肖白，趙殿平，姜卓，施永剛，焦明曦

（1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2．北華大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林省 吉林市 132021；3．國網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司，吉林省 通化市 134001；4．國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林省 長春市 130021）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力負荷的增長明顯加快，對城市配電網(wǎng)的供電能力、電能質(zhì)量、供電可靠性都有了更高的要求，為了適應(yīng)城市的發(fā)展，電網(wǎng)的改造和擴建已全面展開[1]。城市配電網(wǎng)供電能力評估作為電力系統(tǒng)工作的一項重要內(nèi)容，對正確評價現(xiàn)狀電網(wǎng)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，提高城市電網(wǎng)供電的安全性和可靠性，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益具有巨大的現(xiàn)實意義。因此，城市配電網(wǎng)供電能力評估越來越受到電力企業(yè)的重視，其評估方法研究的必要性也越來越凸現(xiàn)出來。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對城市配電網(wǎng)供電能力評估已開展了多方面的研究，并取得了一定的研究成果。本文將對城市配電網(wǎng)供電能力評估的指標(biāo)體系、權(quán)重確定方法和綜合評價方法進行分析總結(jié)，便于讀者了解城市配電網(wǎng)供電能力評估過程和進展情況，推動研究的進一步深入開展。

1 城市配電網(wǎng)供電能力

1.1 供電能力的概念

供電能力是指一定供電區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)滿足N-1條件下最大能滿足用戶用電的能力[2]。電網(wǎng)供電能力大小取決于變電站站內(nèi)供電能力和電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)移能力，因此，在供電能力評估的研究中通常從負載能力和轉(zhuǎn)供能力2個方面考慮。

1.2 城市配電網(wǎng)供電能力評估內(nèi)容

配電網(wǎng)供電能力評估的內(nèi)容主要放在以下幾個方面：1）供電能力是否滿足現(xiàn)有負荷的需要及可能適應(yīng)負荷增長的程度；2）供電可靠性；3）正常運行時各節(jié)點的電壓水平及線路的電壓損失、線損；4）供電設(shè)備更新的可能性和必要性。通過充分分析配電線路和變電站過負荷情況，針對配電網(wǎng)接線方式和負荷情況分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出線路解決方案和改造措施，合理布局，其目的是提高供電可靠性和系統(tǒng)運行的安全性。同時為配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)和投資計劃提供技術(shù)支持和服務(wù)。通過對某一城區(qū)配電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計、分析、計算，評估配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，找出電網(wǎng)存在的主要問題和薄弱環(huán)節(jié)，提出改進措施和建議，為城市配電網(wǎng)的規(guī)劃和改造奠定良好的基礎(chǔ)，為未來的投資規(guī)劃以適應(yīng)電力市場發(fā)展的需要提供保障。

1.3 傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)供電能力評估方法

傳統(tǒng)配電網(wǎng)供電能力評估的主要方法有嘗試法、容載比法、最大負荷倍數(shù)法等。

嘗試法是通過給定某一指定系統(tǒng)負荷，按著一定的負荷分配系數(shù)將這一負荷分配到各個負荷點，不斷的增加系統(tǒng)負荷和進行潮流計算，直至增加微小的負荷就會引起支路功率越限的發(fā)生為止[3]。該方法需要對配電網(wǎng)的負荷水平及其在各個負荷點的分布有清晰的整體把握，較多地依賴于工程經(jīng)驗。容載比法通過考察對象之變電容量與其供電負荷的比值來宏觀地檢驗其供電能力[4]。從宏觀上評價了供電能力，該方法能夠簡單清晰地反映配電網(wǎng)的供電能力，但是未將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能力、供電可靠性等因素考慮在內(nèi)。有些學(xué)者考慮了接線模式和現(xiàn)狀負荷情況，提出最大倍數(shù)法，最大負荷倍數(shù)法以系統(tǒng)現(xiàn)有的負荷為基礎(chǔ)，通過計算電網(wǎng)所能達到的最大負荷倍數(shù)來評估網(wǎng)絡(luò)的供電能力與對負荷變化的適應(yīng)性[5]。此評價結(jié)果在很大程度上受到網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的負荷分布狀況的影響。傳統(tǒng)評估方法對比見表1。

