為什么直流電能計(jì)量很重要？

21世紀(jì)，世界各國政府都在制定行動(dòng)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)長期復(fù)雜的減少CO2排放的挑戰(zhàn)。CO2排放已證實(shí)是造成氣候變化嚴(yán)重后果的原因，同時(shí)對(duì)新型高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)和改進(jìn)電池化學(xué)組成的需求也在迅速增長。

包括可再生和不可再生能源在內(nèi)，僅去年一年，世界人口就消耗了近18萬億千瓦時(shí)，而這一需求還在繼續(xù)增長；事實(shí)上，在過去的15年里，消耗了超過一半的現(xiàn)有能源。

為此，我們的電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)還在不斷地增長；如今，對(duì)更高效、更環(huán)保的能源的需求與日俱增。由于更容易使用，早期的電網(wǎng)開發(fā)人員使用交流電(ac)向世界供電，但在許多地區(qū)，直流電(dc)可顯著提高效率。

在基于寬帶隙半導(dǎo)體（例如GaN和SiC器件）的高效經(jīng)濟(jì)型功率轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，許多應(yīng)用現(xiàn)在都看到了轉(zhuǎn)換為直流電能的好處。因此，精確的直流電能計(jì)量變得越來越重要，特別是涉及到電能計(jì)費(fèi)的地方。本文將討論直流計(jì)量在電動(dòng)汽車充電站、可再生能源發(fā)電、服務(wù)器場(chǎng)、微電網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源共享方面的發(fā)展機(jī)會(huì)，并介紹一種直流電表設(shè)計(jì)。

直流電能計(jì)量應(yīng)用

電動(dòng)汽車直流充電站

預(yù)計(jì)到2018年1，插電式電動(dòng)汽車(EV)的復(fù)合年均增長率為+70%，并且預(yù)計(jì)2017至2024年將以+25%的復(fù)合年均增長率增長。2充電站市場(chǎng)從2018至2023年將以41.8%的復(fù)合年均增長率增長。3然而，為了加速減少私人交通造成的二氧化碳排放，電動(dòng)汽車需求成為汽車市場(chǎng)的首選。

近年來，人們?cè)谔岣唠姵厝萘亢褪褂脡勖矫孀隽舜罅抗ぷ?，但同時(shí)必須提供廣泛的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，這樣才能無需擔(dān)心行駛里程或充電時(shí)間問題，從容實(shí)現(xiàn)長途旅行。許多能源供應(yīng)商和私營企業(yè)都在部署高達(dá)150 kW的快速充電器，并且每個(gè)充電樁功率高達(dá)500 kW的超快充電器也引發(fā)了公眾的興趣?？紤]到局部充電峰值功率高達(dá)兆瓦的超快充電站和相關(guān)的快速充電能源溢價(jià)率，電動(dòng)汽車充電將成為一個(gè)巨大的電能交換市場(chǎng)，隨之需要進(jìn)行準(zhǔn)確的電能計(jì)費(fèi)。

目前，標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車充電器在交流側(cè)計(jì)量，缺點(diǎn)是無法測(cè)量交流-直流轉(zhuǎn)換過程中損失的電能，因此，對(duì)最終客戶來說，計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)確。自2019年以來，新的歐盟法規(guī)要求能源供應(yīng)商只能向客戶收取傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車的電能費(fèi)用，使得電源轉(zhuǎn)換和分配損失都由能源供應(yīng)商來承擔(dān)。

雖然先進(jìn)的SiC電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)換器可達(dá)到97%以上的效率，但快速和超快充電器直接連接到汽車電池時(shí)，電能以直流方式傳輸，在這種情況下，顯然需要在直流側(cè)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)。除了涉及電動(dòng)汽車充電計(jì)量公共利益外，私人和住宅點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電動(dòng)汽車充電計(jì)劃可能對(duì)于直流側(cè)進(jìn)行精確的電能計(jì)費(fèi)具有更大的激勵(lì)作用。

圖1. 未來電動(dòng)汽車充電站的直流電能計(jì)量。

圖2. 可持續(xù)微電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的直流電能計(jì)量。

直流配電—微電網(wǎng)

什么是微電網(wǎng)？從本質(zhì)上講，微電網(wǎng)是更小版本的公用電力系統(tǒng)。因此，需要安全、可靠、高效的電源。醫(yī)院、軍事基地都可能使用微電網(wǎng)，微電網(wǎng)甚至?xí)鳛楣孟到y(tǒng)的一部分，其中可再生能源發(fā)電、燃料發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能共同作用形成一個(gè)可靠的能源分配系統(tǒng)。

