JP5734668B2 - 保護制御計測装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、非同期でベストエフォート型の通信網手段を用いた保護制御計測装置に関するものである。

電力系統には平常時の監視や、事故発生時の保護制御を行うために、保護制御計測機能を備えた保護制御計測装置が設けられている。保護制御計測装置の主たる機能は、事故発生時に事故区間を遮断して当該事故の健全系統への波及を防止する系統保護機能や、事故発生時に送電ルートを切り替えて停電を防止する系統制御機能である。

保護制御計測装置には上記機能を実現するために、保護制御計測演算を実施する演算手段が設けられているが、当該演算は電力系統から取得する電気量データに基づいて行われる。したがって、装置を構成する要素間および複数の装置間には、電気量データの伝送手段が接続されている。

電気量データの伝送手段としては、近年急速な進展を遂げたコンピュータネットワーク技術が適用され始めている。具体的には、イーサネット（登録商標）やＴＣＰ／ＩＰの汎用プロトコルといった通信網手段が利用されている。これらの通信網手段を用いれば、異なる設備や多用なアプリケーションに対して一元的な対応が可能となり、柔軟性や拡張性を確保することができる。

電気量データの伝送手段にイーサネット（登録商標）やＴＣＰ／ＩＰを適用した従来例としては、例えば、特許文献１に開示されたディジタル保護制御装置がある。このディジタル保護制御装置には、保護制御装置を構成する各要素に通信コントローラが設けられており、すべて定周期プロトコル通信手段で構成したシリアルバスが接続されている。

このような保護制御計測装置では、各要素間のデータ通信を定周期で実施し、リアルタイムな保護制御計測機能を実現しようとしている。しかし、イーサネット（登録商標）やＴＣＰ／ＩＰなどの通信網手段は、非同期通信であり、且つデータの送信から受信までの到達時間を保証しないベストエフォート型である。このため、イーサネット（登録商標）などの通信網手段を適用した保護制御計測装置においては、柔軟性や拡張性は高いものの、リアルタイムのデータ同期が得られ難いという問題がある。

そこで従来、特許文献２などのように、ＧＰＳ受信機を使って取得した絶対時間を用いて、複数の電気量データをサンプリング同期で取得するサンプリング同期方式および時間管理方式が提案されている。この方式によれば、複数のサンプリングデータに基づいて保護演算や標定演算などを行うことができる。

また、特許文献３に示すネットワーク式電気量情報処理システムのようなサンプリング同期方式も提示されている。この方式では、ＧＰＳ受信機を使って取得した絶対時間に基づき、サンプリングタイミングでアナログ信号である電気量データのＡ／Ｄ変換を行い、ディジタル信号に変換・符号化する。

そして、特許文献３では、ディジタル化した電気量データをネットワーク上の各機能ユニットに配信するようになっている。特許文献３に関する技術分野は、例えば保護継電装置に関するものであり、前記機能ユニット同士を接続するネットワークの実施形態としてイーサネット（登録商標）が示されている。

特開２００７−２０３２９号公報 特開２００５−２６９７５９号公報 特開２００７−３２５３２３号公報

ところで、電力系統の規模などによって変電所間の距離は数１０〜１００ｋｍとなることがある。これら変電所間を繋ぐ長距離の通信網手段としてイーサネット（登録商標）などを採用した場合、複数のスイッチなどの通信機器が含まれると、送受信フレーム・パケットの順序の入れ替えが発生し、保護制御計測装置に到達する電気量データが遅延する可能性がある。また、受信した電気量データの一部分が欠落しているケースもある。このため、リアルタイムのデータ同期が得られないばかりか、保護制御計測演算の仕上がり時間が遅延するおそれがある。

前述したように、保護制御計測装置では通常、伝送手段が各装置間、各要素間のデータ通信を定周期で実施し、演算手段によるリアルタイムな保護制御計測機能の実現を目指している。ここで言う「リアルタイム」とは、正常な伝送手段によってデータ通信がなされ、保護制御計測機能を実現するための、期待され得る最短待ち時間を含んでいる。