表1 傳統(tǒng)評估方法對比Tab. 1 Comparison of traditional assessment methods

還有一些研究中把電網(wǎng)供電能力的評估，作為一種規(guī)劃的要求。運用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方法，將某一供電網(wǎng)絡(luò)進行化簡，將其轉(zhuǎn)化為等效網(wǎng)絡(luò)——系統(tǒng)狀態(tài)流程圖，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)流程圖，運用求解最大流的數(shù)學(xué)模型，即可求出電網(wǎng)在正常情況和各種故障情況下的供電能力。這種方法簡便可靠，易于處理復(fù)雜的約束條件，對局部電網(wǎng)供電能力可得出較好的結(jié)果，是一種非常方便的工程算法[6-7]。

文獻[8]提出基于最大供電能力的配電網(wǎng)規(guī)劃理念與方法，優(yōu)先通過優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行方式提升最大供電能力滿足負荷，其次再考慮新增變電容量，從而達到充分利用已有網(wǎng)絡(luò)消納新增負荷目的，適合目前城市建成區(qū)復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃。文獻[9]探討了智能電網(wǎng)背景下的配電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃和運行新模式，運用配電系統(tǒng)高效規(guī)劃建設(shè)與運行的理念，針對大量建設(shè)改造后的配電網(wǎng)具備很大的供電能力挖掘空間提出了適用于成熟配電網(wǎng)的基于供電能力優(yōu)化的新規(guī)劃思路。文獻[10]提出考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和日負荷曲線的配電網(wǎng)綜合供電能力評估方法，考慮了所有的負載中斷均可通過網(wǎng)絡(luò)重新配置以及不同類別客戶的日常負荷曲線2種情況，并通過對所提出的模型的適用性的檢測結(jié)果表明，所提出的模型比之前發(fā)表的模型更準(zhǔn)確，該分析方法可以應(yīng)用于一系列網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究中。

文獻[11]針對直流配電網(wǎng)供電能力進行了評估，提出一種基于分布式發(fā)電概率模型的概率圓采樣方法-改進的蒙特卡羅采樣方法。將徑向型，環(huán)型和網(wǎng)型的直流配電網(wǎng)絡(luò)在不同的滲透率下進行計算和比較并對該方法的可行性進行了驗證，并將其作為未來直流配電網(wǎng)供電能力研究的參考。文獻[12]基于 DG輸出的不確定性和電網(wǎng)負荷的周期性變化特點，提出一種基于分布式發(fā)電的配電網(wǎng)供電能力實時評估方法。該方法考慮到配電網(wǎng)中各種類型的DG互補發(fā)電，通過預(yù)測技術(shù)獲取未來負荷和DG輸出的情況，給出未來一段時間內(nèi)配電網(wǎng)供電容量的變化曲線，使調(diào)度人員根據(jù)評估結(jié)果提前采取相應(yīng)的措施，保證電網(wǎng)運行的安全可靠。文獻[13]為補充傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃對于中壓網(wǎng)架接線模式的選擇缺乏理論分析的不足，提出一種基于供電能力分析的中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架精細化規(guī)劃方法。基于供電能力的概念對變電站互聯(lián)“度”進行比較分析形成網(wǎng)絡(luò)合理供電架構(gòu)的構(gòu)建方法，以配電網(wǎng)供電能力充分發(fā)揮為原則，建立中壓饋線互聯(lián)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃方法，對配電網(wǎng)規(guī)劃工作具有積極的指導(dǎo)意義。

2 城市配電網(wǎng)供電能力評估模型

國內(nèi)外學(xué)者對城市配電網(wǎng)供電能力評估模型方面做了大量研究，從不同角度出發(fā)，構(gòu)建了適應(yīng)當(dāng)前場景的供電能力評估模型。

