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        一種特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測距新方法

        2015-11-15 09:18:06陳仕龍謝佳偉畢貴紅張文英
        電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:首波雙端行波

        陳仕龍 謝佳偉 畢貴紅 張 杰 張文英 高 超

        (1. 昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 昆明 650050 2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院 廣州 510080)

        1 引言

        特高壓直流輸電具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、線路走廊窄等優(yōu)點(diǎn),因此在遠(yuǎn)距離電能傳輸方面具有明顯的優(yōu)勢。我國幅員遼闊、能源與負(fù)荷呈逆向分布,決定了特高壓直流輸電技術(shù)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。直流輸電線路是直流系統(tǒng)故障率最高的元件[2],由于直流輸電線路一般較長,沿線地形復(fù)雜,環(huán)境惡劣,通過巡線的方式準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)變得異常困難,這嚴(yán)重影響了永久性故障的恢復(fù)時(shí)間。因此,研究準(zhǔn)確、快速的直流輸電線路故障測距技術(shù)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

        目前直流輸電線路故障后的測距主要依賴于行波故障定位技術(shù)[3],分為單端行波測距法和雙端行波測距法。單端行波法需要準(zhǔn)確識(shí)別第二個(gè)反射行波波頭,高阻接地故障時(shí)第二個(gè)反射行波波頭的正確識(shí)別存在困難;雙端行波測距法能夠準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵在于正確識(shí)別和標(biāo)定故障行波首波頭,由于直流輸電系統(tǒng)中由平波電抗器和直流濾波器組成的線路邊界對行波的高頻及低頻成分呈現(xiàn)不同的頻率特性,這給故障行波首波頭的正確識(shí)別和到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確標(biāo)定帶來了困難[4]。

        直流輸電線路發(fā)生故障時(shí),故障點(diǎn)產(chǎn)生的故障高頻信號(hào)將沿線路向兩端傳播,故障高頻信號(hào)在線路上傳播過程中將發(fā)生衰減[5-8],據(jù)此文獻(xiàn)[9]提出基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路雙端測距原理,該原理的測距精度依賴于線路衰減常數(shù)準(zhǔn)確估算。高壓直流輸電線路因?yàn)檠鼐€地形環(huán)境復(fù)雜,準(zhǔn)確測量線路的參數(shù)存在困難,因而求取線路衰減常數(shù)有一定的困難。鑒于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的非線性逼近擬合能力,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,將不必準(zhǔn)確計(jì)算線路衰減常數(shù)也能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障定位。本文選取不同頻帶內(nèi)整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處檢測到的故障電壓行波線模分量高頻部分首波頭幅值比作為 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本集,故障距離作為輸出樣本集,對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練、測試,形成直流輸電線路故障測距神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。不同過渡電阻下不同故障距離的大量仿真結(jié)果表明:該基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測距方法精度較高,而且耐受過渡電阻能力強(qiáng)。

        2 基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路雙端測距原理

        目前,特高壓直流輸電線路多采用雙極模式運(yùn)行,兩極之間存在耦合,因此,在對線路上的電壓信號(hào)進(jìn)行衰減特性分析之前要先進(jìn)行解耦運(yùn)算。利用式(1)進(jìn)行解耦得到獨(dú)立的暫態(tài)電壓模量分量[10]。

        其中

        式中,u1、u0分別表示整流側(cè)或逆變側(cè)的暫態(tài)電壓線模分量、零模分量;u+、u-分別表示該側(cè)的正極線暫態(tài)電壓、負(fù)極線暫態(tài)電壓。

        特高壓直流輸電線路對高頻量有衰減作用,高頻量的衰減程度與其通過的直流輸電線路長度有密切關(guān)系?;诟哳l量衰減特性的特高壓直流輸電線路雙端測距原理如圖1所示。

        圖1 基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路雙端故障測距原理Fig.1 The double-ended fault location method of UHVDC transmission line based on high frequency component attenuation characteristic

        根據(jù)文獻(xiàn)[9],故障發(fā)生點(diǎn)距離整流側(cè)測距裝置出的距離x與到達(dá)整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處某一頻率下的故障電壓幅值比之間存在關(guān)系

