jié)能環(huán)保的優(yōu)化調(diào)度技術, 促進 綠色能源發(fā)展與利用; 研究分布式電源接入技術和 微電網(wǎng)技術、 微透平技術, 促進用戶側(cè)可再生能源的 利用, 提升用電可靠性。

要實現(xiàn)電網(wǎng)的靈活互動, 應促進電源、 電網(wǎng)及用 戶之間的協(xié)調(diào)互動運行。因此, 需要研究機網(wǎng)協(xié)調(diào) 運行控制技術, 推進機網(wǎng)信息雙向?qū)崟r交互; 推廣發(fā) 電廠輔助服務考核技術, 提高發(fā)電企業(yè)主動參與電 網(wǎng)調(diào)節(jié)的積極性; 研究互動營銷和智能電表技術, 提 高電網(wǎng)與用戶間的互動水平和用戶服務質(zhì)量。

信息和通信技術是堅強智能電網(wǎng)建設的支撐技 術, 是堅強智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)運行的重要基礎, 是智能 電網(wǎng)實現(xiàn)互動開發(fā)的載體。需要深入 開展信息采 集、 傳輸、 存儲、 處理、 集成及安全等多方面技術的研 究; 研究堅強智能電網(wǎng)的通信 體系架構, 建立大容 量、 高速實時、 具有時間同步和業(yè)務感知能力的下一 代光傳輸網(wǎng), 滿足堅強智能電網(wǎng)對信息和通信技術 的要求。

4 智能電網(wǎng)建設的突破點

智能電網(wǎng)涉及發(fā)電、 輸電、 變電、 配電、 用電及調(diào) 度等環(huán)節(jié)的全過程, 因此, 建設智能電網(wǎng)是一項復雜 的系統(tǒng)工程, 需要夯實基礎, 尋找突破點, 逐步提升 和完善。

發(fā)電環(huán)節(jié)應著重于提升大規(guī)?？稍偕茉吹南?納能力, 研究可再生能源( 風電、 光伏發(fā)電) 的調(diào)峰調(diào) 頻技術, 提升可再生能源的機網(wǎng)協(xié)調(diào)運行水平; 研究 常規(guī)機組深度調(diào)峰技術, 適應大規(guī)模間歇式新能源的接入; 推動大容量儲能技術研究, 研究風光儲協(xié)調(diào) 控制技術; 分析直流輸電對新能源的影響與作用, 將 直流輸電的快速調(diào)節(jié)能力運用 于大范圍的功 率調(diào) 配。

在加快建設各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強網(wǎng)架的同 時, 輸電環(huán)節(jié)應廣泛采用靈活交流輸電技術, 提高線 路輸送能力和電壓、 潮流控制的靈活性; 需要大力加 強輸電線路防災減災和抵御風險的能力。因此, 需 要重點突破輸電線路在線監(jiān)測技術, 解決監(jiān)測手段、 通信方式和信息處理等關鍵技術。

變電環(huán)節(jié)需要制定智能變電站和智能裝備的技 術標準和規(guī)范; 建設智能電網(wǎng)完整、 準確、 及時、 一致 和可靠的信息采集系統(tǒng), 開展基礎信息統(tǒng)一信息建 模及工程實施技術研究, 構建就地、 區(qū)域、 廣域綜合 測控保護體系。因此, 需要重點突破各類電源規(guī)范 接納技術, 滿足各類用戶的多樣化服務需求; 完善智 能設備的自診斷和狀態(tài)預警能力。

配電環(huán)節(jié)需要強化配電網(wǎng)基礎信息管理, 構建 智能配電技術架構體系, 加強技術評估與標準化建 設。重點突破在分布 式電源接入、 集中/ 分散式 儲 能、 電動汽車充電站、 智能調(diào)度和通信、 實用型配電 網(wǎng)自動化等方面的關鍵技術研究并全面推廣應用。

在用戶服務環(huán)節(jié)構建智能用戶管理與服務體系 架構, 建立相應的標準規(guī)范。研究智能電能表等高 級量測裝置關鍵技術和功能規(guī)范, 形成智能用戶管 理與服務標準規(guī)范 體系。廣泛 推動智能電能 表應 用, 推廣建設高級計量管理體系, 開展用戶能效診斷 等增值服務。重點突破智能用戶管理與服務技術支 持平臺和雙向互動平臺的建設, 研制客戶電源及儲 能元件接入監(jiān)控系統(tǒng)。推動智能電器技術研發(fā)和廣 泛應用。

調(diào)度環(huán)節(jié)在已有調(diào)度支持技術的基礎上, 應重 點突破主動式全景可視化技術 和在線并行計 算技 術、 多級協(xié)調(diào)安全校核技術、 大規(guī)模新能源接入的運 行控制技術, 以及大范圍水電、 火電、 風電等的聯(lián)合 優(yōu)化調(diào)度技術。實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度安全防御、 運行優(yōu)化、 高效管理等實用功能, 切實提升調(diào)度駕馭大電網(wǎng)能 力、 資源優(yōu)化配置能力、 科學決策管理能力和靈活高 效調(diào)控能力。

為了適應高峰負荷, 必須安裝足夠的機組, 建設 足夠的輸配電網(wǎng)架, 但是會造成發(fā)輸變配電設備利 用效率較低和社會資源浪費。因此, 要大力發(fā)展先 進儲能技術。目前的儲能裝置存在容量低、 沖放電 效率不高、 壽命短等缺陷, 遠未達到大規(guī)模商業(yè)化運 行的需求, 需要材料、 物理、 化學、 電工等領域共同著 手, 尋求突破。

5 結(jié)語

電網(wǎng)不僅是電能輸送的載體, 更是實現(xiàn)能源資 源優(yōu)化配置的載體。由于中國能源資源和電力需求 的逆向分布, 需要在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)能源資源的優(yōu) 化配置。具備堅強可靠、 經(jīng)濟高效、 清潔環(huán)保、 靈活 互動、 友好開放等性能的堅強智能電網(wǎng)為實現(xiàn)這一 目標提供了可行途徑。然而, 智能電網(wǎng)建設是一項 長期而復雜的系統(tǒng)工程, 需要全社會參與。因此, 必 須遵循可靠性原則, 夯實電網(wǎng)結(jié)構, 從全局角度實現(xiàn) 電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟性的高效優(yōu)化協(xié)調(diào)。必須以特高 壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架, 以各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電 網(wǎng)為基礎, 利用先進的通信、 信息和控制等技術, 構 建以信息化、 自動化、 動化為特征的 堅強智能電網(wǎng)。

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