摘" 要：該文主要圍繞著集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)（CESS）在微電網(wǎng)需求響應(yīng)中的應(yīng)用展開深入研討。CESS參與有助于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)需求響應(yīng)的高效調(diào)度，優(yōu)化能源資源配置，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，促進(jìn)清潔能源利用。通過文獻(xiàn)分析和模型構(gòu)建，研究表明，CESS在微電網(wǎng)中具有降低經(jīng)濟(jì)成本、提高能源利用效率和提升穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。然而，針對(duì)負(fù)載平衡模型施以優(yōu)化的根本目的，是確保微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本規(guī)模得以有效縮減，可同樣會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)的穩(wěn)定性愈發(fā)降低。為此，該文提出一個(gè)指標(biāo)規(guī)劃模型中不同權(quán)重系數(shù)的影響，以找到成本效益和穩(wěn)定性之間的最佳關(guān)系。最后，該文提出研究的局限性，并指出未來(lái)研究的方向。

關(guān)鍵詞：集中式儲(chǔ)能；微電網(wǎng)；需求響應(yīng)；模型構(gòu)建；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TM921.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0038-05

Abstract： This paper mainly focuses on the application of centralized energy storage system （CESS） in microgrid demand response. CESS participation helps achieve efficient dispatch of microgrid demand response， optimize energy resource allocation， improve system stability， and promote clean energy utilization. Through literature analysis and model construction， research shows that integrated CESS has the advantages of reducing economic costs， improving energy efficiency and improving stability in microgrids. However， the fundamental purpose of optimizing the load balancing model is to ensure that the economic cost scale of the microgrid can be effectively reduced， which will also lead to the increasingly reduced stability of the microgrid. To this end， this paper proposes the effects of different weight coefficients in an indicator programming model to find the best relationship between cost-effectiveness and stability. Finally， this paper points out the limitations of the research and points out the direction of future research.

Keywords： centralized energy storage; microgrid; demand response; model construction; numerical simulation

在微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度與配置方面，文獻(xiàn)[1]提出了基于改進(jìn)布谷鳥算法的微電網(wǎng)源-荷-儲(chǔ)功率優(yōu)化調(diào)度方法，旨在實(shí)現(xiàn)能源資源的高效利用。文獻(xiàn)[2]探討了面向多服務(wù)目標(biāo)需求的集中式電池儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法，以滿足不同服務(wù)的需求。文獻(xiàn)[3]研究了計(jì)及光伏工況的集中式發(fā)電方案下儲(chǔ)能的優(yōu)化配置，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[4]分析了分布式與集中式儲(chǔ)能并存的微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度問題。文獻(xiàn)[5]討論了提升新能源消納能力的集中式與分布式電池儲(chǔ)能協(xié)同規(guī)劃。在儲(chǔ)能技術(shù)與應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[6]對(duì)集中式超大規(guī)模儲(chǔ)能電站的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行了建模，對(duì)其可靠性進(jìn)行了評(píng)估，并為儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)提供了理論支持和決策依據(jù)。文獻(xiàn)[7]指出，合理規(guī)劃儲(chǔ)能規(guī)模和布局對(duì)于提高系統(tǒng)的調(diào)峰能力、保障電力供應(yīng)安全以及促進(jìn)新能源消納具有重要意義。文獻(xiàn)[8]探討了集中式儲(chǔ)能下微電網(wǎng)的控制策略，通過對(duì)微電網(wǎng)的源-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制，可以有效提高微電網(wǎng)的自給自足能力和供電可靠性，尤其是在電網(wǎng)故障或外部電源中斷的情況下。文獻(xiàn)[9]主要聚焦于商業(yè)建筑微電網(wǎng)，分析了商業(yè)建筑微電網(wǎng)的運(yùn)行模式和經(jīng)濟(jì)效益，提出了相應(yīng)的優(yōu)化配置方案。文獻(xiàn)[10]分析了基于集中儲(chǔ)能的新型家庭微電網(wǎng)架構(gòu)及其優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[11]基于協(xié)同性與非確定性的基礎(chǔ)上，圍繞著微電網(wǎng)項(xiàng)目投資組合優(yōu)化這一問題展開了深入探討。在儲(chǔ)能參與電網(wǎng)中的作用方面，文獻(xiàn)[12]針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模集中式光伏發(fā)電的接納能力方面扮演的關(guān)鍵角色進(jìn)行了深入研究和驗(yàn)證。通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效運(yùn)用，可以顯著提高電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電的接納能力，緩解光伏發(fā)電的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[13]指出，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，大規(guī)模儲(chǔ)能將在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。文獻(xiàn)[14]的研究?jī)?nèi)容是集中式可再生能源系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量配置的敏感因素分析。這項(xiàng)研究有助于指導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作，以適應(yīng)集中式可再生能源的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[15]提出了一種在綜合可再生能源發(fā)電廠中實(shí)現(xiàn)能源存儲(chǔ)最優(yōu)分配的方法，不僅提高了可再生能源的利用效率，也為電力市場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持。文獻(xiàn)[16]提出了一種在住宅建筑中集成可再生能源供熱系統(tǒng)的高效能源存儲(chǔ)方案，為居民提供了更為舒適、環(huán)保的生活環(huán)境。