樓宇建筑中也會(huì)使用微電網(wǎng)。隨著可再生能源發(fā)電機(jī)的廣泛使用，建筑物甚至可以自行供電，屋頂太陽能電池板和小型風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能足夠使用，獨(dú)立運(yùn)行但仍提供公共電網(wǎng)支持。

此外，建筑物多達(dá)50%的電力負(fù)載是直流電。目前，每臺(tái)電子設(shè)備都必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，在這個(gè)過程中會(huì)損失高達(dá)20%的電能，與傳統(tǒng)交流配電相比，估計(jì)總能耗可節(jié)省多達(dá)28%。4

在部署直流電的建筑物中，可以通過將交流電一次轉(zhuǎn)換為直流電，并將直流電直接饋入所需設(shè)備（如LED燈和電腦）來降低能耗。

隨著大家對(duì)直流微電網(wǎng)日益關(guān)注，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的需求也在增加。

IEC 62053-41是一個(gè)即將推出的標(biāo)準(zhǔn)，將規(guī)定住宅直流系統(tǒng)和封閉式電表（類似于直流電能計(jì)量的等效交流計(jì)量）的要求和標(biāo)稱水平。

截止2017年5，直流微電網(wǎng)領(lǐng)域價(jià)值約為70億美元，并且隨著新興直流配電的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步增長。

直流供電數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商正在積極考慮使用不同的技術(shù)和解決方案來提高設(shè)施的電力效率，因?yàn)殡娏κ瞧渥畲蟮某杀局弧?/p>

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商看到了直流配電的相關(guān)好處，不僅可減少交流和直流之間需要進(jìn)行的最少轉(zhuǎn)換次數(shù)，而且與可再生能源的整合也更輕松、更高效。轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)的減少按下式估計(jì)：

● 節(jié)能5%至25%：提高傳輸和轉(zhuǎn)換效率，并減少熱量產(chǎn)生

● 雙倍可靠性和可用性

● 占地面積減少33%

圖3. 與傳統(tǒng)交流配電相比，數(shù)據(jù)中心直流供電需要的組件更少，損耗也更低。

圖4. 直流供電數(shù)據(jù)中心的可再生能源整合

配電總線電壓范圍高達(dá)380 VDC左右，由于許多運(yùn)營商開始采用按用電量向托管客戶收費(fèi)的測(cè)量方法，因此精確的直流電能計(jì)量越來越倍受關(guān)注。

向托管客戶收取電費(fèi)的兩種常用方式：

● 每次（每個(gè)出口固定費(fèi)用）

● 消耗的電能（計(jì)量出口—對(duì)所消耗的每千瓦時(shí)收取電費(fèi)）

為了鼓勵(lì)提高電源效率，計(jì)量輸出方法越來越受歡迎，客戶定價(jià)涉及以下幾部分：

經(jīng)常性費(fèi)用 = 空間費(fèi)用 +（IT設(shè)備抄表 × PUE）

● 空間費(fèi)用：固定，包括安全保障和所有建筑物運(yùn)營成本

● IT設(shè)備抄表：IT設(shè)備消耗的千瓦時(shí)數(shù)乘以電能成本

● 電源使用效率(PUE)：考慮IT背后基礎(chǔ)設(shè)施的效率，例如散熱冷卻

一個(gè)典型的現(xiàn)代機(jī)架會(huì)消耗高達(dá)40 kW的直流電。因此，需要使用計(jì)費(fèi)級(jí)直流電表來監(jiān)測(cè)高達(dá)100 A的電流。

精密直流電能計(jì)量挑戰(zhàn)

20世紀(jì)初，傳統(tǒng)交流電表完全是機(jī)電式。使用電壓和電流線圈的組合在旋轉(zhuǎn)鋁盤中感應(yīng)渦流。鋁盤上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電壓和電流線圈產(chǎn)生的磁通量的乘積成正比。最后，在鋁盤上添加一個(gè)破碎磁鐵，使轉(zhuǎn)速與負(fù)載消耗的實(shí)際功率成正比。此時(shí)，只需計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)即可計(jì)量耗電量。

現(xiàn)代交流電表則更復(fù)雜，也更準(zhǔn)確，并可防止竊電。現(xiàn)在，先進(jìn)的智能電表甚至可以監(jiān)測(cè)其絕對(duì)精度，并且安裝在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)可全天候檢測(cè)是否存在竊電跡象。ADI公司的 ADE9153B 計(jì)量IC就具有此功能，它采用mSure?技術(shù)。