        式中,L為直流輸電線路線路全長;αj為線路j模衰減常數(shù)(j=0或1,分別表示零模和線模);、分別表示整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處檢測到的來自于故障源的頻率為f的故障電壓幅值。

        當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí),在故障點(diǎn)和母線處因其線路波阻抗不連續(xù)而會(huì)出現(xiàn)行波折反射。在一定的時(shí)間窗內(nèi),線路兩端測距裝置處檢測到的行波信號(hào)中就含有故障初始行波、故障點(diǎn)反射波和母線發(fā)射波[11]。因此,在測距裝置處提取單一頻率的來自故障源的行波信號(hào)存在困難。

        以小波變換為代表的各類信號(hào)時(shí)頻分析方法,對仿真波形的波頭標(biāo)定獲得了較為滿意的結(jié)果,特別是基于小波模極大值理論的波頭標(biāo)定方法對初始故障行波波頭標(biāo)定效果顯著[12-16]。小波變換的模極大值與信號(hào)的突變點(diǎn)一一對應(yīng),其大小表示突變點(diǎn)的變化強(qiáng)度[17]。由于初始故障行波波頭獲得方便而且效果良好,對單一頻率的故障信號(hào)的衰減分析轉(zhuǎn)化為對故障行波首波頭的衰減分析。用到達(dá)整流側(cè)和逆變側(cè)的故障行波首波頭幅值比代替特定頻率下的線路兩端來自故障源的高頻分量幅值比,式(3)變?yōu)?/p>

        式中,Uja、Ujb分別表示同一頻帶下整流側(cè)測距裝置處和逆變側(cè)測距裝置處檢測到的故障電壓行波j模分量首波頭幅值;表示該波頭對應(yīng)頻率下的j模線路衰減常數(shù)。

        線路衰減常數(shù)是關(guān)于頻率的非線性函數(shù)[18],對于直流輸電線路,如果能準(zhǔn)確確定單位長度線路的電阻、電感、電容和電納,就可以求得任意頻率下線路衰減常數(shù)。這樣通過求得特定頻帶下到達(dá)整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處的故障電壓j模分量首波頭幅值比,利用式(4)就可以計(jì)算出故障發(fā)生點(diǎn)距離整流側(cè)測距裝置處的距離,從而實(shí)現(xiàn)故障測距的目的。實(shí)際上,高壓線路沿線地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜,不同的地質(zhì)段的土壤電阻率有不同的取值,線路的分布電感也會(huì)因不同的地區(qū)和線路結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生差異,同時(shí),由于氣候的影響,沿線的不均勻電暈分布影響了線路的分布電容,所以對于特定的直流輸電線路,準(zhǔn)確測量線路的實(shí)際參數(shù)存在困難[19],所以準(zhǔn)確求取線路的衰減常數(shù)存在一定的困難。

        由上述分析可知,對于特定的直流輸電線路,由于線路衰減常數(shù)不能夠準(zhǔn)確確定,通過求取同一頻帶下整流側(cè)測距裝置處和逆變側(cè)測距裝置處檢測到的故障電壓行波j模分量首波頭幅值比來實(shí)現(xiàn)故障測距存在一定的誤差。分析式(4)可知,x與之間存在確定的非線性關(guān)系,如果能夠確定的這種數(shù)學(xué)關(guān)系,就能夠通過線路兩端的測量裝置,測量故障電壓行波j模分量首波頭幅值,就可以實(shí)現(xiàn)故障測距。

        由于線路衰減常數(shù)與頻率相關(guān),當(dāng)頻率很低時(shí)線路衰減常數(shù)很小,當(dāng)頻率較大時(shí),線路衰減常數(shù)較大。根據(jù)式(4)可以得到

        圖2 故障點(diǎn)在線路中點(diǎn)附近,各尺度下兩側(cè)故障電壓行波首波頭幅值比與故障距離之間的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between fault distance and the ratio of amplitude of initial traveling wave head in rectifier side to which in the inverter side under different wavelet levels when fault points vary in nearby midpoint of transmission line

