电动汽车充放电站建设研究试验院解析.docx

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电动汽车充放电站建设研究试验院解析

电动汽车充放电站建设研究

第一部分电动汽车充放电站发展前景

1.概述

2.电动汽车充放电站模式分类

3.电动汽车充放电站前景展望

第二部分电动汽车充放电站建设需求分析

1.电动汽车充电量的总体需求

2.电动汽车运行模式

3.动力电池特性及充电时间

4.充电场所及其环境条件

第三部分电动汽车充放电站建设基本要求

1.电动汽车充放电站选址

2.电动汽车充放电站土建规模

第四部分电动汽车充放电站电气设计

1.电动汽车充放电站接入系统方案

1.1根据电动汽车充放电站模式确定接入系统方案

1.2供电线路设计及电力设备选型

1.3接入系统的测量、检测、保护

2.充电机及谐波抑制方案

2.1充电机(定义、原理、分类)

2.2谐波抑制方案(大容量充电机对电网影响及谐波抑制治理)

2.3电动汽车充放电站信息采集与自动化控制系统

3.基于智能电网层面的充放电装置逆变方案

4.动力充电电池的梯次利用

第五部分电动汽车充放电站典型建设方案

1.常规

2.快充

3.机械

Zjc:

1、标题是充放电站,内容全部是充电站。

2、充电站中,充电、检测、维护、计量、控制应一体化进行。

在设备配置时应考虑到这点。

3、可以对充电站进行定位,分类不同,功能不同,典型配置也不一样。

4、充电站的运营策略和模式可以随后考虑(不一定放在这部分)。

最新要求:

(1)开展充放电站功能、类型和技术要求研究;

(2)根据充放电站建设规模,研究充放电站供电容量、电压等级、内部主要设备、充放电管理等建设方案;(3)根据电动汽车充放电站建设标准和河南经济社会发展情况,提出电动汽车充放电站典型配置原则。

第一部分电动汽车充电站发展前景

1.概述

能源与环境已成为当前全球最为关注的问题。

传统燃油汽车作为消耗石油资源和污染环境的大户,正在不断受到新型清洁汽车的冲击。

电动汽车以电代油,能够实现“零排放”,噪音低,是解决能源和环境问题的重要手段。

随着石油资源的紧张和电池技术的发展,电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车,并开始在世界范围内逐渐推广应用。

以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势已经成为普遍共识。

充电系统为电动汽车运行提供能量补给,是电动汽车的重要基础支撑系统,也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。

充电站的建设,不仅可以解决充电方便性的问题,并且通过充电模式的选择——常规慢充、快速充电、换电池模式等,还可解决充电的时间问题。

更重要的是,充电站可兼顾电池的维护、管理功能,可以延长电池的使用寿命,降低电动汽车的使用成本。

然而,充电站不够普及是目前纯电动汽车产业化面临的最大问题。

由于受充电站的限制,中国示范运行的纯电动汽车只能应用在规定的线路上,一般多是在公交线路、旅游景点或汽车企业内部。

因此,建立一定数量的公用充电站、配备专用电缆及插座等是实现纯电动汽车产业化的关键,没有完善的基础配套设施尤其是充电站,即使纯电动汽车的技术再先进也等于“零”。

总之,为了更好地为纯电动汽车产业服务,推进其产业化的进程,建立一定数量和规模的电动汽车充电站是必要的,也是必须的。

2.电动汽车充电站模式分类

电动汽车充放电站是电动汽车的最基本配套设施,当电动汽车动力电池电能消耗到一定程度,就需要使用充电装置对其动力电池补充电能,从而满足电动汽车循环使用的要求。

根据电动汽车充电模式及其动力电池的组的技术和使用特性,电动汽车充放电站可大致分为:

常规充电站、快速充电站、机械充电站和便携式充电几种类型。

2.1常规充电站

1)概念

常规充电采用小电流(十几到几十安)的恒压或恒流充电,一般充电时间为5~8小时。

2)优缺点

常规充电模式的优点为:

单台充电机功率不大,安装建设成本比较低;可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本;常规充电模式的主要缺点为充电时间较长,当车辆有紧急运行需求时难以满足。

3)适用范围

这种充电模式通常适用于:

设计电动汽车的续驶里程尽可能大,需满足车辆一天运营需要,仅仅利用晚间停运时间充电。

常规充电站一般规模较大,以便能够同时为多辆电动汽车进行充电。

2.2快速充电站

1)概念

快速充电又叫应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的十几分钟至2小时内,为其提供短时充电服务,一般充电电流为100~400A。

2)优缺点

快速充电模式的优点为:

充电时间短;由于充电在短时间内(约为10-15分钟)就能使电池储电量达到80%-90%,因此,建设相应充电站时可不配备大面积停车场。

快速充电的缺点为:

充电机功率大,相应的安装建设成本较高;由于采用快速充电,充电电流大,这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求,同时计量收费设计也需特别考虑。

大电流充电可能会对公用电网产生有害的影响。

3)适用范围

电动汽车续驶里程适中,即在车辆运行的间隙进行快速补充电,来满足运营需要。

2.2.3机械充电站

1)概念

机械充电站主要的特点就是电池组快速更换。

通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其补充电能的目的,对卸载下的电池采用地面充电系统进行补充充电。

更换电池的时间一般为十几分钟,与燃油汽车加油时间相仿。

更换电池的专业化要求较强,需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。

2)优缺点

采用这种模式,具有如下优点:

电动汽车用户可租用充满电的电池,更换已经耗尽的电池,有利于提高车辆使用效率,也提高了用户使用的方便性和快捷性;对更换下来的电池可以利用低谷时段进行充电,降低了充电成本;可以对电池进行统一维护和管理,有利于提高电池的寿命。

这种模式应用面临的几个主要问题是:

电池与电动汽车的标准化;电动汽车的设计改进、充电站的建设和管理,以及电池的流通管理等。

3)适用范围

电池组设计标准化和易更换的电动汽车,还有运营中需要及时更换电池来满足运行的电动汽车。

2.2.4便携式充电

这种充电模式采用车载充电装置,它将一根带插头的交流电缆线直接插到电动汽车的插座中给电动汽车充电,充电电流一般为十几安,充电时间约8~10小时。

这种充电模式主要针对具有独立停车位的小区和住宅,可以利用小区和住宅原有的配电系统或进行适当改造后进行充电,多以充电柱的型式出现。

另外,还有一种汽车在路上巡航时的充电方式,即所谓的移动式充电(MAC)。

接触式和感应式的MAC系统都可实施。

目前的研究主要集中在感应充电方式,因为它不需要机械接触,也不会产生大的位置误差。

这种充电方式的投资巨大,现在仍处于实验阶段。

综上所述,各种充电模式都有自身的特点和适用范围。

在应用中,可以将上述方法进行有机结合,以满足实际要求。

3.电动汽车充放电站前景展望

国家电网作为对于关系中国国家能源安全与国民经济命脉的全球最大的公用事业企业,仅仅做到保证电力的安全可靠供应是远远不够的。

电网不仅是连接电源和用户的电力输送载体,而且是我国能源战略布局的重要内容、能源产业链的重要环节和国家综合运输体系的重要部分。

我国电网已经成为当今社会最为重要的战略基础设施之一,而且在未来其重要性还将进一步凸现,尤其是在一次能源资源和生产力发展水平分布极不平衡的中国更是如此。

电力公司将电动汽车作为公司的战略性发展方向之一,同时电力公司也是推动电动汽车发展的重要力量。

鉴于电动汽车的发展趋势,以及目前电动汽车示范运营的实际,进行充电站的建设具有较强的战略意义。

由于公用充电站是电动汽车产业化的瓶颈,充电站的建设可以抢先通过市场布局引导电动汽车的消费。

通过战略布局抢占市场,培育客户,引导需求,缓解今后电力市场供给过剩,从而培养其成为电力市场新经济增长点。

充电站基础设施建设的方式可以多样化:

电力公司投资建设,参股建设,单独承建等灵活方式。

依据电动汽车的应用领域、技术特性等,电动汽车充电站的设计和建设都要考虑充电电池的电压等级、充电电流、常规充电和应急充电等一系列问题。

由电力部门组建充电站生产企业,规划充电站的建设布局,降低充电站成本。

电动汽车的快速充电,将对电网产生冲击,而慢充过程需要5-6个小时,对系统的要求较低。

制定合理的分时电价,引导电动汽车车主利用夜间电力负荷低谷时期的富裕电力进行充电,这样电动汽车的用电增长不会给电力系统带来增容压力,反而对电网的经济运行十分有利,提高了电力资源的利用效率,有利于国民经济的健康发展。

电网企业通过政策支持,投资建设一些集中的充电站,可以把这个谷电利用起来。

初期,在城市中心区建立若干个分布合理的集中式快速充电站,还可以把一些交通部门、城市管理部门纳入进来。

同时,还可考虑在停车场划出一片方便的专供电动汽车使用区域,给电动汽车优先停车、免费停车,等等,促进充电站建设和电动汽车使用的良性循环。

由于我国的住宅普遍达不到一户配备一个车库,电网企业还可与城市小区物业和大型停车场联合,在公共停车场加装充电设备,计费充电。

另外,电网企业及多种产业企业在不同的城市都有许多适合建设充电站的土地资源,再加上政府的配套补贴政策,在充电站市场占有相当的份额,通过精心研究,努力争取,完全是有可能的。

加大进行充电站的研究建设力度,力争能够在区域充电站建设方面占主导地位。

另外,进行电动汽车充放电站的建设、加快推动电动汽车行业的快速发展是建设资源节约型、环境友好型国家的重要技术途径,也是实现温室气体减排、为解决全球气候变化问题做的有效手段。

 