無論是現(xiàn)代電表、傳統(tǒng)電表、交流電表還是直流電表，都是根據(jù)其每千瓦時(shí)脈沖常數(shù)和百分比等級(jí)精度進(jìn)行分類的。每千瓦時(shí)脈沖數(shù)表示電能更新率，即分辨率。等級(jí)精度表示電能的最大計(jì)量誤差。

與老式機(jī)械電表類似，給定時(shí)間間隔內(nèi)的電能也是通過計(jì)算這些脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)量；脈沖頻率越高，瞬時(shí)功率也越高，反之亦然。

直流電表架構(gòu)

直流電表的基本架構(gòu)如圖5所示。要測(cè)量負(fù)載所消耗的功率(P = V × I)，至少需要一個(gè)電流傳感器和一個(gè)電壓傳感器。當(dāng)?shù)碗妷簜?cè)為地電位時(shí)，流過電表的電流通常在高電壓側(cè)測(cè)量，以便盡量減少未計(jì)量漏電的風(fēng)險(xiǎn)，但電流也可在低電壓側(cè)測(cè)量，如果設(shè)計(jì)架構(gòu)需要，也可以在兩側(cè)測(cè)量。通常使用測(cè)量和比較負(fù)載兩側(cè)電流的技術(shù)，使電表具有故障和竊電檢測(cè)能力。但是，在測(cè)量兩側(cè)的電流時(shí)，至少需要隔離一個(gè)電流傳感器，以便處理導(dǎo)體間的高電位。

電壓測(cè)量

電壓通常用電阻分壓器來測(cè)量，其中使用階梯電阻將電位以一定比例降低到與系統(tǒng)ADC輸入兼容的電平。

由于輸入信號(hào)的幅度很大，使用標(biāo)準(zhǔn)組件可輕松實(shí)現(xiàn)精確的電壓測(cè)量。但是，必須注意所選組件的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)，以確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有所需的精度。

如前所述，用于電動(dòng)汽車充電站等應(yīng)用的直流電表有時(shí)需要專門對(duì)傳輸?shù)杰囕v的電能計(jì)費(fèi)。為了滿足測(cè)量要求，電動(dòng)汽車充電器的直流電表可能需要有多個(gè)電壓通道，使電表也能在車輛的入口點(diǎn)檢測(cè)電壓（4線測(cè)量）。采用4線配置的直流電能計(jì)量方式，就可以將充電樁和電纜的所有電阻損耗從總電能賬單中扣除。

圖5. 直流電表系統(tǒng)架構(gòu)。

直流電能計(jì)量的電流測(cè)量

電流可通過直接連接測(cè)量，也可通過感應(yīng)電荷載體流動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來間接測(cè)量。下一節(jié)將討論最常用的直流電流測(cè)量傳感器。

分流電阻

直接連接電流檢測(cè)是一種成熟可靠的交流和直流電流測(cè)量方法。電流流過一個(gè)已知阻值的分流電阻。根據(jù)歐姆定律(V = R × I)，分流電阻兩端的壓降與流經(jīng)電阻的電流成正比，將壓降放大和進(jìn)行數(shù)字化處理，就可以精確地得出電路中的電流。

分流電阻檢測(cè)是適合測(cè)量mA至kA電流的準(zhǔn)確高效的低成本方法，理論上具有無限的帶寬。但是，這種方法有一些缺點(diǎn)。

當(dāng)電流流過電阻時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱與電流的平方成比例。這不僅會(huì)造成效率損失，而且自熱效應(yīng)還會(huì)影響分流電阻值，從而導(dǎo)致精度下降。為了限制自熱效應(yīng)，可使用低值電阻。但是，使用小電阻時(shí)，通過傳感元件的電壓也很小，有時(shí)會(huì)與系統(tǒng)的直流偏移相當(dāng)。在這些情況下，要在動(dòng)態(tài)范圍的低端實(shí)現(xiàn)所需精度并不容易?？墒褂镁哂谐椭绷髌坪统?a target="_blank">低溫漂的先進(jìn)模擬前端，來克服低值分流電阻的限制。但是，由于運(yùn)算放大器具有恒定增益-帶寬乘積，高增益將會(huì)限制可用帶寬。

低值電流檢測(cè)分流器通常由特定的金屬合金制成，如錳銅或鎳鉻，這些金屬合金可以抵消其各成分的反向溫度漂移，從而導(dǎo)致總漂移約為數(shù)十ppm/°C。

直接連接直流測(cè)量中的另一個(gè)誤差因素是熱電動(dòng)勢(shì)(EMF)現(xiàn)象，也稱為塞貝克效應(yīng)。在塞貝克效應(yīng)這種現(xiàn)象中，在形成結(jié)的至少兩個(gè)不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間的溫差會(huì)在兩者之間產(chǎn)生電位差。塞貝克效應(yīng)是一種眾所周知的現(xiàn)象，廣泛用于檢測(cè)熱電偶的溫度。