文獻[14]從分析不確定性因素對主動配電系統(tǒng)供電能力的影響入手，針對不確定性因素進行建模，并基于場景生成及縮減技術(shù)，形成供電能力評估的多場景，針對多場景下主動配電系統(tǒng)的短期供電能力進行評估。文獻[15]針對含分布式電源的配電網(wǎng)，考慮分布式電源的波動性和間歇性等特點，基于改進的重復(fù)潮流法建立了配電網(wǎng)供電能力評估模型，并通過算例驗證其有效性和可行性。文獻[16]在傳統(tǒng)供電能力評估模型的基礎(chǔ)上，提出了基于全概率理論的供電能力概率分析模型，并以風(fēng)電為例分析間歇性能源滲透率和波動性對供電能力的影響。文獻[17]基于潮流跟蹤理論確定線路功率的主導(dǎo)開閉所負荷，并建立線路功率與主導(dǎo)開閉所負荷之間的功率分攤多元非線性回歸模型。在此基礎(chǔ)上，提出以變電站下網(wǎng)功率之和最大為目標(biāo)函數(shù)，以電網(wǎng)N?1供電安全準(zhǔn)則下的變電站主變?nèi)萘肯拗啤⒕€路傳輸容量限制及開閉所容量限制為約束條件的環(huán)型配電網(wǎng)最大供電能力模型。文獻[18]提出一種評估配電網(wǎng)供電能力的新模型，根據(jù)主變壓器負荷率平衡原則，以變電站負荷率為自變量，以系統(tǒng)最大供電容量為目標(biāo)函數(shù)，約束條件為主變N?1故障情況下負荷轉(zhuǎn)移不超過變電站之間聯(lián)絡(luò)線傳輸容量以及變壓器容量裕度，該評估方法不僅考慮了聯(lián)絡(luò)線和變壓器容量的充分利用，而且考慮了變電站的負荷平衡，保證了系統(tǒng)的安全性和電源的質(zhì)量。文獻[19]研究電動汽車充放儲一體化電站并網(wǎng)對電網(wǎng)供電能力的影響?？紤]電網(wǎng)運行和電池電荷狀態(tài)，對一體化電站進行多場景優(yōu)化，應(yīng)用比較矩陣法提出了含一體化電站的電網(wǎng)供電能力評估指標(biāo)，并結(jié)合連續(xù)潮流法進行評估。

在新的經(jīng)濟技術(shù)條件下，如分布式供電理念、充放儲一體化電站并網(wǎng)以及多場景技術(shù)的發(fā)展等均從不同方面對配電網(wǎng)供電能力評估模型產(chǎn)生不同程度的影響，見表2。

表2 新的經(jīng)濟技術(shù)條件對評估模型的影響Tab. 2 Impact of new economic and technological conditions on the evaluation model

3 城市配電網(wǎng)供電能力評估步驟

城市配電網(wǎng)供電能力評估的流程主要分為 3個步驟：1）建立城市配電網(wǎng)供電能力評價指標(biāo)體系；2）確定各評價指標(biāo)權(quán)重；3）確定評價方法。配電網(wǎng)供電能力評估流程圖如圖1所示。

3.1 城市配電網(wǎng)供電能力評價指標(biāo)體系

作為評價的基礎(chǔ)，評價指標(biāo)體系選擇的好壞對分析對象具有舉足輕重的作用。在建立評價指標(biāo)的過程中，可能會出現(xiàn)不合理情況。例如：指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)不合理，即缺乏對指標(biāo)內(nèi)涵的理解，未做到對指標(biāo)清晰的分類；指標(biāo)冗余度過高，即未考慮指標(biāo)之間直接或間接的影響，從而造成指標(biāo)權(quán)重確定的不合理；指標(biāo)全面性不足，主觀性較強的缺點。

圖1 配電網(wǎng)供電能力評估流程圖Fig. 1 Flow chart of power supply capacity assessment of distribution network

在充分調(diào)查與研究配電網(wǎng)運行特性的基礎(chǔ)上，依據(jù)《城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》和《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》并結(jié)合配電網(wǎng)具體情況，對現(xiàn)有評價指標(biāo)建立方法進行歸納總結(jié)，明確評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則，在原有對配電網(wǎng)開展單項評估的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套能夠綜合、全面地反映城市配電網(wǎng)供電能力的評價指標(biāo)體系?？砂匆韵禄驹瓌t進行選擇。

1）系統(tǒng)性原則。評價指標(biāo)體系的各項指標(biāo)必須能在相互配合中，從整體角度，全面、系統(tǒng)地反映配電網(wǎng)運行的技術(shù)特點和狀況，充分體現(xiàn)配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

2）科學(xué)性原則。評價指標(biāo)體系的各項指標(biāo)應(yīng)該彼此獨立、有機結(jié)合。根據(jù)各項評價指標(biāo)之間的相互關(guān)系，盡可能降低指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度，避免或減少指標(biāo)間的重疊交叉區(qū)域。

3）客觀性原則。為全面客觀的反映配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟情況，應(yīng)細化評價標(biāo)準(zhǔn)、完善評價方式，建立客觀真實、科學(xué)有效的配電網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標(biāo)體系，從而保證評價結(jié)果的客觀公正。

4）實用性原則。評價指標(biāo)體系的構(gòu)建還要考慮實用性和可行性，要便于相關(guān)人員操作和使用，指標(biāo)數(shù)據(jù)易采集，表達方式易理解。