第二部分电动汽车充放电站建设需求分析

1.电动汽车充电量的总体需求

电动汽车充电量的总体需求是影响充电站布局的关键因素。

只有充电量达到一定规模之后,充电站才可能实现经济地大规模布点。

电动汽车充电量与电动汽车保有量及车辆的日均行驶里程、单位里程能耗水平等相关。

电动汽车充电量是电动汽车充放电站建设的前提要素,充放电站的建设必须满足总的充电量的要求。

而这个总的充电量需要在充分分析研究本地区电动汽车保有量和将来的规划量、预计量的资料基础上得出,而日均行驶里程和单位里程耗能水平和电动汽车的车型、车况有关。

2.电动汽车运行模式

在不同的运行模式下,电动汽车对其续驶能力和充电时间要求也不同,直接影响充电站的建设方式和功率需求。

2.1示范区用车

示范区用车运行范围相对集中,为了提高车辆运营效率,建议采用常规充电和更换电池组相结合的方式,可以在示范区内建立集中的充电站(电池更换点)。

2.2集团车辆

包括工程车、公务车、商务车等。

其行驶里程和路径可预估,一次充电可基本满足往返运行里程。

可以采用常规充电方式,充分利用夜间或停运时段进行充电。

集团车辆一般可在固定停车场建立充电站,主要利用夜间用电低谷时段充电。

特殊情况下公务车、商务车运行线路、里程可能多变,可在其相应出行范围内提供快速充电站设施。

2.3社会车辆

2.3.1公交车

公交车用来满足公共交通需要,行驶线路固定,一般在首末端建有大型停车场,夜间停运。

一次充电难以满足一日的运行要求,应能实现电能快速补充。

可以采用常规充电和更换电池组相结合的方式,停运时进行常规充电,运营时采用电池更换方式。

可在停车场建立集中的充电站(电池更换点),实现规模化运作。

2.3.2出租车

出租车运行线路和区域具有不确定性,并且可能一日24小时连续运营。

一次充电不能满足一日运行要求,停运时间短,要求能量补给时间短。

出租车车型和电池型号较为统一,可以采用电池更换方式,在市区适当位置建立机械充电站。

2.3.3环卫车、邮政车

环卫车、邮政车运行线路较固定,在所属单位有自己的停车场,存在停运时段。

一次充电可基本满足往返运行里程。

可以采用常规充电方式,充分利用夜间停运时段进行充电。

可在固定停车场建立充电站,主要利用夜间用电低谷时段充电。

2.3.4私家车

私家车满足个人出行需要,线路、里程一般能预先估计,夜间基本停运。

私家车电池容量较小,停运时一般停放在停车场或地下车库内,可以利用停车场提供的交流电源采用便携式充电机为车辆充电。

特殊情况下私家车的线路、里程可能多变,可在其相应出行范围内提供快速充电站设施。

这里特别要提及的是,电动汽车应充分利用电网低谷电价阶段进行充电,对车辆所有者而言,最大限度降低运行成本,而电网公司则可借此调节电网的峰谷差。

此外,对于充电站而言,车辆进入充电站的运行机制也会影响着充电站功率需求。

车辆进入充电队列时间越集中,充电站电力负荷将越大,充电站功率需求将越大。

3.动力电池特性及充电时间

不同种类动力电池具有不同的充电特性,最佳充电率在0.2~2.0C之间。

电池系统额定电压相同的情况下,最高充电电压由于电池种类、结构型式上的区别也体现出一定的差别。

充电电流越大、充电电压越高,单车充电功率需求越大,导致充电站容量需求越大。

对于不同种类的电池,充电方法及充电控制策略也不同。

应根据其电池特性不同采用不同的充电方法,如恒流法、恒压法、恒流限压法及特定曲线法等。

电池组充电控制的策略,无论侧重于电池安全,还是保证最佳续驶里程,或是两者间折中,确定的充电参数都存在一定差异。

不同运行模式的电动汽车对充电时间提出了不同的要求,而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。

在对充电时间要求不高的情况下,可在停运时间利用电力低谷进行常规充电,延长车辆的续驶里程,如夜间停止运行的公交车辆、公务车、特种车辆或私家车等;在充电时间较为紧迫的情况下,需要采用快速充电或电池组快速更换及时实现电能补充,如出租车和在线路上运行的公务车或私家车等。

4.充电场所及其他环境条件

动力电池充放电工作效率受充电场所及环境条件的影响,尤其是受环境温度的影响。

在常温下,电池充电接受能力较强,随着环境温度的降低,其充电接受能力逐渐降低。

低温时电池放电效率降低,在同样的运行机制和行驶里程下,车辆能耗高、电池放电深度大。

同样,在低温下动力电池充电效率也降低。

因此,随环境温度降低,充电站功率需求将增加。

建设充电站时应尽可能保证其环境温度有利于电池充电要求。

 

第三部分电动汽车充放电站建设基本要求

1.电动汽车充放电站选址与布局

电动汽车充电站布局包括“需求”和“可能性”两个因素。

衡量充电站需求的主要指标是交通量与服务半径两个要素,决定可能性与否关键在于交通、环保及区域配电能力等外部环境条件与该地区的建设规划和路网规划。

1.1充电站分布与电动汽车交通密度和充电需求的分布尽可能一致

交通密度是指在单位长度车道上,某一瞬间所存在的车辆数,一般用辆车道表示。

根据定义,密度基本上是在一段道路上测得的瞬时值,它不仅随时间的变化而变动,也随测定区间的长度而变化。

为此,常将瞬时密度用某总计时间的平均值表示。

该区域的电动汽车交通密度越大,说明在区域内运行的电动汽车数量越大,从而对充电站点的需求也会越大。

充电需求是指一定数量的电动汽车在特定时间和特定地点对充电的需求。

充电需求和交通密度密切相关,但又受到电动汽车的运行方式的制约。

例如,对于电动公交车来说,其起(终)点站为其充电需求区域,会增加其运营线路上的电动汽车交通密度;企业班车以企业所在地为其充电需求区域,会增加其行驶线路上的电动汽车交通密度。

充电站网点数量控制应考虑与充电需求的分布尽可能保持一致,应与各区域的电动汽车交通密度成正比。

1.2 充电站的布局应符合充电站服务半径要求

电动汽车充电站的分布可以参考建设部《城市道路交通规划设计规范》(1995)中的加油站服务半径规定,结合电动汽车自身的运行特点以及各区域的计算服务半径按实际需要设定。

由于各交通区域的交通密度不一样,反映充电站网点密度的服务半径也各不相同。

动力电池的续驶能力是影响充电站服务半径的另一大因素。

目前,电动汽车动力电池的理论单次充电行驶里程在150~200km左右,实际上,考虑电池的寿命老化、交通拥堵等现实因素,从保证电动汽车使用者连续行驶角度出发,充电站的服务半径应以电动汽车单次充电行驶里程100km(甚至更短)计算。