在4線連接的分流器中，焦耳熱會(huì)在電阻合金元件的中心形成，與銅傳感導(dǎo)線一起傳播，銅傳感導(dǎo)線可能連接到PCB（或其他介質(zhì)），也可能有不同的溫度。

傳感電路將形成不同材料的對(duì)稱分布；因此，將大致抵消正負(fù)極傳感導(dǎo)線上的結(jié)電勢(shì)。但是，熱容量的任何差異，如連接到更大銅塊（接地層）的負(fù)極傳感導(dǎo)線，會(huì)導(dǎo)致溫度分布不匹配，從而產(chǎn)生由熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)引起的測(cè)量誤差。

因此，必須注意分流器的連接和所產(chǎn)生熱量的分布情況。

圖6. 由溫度梯度引起的分流器中的熱電動(dòng)勢(shì)。

磁場(chǎng)感應(yīng)—間接電流測(cè)量

開環(huán)霍爾效應(yīng)

傳感器由一個(gè)高磁導(dǎo)率環(huán)構(gòu)成，感應(yīng)電流導(dǎo)線通過該環(huán)。這會(huì)將被測(cè)導(dǎo)體周圍的磁力線集中到一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器上，該傳感器插在磁芯的橫截面內(nèi)。該傳感器的輸出經(jīng)過預(yù)先處理，通常有不同的配置可供選擇。最常見的有：0 V至5 V、4 mA至20 mA或數(shù)字接口。以相對(duì)低成本提供隔離和高電流范圍的同時(shí)，絕對(duì)精度通常不低于1%。

閉環(huán)霍爾效應(yīng)

由電流放大器驅(qū)動(dòng)的磁通磁芯上的多匝次級(jí)繞組提供負(fù)反饋，以實(shí)現(xiàn)總磁通量為零的情況。通過測(cè)量補(bǔ)償電流，線性度得到了提高，不存在磁芯磁滯，總體上具有出色的溫漂，并且精度比開環(huán)解決方案更高。典型誤差范圍下降到0.5%，但是額外的補(bǔ)償電路使傳感器成本更高，有時(shí)帶寬也受到限制。

磁通門

是一個(gè)復(fù)雜的開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)有意飽和磁芯的磁通量變化來測(cè)量電流。線圈繞在高磁導(dǎo)率鐵磁芯上，磁芯由對(duì)稱方波電壓驅(qū)動(dòng)的二次線圈有意飽和。每當(dāng)磁芯接近正負(fù)飽和時(shí)，線圈的電感就會(huì)崩潰，其電流變化率也會(huì)增加。線圈的電流波形保持對(duì)稱，除非外加一個(gè)外部磁場(chǎng)，這樣波形就會(huì)變得不對(duì)稱。通過測(cè)量這種不對(duì)稱性的大小，就可以估算出外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度，以及由此產(chǎn)生的電流。它可以提供良好的溫度穩(wěn)定性和0.1%的精度。但是，傳感器中復(fù)雜的電子器件使其成為一種昂貴的解決方案，其價(jià)格比其他隔離式解決方案高10倍。

圖7. 基于通量集中器和磁性傳感器的開環(huán)電流傳感器。

圖8. 閉環(huán)電流傳感器的工作原理示例。

直流電能計(jì)量：要求和標(biāo)準(zhǔn)化

雖然與現(xiàn)有交流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)相比，直流電能計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)化似乎不難實(shí)現(xiàn)，但行業(yè)利益相關(guān)者仍在討論不同應(yīng)用的要求，這就需要更多的時(shí)間來敲定直流計(jì)量的具體細(xì)節(jié)。

IEC正在制定IEC 62053-41，以定義精度等級(jí)為0.5%和1%的有功電能直流靜電電表的具體要求。

該標(biāo)準(zhǔn)提出了一個(gè)標(biāo)稱電壓和電流的范圍，并對(duì)電表的電壓和電流通道的最大功耗進(jìn)行了限制。此外，與交流計(jì)量要求一樣，定義了動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的具體精度，以及空載條件下的電流閾值。

草案中對(duì)系統(tǒng)帶寬沒有具體要求，但要求成功完成快速負(fù)載變化測(cè)試，并對(duì)系統(tǒng)最小帶寬定義了隱含要求。

電動(dòng)汽車充電應(yīng)用中的直流計(jì)量有時(shí)符合德國標(biāo)準(zhǔn)VDE-AR-E 2418或舊鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN 50463-2。根據(jù)EN 50463-2，對(duì)每個(gè)傳感器都指定了精度，組合電能誤差是電壓、電流和計(jì)算誤差的正交和：