供電能力評價指標(biāo)大體可分為負載能力和轉(zhuǎn)供能力2個方面，負載能力可包括線路重載比例、容載比、配變重載比例等指標(biāo)；轉(zhuǎn)供能力可包括線路滿足N?1比例、線路聯(lián)絡(luò)率、不同變電站聯(lián)絡(luò)線比例等指標(biāo)，根據(jù)實際電網(wǎng)所處場景合理設(shè)計評估指標(biāo)，部分指標(biāo)含義如下。

1）容載比。容載比是指某一供電區(qū)域，變電設(shè)備總?cè)萘颗c供電區(qū)最大負荷的比值。

2）線路滿足N?1比例。線路滿足N?1比例是指滿足N-1安全準(zhǔn)則的線路條數(shù)與線路總條數(shù)的比值。

3）線路聯(lián)絡(luò)率。線路聯(lián)絡(luò)率是指有聯(lián)絡(luò)的線路條數(shù)與線路總條數(shù)之比。聯(lián)絡(luò)包括同一變電站不同母線出線之間的聯(lián)絡(luò)以及不同變電站出線之間的聯(lián)絡(luò)。

3.2 城市配電網(wǎng)供電能力各評價指標(biāo)權(quán)重確定方法

權(quán)重確定的合理性直接影響整個評估過程的正確性。確定權(quán)重的方法很多，如德爾菲法、層次分析法、主成分分析法、熵權(quán)法以及上述幾種方法組合確定法等[20-21]。如何選擇對指標(biāo)進行賦權(quán)的最佳方法，是綜合評價的關(guān)鍵。

3.2.1 主觀賦權(quán)法

主觀賦權(quán)法是基于決策者直接給出偏好信息的方法，如層次分析法，德爾菲法和最小平方和法等，但主觀賦權(quán)法存在理論論據(jù)不充分，主觀隨意性較大等缺陷。下面簡單介紹幾種主觀賦權(quán)法。

1）德爾菲法。德爾菲法也稱專家咨詢法，該方法首先需要選聘若干被評價對象相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對評價指標(biāo)的相對重要性進行相互獨立地判斷，通過一定的數(shù)理統(tǒng)計方法對專家的賦權(quán)結(jié)果進行分析，最終確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

2）層次分析法。運用層次分析法確定權(quán)重，首先根據(jù)指標(biāo)層次，構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣，即同一層次指標(biāo)關(guān)于上層某指標(biāo)的相對重要性，再由判斷矩陣計算指標(biāo)權(quán)重并進行一致性檢驗。該方法的優(yōu)點是指標(biāo)層次清晰，需要的定量數(shù)據(jù)較少，缺點是定性成分多，從而影響權(quán)重的合理性。3.2.2 客觀賦權(quán)法

客觀賦權(quán)法是基于決策矩陣信息的方法，如主成分分析法、熵權(quán)法和多目標(biāo)最優(yōu)法，但所確定的權(quán)重有時與指標(biāo)的實際重要程度相悖。下面簡單介紹幾種客觀賦權(quán)法。

1）主成分分析法。主成分分析法是一種多元分析方法，主成分分析法通過數(shù)據(jù)變換減少指標(biāo)維數(shù)，并保持數(shù)據(jù)變換后各指標(biāo)數(shù)據(jù)對方差貢獻最大的特征，將重多指標(biāo)轉(zhuǎn)化歸類為幾個綜合性指標(biāo)，并保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后指標(biāo)體系的綜合性和全面性。

2）熵權(quán)法。熵最初是物理學(xué)中對系統(tǒng)無序性狀態(tài)進行描述的概念。后來被廣泛應(yīng)用于評價和決策理論中。在信息論中熵用于測定信息不確定性的量，信息量越大，不確定性就越小，熵也就越小，反之，信息量越小，不確定性就越大，熵越大。

3.2.3 組合賦權(quán)法

近年來，考慮到主、客觀賦權(quán)法各自的缺點，組合賦權(quán)法收到越來越多的重視。通過對主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法所確定的指標(biāo)權(quán)重進行折中和優(yōu)化處理，結(jié)合被評價對象的具體情況，確定最終的評價指標(biāo)權(quán)重。該方法既能夠在一定程度上反映決策者的主觀傾向，又可以通過運用客觀定量的數(shù)理模型和原始數(shù)據(jù)保證指標(biāo)權(quán)重的客觀性，獲得的評價指標(biāo)權(quán)重較為合理。

3.3 城市配電網(wǎng)供電能力的綜合評價方法

針對電網(wǎng)的綜合性評價，目前國內(nèi)外眾多專家學(xué)者也有所研究。綜合評價是指人們根據(jù)不同的評價目的，選擇相應(yīng)的評價形式，據(jù)此選擇多個因素或指標(biāo)，并通過一定的評價方法，將多個評價因素或指標(biāo)轉(zhuǎn)化為能反映評價對象總體特征的信息。