從上述文獻(xiàn)可以看出，儲(chǔ)能微電網(wǎng)的研究正朝著優(yōu)化調(diào)度、技術(shù)應(yīng)用等多個(gè)方向深入發(fā)展。

1" 集中式儲(chǔ)能參與的微電網(wǎng)組織架構(gòu)

如今，城市中的微電網(wǎng)正在逐漸采用集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)（Centralized Energy Storage System，CESS），以提高資源整合效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。公共光伏系統(tǒng)與能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（CESS）同時(shí)連接到電網(wǎng)，進(jìn)而滿足客戶有關(guān)負(fù)荷的基本需求。在光伏資源較為豐富且電價(jià)惠而不費(fèi)的時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在能夠起到能源儲(chǔ)備作用，作為備用能源參與到微電網(wǎng)負(fù)荷的分配過程當(dāng)中，使得微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行下去，同時(shí)促使相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本得到有效控制?；诖耍槍?duì)包含能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的微電網(wǎng)負(fù)荷平衡模型進(jìn)行深入研討。本研究建立了一個(gè)包含能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化模型；將光伏發(fā)電當(dāng)作是微網(wǎng)的分布式能源，微電網(wǎng)不單單能夠向電網(wǎng)進(jìn)行能源的購(gòu)買，同時(shí)能夠向其進(jìn)行售賣。通常情況下，微電網(wǎng)的負(fù)荷主要經(jīng)兩部分一同構(gòu)成，其一即用戶用電，其二即建筑基本負(fù)荷。分布式發(fā)電信息與微電網(wǎng)售電信息、用戶用電信息與微電網(wǎng)售電信息等，皆可以在第一時(shí)間儲(chǔ)存于用戶數(shù)據(jù)服務(wù)器中，進(jìn)而便于后續(xù)的微電網(wǎng)信息互換操作。

基于CESS微網(wǎng)內(nèi)，各用戶對(duì)于能源的基本需求與日常的用電習(xí)慣，均存在著明顯差異。為能夠積極地參與至電力市場(chǎng)中，他們通過節(jié)約電費(fèi)和減少與電網(wǎng)互動(dòng)導(dǎo)致的電網(wǎng)波動(dòng)負(fù)擔(dān)來(lái)提高效率。將這些用戶與公共光伏系統(tǒng)以及CESS相連接的根本目的，即促使微網(wǎng)得以維系住穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并且在對(duì)經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行有效控制的前提下，對(duì)CESS的運(yùn)行進(jìn)行有效管控。

2" 構(gòu)建優(yōu)化模型

2.1" 目標(biāo)函數(shù)

CESS參與的微電需求響應(yīng)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，主要涵蓋了用戶層面和微電網(wǎng)層面2個(gè)重要的維度。

