电网电能质量的检测及高压输电技术的研究.docx

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电网电能质量的检测及高压输电技术的研究

电网电能质量的检测及高压输电技术的研究

摘要:

各种电力整流设备、电力机车、变频装置等大量使用,导致电力系统的电压和电流波形产生较大程度的畸变,从而影响了电能的质量,对电力系统的安全、经济运行造成了极大的影响。

因此,采用电能质量监测系统对电力系统的进行检测变得非常必要,同时,随着社会发展对电能需求量的大幅度增加,发展对高压输电技术的研究也迫在眉睫。

本文介绍了基于小波变换和DSP数字化检测系统的检测网络使电网电能质量检测变和高压输电技术的研究状况。

关键词:

电网电能质量检测小波DSP高压输电技术特高压输电技术

一、电网电能质量的检测

随着科技的进步,现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化,诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展,由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性,使电网的电压波形发生畸变成引起电压波动和闪变以及三相不平衡,甚至引起系统频率波动等,对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”[1]。

电网中正面对越来越多的电能质量问题,这使得电能质量的研究十分紧迫。

电能质量检测是获得电能相关数据的最直接手段,也是电能质量其他后续高级应用研究的前端。

 

另一方面,电能质量正逐步受到供电企业和电力用户的共同关注。

进入20世纪90年代以来、随着半导体、计算机技术的迅速发展,一批高新技术企业应运而生,出现大量的微机控制装置和生产线.对电能质量提出了新的要求;而电力市场的发展,使供电企业进一步认识到:

用户的需要也是自身的需要。

在这样的背景下,因电能质量不良而使用户设备停机或出次品的情况.仍应看作电能质量不合格。

当然,电能质量不良有多种情况,用户对电能质量的敏感程度也各不相同。

一船来说,供电企业可对不同的电能质量划分等级、分别定价、用户可以自由选择。

但由于我国目前还未能实现优质优价。

因此,进一步改善电能质量的工作基本上要求在用户侧解决。

随着各种用电设备对电能质量敏感度的变化,电能质量的范围进一步扩大.分类更细要求更高[2]。

在新的电力市场环境下,电能质量已成为电能这种商品的消费特性,很大程度上体现了供电部门服务品质。

所以有关部门正在加大对电能质量的监管和治理。

1.电网电能质量检测分类

1.1基于小波电网电能质量检测

小波变换的含义是:

把某一被称为基本小波[也叫母小波(motherwavelet)]的函数φ(t)作位移,再在不同尺度a下与待分析信号x(t)作内积。

小波方法是一种很好的电能质量信号检测和分析工具,小波变换可以利用不同的尺度对信号进行不同频段的分解,具有时频分析功能,在电能质量检测领域引起了广泛的关注。

但是,在实际信号的采集过程中,由于各种复杂的现场原因带来的噪声干扰会降低包括小波变换在内的许多方法的有效性,当噪声比较大的时候,小波方法甚至会失效。

因此,去噪在电能质量检测中是十分突出的一个问题但其性能往往受信号中噪声的影响。

1.1.1一般的小波消噪方法

在实际的工程中,有用信号通常表现为低频信号或是一些比较平稳的信号,而噪声信号则通常表现为高频信号。

所以消噪过程首先可对信号进行小波分解,噪声通常包含在尺度小的几层中,因而可以以门限阈值等形式对小波系数进行处理,然后对信号进行各种分析.一般来说,一维信号的消噪过程可分为3个步骤进行:

①一维信号的小波分解。

选择一个小波并确定一个小波分解的层数N,然后对信号进行N层小波分解。

②小波分解高频系数的阈值化。

对第一到第N层的每一层高频系数,选择一个阈值进行软阈值量化处理.

③一维小波的重构。

根据小波分解的第N层低频系数和经过量化处理后的第一层到第N层的高频系数,进行一维信号的小波重构。

以上提到的3个步骤中最重要的环节就是如何选取阈值和如何进行阈值的量化。

在阈值选取中有以下几种常用的阈值:

①固定的阈值形式,产生的阈值大小是T=2×log(L),其中L是信号的长度.

