0.引言

電力的生產(chǎn)是一個連續(xù)的過程，其中發(fā)電、輸電、變電、配電和利用各個環(huán)節(jié)同時完成。因此，電力生產(chǎn)和消費在在任何時刻都始終保持平衡。但是大多數(shù)電力系統(tǒng)中負荷水平具有峰谷差，這就要求電力系統(tǒng)有足夠的備用容量，以滿足高峰負荷的需求。在一些負荷迅速增長的和地區(qū)，電力系統(tǒng)新設(shè)施的建設(shè)速度難以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展所帶來的新增負荷需求。近年來，儲能技術(shù)作為一種解決電能供需不平衡問題的有效手段，受到電力行業(yè)的廣泛重視。電力系統(tǒng)系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以提高電力系統(tǒng)對分布式新能源的接納能力，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。儲能技術(shù)的應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來重大變革。本文主要討論了儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電網(wǎng)中的應(yīng)用問題。在高壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可以減少系統(tǒng)對高峰負荷的備用容量，這樣可以節(jié)省相關(guān)的設(shè)備（如變壓器、線路等）投資。在中壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應(yīng)用往往是與分布式發(fā)電（DistributedGeneration，DG）配合使用，可通過其可控的充放電平抑DG出力的波動性，同時也能提高電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。在低壓配電系統(tǒng)中，儲能技術(shù)主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理（DemandSideManagement，DSM）、應(yīng)急供電、提高電能質(zhì)量和供電可靠性的有效技術(shù)手段。另外，電動車往往連接在低壓配電系統(tǒng)的用戶側(cè)，在有效管理的情況下，其電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。本文著重介紹應(yīng)用于配電系統(tǒng)的電力儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并基于我國電力系統(tǒng)的實際狀況和需求，從技術(shù)和經(jīng)濟的層面加以分析，探討儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電系統(tǒng)中的應(yīng)用方向。

1.儲能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

電能存儲技術(shù)對于電力安全、新能源的規(guī)?；瘧?yīng)用都有著重要的意義。是改變傳統(tǒng)電網(wǎng)中功率剛性平衡性質(zhì)，提高電網(wǎng)柔性的革新性技術(shù)。電能存儲形式多樣，如電池類的化學儲能、抽水、壓縮空氣、飛輪、電容、電感等物理儲能。抽水儲能適合用大容量、長時間的儲能，一般用于大電網(wǎng)的負荷調(diào)節(jié)等。與微網(wǎng)相關(guān)的新型儲能技術(shù)應(yīng)是小型、高效、控制靈活的儲能方式，現(xiàn)在正在迅速發(fā)展中的有各類電池、飛輪、超級電容器、超導(dǎo)磁儲能等。

（1）抽水蓄能（PumpedHydroStorage）

抽水蓄能是在電力系統(tǒng)中得到為廣泛應(yīng)用的一種儲能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制、調(diào)峰等。抽水蓄能電站在應(yīng)用時配備上、下兩個水庫。在符合低谷時段，抽水蓄能設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時期，抽水蓄能設(shè)備處于發(fā)電機狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。目前，有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應(yīng)用的一個重要因素是其對地理條件有特殊要求，同時建設(shè)工期長，工程投資大。

（2）鉛酸電池

鉛酸電池的正負電極為二氧化鉛和鉛，以硫酸為電解質(zhì)。鉛酸電池組具有吸附電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，工作時形成的氧能夠復(fù)合，并能在浮充（備用）和深循環(huán)應(yīng)用下工作。鉛酸電池技術(shù)成熟，能實現(xiàn)規(guī)模化儲能，是蓄電池儲能中應(yīng)用廣泛的。不足之處儲能密度低，充放電速度慢，效率受周圍溫度的影響比較大，且鉛等有毒物質(zhì)具有一定的危險性。

（3）MH-Ni（MetalHydride－Nickel）電池

MH-Ni電池是一種堿性電池，其正極為鎳氫氧化物，負極為貯氫合金材料。充電時氫由正極到負極，放電時氫由負極到正極，電解液沒有增減現(xiàn)象，電池可實現(xiàn)密封設(shè)計。它儲能密度較高，將在電動機車領(lǐng)域擁有較大的應(yīng)用空間。在電網(wǎng)應(yīng)用上，與鉛酸電池相比除了體積小之外，沒有較為明顯的優(yōu)勢。

