基于ZigBee技術(shù)的輸電線路風(fēng)荷載響應(yīng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

楊興 裴慧坤 張有佳

摘 ?要： 輸電線路風(fēng)荷載是影響安全運(yùn)行的重要因素，而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)風(fēng)災(zāi)害較好的方法之一。文中從風(fēng)偏機(jī)理、風(fēng)偏閃絡(luò)的發(fā)生條件、風(fēng)偏角典型計(jì)算方法等方面分析了輸電線路風(fēng)偏故障。提出一種基于ZigBee技術(shù)的輸電線路風(fēng)荷載在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的組成和相應(yīng)功能。通過該系統(tǒng)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與風(fēng)偏角典型計(jì)算方法得到的結(jié)果有較好的吻合。目前，該系統(tǒng)直接應(yīng)用于貴州電網(wǎng)公司六盤水輸電線路試驗(yàn)基地，可以有效地指導(dǎo)輸電線路風(fēng)荷載的運(yùn)行維護(hù)管理。

關(guān)鍵詞： 輸電線路; 風(fēng)荷載; ZigBee技術(shù); 在線監(jiān)測(cè)技術(shù); 風(fēng)偏故障分析; 風(fēng)偏角計(jì)算

中圖分類號(hào)： TN99?34; TM726.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0181?06

Design of wind load response on?line monitoringsystem based on

ZigBee technology for electric transmission line

YANG Xing1， PEI Huikun 1， ZHANG Youjia2

（1. Shenzhen Power Supply Bureau， Shenzhen 518000， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract： The wind load on electric transmission line is an important factor that seriously affects safe operation. The on?line monitoring system is one of the better methods to deal with wind disaster. ?The wind yaw faults ?of transmission lines are analyzed in the aspects of wind deflection mechanism， occurrence conditions of wind deflector flashover， and typical calculation methods of wind deflection angle. An on?line wind load monitoring system based on ZigBee technology is presented. The composition and corresponding functions of the system are introduced. The field data collected by the system can tally well with the data got by the typical calculation method of wind deflection angle. At present， this system has been directly applied to transmission line maintenance management dealing with wind loads.

Keywords： transmission line; wind load; ZigBee technology; online monitoring technology; windage yaw fault analysis; wind deflection angle calculation

0 ?引 ?言

近年來，因強(qiáng)風(fēng)暴雨天氣引起的輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故顯著增加，使電網(wǎng)安全及穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)。在輸電線路中出現(xiàn)的風(fēng)偏閃絡(luò)事故往往會(huì)引發(fā)導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線及跳閘等故障，其后果不僅造成電能損失，而且由于在連續(xù)流動(dòng)風(fēng)影響下，線路發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)故障后一般正常重合閘成功的機(jī)率較小，導(dǎo)致輸電線路無法正常運(yùn)行，風(fēng)偏閃絡(luò)事故常發(fā)生在大風(fēng)、雷電和降雨氣象條件下，同時(shí)給故障的排查增加了一定難度。因此，在大風(fēng)工況氣象條件下，對(duì)輸電線路實(shí)時(shí)風(fēng)偏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)特別重要[1?3]。

目前，國(guó)外研究者風(fēng)偏計(jì)算集中于導(dǎo)線與建筑物或其他物體間、絕緣子串與桿塔間最小空氣間隙計(jì)算，就絕緣子串而言，風(fēng)偏方面研究為數(shù)不多[2，4?7]。國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)如西南電力設(shè)計(jì)研究院，曾借助ABAQUS有限元軟件模擬計(jì)算了懸垂絕緣子串受動(dòng)風(fēng)荷載作用后的風(fēng)偏，吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院曾做了關(guān)于絕緣子串的風(fēng)洞試驗(yàn)，得到564組有關(guān)數(shù)據(jù)，為合理設(shè)計(jì)輸電線路提供了借鑒。而現(xiàn)有輸電線路在線監(jiān)測(cè)風(fēng)偏裝置，把角度傳感器安裝在絕緣子串上，進(jìn)而測(cè)量出風(fēng)偏量大小，但是在此過程中并沒有聯(lián)系風(fēng)偏計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算[8?9]。當(dāng)處于最下邊絕緣子的偏移量很大時(shí)，絕緣子串不在桿塔附近（即風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象沒有發(fā)生）就會(huì)引起誤報(bào)，無法準(zhǔn)確預(yù)警，更無法為輸電線路風(fēng)偏設(shè)計(jì)、風(fēng)偏校驗(yàn)、優(yōu)化風(fēng)偏事故防范措施給予依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