式中：C1是用戶層面的用電需求與成本優(yōu)化。所有客戶都希望能夠參與電力市場(chǎng)，同時(shí)滿足日常需求，降低日常能源成本。Ppur，t是t時(shí)刻用戶的購(gòu)電價(jià)格，P是微電網(wǎng)的購(gòu)電功率，Δt是時(shí)間變量，Com是CESS的運(yùn)行維護(hù)成本，Cdep是CESS的折舊成本，Cd是用戶參與DR的執(zhí)行成本。Z是調(diào)整光伏發(fā)電、公用電網(wǎng)供電和CESS在微電網(wǎng)中能源消耗的次序。

式中：τom是CESS的單位運(yùn)維系數(shù)，P和P分別是CESS在t時(shí)刻的充電功率和放電功率。

式中：τdep是CESS的單位折舊系數(shù)。

式中：P和P分別是實(shí)施消費(fèi)削減策略后，t 時(shí)刻i消費(fèi)負(fù)荷需求量的增減；τD，up和τD，down分別是實(shí)施消費(fèi)削減策略后，i消費(fèi)負(fù)荷單價(jià)的增減。

式中：P光伏在t時(shí)刻的實(shí)際輸出功率，P是CESS在t時(shí)刻的輸出功率。λpv、λgl和λBL均是人為設(shè)置的懲罰因子，分別對(duì)應(yīng)于光伏發(fā)電、公用電網(wǎng)和CESS 3種能源的優(yōu)先調(diào)度程度。通過分配不同的懲罰系數(shù)，可以根據(jù)特定能源的需求確定其優(yōu)先次序。

式中：C2是微電網(wǎng)層面的電力波動(dòng)與穩(wěn)定優(yōu)化。γgl是公用電網(wǎng)功率交互波動(dòng)系數(shù)，γBL是CESS功率交互波動(dòng)系數(shù)。式（6）表示從時(shí)間t-1到時(shí)間t，微電網(wǎng)改變了電網(wǎng)與 CESS 之間的電力互動(dòng)。

， （7）

式中：ε是成本性的權(quán)重因子代表經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)所占權(quán)重，1-ε是穩(wěn)定性的權(quán)重因子代表穩(wěn)定性目標(biāo)所占權(quán)重。

2.2" 約束條件

2.2.1" 儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

對(duì)于集中式能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（CESS），如液流電池，有充電和放電功率的限制，以及能量狀態(tài)（充電和放電能量）的約束。這些約束確保了電池在安全范圍內(nèi)工作，如最大和最小充電/放電功率，以及放電深度限制。

，（8）

， （9）

， （10）

式（8）與式（9）中的I、I，各自代表著CESS基于t時(shí)刻CESS的放電變量、充電變量，本質(zhì)上來(lái)講即歸結(jié)為二進(jìn)制變量。P和P分別是CESS在t時(shí)刻的充電功率和放電功率。P和P分別是CESS在t時(shí)刻的最小放電功率限制和最大放電功率限制。P和P分別是CESS在t時(shí)刻的最小充電功率限制和最大充電功率限制。

， （11）

式（11）表示CESS在t時(shí)刻的輸出功率。

式中：ηBL，ch和ηBL，disch分別代表儲(chǔ)能系統(tǒng)（CESS）的充、放電效率。式（13）中EBLmin與EBLmax各自代表著CESS的最小存儲(chǔ)容量、最大存儲(chǔ)容量。

2.2.2" 需求響應(yīng)約束

在電力消費(fèi)階段，假設(shè)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)用戶都有可調(diào)節(jié)的負(fù)載。當(dāng)電力需求達(dá)到高峰時(shí)，電價(jià)上升，用戶會(huì)減少自身的用電量，并在電價(jià)較低的時(shí)段轉(zhuǎn)移電力使用，以滿足日常需求并降低用電成本。