（4）全釩液流電池

與上述各種電池相比較，液流電池雖然儲能密度較低，但由于其儲能容量只取決于電解液容量和密度，因此配置上相當靈活，只需增加電解液容積和濃度即可增大儲能容量，并且可以進行深度充放電。液流電池在成本上的優(yōu)勢也較為明顯，和鉛酸電池相比較，其能量效率可達75%～80%，性價比較高。全釩液流電池在規(guī)模儲能方面具有能量轉(zhuǎn)換效率高、蓄電容量大、運行安全和環(huán)境友好等優(yōu)點，被稱為“電銀行"。它可用于電網(wǎng)“銷峰填谷"的調(diào)節(jié)，降低發(fā)電成本、提高電能使用效率；用于太陽能、風能等可再生能源發(fā)電的儲存，解決它們發(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù)而難以并網(wǎng)的問題；還可以用于重要部門和設(shè)備充當備用電站。

（5）鈉硫電池

鈉硫電池于1966年由美國福特公司提出，早期應(yīng)用于電動汽車的配套研究。與鉛酸、鎳氫電池相比較，鈉硫電池的能量密度高，且沒有自放電現(xiàn)象，使其適合于布置在受場地限制的城市地區(qū)。鈉硫電池的運行壽命也比較長，其充放電次數(shù)在理論上可達到2000次；充放電效率也較高，可達到90%以上。目前鈉硫電池的制備技術(shù)及其在電力儲能方面的應(yīng)用已經(jīng)取得大量成果。截至2004年12月，大約已經(jīng)建造超過500kW的鈉硫電池儲能系統(tǒng)59個，總?cè)萘?8MW，其中包括兩個額定容量達9.6MW，60MW·h的世界大的鈉硫電池系統(tǒng)。鈉硫電池的制造成本較高，這是限制其推廣應(yīng)用的重要因素。

（6）飛輪儲能

大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)都是由一個圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構(gòu)組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統(tǒng)的壽命。為了保證足夠高的儲能效率，飛輪系統(tǒng)應(yīng)該運行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風阻損耗。飛輪與電動機或者發(fā)電機相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進行飛輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。飛輪儲能的突出優(yōu)點是幾乎不需要運行維護，設(shè)備壽命長（可完成20a或者數(shù)萬次深度充放能量過程），對環(huán)境沒有不良的影響。飛輪具有優(yōu)秀的循環(huán)使用以及負荷跟蹤性能，它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應(yīng)用和長時間儲能應(yīng)用之間的應(yīng)用場合。

（7）導(dǎo)磁儲能

超導(dǎo)磁儲能（SuperconductiveMagneticEnergyStorage，SMES）由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的儲能效率（充/放電效率超過95%），很快吸引了電力工業(yè)的注意。SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：負荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。和其他的儲能技術(shù)相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導(dǎo)體本身的費用外，維持低溫所需要的費用也相當可觀。如果將SMES線圈與有的柔性交流輸電裝置（FACTS）相結(jié)合，可以降低變流單元的費用，這部分費用一般在整個SMES成本中占大份額。已有的研究結(jié)果表明，對輸配電應(yīng)用而言，微型（<0.1MW·h）和中型（0.1～100.0MW·h）SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟。使用高溫超導(dǎo)體可以降低儲能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件的要求，從而使SMES的成本進一步降低。目前，在世界范圍內(nèi)有許多SMES工程正在進行或者處于研制階段。

（8）超級電容器儲能

超級電容器使用碳或其他高表面積密度材質(zhì)為導(dǎo)體，電極間的距離非常小，可儲存較高的電能。它是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種儲能元件，一般應(yīng)用于高功率短時間放電的儲能系統(tǒng)。充放電速度遠快于傳統(tǒng)的化學電池。另外，它幾乎沒有充放電次數(shù)以及大放電量的限制，平均壽命可高達25年以上。目前，超級電容大多用于高峰值功率、低容量的場合?？梢栽陔妷旱浜退矐B(tài)干擾期間提高供電水平。