綜上，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輸電線路的風(fēng)偏現(xiàn)象做了不同程度的研究，但是大多只針對(duì)風(fēng)偏事故進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，不夠系統(tǒng)和深入。因此，輸電線路風(fēng)荷載響應(yīng)在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一種基于ZigBee協(xié)議的高壓架空輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其在風(fēng)偏計(jì)算公式的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確計(jì)算得到風(fēng)偏角，然后通過風(fēng)偏角計(jì)算絕緣子串相應(yīng)的偏移量，并且將其與采集角度傳感器獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，進(jìn)一步校正風(fēng)偏量，使得風(fēng)偏預(yù)警信息更為準(zhǔn)確。同時(shí)，通過微氣象傳感器采集微氣象數(shù)據(jù)資料，實(shí)時(shí)掌控輸電線路運(yùn)行的整體情況，為輸電線路設(shè)計(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行及準(zhǔn)確預(yù)警提供有效幫助。

1 ?風(fēng)偏機(jī)理分析

因輸電線路中導(dǎo)線通過絕緣子串連接在桿塔上，絕緣子串在風(fēng)力影響下會(huì)產(chǎn)生不同程度的擺動(dòng)，即一定程度上發(fā)生了角度偏移，縮小了輸電線路導(dǎo)線及桿塔間空氣間隙，當(dāng)此間隙減小到某一值時(shí)，相應(yīng)的電強(qiáng)度將無法承受系統(tǒng)工作電壓的最大值。此時(shí)，會(huì)導(dǎo)致放電擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。一般直線塔風(fēng)偏跳閘發(fā)生的概率高于耐張塔。當(dāng)直線塔左右兩側(cè)檔的長(zhǎng)度增加時(shí)，懸垂絕緣子串更容易發(fā)生偏斜。這種偏斜由于會(huì)減小輸電線路導(dǎo)線及懸垂線夾、防震錘、均壓屏蔽環(huán)等金具帶電部分與桿塔接地部分（包括桿塔腳釘、塔身、橫擔(dān)等）間的絕緣間隙，增加了風(fēng)偏閃絡(luò)故障發(fā)生的可能性。因此，有必要考慮在線路改線過程中連接在直線塔上的懸垂絕緣子串的風(fēng)向偏移，避免由于過度風(fēng)偏造成的線路事故。

通過對(duì)不同地區(qū)輸電線路的風(fēng)偏跳閘分析，可知線路風(fēng)偏的產(chǎn)生和發(fā)展過程是非常復(fù)雜的。當(dāng)線路發(fā)生風(fēng)偏放電時(shí)，該地區(qū)往往有強(qiáng)風(fēng)颮線天氣出現(xiàn)，其為導(dǎo)線風(fēng)偏輸入了巨大能量。這種強(qiáng)風(fēng)受到局部強(qiáng)對(duì)流的影響，發(fā)生在涵蓋幾平方千米到十幾平方千米不等的區(qū)域，最大風(fēng)速能達(dá)30 m/s之上，維持時(shí)間數(shù)十分鐘以上，其超過了線路重合閘裝置動(dòng)作整定時(shí)間，致使放電間隙距離依然較小，無法成功重合閘;同時(shí)，當(dāng)重合閘裝置啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的幅度過電壓，導(dǎo)致氣隙的二次放電，此時(shí)，空氣間隙較大時(shí)會(huì)發(fā)生放電，因此，線路發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)時(shí)成功重合閘難度較大。此外，這種強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時(shí)還伴有雷雨和冰雹，一方面，由于強(qiáng)風(fēng)，導(dǎo)線偏移靠近塔身方向，縮短了二者間空氣放電間隙;另一方面，由于降雨和冰雹的作用，使導(dǎo)線與桿塔之間的氣隙放電電壓降低，綜合以上因素，導(dǎo)致增加了輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)發(fā)生概率[10?11]。