②SURE—基于史坦的无偏似然估计(二次方程)原理的自适应阈值选择。

对于一个给定的阈值t,得到它的似然估计,再将非似然T最小化,就得到了所选的阈值,它是一种软阈值估计器。

③启发式阈值选择—最优预测变量阈值选择,它是前两种阈值的综合。

如果信噪比很小,SURE估计有很大的噪声,这样就采取固定的阈值。

④极大极小原理选择阈值,它采用的也是一种固定的阈值,他产生一个最小均方误差的极值,而不是无误差。

在统计学上,这种极值原理用于设计估计器。

因为被消噪的信号可以看作与未知回归函数的估计式相似,这种极值估计器可以在一个给定的函数集中实现最大均方误差最小化。

对带噪信号进行分解时,它产生的高频系数将和噪声信号的高频分量相叠加。

如果用SURE或极大极小原理选择阈值时,由于其选取的规则比较保守(只将部分系数置为零),因此含有少部分高频信号的待处理信号。

这两种方法比较适合,它们可以将弱小的信号提取出来。

另外两种阈值选取原则,在去除噪声时很有可能把有用的高频特征信号当作噪声信号消除。

1.1.2两种使用的小波去噪方法

1、软阈值方法能根据各小波空间上特征分量和噪声的统计特性设置适当的阈值来消除噪声,并以此恢复小波方法的性能。

该方法不仅较好地解决了保护信号局部特征与抑制噪声之间的矛盾,能很好地对各种电能质量信号进行去噪处理,而且达到了数据压缩的效果。

仿真计算结果表明,该去噪方法是有效的。

基本原理:

小波分解的基本方法是利用Mallat塔式算法,根据式(4)对信号f(x)进行降阶分解。

波分解算法在每一尺度i下都将信号分解成概貌分量Ci和细节分量Di,在更高一级小波分解中,又将上一级的概貌分量Ci分解成频率成分更低的小波变换系数随尺度的增大而减小,连续信号的小波系数随尺度的增大而增大。

这样可以设定一阈值,利用该阈值按照一定的规则对小波系数进行阈值调整。

对经阈值调整后的各级小波系数按小波变换的反演算法进行信号重构,得到消噪后的信号阈值的选取一直是小波去噪的研究热点之一。

“硬阈值”算法[5]由于其自身缺陷而不适用于实际场合。

由于噪声信号强度的随机性,以及小波分解过程中信号与噪声的传播特性不同,每一层小波分解系数所采用的阈值应该是随小波系数的变化而变化的。

能实现这种变动阈值的方法就是软阈值去噪方法,这是斯坦福大学统计系的Donoho教授首先提出的[3]。

软阈值去噪方法近年来得到很大发展,其去噪效果被证明是很有效的。

2、根据前面的结论,可以把信号和噪声的小波分解特性与消噪估计法联合起来,先对带噪信号进行分解,对各尺度下的分解系数用较为保守的URE无偏估计法或极大极小值法计算阈值,然后进行量化处理。

处理后,再利用各尺度的结果,根据信号和噪声在小波空间的不同传播特性(随着尺度加大信号的小波变换系数也随之加大,而噪声的小波变换系数是逐渐减小),按尺度由小到大的顺序,逐层来估计信号的突变点。

加上噪声后的信号其第一、二层由原始信号的突变产生的模极大值完全被噪声掩盖了,完全无法再利用小尺度上模极大值的信息来检测信号的突变。

而经过阈值量化处理后,在小波变换的小尺度空间中去除了大部分的噪声信号,可以结合信号、噪声的传播特性进行进一步的估计。

同时,正如前面所提的,我们还可以观察到,不同的阈值算法有不同的特点,在此处,只有两种相对保守的阈值估计法较好地保留了有用信号的高频系数(当然也夹杂少量的噪声),而另两种方法则把有用的信号也给虑除了。