表1. 根據(jù)EN 50463-2標(biāo)準(zhǔn)確定的最大電流誤差百分比

表2. 根據(jù)EN 50463-2標(biāo)準(zhǔn)確定的最大電壓誤差百分比

結(jié)語：符合概念驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的直流電表

ADI公司是精密傳感技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，為精密電流和電壓測(cè)量提供完整信號(hào)鏈，以滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。下一節(jié)將介紹符合即將推出的專用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053-41要求的直流電表的概念驗(yàn)證。

考慮到微電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心計(jì)費(fèi)級(jí)直流電能計(jì)量的空間，我們可以假設(shè)表3中所示的需求。

表3. 直流電表規(guī)格—概念驗(yàn)證

使用低值和低電動(dòng)勢(shì)分流器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的低成本電流檢測(cè)(<1 μVEMF/°C)。采用低值分流電阻對(duì)于減少自熱效應(yīng)并使功率電平低于標(biāo)準(zhǔn)要求的限值至關(guān)重要。

商用75 μΩ分流器將會(huì)使功耗保持在0.5 W以下

圖9. 直流電表系統(tǒng)架構(gòu)。

但是，在75 μΩ分流器上，80 A標(biāo)稱電流的1%會(huì)產(chǎn)生60 μV的小信號(hào)，需要使用在亞微伏的失調(diào)漂移性能范圍內(nèi)的信號(hào)鏈。

ADA4528的最大失調(diào)電壓為2.5 μV，最大失調(diào)電壓漂移為0.015 μV/°C，非常適合為小分流信號(hào)提供超低漂移、100 V/V放大。因此，同步采樣、24位ADC AD7779 可直接連接到放大級(jí)，具有5 nV/°C輸入?yún)⒖际д{(diào)漂移量。

通過直接與AD7779 ADC輸入端相連的1000:1比率的電阻電位分壓器，可以精確測(cè)量高直流電壓。

最后，利用微控制器實(shí)現(xiàn)簡單的逐樣本、中斷驅(qū)動(dòng)計(jì)量功能，其中對(duì)于每個(gè)ADC樣本，中斷例程為：

● 讀取電壓和電流樣本

● 計(jì)算瞬時(shí)功率(P = I × V)

● 在電能累加器中累加瞬時(shí)功率

● 檢查電能累加器是否超過電能閾值以產(chǎn)生電能脈沖，并清除電能累加寄存器

此外，除了計(jì)量功能，微控制器還支持系統(tǒng)級(jí)接口，如RS-485、LCD顯示和按鈕。

圖10. 概念驗(yàn)證—原型制作。

參考電路

1Tom Turrentine, Scott Hardman, and Dahlia Garas. "引導(dǎo)電動(dòng)汽車向可持續(xù)發(fā)展過渡。" 國家可持續(xù)交通中心，加州大學(xué)戴維斯分校，2018年7月。

2"按類型（純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車）、車輛類型（兩輪車、客車、商務(wù)車）和地區(qū)劃分的全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)報(bào)告—行業(yè)趨勢(shì)、規(guī)模、份額、增長、估計(jì)和預(yù)測(cè)，2017-2024。"Value Market Research。

3按充電站（交流充電站、直流充電站）、安裝類型（住宅、商業(yè)）和地區(qū)（北美、歐洲、亞太地區(qū)和世界其它地區(qū)）劃分的電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)—到2023年的全球預(yù)測(cè)。 Research and Markets，2018年4月。

4Venkata Anand Prabhala, Bhanu Prashant Baddipadiga, Poria Fajri, and Mehdi Ferdowsi. "直流配電系統(tǒng)架構(gòu)及優(yōu)勢(shì)概述。" MDPI，2018年9月。

5"按類型（交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、混合）、連接（并網(wǎng)、遠(yuǎn)程/孤島）、產(chǎn)品（硬件、服務(wù)、軟件）、電源（天然氣、太陽能、燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)、柴油等）、應(yīng)用（醫(yī)療健康、工業(yè)、軍事、公用電力事業(yè)和教育機(jī)構(gòu)）、地區(qū)（北美、歐洲、亞太地區(qū)、南美以及中東和非洲地區(qū)）劃分的全球微電網(wǎng)市場(chǎng)、全球行業(yè)分析、市場(chǎng)規(guī)模、份額、增長、趨勢(shì)和預(yù)測(cè)，2018-2025。"Researchstore.biz。

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