2 ?風(fēng)偏角典型計(jì)算方法

受風(fēng)偏作用影響，導(dǎo)線和絕緣子串偏離桿塔一定角度，稱為風(fēng)偏角[φ]，風(fēng)偏狀態(tài)下絕緣子串和導(dǎo)線受力如圖1所示。

圖1 ? 風(fēng)偏后絕緣子串和導(dǎo)線受力圖

進(jìn)行風(fēng)偏角計(jì)算時(shí)建立以下假設(shè)條件：

1） 將導(dǎo)線和絕緣子串當(dāng)作剛體處理，也就是說，它不會(huì)在風(fēng)荷載作用下彎曲或變形;

2） 絕緣子風(fēng)壓和導(dǎo)線受到的力被認(rèn)為是均勻的靜力;

3） 發(fā)生風(fēng)偏后，絕緣子和導(dǎo)線均處于靜力平衡狀態(tài)。

根據(jù)力矩平衡原理，有：

式中：[Pd]為一檔內(nèi)導(dǎo)線上受到的風(fēng)荷載，單位為N;[Pj]為作用在絕緣子串上的風(fēng)荷載，單位為N;[Gd]為一檔內(nèi)導(dǎo)線的重力，單位為N;[Gj]為懸掛在導(dǎo)線上絕緣子串重力，單位為N。

式中：[α]為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，一般取0.61;[βc]為電線調(diào)整風(fēng)載系數(shù)，在計(jì)算500 kV桿塔負(fù)載時(shí)考慮這個(gè)系數(shù);[μsd]為電線風(fēng)荷載形狀系數(shù)，線徑[d<]17 mm或線上覆有冰時(shí)，值為1.2，線徑[d≥]17 mm且線上無覆冰時(shí)，其值為1.1;[μz]為風(fēng)壓高度的變化系數(shù);[ωo]為基本風(fēng)壓，單位為kN/m2;[v]為最大平均風(fēng)速，單位為m/s;[d]為電線半徑或覆冰狀態(tài)下的平均半徑，單位為m;[Lh]為水平檔距，單位為m;[θ]為風(fēng)向和電線間夾角;[μsj]為絕緣子串風(fēng)荷載形狀系數(shù)，一般取值1.0;[n1]為絕緣子串的聯(lián)數(shù);[n2]為一聯(lián)絕緣子串的片數(shù)，加“1”表示金具受風(fēng)時(shí)，面積與1片絕緣子相同;[Aj]為一片絕緣子受風(fēng)時(shí)面積大小，單位為m2，絕緣子（單裙）受風(fēng)[Aj]=0.03 m2，絕緣子（雙裙）受風(fēng)[Aj]=0.04 m2;[n]為每相導(dǎo)線包含子導(dǎo)線的數(shù)量;[Lh]為垂直檔距，單位為m;[Q1]為單位長(zhǎng)度上的線重，當(dāng)覆蓋冰時(shí)，應(yīng)加上對(duì)應(yīng)電線覆蓋冰的重量[12?13]，單位為N。