根據(jù)各評價方法所依據(jù)的理論基礎(chǔ)，把綜合評價方法大體分為4類：第1類是專家評價方法；第2類是基于運籌學(xué)與其他數(shù)學(xué)理論的方法，如模糊綜合評判法、數(shù)據(jù)包絡(luò)法等；第3類是新型的評價方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[22]、灰色綜合評價法；第4類是混合方法，即在解決同一個問題時同時使用幾種不同的評價方法。如主成分分析法+模糊綜合評判[23]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[24]。

下面簡單介紹幾種綜合評價法。

1）模糊綜合評價法?；谀：龜?shù)學(xué)理論的模糊綜合評價方法，是根據(jù)模糊關(guān)系合成的原理，量化分析一些邊界不清、不易定量的影響因素，從多個因素對被評價事物隸屬等級情況來進行綜合評價[25-26]。作為一種綜合評價方法，模糊綜合評價法有以下優(yōu)點：首先，模糊綜合評價通過定量方法處理模糊評價對象，可以使評價更科學(xué)、合理，能貼近實際地處理具有模糊性的數(shù)據(jù)；其次，通過模糊綜合評價所得出的結(jié)果是一個向量，而不是一個確切的值，它包含的信息量比較大，可以更準(zhǔn)確地描述評價對象，并可進一步加工，具有更多的信息參考價值。

2）數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(data envelopment analysis，DEA)是一個多學(xué)科交叉領(lǐng)域，其科學(xué)理論背景包括數(shù)學(xué)、運籌學(xué)、數(shù)理經(jīng)濟學(xué)和管理科學(xué)等。1978年，A.Charnes，W.W.Cooper和E.Rhodes給出了決策評價單元相對有效性的C2R模型，作為DEA的初始模型[27]。DEA評價過程是使用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，對具有多個輸入、輸出的決策單元之間的相對有效性進行評價，對所提供數(shù)據(jù)的確性非常敏感，因此對數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法的應(yīng)用有一定的限制。

3）灰色關(guān)聯(lián)分析法?；疑P(guān)聯(lián)分析法是挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律的有效方法，其基本思想是對數(shù)據(jù)序列幾何關(guān)系和曲線幾何的相似程度進行比較分析，以曲線間相似程度大小作為關(guān)聯(lián)程度的衡量尺度[28-29]，灰色關(guān)聯(lián)分析過程是先獲取序列間的差異信息，建立差異信息空間，再計算差異信息的灰色關(guān)聯(lián)度，從而建立因素間的序關(guān)系，具有對樣本數(shù)據(jù)要求低，計算量低的特點。

4）TOPSIS法。逼近于理想解的排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)是 C.L.Hwang和 K.Yoon于1981年首次提出，根據(jù)有限個評價對象與理想化目標(biāo)的接近程度進行排序的方法，是在現(xiàn)有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價[30]。TOPSIS法通過構(gòu)造理想值并使各參評方案逼近于理想解，是一種評判排序法，該方法只要求各指標(biāo)的效用函數(shù)具有單調(diào)遞增(或遞減)性即可。

綜合考慮各項評價指標(biāo)，確定配電網(wǎng)供電能力指標(biāo)綜合評估方法，對現(xiàn)狀網(wǎng)進行評價，通過評價結(jié)果全面反映配電網(wǎng)的運行情況，找出影響配電網(wǎng)供電能力的因素，為進行電網(wǎng)改造、提高其運行的供電能力提供理論指導(dǎo)。

4 總結(jié)與展望

本文對傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)供電能力評估內(nèi)容、評估方法和評估模型3方面的當(dāng)前研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并對城市配電網(wǎng)供電能力評估的3個步驟分別進行了歸納分析，即建立城市配電網(wǎng)供電能力評價指標(biāo)體系、確定各評價指標(biāo)權(quán)重和確定評價方法。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大，復(fù)雜性的提高，城市配電網(wǎng)供電能力評估將面臨新的挑戰(zhàn)，需要適應(yīng)新環(huán)境下的配電網(wǎng)絡(luò)，并針對評估中發(fā)現(xiàn)的配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)進行合理的電網(wǎng)規(guī)劃改造技術(shù)論證，通過對城市配電網(wǎng)進行規(guī)劃改造，可以使配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更加合理，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電可靠性，創(chuàng)造更大的社會效益。

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