このような保護制御計測装置においては、保護制御計測演算に必要な電気量データがリアルタイムで得られないのであれば、装置の適用対象である系統の要求性能に沿って、保護制御計測機能をロックしている。さらには保護制御計測装置では、保護制御計測機能をロックする旨の警報を外部へ出力することも多い。

保護制御計測機能が使用不能となる機能ロックの期間中は、当然ながら保護制御計測装置は運用停止となる。保護制御計測装置における機能ロックは、装置の適用対象である系統の要求性能に沿って行われるが、データ遅延の無い正常なデータに回復するまで継続されるのが一般的である。

電気量データの到達遅延が解消されて保護制御計測演算に必要な電気量データがリアルタイムで揃うようになれば、保護制御計測装置の運用は再開される。しかし、機能がロックされ、運用が一時的にせよ停止すると、装置の稼働率および稼用性が低下することは否めない。

特に、非同期でかつベストエフォート型の通信網手段を用いた保護制御計測装置では、データの送信から受信までの到達時間が保証されていない。そのため、保護制御計測演算に必要な電気量データがリアルタイムで揃わず、機能ロックが起きる可能性が高くなって、装置の運用停止期間が長期化するおそれがあった。したがって、装置の稼働率および稼用性を改善することが強く求められていた。

本発明の実施形態は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、非同期でかつベストエフォート型の通信網手段を用いた保護制御計測装置において、装置の適用対象である系統の要求性能に沿って保護制御計測機能をロックするのではなく、所定期間だけ機能ロックに猶予を与えることにより、この猶予期間中は装置を継続的に運用して、稼働率および稼用性を向上させた保護制御計測装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、電力系統の電気量データを取り込むアナログ入力手段と、電気量データを送受信するための伝送手段と、前記電気量データに基づき保護制御計測演算を行う演算手段が設けられ、保護制御計測機能を備えた保護制御計測装置において、次のような構成を有している。

すなわち、前記アナログ入力手段により取り込んだ自装置の電気量データと、前記伝送手段により受信した他装置の電気量データをバッファリングするバッファ処理手段と、前記バッファ処理手段がバッファリングするバッファ時間を、電力系統で要求される最長の外部系統機器への制御時間内で変更するバッファ時間管理処理手段と、を備え、前記バッファ処理手段は、前記バッファ時間管理処理手段により変更されたバッファ時間中に、サンプリングタイミングが前記他装置の電気量データと一致する、前記自装置の電気量データをバッファリングし、前記演算手段は、前記変更されたバッファ時間中に保護制御計測演算に必要な電気量データが揃えば、前記バッファ処理手段によりバッファリングされた前記自装置の電気量データと前記他装置の電気量データのサンプリングタイミングを一致させ、装置を適用する系統の要求性能に沿った保護制御計測機能のロックを回避し、前記変更されたバッファ時間を経過しても保護制御計測演算に必要な電気量データが揃わなければ、装置を適用する系統の要求性能に沿って保護制御計測機能をロックするように構成されている。

第１の実施形態の保護制御計測装置の構成図。 第２の実施形態の保護制御計測装置の構成図。 第３の実施形態の保護制御計測装置によるデータ補足を説明するための説明図。 第４の実施形態の保護制御計測装置によるデータ補間を説明するための説明図。 第５の実施形態の保護制御計測装置による制御時間の伸張を説明するための説明図。

（１）第１の実施形態
［構成］
以下、第１の実施形態の保護制御計測装置について、図１の構成図を参照して具体的に説明する。図１に示すように、電力系統７の異なる地点には、４つの変流器または変成器５が配置され、これらの変流器または変成器５を介して保護制御計測装置１〜４が設置されている。符号６は、遮断器または断路器、符号８は、イーサネット（登録商標）などの非同期で且つベストエフォート型であるパケット方式の通信網である。

保護制御計測装置１〜４には、装置を構成する要素として、アナログ入力部１ａ〜４ａ、演算部１ｂ〜４ｂ、バッファ処理部１ｃ〜４ｃおよび伝送部１ｄ〜４ｄが設けられている。このうち、アナログ入力部１ａ〜４ａは、アナログ信号である交流の電気量データを電力系統７から取り込み、この電気量データをディジタル信号に変換する部分である。また、伝送部１ｄ〜４ｄは通信網８に接続されており、通信網８を介して電気量データを送受信する部分である。

