Parole chiave: IEC 61850, GOOSE, automazione di potenza
L'articolo descrive come sviluppare un banco di prova utilizzando le funzionalità dello standard IEC 61850 nelle sottostazioni digitali equipaggiate con
con apparecchiature di vari produttori. Questo banco di prova è stato dimostrato alla conferenza KAE 2022 e diverse aziende hanno partecipato al suo sviluppo,
che hanno sviluppato metodi unici per integrare le loro apparecchiature in un ambiente così diverso. Una questione fondamentale durante la costruzione dello stand
è stato lo sviluppo del circuito di telecomunicazione e la garanzia di una corretta sincronizzazione temporale, necessaria per il corretto funzionamento del bus di processo.
bus di processo.

Nel 2004 è stato sviluppato ed emesso lo standard IEC 61850, che ha introdotto lo stato dell'arte della tecnologia, anche nel campo dei circuiti secondari per l'automazione dell'energia. Il suo obiettivo era quello di abbandonare completamente le pratiche attuali di costruzione di circuiti secondari analogici, sostituendoli con soluzioni Ethernet e digitali.

Allo stesso tempo, lo standard definisce le interfacce e i protocolli di comunicazione per i dispositivi di automazione, nel tentativo di unificarli e renderli interoperabili tra dispositivi di produttori diversi, una questione molto complessa nel periodo precedente allo sviluppo. Anche prima della sua pubblicazione ufficiale, lo standard ha ricevuto un grande interesse da parte dei produttori di dispositivi di automazione. Si potrebbe dire che c'è stata una corsa alla conformità con il nuovo standard.

La situazione era ben diversa quando si trattava di pratiche operative tra le società di traffico elettrico. L'implementazione dello standard negli impianti reali viene solitamente accolta con grande cautela, poiché la sua introduzione modifica completamente le pratiche e le abitudini attuali. Questo vale non solo per l'implementazione dei circuiti secondari, ma anche per le modalità di messa in servizio, collaudo e funzionamento. La maggior parte dell'esperienza precedente dovrà essere rivista e ricostruita. Attualmente, lo standard viene prontamente utilizzato nelle apparecchiature di automazione per la comunicazione con il sistema di controllo, sostituendo in molti campi i protocolli di telecomunicazione precedentemente utilizzati, come il 60870-5 o il MODBUS, nonostante il fatto che ad oggi ci siano solo poche installazioni di sottostazioni digitali al mondo che implementano pienamente lo standard IEC 61850.

Le prime implementazioni dello standard nelle sottostazioni sono state registrate nel 2005 in Germania e Svizzera [4]. Non si trattava di implementazioni basate su bus di processo, ma utilizzavano solo elementi selezionati dello standard, come la configurazione della rete, lo stack di comunicazione (MMS), le funzioni standardizzate (nodi logici), il processo di messa in servizio e il test. Nonostante ciò, sono stati evidenziati dei vantaggi, come la scalabilità di Ethernet o la riduzione dei collegamenti di telecomunicazione, con conseguente riduzione del tempo necessario per il coordinamento delle attività, l'accettazione finale e il collaudo. Inoltre, sono stati evidenziati i vantaggi dell'utilizzo di nomi di funzioni standardizzati definiti dallo standard: è stato possibile passare senza problemi dalla definizione dei requisiti alla progettazione non appena ricevuto l'ordine, risparmiando tempo ed eliminando potenziali errori. Il linguaggio di descrizione delle stazioni SCL ha permesso di creare modelli di configurazione di sicurezza, riducendo i tempi di messa in servizio. Il complesso cablaggio dei singoli campi
campi, sostituendoli con una connessione Ethernet. In questo modo si è risparmiato tempo nella posa dei cavi, delle canaline e dei terminali. Un altro vantaggio è che i test dei sistemi di automazione basati su connessioni Ethernet possono essere eseguiti completamente in laboratorio. I test in loco devono essere ripetuti solo per le connessioni a filo.

Non tutte le esperienze di implementazione dello standard sono sempre state prive di problemi, soprattutto quando sono state utilizzate apparecchiature di produttori diversi per lavorare insieme. Un progetto che intendeva testare l'interoperabilità tra diversi dispositivi è stata la costruzione della stazione La Venta II in Messico (2007) [2]. Tutti i produttori di automazione sono stati invitati a partecipare al progetto, con apparecchiature di: SEL, ZIV, Siemens, GE, RuggedCom e Team ARTECHE. Gli altri produttori non disponevano all'epoca di apparecchiature conformi alla norma IEC 61850 o non avevano superato l'approvazione iniziale. L'intento del progetto era quello di testare l'interoperabilità delle apparecchiature di diversi produttori nell'ambito dello standard IEC 61850.