3 ?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體組成

3.1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

輸電線路風(fēng)荷載響應(yīng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成部分包括：基于ZigBee技術(shù)的傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)以及電源管理系統(tǒng)，彼此之間通過無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸電線路風(fēng)荷載響應(yīng)特征量的采集、傳輸及分析處理功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖2中，微氣象傳感器安裝于桿塔上，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集輸電線周邊的環(huán)境信息和天氣狀況條件[5]，如溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、大氣壓力等;傾角傳感器安裝在絕緣子串上，負(fù)責(zé)傳送風(fēng)偏角信息，其通過無線通信ZigBee方式實(shí)現(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接。上述數(shù)據(jù)經(jīng)監(jiān)測(cè)主機(jī)處理、存儲(chǔ)、信息打包后，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)被發(fā)送到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，即監(jiān)控終端，監(jiān)控終端后臺(tái)工作專家軟件對(duì)各傳感器系統(tǒng)進(jìn)行信息接收及反饋工作，并且根據(jù)風(fēng)偏量公式的計(jì)算，最后得到絕緣子串風(fēng)偏角及絕緣子串偏移距離（絕緣子串頂端與最低絕緣子間水平距離），同時(shí)，通過安裝在絕緣子串上的風(fēng)偏角傳感器采集得到的風(fēng)偏角數(shù)據(jù)來計(jì)算風(fēng)偏量，對(duì)風(fēng)偏量進(jìn)行計(jì)算，通過將這兩個(gè)結(jié)果分析對(duì)比，對(duì)風(fēng)偏能否發(fā)生做出精確判斷，并且實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中輸電線路異常情況并采取應(yīng)對(duì)措施，避免風(fēng)偏跳閘等事故發(fā)生。

3.2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)偏量數(shù)據(jù)采集模塊、微氣象各數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)傳輸與能量供應(yīng)模塊等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ?系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

由于實(shí)際需要，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)在輸電線路桿塔上安裝，用于完成對(duì)各種微氣象數(shù)據(jù)的采集，一方面，監(jiān)測(cè)主機(jī)持久運(yùn)行所需能量供應(yīng)是個(gè)亟需解決的問題;另一方面，監(jiān)測(cè)主機(jī)運(yùn)算速度需與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理的大量數(shù)據(jù)相匹配?；谝陨弦?，本文微處理器采用市場(chǎng)上集處理能力強(qiáng)、運(yùn)算時(shí)速快、功耗超低等優(yōu)良性能于一體的16位單片機(jī)MSP430。MSP430在時(shí)鐘設(shè)計(jì)中是最為獨(dú)特的，包括基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)時(shí)鐘系統(tǒng)及數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。具體應(yīng)用中使用一個(gè)或者兩個(gè)晶體振蕩器（32.768 kHz）DT?26或DT?38由實(shí)際情況決定。CPU及各種功能所需的時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生。通過指令操作，這些時(shí)鐘經(jīng)打開、關(guān)閉來控制總體功耗。并且MSP430正常工作運(yùn)行時(shí)，電源電壓為1.8～3.6 V，當(dāng)其于1 MHz 頻率時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，在待機(jī)模式下，當(dāng)前最小芯片電流達(dá)到165 μA，在RAM模式（閉合模式）下，電流損耗為0.5 μA，最低功耗僅有0.1 μA，大大減少了系統(tǒng)電能的整體損失，節(jié)省了能源。同時(shí)，MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了25 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下40 ns的指令周期。16位數(shù)據(jù)寬度，40 ns指令周期和多功能硬件乘法器（可實(shí)現(xiàn)乘法和加法運(yùn)算）可以相互配合，其中一些可以處理數(shù)字信號(hào)的算法（如FFT等）提高了大量數(shù)據(jù)的處理能力。該微處理器性能上可以應(yīng)用編程（IAP）及系統(tǒng)編程（ISP），它可以通過網(wǎng)絡(luò)或串口輕松升級(jí)程序[14]。

本系統(tǒng)風(fēng)偏量數(shù)據(jù)采集模塊選用傾角傳感器，通過雙屏蔽電纜連接到微處理器。傳感器節(jié)點(diǎn)選擇使用基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee的一種TI公司生產(chǎn)的SoC片上解決方案——CC2530芯片，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立時(shí)，成本非常低。CC2530捕獲了領(lǐng)先的收發(fā)器的高級(jí)特性，使用8051 CPU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且具有如系統(tǒng)內(nèi)可編程的閃存等強(qiáng)大功能特性。同時(shí)，CC2530能夠在不同模式下運(yùn)行，使得它更適合在系統(tǒng)具有超低功耗的要求時(shí)工作。基于此芯片，設(shè)計(jì)出ZigBee無線模塊。本系統(tǒng)采用太陽(yáng)能加蓄電池供電方式進(jìn)行能量供應(yīng)。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元主要負(fù)責(zé)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)終端間的通信，并在信息傳輸中起到一定作用。對(duì)于ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)主要通過串口由GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元接收。與此同時(shí)，監(jiān)控終端發(fā)出的命令也通過串口傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);對(duì)于監(jiān)測(cè)終端，GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元主要采用GPRS無線傳輸方式向監(jiān)測(cè)終端上傳ZigBee網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)測(cè)主機(jī)采集到的所有傳感器數(shù)據(jù)、風(fēng)偏量狀態(tài)等，同時(shí)，它負(fù)責(zé)將監(jiān)控終端發(fā)送的各種命令轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