バッファ処理部１ｃ〜４ｃは、本実施形態の特徴的な部分であり、電気量データを所定のバッファ時間だけバッファリングする部分である。バッファ処理部１ｃ〜４ｃにおける電気量データのバッファ時間は、最短待ち時間である所望の制御タイミングを起点として、系統７で要求される最長の外部系統機器への制御時間を満足させる範囲内で、制御タイミングの最大待ち時間まで設定可能である。

また、バッファ処理部１ｃ〜４ｃは、系統７の電気量として位相レベルで受信した他装置データのサンプリングタイミングが一致するまでバッファリングを行うようになっている。なお、バッファ処理部１ｃ〜４ｃがバッファリングする電気量データとしては、アナログ入力部１ａ〜４ａから取り込んだ自装置の電気量データ（以下、自装置データと呼ぶ）と、自装置以外の複数の保護制御計測装置１〜４の電気量データ（以下、他装置データと呼ぶ）がある。

演算部１ｂ〜４ｂは、アナログ入力部１ａ〜４ａから取り込んだ自装置データに基づいて保護制御計測演算処理を行う部分である。また、演算部１ｂ〜４ｂは、バッファ処理部１ｃ〜４ｃから他装置データを取り込み、自装置データと比較して他装置データに基づいて保護制御計測演算処理を行うようになっている。

ところで、演算部１ｂ〜４ｂは、電気量データに基づいて演算処理を実行するので、演算に必要とされる電気量データが揃うことが演算処理の前提となる。すなわち、電気量データの到達遅延が発生してリアルタイムに所望の電気量データが揃わなければ、保護制御計測演算を実施することはできない。そこで従来では、所望の制御タイミングで、演算に必要となる電気量データが揃っていなければ、電力系統７の要求性能に沿って保護制御計測機能をロックしていた。

これに対して、本実施形態では、バッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間が終了するまでは、電力系統７の要求性能に沿った保護制御計測機能のロックを回避するように構成されている。そして、バッファ時間の終了後、必要な電気量データが揃っていなければ、その時点で電力系統７の要求性能に沿って、保護制御計測機能をロックするようになっている。すなわち、バッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間は、電気量データの到達遅延を許容する時間であり、実質的に機能ロックを回避する際のタイムアウト時間となっている。

［作用］
以上の構成を有する第１の実施形態は次のように作用する。各保護制御計測装置１〜４のアナログ入力部１ａ〜４ａは、電力系統７から自装置データを取り込む。演算部１ｂ〜４ｂは、アナログ入力部１ａ〜４ａから自装置データを受け取り、これに基づいて保護制御計測演算を実施する。バッファ処理部１ｃ〜４ｃは演算部１ｂ〜４ｂから自装置データを取得し、バッファリングする。

また、伝送部１ｄ〜４ｄは通信網８を介して、自装置以外の保護制御計測装置１〜４に対し他装置データの送受信を行っている。通信網８を介して他装置データを受信した各保護制御計測装置１〜４では、バッファ処理部１ｃ〜４ｃが他装置データをバッファリングする。

演算部１ｂ〜４ｂは、バッファ処理部１ｃ〜４ｃから他装置データを受け取り、これを自装置データと比較して、他装置データについての保護制御計測演算を実施する。このとき、バッファ処理部１ｃ〜４ｃが電気量データのバッファリングを行うことで、他装置データのサンプリングタイミングを一致させている。

演算部１ｂ〜４ｂは、所望する制御タイミングの時点で、つまり期待される最短待ち時間以内で、演算に必要となる電気量データに基づいて演算処理を実行する。ただし、演算に必要な電気量データが揃っていなければ、演算部１ｂ〜４ｂは、演算処理を実行することはできない。