（9）壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能常用于調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠，對于同樣的電力輸出，采用CAES的機組所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%。這是因為，常規(guī)燃氣輪機在發(fā)電時大約需要消耗輸入燃料的2/3進行空氣壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負荷低谷時的廉價電能預(yù)先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。一個投入商業(yè)運行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺290MW機組。目前美國GE公司正在開發(fā)容量為829MW的更為的壓縮空氣儲能電站，此外，俄、法、意、盧森堡、以色列等國也在積極開發(fā)和建設(shè)這種電站。

（10）制氫儲能

由于氫氣具有很高的熱值，1m3氫的使用效果相當于1L汽油，而我國具有很豐富的資源。制氫儲能是指利用多余的電能來制取氫氣作為能源。目前主要的制氫方式有如下幾種：1）從含烴的化石燃料中制氫；2）電解水制氫；3）生物制氫。氫氣的存儲技術(shù)主要是加壓壓縮儲氫技術(shù)、液化儲氫技術(shù)、金屬氧化物儲氫技術(shù)和有機化合物儲氫激技術(shù)。作為生活用氫，經(jīng)濟效益十分可觀。關(guān)于制氫國內(nèi)開展的比較多的主要是太陽能光伏制氫儲能與燃料電池相結(jié)合，當日照情況良好時，通過電解水制氫將多余的電能儲存起來；在陽光條件下不能使光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，將儲存的氫通過燃料電池轉(zhuǎn)換為電能，繼續(xù)向負載送電，從而保證了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

2.不同電壓等級配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

在配電網(wǎng)規(guī)劃規(guī)劃階段，儲能系統(tǒng)的配置策略應(yīng)與電壓等級一起考慮。

2.1高壓配電系統(tǒng)中的儲能

在高壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于削峰填谷。儲能系統(tǒng)的容量和安裝位置，應(yīng)根據(jù)負荷特征和優(yōu)化目標進行優(yōu)化計算。圖1給出了一條典型的負荷持續(xù)時間曲線。在這條曲線中，5%的時間里負荷水平比平均負荷水平（負荷峰值的56%）高。為了保障電力系統(tǒng)的安運行和用戶的供電可靠性，電力系統(tǒng)應(yīng)提供足夠的備用容量，以滿足持續(xù)時間不超過5%的高峰負荷的供電需求。在這種情況下，為了滿足高峰負荷需求的備用容量將大大降低電力系統(tǒng)的運行效率，導(dǎo)致高投資和資源浪費。如果在高壓配電系統(tǒng)采用儲能裝置，可以有效地減少所需的系統(tǒng)備用容量，節(jié)省電力設(shè)備投資。但另一方面，儲能裝置用于電力調(diào)峰，需要裝置較大容量的儲能容量，顯然，容量越大，其制造和控制就越困難。目前儲能系統(tǒng)的造價仍較高，其投資有可能會超過了系統(tǒng)備用的投資。高壓配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的容量配置應(yīng)和采用系統(tǒng)備用的方法進行技術(shù)經(jīng)濟比較，其過程如圖2所示。

2.2中壓配電系統(tǒng)中的儲能

在中壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應(yīng)用往往是為了平抑間歇性DG的出力波動和提高中壓配電網(wǎng)的能量調(diào)度能力，從而提高中壓配電網(wǎng)對DG的接納能力。對于風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源DG，其出力受到自然條件的限制，呈現(xiàn)顯著的間歇性特征。DG出力的波動會導(dǎo)致配電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，特別當DG滲透率達到一定程度時，其對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響將不能忽略。應(yīng)用儲能裝置是改善分布式發(fā)電輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時增加了DG與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的可靠性。DG單元與儲能裝置的聯(lián)合運行與協(xié)調(diào)控制是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效手段之一。儲能系統(tǒng)使得不可調(diào)度的DG發(fā)電單元能夠作為可調(diào)度機組單元運行，實現(xiàn)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運行，在必要時向電力公司賣電，提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。例如太陽能、風力等間歇性DG，DG單元擁有者不能制定發(fā)電計劃，但有了儲能系統(tǒng)，他們就可以在特定的時間提供所需的電能，而不必考慮此事DG單元能夠發(fā)出多少電能，通過儲能的調(diào)節(jié)作用就可按照預(yù)先制定的各種不同發(fā)電規(guī)劃進行發(fā)電。此時儲能的量配置涉及到經(jīng)濟平衡問題：儲能的容量越大，系統(tǒng)調(diào)度的靈活性就越高，DG單元擁有者就可以獲取更多的經(jīng)濟利益；但儲能容量越大，其投資也越大。通過技術(shù)經(jīng)濟分析，在兩者之間找到佳經(jīng)濟平衡點。