        分析圖2可知,當(dāng)故障點(diǎn)在線路中點(diǎn)附近變化時(shí),故障電壓行波線模分量低頻部分(如圖中a6)內(nèi)的首波頭幅值比幾乎不變,故障電壓行波線模分量高頻部分(如圖中d1、d2、d3、d4)內(nèi)的首波頭幅值比非線性變化。因此故障電壓行波線模分量低頻部分內(nèi)的首波頭幅值比的大小不能準(zhǔn)確反映故障位置,而故障電壓行波線模分量高頻部分內(nèi)的首波頭幅值比大小能反映出故障位置,故應(yīng)該選用故障電壓行波線模分量高頻部分內(nèi)的首波頭幅值比作為故障測距特征量。

        圖 3a~圖 3d分別表示的是,故障點(diǎn)在全線范圍內(nèi)變化時(shí),線路上發(fā)生金屬性接地故障下,d1、d2、d3、d4對應(yīng)的頻帶內(nèi)線路兩端測得的故障電壓行波線模分量首波頭幅值比與故障距離之間的關(guān)系圖。

        圖3 故障點(diǎn)在線路全線范圍內(nèi),各尺度下兩側(cè)故障電壓行波首波頭幅值比與故障距離之間的關(guān)系圖Fig.3 The relationship between fault distance and the ratio of amplitude of initial traveling wave head in rectifier side to which in the inverter side under different wavelet level when fault points vary in the whole transmission line

        分析圖 3a~圖 3d可知,在各頻帶內(nèi),線路兩端電壓行波首波頭幅值比與故障距離之間總體上呈現(xiàn)非線性確定關(guān)系,且頻帶越高線路兩端電壓行波線模分量首波頭幅值比越大。

        3 基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測距算法

        由式(4)及上文分析可知,故障距離由整流側(cè)測距裝置處和逆變側(cè)測距裝置處檢測到的故障電壓行波j模分量高頻部分首波頭幅值比與該波頭對應(yīng)頻率下的j模線路衰減常數(shù)決定,但線路衰減常數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算存在一定的困難?,F(xiàn)設(shè)定距離整流側(cè)測距裝置400km發(fā)生非金屬性接地故障,過渡電阻為1Ω。利用文獻(xiàn)[9]提出的傳統(tǒng)雙端測距方法,根據(jù)通過實(shí)驗(yàn)方法得到的=0.000 576 166,以及測得的d1頻帶內(nèi)整流側(cè)暫態(tài)電壓線模分量首波頭模極大值230.8,逆變側(cè)暫態(tài)電壓線模分量首波頭模極大值 160.2,可求得故障距離為 392.14km,誤差為-7.86km。過渡電阻為1Ω在線路其他點(diǎn)故障時(shí),測距結(jié)果見表1。

        表1 傳統(tǒng)雙端測距結(jié)果Tab.1 The results of fault location used traditional two terminal fault location method

        分析表1中仿真結(jié)果可知,傳統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)方法先求線路衰減常數(shù),再根據(jù)測得的首波頭幅值比,利用式(4)求得測距結(jié)果的方法存在一定的誤差,這是因?yàn)橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)方法求得的線路衰減常數(shù)并不精確,而且要準(zhǔn)確求得實(shí)際輸電系統(tǒng)的線路衰減常數(shù)將更為困難。因此,尋找一種不計(jì)算線路衰減常數(shù)也能準(zhǔn)確得到故障距離的計(jì)算方法對本文提出的故障測距原理的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性函數(shù)逼近擬合能力,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法將不必準(zhǔn)確計(jì)算線路衰減常數(shù)也能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障定位。故可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對x與之間的非線性關(guān)系進(jìn)行泛化分析,從而實(shí)現(xiàn)對故障位置進(jìn)行測算。