那么,就可以根据前两种算法保留下来的模极大值在小波空间的传播特性最后确定真实信号的奇异点。

1.1.3复合小波的应用

以往,大多是通过直接观察监测装置记录的扰动波形来进行扰动的初步分析和识别。

但对于已存储的大量电能质量扰动数据,采用这种方法既费时又费力,并且不能做到对电能质量扰动的自动识别和统计分析。

小波变换具有时频局域化性质,是分析非平稳信号的有力工具,小波变换的出现为电能质量分析提供了新的数学工具和研究方向。

目前,国内外已有许多学者开始应用小波变换对电能质量若干问题进行研究,其应用主要集中在对电能质量扰动进行检测和定位、电能质量扰动信号数据压缩、一电能质量扰动识别以及暂态电能质量扰动建模与分析等方面。

单小波变换作为一种流行的多分辨方法,可同时进行时域和频域分析,具有时频局部化和多分辨特性,在电能质量监测方面获得广泛应用。

然而正交单小波不能同时具有正交性、对称性、紧支集等性质。

复合小波,又称多小波,是小波理论的新发展,指由两个或两个以上函数作为尺度函数生成的小波。

最早的多小波是Alpert用多项式构造的不连续多小波,此后,Geronimo,Hardin,Massopust等人用分形插值方法构造了GHM多小波。

与单小波相比,复合小波可同时具有对称性、连续性和紧支集性等,利用复合小波能更好的识别干扰源,以及对电能质量问题进行诊断、定位和分类。

复合小波是一个多输入多输出系统,应用在电力信号分析中,作为输入信号的电压或电流是一个一维的离散信号,利用复合小波对输入信号作小波变换需要对输入信号进行预处理和后处理。

预处理和后处理的方法很多,不同的预处理和后处理方法适合于不同的复合小波,即使同一种复合小波,在不同的应用场合采用的预处理方法和后处理方法不同,效果也不相同,因此,对复合小波的选择需要根据复合小波特性和应用场合确定。

选择适合于特定复合小波和输入信号的预处理方法和后处理方法是复合小波应用的关键,合适的预处理和后处理方法可以使复合小波获得优于单小波的效果。

因而对于复合小波在电能质量信号分析中应用的研究具有重要的意义和应用前景。

1.2基于DSP电网电能质量检测

随着数字信号处理技术的迅速发展和广泛应用,采用数字化检测电能质量已成为当今和未来电能检测技术发展的一个新热点。

而目前能够用于电能质量分析的处理器更新速度很快,通过处理器的升级来实现产品的升级会使得开发周期加长,导致产品跟不上市场的变化。

另一方面,不同的用户对电能质量中的指标测量要求不尽相同,采用相同的硬件电路,利用软件很容易扩展电压、电流、有功、无功、视在功率、波动测量、瞬变测量、谐波分析、负荷平衡分析等测量与分析功能,一只表可以代替以前几只测量仪表,而且用软件升级的办法更容易实现产品的升级。

所以,采用高性能的处理器,用软件的方法实现功能的扩展与产品的升级,是未来电能质量检测的发展趋势

DSP(数字信号处理器)是一种高速专用的微处理器,DSP芯片建立在数字信号处理的各种理论和算法基础上,专门完成各种实时数字信息处理。

DSP的运算功能强大,专门处理以运算为主,实时性要求高的信号;它有特殊的寻址方式,可高效地进行FFT运算;有灵活的I/0接口和片内I/O管理;有高速的并行数据处理算法的优化指令集,修改、升级都很方便;灵活的使用C语言或汇编语言

近年来,由于DSP芯片的高性能和实时性,在各个领域都得到了广泛的应用。

目前,DSP芯片已发展到了第五代,系统集成度更高,速度更快,功耗更低,性价比更高。

浮点DSP的诞生,使DSP的精度进一步提高,算法编程更为简单、方便、通用.本文选用11(德州仪器)公司的浮点型DSP芯片TMS320C67x系列作为电能质量监测系统的微处理器。

1982年世界上诞生了首枚DSP芯片,这标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。

随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS-r艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。

80年代后期,第三代DSP芯片问世,运算速度进一步提高,其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。

90年代DSP发展最快。

相继出现了第四代和第五代DSP器件,现在的DSP属于第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。