式（15）中：P代表著第i個(gè)用戶基于時(shí)刻t下實(shí)際參與需求響應(yīng)（DR）策略的負(fù)荷需求；PLoad，i，t則代表著第i個(gè)用戶基于時(shí)刻t下沒有實(shí)際參與DR策略的負(fù)荷需求。此外，式（18）中的ID，up、ID，down均歸結(jié)為二進(jìn)制變量，前者代表著參與DR策略以后負(fù)荷增加的實(shí)際參數(shù)，而后者則代表著負(fù)荷減小的實(shí)際參數(shù)；式（16）和式（17）中的Mdown和Mup均是連續(xù)變量，范圍從0到1，分別代表負(fù)荷減少和增加的最大值。由式（15）可知，用戶參與需求響應(yīng)（DR）以后的實(shí)際用電負(fù)荷，即為用戶在沒有參與DR前階段的實(shí)際用電負(fù)荷與用戶接入DR以后新增負(fù)荷之總計(jì)。為確保用戶在日常中能夠獲取到良好的舒適度，式（16）、式（17）均針對(duì)可新增的最大負(fù)荷施以了適度約束。由式（18）可知，用戶在參與DR之時(shí)，不可對(duì)其電力負(fù)荷予以減少或者增加。式（19）則意味著基于配電周期內(nèi)，用戶總電力負(fù)荷維持原狀。

2.2.3" 功率平衡約束

微電網(wǎng)必須符合電力平衡原則，即光伏、公用電網(wǎng)、CESS的輸出功率之和等于用戶實(shí)際和調(diào)整后的負(fù)荷需求。同時(shí)，每個(gè)用戶的電功率也需要平衡。

整個(gè)微電網(wǎng)的電功率平衡約束

每個(gè)用戶的電功率平衡約束

， （21）

式（20）代表著基于微電網(wǎng)的能源平衡約束；而式（21）則代表著基于各用戶的能源平衡約束。具體而言，式（21）中的P 代表著基于時(shí)刻t用以滿足第i個(gè)用戶負(fù)載需求的光伏發(fā)電功率；P 表示時(shí)刻t用于滿足第i個(gè)用戶負(fù)載需求的公用電網(wǎng)發(fā)電功率；P 表示CESS用于滿足用戶i在時(shí)刻t的負(fù)載需求的放電功率；P 表示用戶i在時(shí)刻t存儲(chǔ)進(jìn)CESS的充電功率。

3" 算例分析

實(shí)驗(yàn)中的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[4]，用戶的負(fù)荷數(shù)據(jù)源于2012年7月的某一周某住戶社區(qū)的實(shí)際功耗數(shù)據(jù)，用戶的購(gòu)電價(jià)格來(lái)自實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)源自P2P—IEEE，系統(tǒng)數(shù)據(jù)集的電價(jià)信息。本研究中儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)，具體參考于EIL—R267以及SUNGROWEIL—046。其他儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)見表1。

為了研究集中儲(chǔ)能的微電網(wǎng)相對(duì)于無(wú)集中儲(chǔ)能的傳統(tǒng)微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，我們通過進(jìn)行2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圍繞著用戶參與集中式儲(chǔ)能微電網(wǎng)需求響應(yīng)的實(shí)際情況施以深入研討，同時(shí)圍繞著微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于微電網(wǎng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性所構(gòu)成的影響展開深度剖析?；趯?duì)照實(shí)驗(yàn)1，將方案1與方案2進(jìn)行詳盡對(duì)比。此實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，即在于探究與傳統(tǒng)意義的微電網(wǎng)相比較，具有CESS的微電網(wǎng)是否能夠使得穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。而基于對(duì)照實(shí)驗(yàn)2，則是將方案2與方案3進(jìn)行詳盡對(duì)比。此實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱松钊胙杏懺诰哂蠧ESS的微電網(wǎng)當(dāng)中，用戶是否可以對(duì)需求側(cè)管理進(jìn)行有效參與，進(jìn)而使得其自身的用電成本得到有效控制。

需格外注意的是，基于式（3），將ε系數(shù)值確定成0.5。在將該因素考量在內(nèi)以后，針對(duì)4類方案，微電網(wǎng)的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果同時(shí)兼顧了穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，如圖1—圖3所示。

圖1基于方案1下，傳統(tǒng)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性的負(fù)荷分布情況?；诜桨?內(nèi)，未存在儲(chǔ)能系統(tǒng)以負(fù)荷和電力需求二者間的同步性進(jìn)行調(diào)控，故當(dāng)發(fā)電量難以對(duì)微電網(wǎng)的負(fù)荷需求予以滿足之時(shí)，額外電量需源自于公共電網(wǎng)，致使微電網(wǎng)難以成功實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的負(fù)荷規(guī)劃。