この時、バッファ処理部１ｃ〜４ｃに設定されたバッファ時間内であれば、保護制御計測装置１〜４は機能ロックの待機状態となる。すなわち、第１の実施形態では、所望の制御タイミングで演算処理に不可欠な電気量データが揃っていなかったとしても、バッファ時間内であれば保護制御計測機能のロックを回避する。

そして、バッファリング時間が終了する前に、電気量データの到達遅延が解消されて演算に必要な電気量データが揃えば、その時点で演算部１ｂ〜４ｂが演算処理を実行する。この時が保護制御計測装置１〜４における実際の制御タイミングとなる。一方、バッファ処理部１ｃ〜４ｃにてバッファ時間が終了した時点でも演算に必要な電気量データが揃っていなければ、保護制御計測装置１〜４は保護制御計測機能をロックする。

［効果］
上述したように、第１の実施形態においては、保護制御計測演算に必要な電気量データがリアルタイムで揃っていなくとも、バッファ時間中であれば機能ロックに猶予を与えて、装置の継続的な運用が可能である。そして、バッファ時間内に電気量データの到達遅延が解消され、演算に必要な電気量データが揃った場合には、機能ロックに到ることがない。

その結果、機能ロックの発生頻度を低下させることが可能であり、装置１〜４の運用停止期間を短縮化することができる。これにより、装置１〜４における稼働率および稼用性を大幅に向上させることができる。特に、非同期で且つベストエフォート型であるパケット方式の通信網８を採用した場合、保護制御計測演算の仕上がり時間遅延への影響などが考えられるので、機能ロックの猶予による稼働率および稼用性の向上は非常に有効である。

（２）第２の実施形態
［構成］
続いて、図２の構成図を参照して、第２の実施形態の保護制御計測装置について説明する。なお、図１に示した第１の実施形態と同様の部分に関しては同一符号を付して説明は省略する。第２の実施形態の構成上の特徴は、バッファ時間管理処理部１ｅ〜４ｅが設けられた点にある。バッファ時間管理処理部１ｅ〜４ｅは、系統７で要求される最長の外部系統機器への制御時間を満足させる範囲内で、バッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間を管理する部分である。

［作用効果］
このような第２の実施形態では、バッファ時間管理処理部１ｅ〜４ｅによってバッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間を管理するため、系統７で要求される最長の外部系統機器への制御時間を満足させる範囲内で、バッファ時間を容易に調整することができる。

したがって、機能ロック回避に要するタイムアウト時間の最適化を進めることができ、システムの冗長化を最小限に留めることが可能である。これにより、保護制御計測機能を効率よく構築することができ、保護制御計測機能の構築コスト抑制に寄与することができる。

（３）第３の実施形態
［構成］
次に、図３を参照して、第３の実施形態の保護制御計測装置について説明する。第３の実施形態では、バッファ処理部１ｃ〜４ｃが、伝送部１ｄ〜４ｄの送信する電気量データに、所定時間分の過去の電気量データ（以下、過去データとする。図３では点線にて示す）を付加するように構成されている。

ところで、伝送部１ｄ〜４ｄにて受信した電気量データの一部に、データが欠落している欠損データがあり、後から受信した電気量データ（過去データを含む）中に前記欠損データが存在したとする。この場合、演算部１ｂ〜４ｂは、後から受信した電気量データ（過去データを含む）によって欠損データを補足し、保護制御計測演算を行うように構成されている。

［作用効果］
図３は、第３の実施形態におけるデータ補足を説明するための説明図である。図３に示すように、送信側となる装置１〜４では、バッファ処理部１ｃ〜４ｃが電気量データに過去データを付加し、この過去データを含む電気量データを、伝送部１ｄ〜４ｄが自装置以外の保護制御計測装置１〜４に送信する。

一方、受信側の装置１〜４では、過去データを含む電気量データを、伝送部１ｄ〜４ｄにて受信し、当該電気量データをバッファ処理部１ｃ〜４ｃにてバッファリングする。この時、電気量データに欠損データが存在した場合、演算部１ｂ〜４ｂは、演算に必要な電気量データが揃っていない。そのため、外部系統機器に対する所望の制御タイミングとなったとしても、演算部１ｂ〜４ｂは保護制御計測演算を行えない。そして、バッファ処理部１ｃ〜４ｃにおけるバッファ時間が終了するまでは、装置１〜４は機能ロックの待機状態にある。