SIM900B被選用于GPRS數(shù)據(jù)傳輸過程中主控單元，它的硬件電路主要分為三部分，即SIM上電自啟動(dòng)電路、SIM900B主控制器電路和SIM電路，圖4為其電路硬件原理圖。

SIM上電自啟動(dòng)電路用于保證上電后SIM可以正常啟動(dòng)并投入工作，SIM900B主控制器電路用于控制并轉(zhuǎn)換GPRS信息，SIM電路用于SIM電話卡固定與通信[15]。

1） 器件進(jìn)行選型時(shí)，盡可能選擇具備強(qiáng)抗干擾能力、低噪聲、功耗低性能的元器件。

2） 電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使電源線和地線變粗，并使兩條線//據(jù)傳輸方向，有關(guān)聯(lián)的元器件在布局時(shí)盡量放在一起，盡量縮短引線，為了增加接地線的導(dǎo)電面積，減少由于接地而引入的電路的共同阻抗，利用接地線網(wǎng)覆蓋銅等。

3） 系統(tǒng)中所有的外圍接口和重要電平和芯片引腳都配備保護(hù)方法，如TVS，ESD和限流電路。A/D采樣采用全隔離8通道方案。

4） 電源控制系統(tǒng)在電源負(fù)責(zé)外圍電路供電后采用金升陽(yáng)隔離電平。主控芯片采用低壓MOSFET合成觸發(fā)器：一方面通過實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離電源的控制，進(jìn)而控制后端;另一方面實(shí)現(xiàn)核心電路與外圍電路間隔離，可靠隔離電壓達(dá)2 500 kV。

4 ?系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比

本系統(tǒng)于2017年10月應(yīng)用在貴州電網(wǎng)公司六盤水輸電線路試驗(yàn)基地?，F(xiàn)場(chǎng)采用太陽(yáng)能電池板和鋰電池供電，系統(tǒng)于2017年冬天穩(wěn)定監(jiān)測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)偏角、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、大氣壓傳感器經(jīng)ZigBee通信模塊傳回的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5～圖10所示。

圖5 ?實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)圖

圖6 ?實(shí)測(cè)風(fēng)向數(shù)據(jù)圖

圖7 ?實(shí)測(cè)絕緣子風(fēng)偏角數(shù)據(jù)圖

圖8 ?實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)圖

表1是數(shù)據(jù)采集得出的風(fēng)偏位移角與風(fēng)偏角典型公式求得的結(jié)果對(duì)比值，兩者相差值不足15%，可以看出經(jīng)過采集計(jì)算得到的位移角具有一定的精度。

圖9 ?實(shí)測(cè)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)圖

圖10 ?實(shí)測(cè)大氣壓數(shù)據(jù)圖

表1 ?計(jì)算值與采集值對(duì)比

5 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)風(fēng)荷載響應(yīng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地采集、傳輸和分析數(shù)據(jù)。具有較高的可靠性，并且應(yīng)用于貴州地區(qū)，為日后的風(fēng)荷載災(zāi)害預(yù)警提供了新的手段。在線監(jiān)測(cè)采集的絕緣子風(fēng)偏角與風(fēng)偏角典型計(jì)算公式結(jié)果相差不超過15%，說明數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性較高。系統(tǒng)軟硬件的合理設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抗干擾方法，可以有效地提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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