Le fasi iniziali di progettazione sono state seguite da sei settimane di test in fabbrica. Già durante la configurazione iniziale della rete e della comunicazione sono comparsi i primi problemi, quali: l'impossibilità di modificare i nomi dei dispositivi logici, la mancanza di flessibilità nel collegamento delle variabili agli oggetti di dati, che ha reso necessario l'utilizzo di un gran numero di nodi logici generici non previsti nel progetto e alcuni IED che non supportavano il numero richiesto di 6 connessioni simultanee. Una volta che gli hub SSiN e le workstation HMI erano operativi, si è passati alla fase successiva di test, durante la quale sono stati riscontrati ulteriori problemi: la mancanza di nomi di blocchi di reportistica configurabili e un problema nella scrittura dei valori progettati nei campi OptFlds e TrgOps a causa della mancanza di supporto per alcuni di essi. Alcuni IED non supportavano l'attributo di origine, rendendo impossibile registrare la provenienza del controllo. Parte del problema era dovuto non solo all'implementazione dei singoli dispositivi, ma anche all'immaturità dello standard stesso.

Nel corso del tempo, i produttori hanno accumulato esperienza e migliorato le implementazioni dei loro dispositivi, così come sono state pubblicate le successive revisioni dello standard. Sulla base di un'esperienza più recente (2016), maturata durante la costruzione di una stazione digitale basata su bus di processo e pubblicata in [9], si può senz'altro affermare che l'introduzione di circuiti secondari digitali non è più così gravosa come all'inizio della nascita dello standard e può portare a una significativa riduzione dei tempi e dei costi. Va notato che questi vantaggi aumenteranno con le implementazioni successive, poiché la specificità dello standard consente un facile riutilizzo dei modelli di comunicazione. La Tabella I riassume i tempi approssimativi per la costruzione dei circuiti secondari delle stazioni nelle diverse tecniche per compito.

Si può notare una riduzione del tempo totale richiesto dall'utilizzo di una stazione digitale del 49%. Si è registrata anche una significativa riduzione dei costi grazie alla riduzione dei cablaggi e dei tempi di installazione e messa in servizio. Si prevedono risultati migliori nelle future implementazioni, soprattutto nella fase di configurazione dell'apparecchiatura IED, l'unica che è risultata più lunga rispetto al sistema di automazione convenzionale, grazie alla possibilità di riutilizzare i modelli sviluppati.

TABELLA I. Confronto dei tempi di realizzazione della stazione con le diverse tecniche [9].

Anche in Polonia ci sono state molte implementazioni dello standard IEC 61850 ([1, 5, 6, 10]), che oggi viene utilizzato con entusiasmo soprattutto a livello di sistemi di controllo e supervisione, oltre che per l'implementazione di automatismi come ZS, LRW, SZR. La prima sottostazione completamente digitale che utilizza il bus di processo in Polonia è stata la sottostazione di Oborniki Śląskie 110/20 kV, completata nel 2019. [3].

Attualmente, lo stato di implementazione dei meccanismi di comunicazione a livello di produttori di apparecchiature è piuttosto avanzato e varia a seconda delle apparecchiature. Si può notare un vantaggio nella completezza dell'implementazione e nella sua flessibilità nei dispositivi progettati fin dall'inizio tenendo conto della norma IEC 61850 rispetto ai dispositivi di vecchia concezione, in cui le funzioni IEC 61850 sono state integrate in qualche fase dello sviluppo. La comunicazione tra questi dispositivi è solitamente possibile, ma richiede il giusto approccio per abbinare un dispositivo più flessibile a un dispositivo che ha determinati presupposti e limiti nella sua implementazione. Stabilire una comunicazione GOOSE tra i principali produttori di dispositivi di automazione dell'energia nel mercato polacco è stato l'obiettivo del testbed di interoperabilità presentato alla conferenza KAE 2022.

DESCRIZIONE DEL BANCO DI PROVA DI INTEROPERABILITÀ EAS

Nell'ambito dello sviluppo della presentazione per la conferenza KAE 2022, alcune aziende produttrici di moderni dispositivi di protezione sono state invitate a collaborare allo sviluppo di un banco di prova di laboratorio completamente funzionale. Le seguenti aziende hanno aderito al progetto e hanno fornito i loro dispositivi con lo standard IEC 61850 implementato:

• Schneider Electric - relè P5xx,
• Siemens - relè 7SA870 (con capacità di ricezione SV e generazione di flusso SV),
• Hitachi - relè REL 670 (con capacità di ricezione SV) e SAM600 (unità di fusione),
• Elektrometal Energetyka - e2Tango,
• ZPrAE - relè TZO-11 (con capacità di ricezione SV) e unità di fusione TMU-11,
• GE - relè D60,
• Omicron, che fornisce tester basati su microprocessore che consentono di forzare i segnali di corrente e tensione in forma analogica e digitale SV e di analizzare i fotogrammi trasmessi sulla LAN utilizzando il dispositivo DANEO,
• Bitstream, un'azienda che fornisce la costruzione di reti LAN e la sincronizzazione temporale basata sulle proprie soluzioni, lo switch Ethernet HYPERION 400 e il dispositivo multifunzionale HYPERION 500 dotato di orologio PTP.