圖2基于微電網(wǎng)和CESS相連以后得負(fù)荷優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)連接后，其穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)減少了部分非確定性因素，負(fù)荷優(yōu)化規(guī)劃算法使得電網(wǎng)的波動(dòng)現(xiàn)象得到有效控制；與此同時(shí)，并不會(huì)對(duì)于微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。

圖3用戶在參與微電網(wǎng)需求響應(yīng)策略以后的負(fù)荷分布狀況。結(jié)合所得到的方案3結(jié)果可知，在需求響應(yīng)引進(jìn)以后，微電網(wǎng)總負(fù)荷需求曲線愈發(fā)趨向于寬松。意味著，具有CESS的微電網(wǎng)可以成功參與到電力市場(chǎng)中，使得用電成本規(guī)模得以有效縮減，并且能夠使得微電網(wǎng)維系住穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，如果將微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性放在首位，那么配備CESS的微電網(wǎng)將獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。同樣，如果優(yōu)先考慮微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，就能獲得更好的穩(wěn)定性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，成本權(quán)重的增加（取值范圍在0至1之間），微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性能可能會(huì)下降，同時(shí)波動(dòng)幅度愈發(fā)明顯。基于此，本文在研究過程中提出了諸多對(duì)負(fù)荷優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行精確評(píng)估的基礎(chǔ)指標(biāo)，此類指標(biāo)不只可以將調(diào)度結(jié)果的效益予以展現(xiàn)，還可以將微電網(wǎng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性均考量在內(nèi)。

式中：C、C各自象征著微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值在成本權(quán)重（取值范圍在0到1）時(shí)候的最大值、最小值；C、C，則各自象征著微電網(wǎng)不穩(wěn)定性指標(biāo)的最大值、最小值。由式（23）可知，在對(duì)微電網(wǎng)的不穩(wěn)定性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行考量時(shí)，其估值指標(biāo)應(yīng)盡量小。本實(shí)驗(yàn)的目的是通過不斷調(diào)整權(quán)重系數(shù)，在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，找到微電網(wǎng)最佳的負(fù)載平衡，兼顧波動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)成本之間的優(yōu)化平衡。研究通過探究成本權(quán)重系數(shù)在0和1之間的變化怎樣作用于微電網(wǎng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)成本，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出，將步長(zhǎng)設(shè)定為0.1，經(jīng)對(duì)各權(quán)重值進(jìn)行運(yùn)算后可知，當(dāng)ε系數(shù)值是0.8的時(shí)候，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性可達(dá)至平衡。在考慮了儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，對(duì)于參與了需求響應(yīng)的微電網(wǎng)，這種平衡解被認(rèn)為是最佳結(jié)果，因?yàn)樵诰C合考慮經(jīng)濟(jì)成本和穩(wěn)定性時(shí)能夠達(dá)到最優(yōu)的折中點(diǎn)。

4" 結(jié)論

在探究微電網(wǎng)調(diào)度策略的過程中，構(gòu)建了一個(gè)融入CESS的微電網(wǎng)需求響應(yīng)優(yōu)化調(diào)度模型。模型全面考慮經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性2個(gè)層面，力求在這兩者間尋求最佳的平衡點(diǎn)。在引入CESS后，微電網(wǎng)在運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上均呈現(xiàn)出顯著提升。本文主要完成的部分如下。

1）CESS能提供大規(guī)模的電力存儲(chǔ)，有效平衡供需，并且快速響應(yīng)電網(wǎng)指令，提供頻率調(diào)節(jié)、峰值削平等服務(wù)，增強(qiáng)微電網(wǎng)的靈活性和可靠性。

2）CESS參與的微電網(wǎng)通過集中管理，能優(yōu)化能源使用，降低運(yùn)營(yíng)成本。

3）當(dāng)過于追求減少經(jīng)濟(jì)成本微電網(wǎng)的波動(dòng)就會(huì)擴(kuò)大，追求減少波動(dòng)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本就會(huì)擴(kuò)大。

4）進(jìn)一步研討各權(quán)重因素對(duì)于調(diào)度模型所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而尋求一個(gè)可以兼具穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)方案。

參考文獻(xiàn)：

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