        3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        目前,在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中,絕大部分的網(wǎng)絡(luò)模型采用的是 BP網(wǎng)絡(luò)及其變化形式,理論上已經(jīng)證明,具有一個(gè)隱含層的三層網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意非線性函數(shù)[20],本文采用單隱層 BP網(wǎng)絡(luò)模型。BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層三層組成,其基本思想是對一定量的樣本(輸入和期望輸出)進(jìn)行學(xué)習(xí),即將輸入送至網(wǎng)絡(luò)輸入層的各個(gè)神經(jīng)元,經(jīng)隱含層和輸出層計(jì)算后,輸出對應(yīng)的預(yù)測值,如果預(yù)測值與期望輸出之間的誤差不滿足精度要求,則從輸出層反向傳播該誤差,然后進(jìn)行權(quán)值和閥值的調(diào)整,使得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出和期望輸出間的誤差逐漸減小,直至滿足精度要求,因此 BP網(wǎng)絡(luò)的核心是通過一邊向后傳遞誤差一邊修正誤差的方法來不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(權(quán)值和閾值),以逼近所希望的輸入、輸出之間的映射關(guān)系。

        3.2 基于直流輸電線路雙端量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測距算法

        樣本的選取和預(yù)處理是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立的關(guān)鍵[21]。對于直流輸電線路故障測距而言,訓(xùn)練樣本集要盡可能全面反映不同故障類型和不同故障距離下線路兩端電壓首波頭幅值比特征,同時(shí)也要考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的泛化性能。本文測距神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練集組織步驟為:

        (1)取首波頭到達(dá)后5ms時(shí)窗內(nèi)的線路兩端暫態(tài)電壓信號(hào)作為故障信號(hào),對其進(jìn)行解耦變換得到獨(dú)立的暫態(tài)電壓線模分量。分別對整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處得到的暫態(tài)電壓線模分量進(jìn)行小波變換,得到整流側(cè)第1、2、3、4尺度下的高頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓線模分量首波頭幅值U1a1、U1a2、U1a3、U1a4,以及對應(yīng)頻帶內(nèi)的到達(dá)逆變側(cè)的暫態(tài)電壓線模分量首波頭幅值U1b1、U1b2、U1b3、U1b4。分別求取各個(gè)頻帶內(nèi)的兩端暫態(tài)電壓線模分量首波頭幅值比。訓(xùn)練樣本的輸入矢量p=[p1,p2,p3,p4]。

        (2)仿真時(shí)選用的是云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)仿真模型,根據(jù)實(shí)際參數(shù)建立的仿真模型能很好地模擬云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)。為了使得訓(xùn)練集能夠包含不同故障距離下故障特征,從距離整流側(cè)保護(hù)安裝處5km開始設(shè)置故障點(diǎn),故障距離步長取為10km,故障點(diǎn)設(shè)置一直到距離整流側(cè)保護(hù)安裝處1 415km結(jié)束,共包含142組故障數(shù)據(jù)。

        (3)過渡電阻為0~100Ω,步長為10Ω。

        (4)由于訓(xùn)練樣本集的輸入矢量數(shù)值有很大的差異,對于某一輸入節(jié)點(diǎn),如果該節(jié)點(diǎn)的數(shù)值過大,這樣的隱含層的輸出中,該節(jié)點(diǎn)的權(quán)值的影響就要比其他分量大很多,這樣其他分量就會(huì)失去調(diào)控作用[23]。所以有必要對輸入矢量進(jìn)行歸一化處理,使得輸入矢量變化范圍為(0,1),這樣在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí),各個(gè)輸入矢量具有同等重要的地位。

        經(jīng)過上述步驟,構(gòu)建的故障測距神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

        該網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)隱含層,輸入層神經(jīng)元數(shù)目為4,對應(yīng)的是四個(gè)頻帶內(nèi)整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處檢測到的故障電壓行波首波頭幅值比,隱含層神經(jīng)元數(shù)目為15,輸出層神經(jīng)元數(shù)目為1,對應(yīng)的是故障距離,因此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為 4×15×1。ωml表示輸入層的第m個(gè)神經(jīng)元到隱含層的第l個(gè)神經(jīng)元之間的連接權(quán)值,lω表示隱含層第l個(gè)神經(jīng)元到輸出層神經(jīng)元之間的權(quán)值。

        圖4 故障測距BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 BP neural network for fault location

        神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)速度算法,學(xué)習(xí)率為0.01,最大訓(xùn)練次數(shù)取為 10 000,收斂精度設(shè)置為10-5。訓(xùn)練收斂曲線如圖 5所示,可見經(jīng)過 1 067次訓(xùn)練后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差收斂至預(yù)期要求,該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度較快。