受信側の装置１〜４において、バッファ時間が終了するよりも前に、つまり制御タイミングの最大待ち時間が来る前に、伝送部１ｄ〜４ｄが後から受信した電気量データ（過去データを含む）によって、欠損データが得られた場合、演算部１ｂ〜４ｂは、欠損データを補足して保護制御計測演算を行う。この時が外部系統機器に対する実際の制御タイミングとなる。

以上のような第３の実施形態によれば、バッファ時間内であれば、演算に必要な電気量データに欠落部分があったとしても、後から受信した電気量データに基づいて、欠落部分を補足することができる。このため、機能ロックによる装置１〜４の運用停止を、積極的に回避することが可能である。その結果、保護制御計測装置の稼働率および稼用性を、さらに向上させることができる。

（４）第４の実施形態
［構成］
図４を参照して、第４の実施形態の保護制御計測装置について説明する。第４の実施形態は、受信した電気量データの一部に欠落がある時、データ補間を行う演算部１ｂ〜４ｂを備えた点に特徴がある。

すなわち、伝送部１ｄ〜４ｄにて受信した電気量データの一部に欠損データが存在するものの、この欠損データの前後では正常な電気量データを受信しているとする。この場合、演算部１ｂ〜４ｂは、欠損データの前後で正常に受信した電気量データを用いて、欠損データを補間し、保護制御計測演算を行うように構成されている。

［作用効果］
図４は、第４の実施形態におけるデータ補間を説明するための説明図である。図４に示すように、受信側の装置１〜４の伝送部１ｄ〜４ｄにて受信した電気量データに関して、その一部に欠損データがあったとする。この時、外部系統機器に対する所望の制御タイミングとなったとしても、演算部１ｂ〜４ｂは、演算に必要な電気量データが揃っていないため、保護制御計測演算を行うことができない。

なお、バッファ処理部１ｃ〜４ｃにおけるバッファリング時間が終了するまでは、保護制御計測装置１〜４は機能ロックの待機状態にある。この点は上記第３の実施形態と同じである。そして、バッファリング時間の終了以前に、つまり制御タイミングの最大待ち時間が時間切れとなる前の段階で、受信側の装置１〜４の伝送部１ｄ〜４ｄが、欠損データの前後で正常な電気量データを受信した場合、演算部１ｂ〜４ｂは欠損データ前後の正常受信した電気量データを用いて欠損データを補間する。

図４に示した例で言えば、所望の制御タイミングにおいては、「３」、「４」の後のデータが欠損データとなっている。これらの欠損データの前後で正常な電気量データ「４」、「７」を受信した時、演算部１ｂ〜４ｂは、「４」と「７」という正常データから、「５」、「６」というデータを補間することができる。

以上述べたように、第４の実施形態では、演算部１ｂ〜４ｂによって、このようなデータ補間処理を行うため、欠落部分の無い正常データを受信するまで待つ必要がない。すなわち、正常なデータに回復するよりも速いタイミングで演算に必要な電気量データを取得し、演算部１ｂ〜４ｂにて保護制御計測演算を行うことができる。したがって、機能ロックを回避して、装置１〜４の運用継続を早期に確定させることが可能である。その結果、保護制御計測装置の稼働率および稼用性をいっそう向上させることができる。

これに加えて、第４の実施形態では、上記第３の実施形態のように過去のデータを含めた大容量の電気量データの送受信が不要である。したがって、通信網８の帯域が制限される、あるいは送受信処理部の能力が制限されるといった不利な通信環境であっても、保護制御計測演算に必要な電気量データを確実に伝送することが可能である。

（５）他の実施形態
なお、本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されるこが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、図５に示した第５の実施形態は、上記第２の実施形態の変形例であって、バッファ時間管理処理部１ｅ〜４ｅが、通信網８の状態に基づいてバッファ時間を管理するように構成された点に特徴がある。すなわち、通信網８が正常で、当初期待通りの最短の待ち時間で電気量データを受信している場合には、バッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間は最短時間に設定され、演算部１ｂ〜４ｂは保護制御計測演算を実施するようになっている。つまり、通信網８が正常であれば、保護制御計測装置１〜４は、可能な限り速い外部系統機器への制御を実施することが可能である。