这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域。

前景十分可观。

DSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术,并成为电子产品更新换代的决定因素。

1.2.1系统工作原理

系统采用DSP作为核心,将采集到的数据进行A/D转换后输给DSP,DSP分析处理后或者将数据通过RS232接口传输给8031点阵面板显示服务器GW21R,经其转换后通过以太网传输给上位机ARM。

1.2.2系统软件设计

对于DSP的编程用户可根据需要自行选择,本文主要介绍两者之间的数据传输程序的设计。

考虑到系统中一般只进行小文件传输,故采用TFTP协议。

TFTP协议是一个传输文件的简单协议,一种简化的TCP/IP文件传输协议,它基于UDP协议而实现,支持用户从远程主机接收或向远程主机发送文件。

因为TFTP使用UDP,而UDP使用IP,IP还可以使用其他本地通信方法.因此一个TFTP包中会有以下几段:

本地媒介头、IP头、数据报头、TFTP头,剩下的就是TFTP数据了.TFTP在IP头中不指定任何数据,但是它使用UDP中的源、目标端口以及包长度域.由TFTP使用的包标记(TID)在这里被用做端口,因此TID必须介于O到65535之间。

初始连接时,需要发出WRQ(请求写入远程系统)或RRQ(请求读取远程系统),收到一个确定应答,一个确定可以写出的包或应该读取的第一块数据.通常,确认包包括要确认的包的包号,每个数据包都与一个块号相对应,块号从1开始而且是连续的。

因此,对于写入请求的确定是一个比较特殊的情况,它的包号是o。

如果收到的包是一个错误的包,则这个请求被拒绝。

创建连接时,通信双方随机选择一个TID,因为是随机选择的,故两次选择同一个ID的可能性就很小了。

每个包包括两个TID,即发送者ID和接收者ID.在第一次请求的时候它会将请求发到TID69,也就是服务器的69端口上。

应答时,服务器使用一个选择好的TID作为源TID,并用上一个包中的TID作为目的1D进行发送。

这两个被选择的ID在随后的通讯中会一直被使用。

此时连接建立,第一个数据包以序列号1从主机开始发出,以后两台主机要保证以开始时确定的TID进行通信.如果源ID与原来确定的ID不一样,这个包会被认为发送到了错误的地址丽被抛弃。

程序设计好后,首先设置好IP地址,通过ARM向DSP发送数据,并经DSP处理后由点阵液晶显示电路显示出来。

然后由DSP向ARM传输数据,ARM可通过本身自带的RS485接口或者USB接口与后台机相连。

1..2.3电能质量检测

频率和谐波的测量是电能质量检测中的最基本的内容,为了消除频率变化对谐波测量精度的影响,谐波测量采用加汉宁窗的加窗插值FFT算法,不仅可以得到谐波的幅值和相位,还可以计算出频率,为了减小运算量,提高计算速度,加汉宁窗的值FFT算法的一次谐波幅值和相位的估计式为:

r可有加汉宁窗后的频谱值求得,即

插值FFT算法的谐波幅值修正系数为

、算它需要计算三角函数,为了减小计算量,本文采用三次样条插值函数计算频率修正系数.利用FFT插值算法还可以方便地计算出频率,由r得到第L次谐波的频率为

由FFT插值算法的计算结果不难利用对称分量计算出三相电压不平衡度。

二、高压输电技术的研究

电能的传输,和变电、配电以及用电一样,构成电力系统的一个重要组成部分。

通过输电,把相距很远的(可达数千千米)发电站和负荷中心联系起来,不仅使电能的开发地和利用超越地域的限制;同时和其他传统能源的传输(如输煤、输油等)相比,输电的损耗小、效益高、灵活方便、易于调控、环境污染少;很重要的一点是输电还可以将不同地点的发电站连接起来,实行峰谷调节。

输电是电能利用优越性的重要体现,在现代化社会中,发展高压输电是输电技术发展的必然趋势。

输电电压的高低是输电技术发展水平的主要标志。

到21世纪初期,世界各国常用输电电压有220kV及以上的高压输电即330(345)kV、400(380)kV、500(550)kV、765(750)kV等各种电压等级输电。