只有这样才能有效保障电动汽车的持续行驶能力。

1.3 充电站的设置应满足城市总体规划和路网规划要求

充电站布局是对不同区域的充电站需求条件分析后得出的结果,但是充电站具体选址定点还须考虑其实施的可能条件。

充电站的选址定点应结合地区建设规划和路网规划,以网点总体布局规划为宏观控制依据,经过对布局网点及其周围地区规划选址方案的比较,确定网点设置用地。

从长远考虑,充电站的设置应有与城市规划和路网规划相匹配的统筹规划。

政府应对充电站的建设应采取市场准入制度,根据城市发展规划及电动汽车推广应用情况对充电站布局建设做出科学规划安排,防止出现“一窝蜂”的重复投资现象,减少投资浪费。

1.4 充电站的设置应充分考虑本区域的输配电网现状

电动汽车充电站运营时需要高功率的电力供应支撑,在进行充电站布局规划时,应与电力供应部门协调,将充电站建设规划纳入城市电网规划中。

城市电网规划是城市电网发展和改造的总体计划。

将充电站布局规划纳入到城市电网规划中,可以提高充电站电能供应的安全性和稳定性,为充电站运营提供可靠的电力供应保障。

另外,由于电动汽车充电设备是一种非线性负荷,工作时产生的谐波电流很高,谐波注入电网会造成电能质量降低等负面影响。

在充电站快速短时充电时,由于负荷变化太快,冲击电压也可能电网造成影响。

同时,电动汽车充电量的需求也将影响着供电系统中充电方式及导线、开关电器和变压器等设施的选择,以保证供电系统安全运行。

这些都需要在建设充电站时予以考虑。

1.5 充电规划应充分考虑电动汽车未来发展趋势

随着国家强力推动,电动汽车行业将会出现长足发展。

在进行电动汽车充电站布局规划时应充分考虑到电动汽车的推广应用对充电站建设的推动作用,规划应具有前瞻性和全局性,应留有潜力,能够适应未来数年内电动汽车的发展要求。

1.电动汽车充放电站土建规模

不同类型的充放电站土建规模方式也不同。

2.1常规充电站模式

常规充放电站利用夜间电力负荷较低时对电动汽车充电,并且多为示范区车辆、集团车辆。

这种充放电站主要由监控室、办公室、充电机放置区、停车场、行车道等部分组成。

监控室宜单独设置、便于监控。

当组成综合建筑物时,监控室宜设在一层平面,并且应为相对独立的单元,与其它单元之间不应有直接的通道。

监控室不宜与高压配电室毗邻布置,耐火等级不应低于二级。

室墙面应平整、不积灰、易于清洁且不反光。

办公室应满足基本的建设规范。

充电机放置区应高出地面一定高度,满足防雨、防积水要求,上面还应有防雨雪顶棚。

停车场的设计应在满足现有本单位车辆的基础上留出百分之十的裕量,还应靠近充电机以便于充电,同时距离不应防碍其他车辆的充电和通行。

行车道的单车道宽度不应小于3.5m,双车道宽度不应小于6m,道路转弯半径按行驶车型确定,且不宜小于9m;道路坡度不应大于6%,且宜坡向站外。

2.2快速充电站

快速充电站是要满足在车辆运行的间隙进行快速补充电能的需要,大部分为特殊情况公务车进行充电。

由于快速充电时间较短,充电站规模不必太大,现有的加油站可作为参考模型。

快速充电站主要由监控室、办公室、充电机、行车道等部分组成。

监控室与办公室的建设模式可参照常规充电站的方式。

充电机的放置密度可适当加大,并要和行车道配合,应考虑满足按设计的电动汽车数量同时充电时的空间距离要求。

充电站的总体设计还要考虑防雨雪覆盖、防温升过高和防积水要求。

2.3机械充电站

机械充电站比较复杂,它在涵盖常规充电站、快速充电站的特点的基础上又新加了很多新的内容。

由于机械充电站的主要特点是大批量动力电池频繁更换,这种充电站可以设计成一个封闭充电间。

里面可以分为配电站、监控室、充电机、充电平台、电池更换库、电池更换区、维护车间、室外停车场。

充电站的配电站包括变配电、照明及其它用电配电两部分。

前者将10kV电源通过变压器等设备供给充电机充电;后者用于满足照明、控制设备的供电,配电站配备计量设备,用于计量输入电量。