一方、通信網８に何らかの問題が発生し、これを原因として当初期待した通りの最短の待ち時間で電気量データを受信できない状況に陥ったとする。この場合、バッファ時間管理処理部１ｅ〜４ｅは、データ伝送の異常を検出して、装置１〜４を適用する系統７で要求される最長の外部系統機器への制御時間を満足する範囲内で、バッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間を伸張させる。このような実施形態では、通信網８の状態に応じて、バッファ処理部１ｃ〜４ｃのバッファ時間を調整することにより、通信網８の通信状況を反映させながら、保護制御計測装置の稼働率および稼用性を向上させることができる。

また、保護制御計測機能をロックする旨の警報を外部へ出力する保護制御計測装置では、保護制御計測機能のロック待機に併せて、機能ロックする旨の警報出力も待機させるようにしても良い。

１〜４…保護制御計測装置
１ａ〜４ａ…アナログ入力部
１ｂ〜４ｂ…演算部
１ｃ〜４ｃ…バッファ処理部
１ｄ〜４ｄ…伝送部
１ｅ〜４ｅ…バッファ時間管理処理部
５…変流器または変成器
６…遮断器または断路器
７…電力系統
８…通信網

Claims (5)

1. 電力系統の電気量データを取り込むアナログ入力手段と、電気量データを送受信するための伝送手段と、前記電気量データに基づき保護制御計測演算を行う演算手段が設けられ、保護制御計測機能を実現するように構成された保護制御計測装置において、
   前記アナログ入力手段により取り込んだ自装置の電気量データと、前記伝送手段により受信した他装置の電気量データをバッファリングするバッファ処理手段と、
   前記バッファ処理手段がバッファリングするバッファ時間を、電力系統で要求される最長の外部系統機器への制御時間内で変更するバッファ時間管理処理手段と、
   を備え、
   前記バッファ処理手段は、前記バッファ時間管理処理手段により変更されたバッファ時間中に、サンプリングタイミングが前記他装置の電気量データと一致する、前記自装置の電気量データをバッファリングし、
   前記演算手段は、前記変更されたバッファ時間中に保護制御計測演算に必要な電気量データが揃えば、前記バッファ処理手段によりバッファリングされた前記自装置の電気量データと前記他装置の電気量データのサンプリングタイミングを一致させ、装置を適用する系統の要求性能に沿った保護制御計測機能のロックを回避し、前記変更されたバッファ時間を経過しても保護制御計測演算に必要な電気量データが揃わなければ、装置を適用する系統の要求性能に沿って保護制御計測機能をロックするように構成されたこと、
   を特徴とする保護制御計測装置。
2. 前記バッファ時間管理処理手段は、電気量データの通信環境に応じて前記バッファ時間を変更するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の保護制御計測装置。
3. 前記バッファ処理手段は、所定の時間分の過去の電気量データをバッファリングするように構成され、
   受信側の装置における伝送手段で受信した電気量データの一部に、データが欠落している欠損データがあり、後から受信した電気量データ中に前記欠損データが存在した場合、前記演算手段は、前記バッファ時間内であれば、後から受信した電気量データ中を用いて前記欠損データを補足して保護制御計測演算を行うように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の保護制御計測装置。
4. 受信側の装置における伝送手段で受信した電気量データの一部に、データが欠落している欠損データがあり、当該欠損データの前後で正常な電気量データを受信した場合、前記演算手段は、欠損データの前後で正常に受信した電気量データを用いて、欠損データを補間し、保護制御計測演算を行うように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護制御計測装置。
5. 前記演算手段が保護制御計測機能をロックする時、機能ロックする旨の警報を出力する警報出力手段が設けられ、
   前記警報出力手段は、保護制御計測機能がロック待機状態にある時、前記警報の出力も待機するように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の保護制御計測装置。

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