同时世界各国正在发展的1000kV及以上的特高压输电。

世界电力工业的发展促使更高一级电压电网的出现,主要原因是远距离输电、大容量输电、跨区域联网、节省线路走廊和解决短路电流等需要。

从我国电网的现状、规划和发展看,2010年至2020年现有的500kV电压等级已不能满足要求,因此,展更高一级电压的电网是必然的趋势,以满足21世纪电力工业的需要。

1、高压输电技术的发展现状

目前,世界上高压输电技术的研究主要集中在特高压输电技术方面。

特高压交流输电技术的研究始于20世纪60年代后半期。

当时西方工业国家的电力工业处在快速增长时期,美国、前苏联、意大利、加拿大、德国、日本、瑞典等均据本国的经济增长和电力需求预测制定了本国发展特高压的计划。

美国、前苏联、日本、意大利还建设了特高压试验站和试验线段,专门研究特高压输变电技术及相关输变电设备。

前苏联从70年代末开始建设1150kV输电工程。

1985年建成埃基巴斯图兹——科克切塔夫——库斯扣奈特高压线路,全长900km,按150kV电压投入运行,至1994年己建成特高压线路全长2634km。

运行情况表明:

所采用的线路和变电站的结构基本合理,特高压变压器、电抗器、断路器等重大设备经受了各种运行条件的考验.投运后一直运行正常。

在1991年,由于前苏联解体和经济衰退,电力需求明显不足,导致特高压线路降压至500kV运行。

该线路采用8×AS330/43分裂导线,分裂间距0.4m,拉v塔高40m,根据不同区域的覆冰情况,档距385~425m.相间距离24.2或22m,自然输送功5.4GW或5.5GW。

日本是世界第二个采用特高压输电的国家。

为输送沿海大型核电站电能到负荷中心JI最大程度地节省线路走廊,1973年开始研究特高压输电,不仅因为它输电能力为500kV系统的4~5倍,而且可解决后者短路电流过大难以开断的问题。

通过综合比较,日本在800~1500kV间选定1000kV为特高压系统的标称电压,目前己建成全长426km的东京外环特高压输电线路。

我国1986年开始立项研究交流特高压输电技术。

前期研究为国内外特高压输电的资料收集与分析,内容涉及特高压电压等级的论证、特高压输电系统、外绝缘特性、电磁环境、特高压输变电设备及特高压输电工程概况等。

八五期间又展开了“特高压外绝缘特性初步研究”,分析和探讨了长间隙放电的饱和性能,试验研究了实际结构布置下导线与塔体的间隙放电。

1994年武汉高压研究所建成了我国第一条百万伏级特高压输电研究线段,杆塔为真型模拟拉V塔。

8分裂导线,分裂直径1.04m,三相水平排列。

97年开展了利用工频试验装置产生长波头操作波的研究,改造工频试验装置可产生电压2250kV,波头2800~5000us的长波头操作波。

同时开展的特高压线路对环境影响的研究结果表明,采用分裂直径1m的8分裂导线,特高压线路的地而静电感应水平与500kV输电线路水平基本相当,无线电干扰水平小于500kV输电线路,可听噪声在公众所接受的范围内。

2、特高压输电技术的研究

特高压输电的技术经济优势与我国电网的发展随着全国联网的需要和西电东送战略的实施长距离、大容量输电成为我国资源优化配置的必然选择,发展特高压交流输电,建设更坚强的主网架,己成为未来电网发展的关键课题之一。

发展特高压输电在我国是必要的,在技术上也是可行的,日前己具备了必要的基础和条件,主要有以下几点:

2.1有大量的研究成果可供应用和借鉴,日本、前苏联、美国、意大利等国都曾建设专门的试验基地,长期的全而研究特高压技术,我国应充分发挥后发研究的优势,不需从头开始,而在消化吸收的基础上,着重研究过电压的限制、无功补偿与平衡、设备制造等关键技术问题并尽快进入工业试验。