监控室用于监控充电机的运行情况、数据库管理、报表打印等。

充电机完成电池能量的补给。

既可以满足应急性整车充电要求,也支持日常地面补充充电。

充电平台用于摆放卸载下来的电池。

内有充电插座、电池管理系统供电、电池管理系统内部网络、与充电机之间的通讯网络等接口。

充满电的电池箱按车辆编组完毕后,放于电池更换库,车辆卸载完毕电池之后,从这里领取电池装车。

需要更换电池的车辆进入更换电池区进行电池更

换。

另外,需要应急充电的车辆也停靠在更换电池区,通过充电延长线引到车上,进行补电。

维护车间包括筛选和维护、充电间以及备用电池库。

电池进入维护车间后,首先进行电池的筛选,确定电池的好坏。

不能使用的电池进行恰当处理,避免污染环境;可以继续使用的电池进行维护和活化。

维护完的电池送充电间充满电后,进行装箱,为编组准备电池。

而室外停车场仍然要在考虑规划的基础上流出裕量。

2.4便携式充电

便携式充电主要针对是私家车,这种充电方式需要充分考虑小区或是个人住宅的建设、配电方式,利用充电柱的形式对车进行充电。

这种方式土建方面要求不太高,主要是满足基本的稳定、美观。

3.供电系统

供电系统的布置设计应符合《电动汽车充电站供电系统规范》中7.3、8.2以及第10章相关条款的规定。

第四部分电动汽车充放电站电气设计

1.电动汽车充放电站接入系统方式

1.1电动汽车充放电站负荷等级确定

负荷等级

参照GB50052-95《供配电系统设计规范》中的负荷分级标准,根据充电站的规模和重要性,将其列入不同的负荷等级:

具有重大政治、经济、安全意义的充电站,如为大型国际活动或公共活动服务等,或中断供电将对公共交通造成较大影响或影响重要单位的正常工作的充电站,如大型公共交通充电站,电力抢修车辆专用充电站等,列入二级负荷。

其他充电站列为三级负荷。

供电要求

二级负荷的供电系统,宜由两回线路供电。

在负荷较小时,可由一回10kV架空线路或电缆供电。

当采用架空线时,可为一回架空线供电;当采用电缆线路时,应采用两根电缆组成的线路供电,其每根电缆应能承受100%的二级负荷。

1.2电动汽车充放电站典型接入系统方案

1.2.1常规充电

(1)典型常规充电站的规模

根据目前电动汽车常规充电的数据资料,一般以同时为20—40辆电动汽车充电,这种配置是考虑充分利用晚间谷电进行充电,缺点是充电设备利用率低。

在高峰时也考虑充电,则可以60—80辆电动来配制1个充电站,缺点是充电成本上升,增加高峰负荷。

(2)充电站电力配套的典型配置

a方案——建造配电站设计2路10kV电缆进线(配3×70电缆),2台500kVA变压器,24路380V出线。

其中2路为快速充电专用出线(配4×120电缆、50m长、4回路),2路为机械充电或备用出线,其余为常规充电出线(配4×70电缆、50m长、20回路)

b方案——设计2路10kV电缆线(配3×70电缆),设置2台500kVA用户箱变,每台箱变配4路380V出线(配4×240电缆、20m长、8回路),每路出线设置1台4回路电缆分支箱向充电柜供电(配4×70电缆、50m长、24回路)。

1.2.2快速充电

(1)典型快速充电站的规模

根据目前电动汽车快速充电的数据资料,一般以同时向8辆电动汽车充电来配置一个充电站。

(2)充电站电力配套的典型配置

a方案——建造配电站设计2路10kV电缆进线(配3×70电缆),2台500kVA变压器,10路380V出线(配4×120电缆、50m长、10回路)。

b方案——设计2路10kV电缆线(配3×70电缆),设置2台500kVA用户箱变,每台箱变配4路380V出线,供充电站(配4×120电缆、50m长、8回路)。

1.2.3

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