        4 仿真

        參照云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站主接線及其參數(shù),根據(jù)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)元件模型,可以建立云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型。云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)為±800kV,直流額定功率5 000MW,直流額定電流3.125kA。直流輸電線路全長 1 418km,沿線大地電阻率平均值為 1 000Ω·m,采用 6×LGL—630/45導(dǎo)線,采用Frequency Dependent(Phase)Model Options模型。云廣±800KV特高壓直流輸電控制系統(tǒng)是基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)來建立,為滿足云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)控制的需要,對CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)做了部分改動(dòng)。仿真模型如圖6所示。

        圖6 云廣特高壓直流輸電仿真模型Fig.6 Simulation model of Yunnan-Guangdong UHVDC

        本文選取暫態(tài)電壓線模分量作為仿真數(shù)據(jù)對測距算法進(jìn)行驗(yàn)證。故障測距神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型形成以后,將反映故障位置的特征數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)模型即可實(shí)現(xiàn)故障測距,例如線路上距離整流側(cè)測距裝置 400km發(fā)生非金屬性接地故障,過渡電阻為1Ω,利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測距方法,根據(jù)測得的d1、d2、d3、d4頻帶內(nèi)的暫態(tài)電壓線模分量首波頭幅值 1.440 7、1.412 7、1.360 5、1.326 7,得到測距特征量p=(1.440 7, 1.412 7, 1.360 5, 1.326 7),將其輸入訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測距模型得到測距結(jié)果為399.85km,測距誤差為-0.15km,可見利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測距方法進(jìn)行故障測距不用計(jì)算線路衰減常數(shù),而且精度較高。

        故障測距 ANN模型是否具有實(shí)用價(jià)值,測試集應(yīng)通過變化各種因素并避開訓(xùn)練集,以此綜合測試和評(píng)定神經(jīng)測距模型的泛化能力。表2給出了利用傳統(tǒng)雙端測距方法(文獻(xiàn)[9]提出的雙端測距方法)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測距方法對訓(xùn)練集以外的不同故障距離進(jìn)行測距得到的結(jié)果。

        分析表2中仿真結(jié)果可知,由于通過實(shí)驗(yàn)的方法得到的線路衰減常數(shù)并不準(zhǔn)確,傳統(tǒng)的雙端測距方法存在較大的誤差,而且在某些故障點(diǎn)處測距方法失效。而在不同過渡電阻下不同故障距離處,利用故障測距 ANN模型測得的結(jié)果誤差基本保持在2km以內(nèi),而且隨著過渡電阻的變化,測距精度不受影響,可見本文提出的基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測距方法精度較高,而且耐受過渡電阻能力強(qiáng)。

        表2 測距結(jié)果Tab.2 The results of fault location

        5 結(jié)論

        選用四個(gè)高頻帶內(nèi)的線路兩端故障電壓行波線模分量首波頭幅值比作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入樣本集、故障距離作為輸出樣本集,對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練、測試,形成直流輸電線路故障測距神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。將故障數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練后故障網(wǎng)絡(luò)測距模型即可實(shí)現(xiàn)故障測距。本文得到以下結(jié)論:

        (1)故障距離與到達(dá)整流側(cè)和逆變側(cè)測距裝置處的故障電壓行波線模分量高頻部分首波頭幅值比之間存在確定的非線性關(guān)系。

        (2)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓直流輸電線路雙端故障測距方法只是利用了故障后一段時(shí)窗內(nèi)的雙端故障數(shù)據(jù),求取特定頻帶下的兩端電壓行波線模分量高頻部分首波頭幅值比即可實(shí)現(xiàn)故障測距,而不依賴于行波在故障點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的傳輸時(shí)間和傳輸速度,從而避免了傳統(tǒng)的雙端行波測距方法中波速度確定困難以及對兩端時(shí)鐘同步裝置精度要求過高等問題。

        (3)該基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測距方法不依賴對線路衰減常數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算,精度較高,而且耐受過渡電阻能力強(qiáng)。

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