2.3低壓配電系統(tǒng)中的儲能

在低電壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理的有效技術(shù)手段，例如微網(wǎng)中的電池系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)還能用作緊急電源、提高電能質(zhì)量和供電可靠性。另外，電動車往往接于用戶側(cè)，在有效管理的情況下，其電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。

（1）需求側(cè)管理

電力系統(tǒng)的需求側(cè)管理會采用合適的手段引導(dǎo)終用戶改變能源使用模式。儲能作為一種能量存儲設(shè)備，改變了用電需求和發(fā)電的同時性要求，成為輔助需求側(cè)管理的有效技術(shù)手段。另一方面，需求側(cè)管理也可降低用于改善電能質(zhì)量所需的儲能系統(tǒng)容量。

（2）緊急備用

緊急備用的典型應(yīng)用是不間斷電源。當電網(wǎng)發(fā)生故障且分布式發(fā)電裝置不能正常供電時（例如，利用太陽能發(fā)電的夜間，風力發(fā)電在無風時，或者其他類型DG處于檢修期間等），儲能系統(tǒng)可作為向用戶提供電力。儲能系統(tǒng)的容量配置主要取決于負荷的需求?？紤]到儲能系統(tǒng)的造價目前尚較高，作為應(yīng)急電源的儲能系統(tǒng)主要配置于一些重要用戶（如醫(yī)院、數(shù)據(jù)等）

（3）提高電能質(zhì)量

將儲能系統(tǒng)用于用戶側(cè)，可以提高電能質(zhì)量，增強系統(tǒng)的供電可靠性。從技術(shù)上來說，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用儲能裝置為用戶（家庭用戶、商業(yè)或工業(yè)用戶）提供不簡短的高質(zhì)量供電電源，而且可以讓用戶自主選擇合適通過配電回路從電網(wǎng)獲取電能或向電網(wǎng)回饋電能。

（4）電動汽車

電池電動汽車（BatteryElectricalVehicle）中的電池采用電網(wǎng)進行充電，對電網(wǎng)而言就是一種電能存儲系統(tǒng)。智能電動汽車充放電管理系統(tǒng)有實現(xiàn)對電動汽車的有序充放電，從而充分利用儲能系統(tǒng)的削峰填谷能力。例如，在風力或太陽能DG發(fā)電高峰時期，可對電動汽車的電池進行充電，從而吸納多余的風電電能。在風力或太陽能DG發(fā)電低谷且負荷用電高峰時期，應(yīng)避免電動汽車充電，通過電價等措施引導(dǎo)電動汽車的充電延遲到稍后非負荷高峰時期。電動汽車回饋電網(wǎng)（VehicletoGrid，V2G）模式允許電動車的電池向電網(wǎng)回饋電能。這種模式大大增加了電力系統(tǒng)運行的靈活性和可調(diào)度性。

3.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

3.3系統(tǒng)功能

3.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

3.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設(shè)備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運行模式設(shè)置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

3.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

3.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

3.3.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

3.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

3.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進行相應(yīng)的控制，但是當設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

3.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.結(jié)束語

本文分析了儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。在未來配電系統(tǒng)的規(guī)劃中，應(yīng)考慮儲能系統(tǒng)對負荷特性、DG 滲透率、需求側(cè)管理等各方面的影響。在高壓配電系統(tǒng)中，抽水蓄能電站能有效地進行峰谷調(diào)節(jié)，從而提高電力系統(tǒng)的運行效率。在中壓配電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)往往與 DG 一起應(yīng)用，用于提高配電系統(tǒng)對 DG 的接納能力。在低壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理和緊急備用的有效技術(shù)手段。另外在有效管理的情況下，電動汽車的電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。

參考文獻

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