2.2有实际工程的运行经验可供考虑。

前苏联早在1985年就设计制造了全套特高压输变电设备,投入1150kV全电压运行约5年的记录中不曾发生过一起操作波引起的外绝缘闪络事故。

变压器、断路器、电抗器、避雷器等变电设备运行情况正常。

从1995年以来,日本的特高压输变电设备包括变压器、断路器、隔离开关、高速接地开关、避雷器、CT、PT等在新榛名特高压变电站进行了长达8年的全电压运行考核,不曾出现运行故障,而日本的特高压线路虽然是降压运行,但其导线、绝缘子、杆塔等经近10年的大风、冰雪等考验也运行正常,不曾出现故障。

国外己有特高压实际工程建设在先,其设计、施工、运行经验均可供我国学习和参考。

2.3国内己有较好的技术基础和条件。

我国的特高压输电研究从调研国外经验到试验设备的完善,从研究方法到设备的生产都做了大量的工作,打下了很好的基础。

在武汉己建立了特高压试验研究基地,完全具备各项特高压试验的条件和能力,并己进行了各项特高压的专题研究。

我国的设计和制造单位通过西北750kV工程,进一步具备了制造特高压设备的条件和基础,考虑到设备的成熟性部分特高压输变电设备在建设初期还可从国外引进。

2.4电网发展的内在需要。

我国人均用电水平远低于发达国家,未来几十年内.电力负荷增长仍会保持较高的速度,从全国联网和西电东送的电网发展趋势来看,我国有发展特高压输电的必要。

因此,应结合西南水电和北方火电基地送出的具体项目,研究特高压输电工程的可行性。

3实施特高压输电需研究的重点技术问题

3.1无功平衡。

特高压线路的充电功率很大(约为同长度500kV线路5倍),无功平衡问题尤显突出。

固定电感值的电抗器无功补偿可限制甩负荷时的工频过电压和正常运行时的容升效应,但这可能降低特高压线路的输送能力。

为有效解决这一问题,故需重点研究可控电抗器的技术要求、参数及对潜供电流和工频、操作过电压的作用。

3.2消除潜供电弧。

特高压线路的潜供电流大,恢复电压高,潜供电弧难以熄灭,影响单相重合闸的无电流间歇时间和成功率,需研究快速消除潜供电弧的措施以确保故障相在两端断路器跳开后熄灭潜供电弧。

日本采用快速接地开关,单相重合闸时间限制在1s内,较好地解决了这一问题,故需研究高速接地开关的技术要求、参数。

3.3过电压限制及绝缘配合。

操作波特性对特高压设备尺寸、造价影响较大,若出现饱和效应更会非线性增加尺寸,使造价过高。

日、美、前苏联的研究表明:

采用带分、合闸电阻的断路器,高性能MOA及并联电压电抗器可限制操作过电压至<1.6pu,从而解决这一问题。

故应重点研究新措施降低特高压系统过电压至一个较低水平,使绝缘配合中特高压设备对内过电压的要求降低。

3.4串联电容补偿。

为提高特高压线路的输送容量和增强系统稳定度,需研究特高压系统的串联补偿装置及相关参数和技术要求。

3.5外绝缘。

特高压线路和变电站中各种电极结构空气间隙的放电特性,各类送、变电设备外绝缘的放电特性,不同海拔高度的海拔修正系数等需结合我国特点试验研究,另外特高压线路的防雷、防污、带电作业也需结合沿线路的雷电活动情况、土壤电阻率情况、污源分布状况专题研究合理的绝缘配合原则并结合我国的带电作业方式、工具特点研究最小安全距离和组合间隙,为设计、运行维护提供技术依据。

3.6特高压设备。

调研国内产品制造中一位,表明大多数特高压输变电所需设备如变压器、电抗器、避雷器、CT、PT、绝缘子、导线、金具、杆塔等国内均有一定生产能力,部分设备如GIS,高速接地开关等在建设初期可以引进。

可以预计,发展特高压输电技术不仅可以促进电网发展,还将有力推动和提升我国高压电器制造水平和生产能力。

结论

由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题,早在电力供应一开始就引起了供用电双方的关注。

解决电能质量问题,首先需要建立电能质量各项指标的监测和分析系统,对各种电能质量指标进行实时更新测量与数据采集,完成对多种扰动信息的识别、提取和分析,为制定改善电能质量和治理电网污染具体措施提供可信的依据。

许多学者开始应用小

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