Nella Fig. 1 è presentato un diagramma schematico del sistema di prova, che mostra i tipi di dispositivi utilizzati e l'implementazione dei collegamenti di telecomunicazione. La Fig. 2 mostra una realizzazione più dettagliata della LAN con apparecchiature Bitstream. Si è deciso di utilizzare il meccanismo PRP per i collegamenti di telecomunicazione, ossia due reti indipendenti che garantiscono un'elevata affidabilità della trasmissione dei messaggi. Ciascuno dei relè forniti era in grado di operare in questa modalità di comunicazione. Inoltre, è stato necessario introdurre nella rete dei frame di sincronizzazione temporale. Questo compito spettava all'orologio HYPERION 500, che forniva la sincronizzazione in PTP e, in opzione per dispositivi selezionati, un segnale 1PPS e NTP. La corretta sincronizzazione temporale è fondamentale per i flussi di dati SV presenti nel banco sviluppato. Tutti i dispositivi sono stati installati in rack mobili da 19", che hanno permesso di spostare facilmente l'intera workstation. Una vista d'insieme della workstation è mostrata nella Figura 3. I collegamenti fisici alle singole porte degli switch responsabili della comunicazione su LAN A e LAN B sono stati realizzati principalmente sotto forma di connessioni in fibra ottica multimodale. Il metodo di collegamento, le porte utilizzate e i tipi di connettori sono illustrati nella Figura 4.

I dispositivi forniti per la costruzione della stazione possono svolgere diversi ruoli nella stazione digitale. Alcuni di essi sono tipici dispositivi di sicurezza in grado di ricevere e inviare segnali a due stati trasmessi come messaggi GOOSE. Altri possono anche ricevere il flusso SV o addirittura crearlo e trasmetterlo in rete. È stato quindi necessario chiedersi come presentare l'interoperabilità e di cosa dovrebbe trattarsi. Questo compito è stato suddiviso in diversi requisiti da soddisfare. L'interoperabilità, intesa come trasferimento di informazioni PTP (sincronizzazione temporale) tra l'orologio PTP e le MU e gli IED attraverso il sistema di apparecchiature di telecomunicazione (switch Ethernet), è la seguente:

• la fonte dei frame PTP che contengono informazioni temporali e che consentono alle MU e agli IED di ottenere una sincronizzazione temporale precisa è l'orologio PTP (orologio grandmaster) con sincronizzazione esterna con il sistema GPS (antenna esterna),
• i frame del protocollo PTP possono essere strutturati in modo diverso a seconda della versione, il che ha reso necessario un adattamento della configurazione dei dispositivi: IED, MU, clock e switch Ethernet coinvolti nel processo di sincronizzazione (attraverso i quali vengono trasmessi i frame PTP).

Interoperabilità nel senso di ricezione di informazioni GOOSE da dispositivi di terze parti, ad esempio:

• ogni IED invia lo stato di un bit modificato dalla pressione di un tasto sul proprio pannello frontale,
• ogni IED indichi l'invio di un bit di valore 1 mediante il colore verde di un LED sul proprio pannello frontale,
• ogni IED indichi la ricezione di un bit di stato 1 da ciascuno degli altri IED mediante il colore rosso dei LED sul proprio pannello frontale pannello frontale.

L'interoperabilità nel senso della ricezione di informazioni SV da dispositivi MU di terze parti si presenta come segue:

• ogni dispositivo MU invia un flusso di frame SV, contenente campioni di segnali analogici misurati localmente ai suoi ingressi,
• un ingresso di corrente di ciascun dispositivo MU è stato collegato in serie con l'uscita di corrente del tester CMC,
• gli ingressi di corrente delle MU sono stati collegati in serie tra loro e connessi all'uscita di corrente del tester CMC,
• ciascuno degli IED in grado di ricevere frame SV è stato configurato per ricevere frame SV da ciascuna delle MU,
• ciascuno degli IED in grado di ricevere frame SV è stato configurato per utilizzare i campioni di corrente trasmessi nei frame SV per la funzione di sovracorrente,
• i livelli di funzionamento delle funzioni di sovracorrente negli IED sono stati impostati su valori diversi.
• ogni IED indica il funzionamento della funzione di sovracorrente con un LED rosso sul pannello frontale.

L'interoperabilità nel senso del trasferimento di informazioni GOOSE e SV tra gli IED attraverso il sistema di apparecchiature di telecomunicazione (switch Ethernet) è la seguente:

• ogni MU e IED trasmette i dati su due collegamenti Ethernet ridondanti utilizzando la tecnologia PRP,
• il trasferimento dei dati sui collegamenti Ethernet viene effettuato dagli switch Ethernet, che dovevano essere: dotati dei tipi di porte Ethernet appropriati (elettriche, ottiche con le lunghezze d'onda ottiche appropriate, velocità di scambio dei dati appropriate - tipi di codifica dei dati appropriati) e configurati di conseguenza in modo che i dati contenenti informazioni specifiche (ad esempio, numero di VLAN, ecc.) vengano trasferiti tra le porte Ethernet specificate.

DESCRIZIONE DEI METODI DI CONFIGURAZIONE DELLA SICUREZZA INSTALLATI SUL BANCO

Ogni produttore ha eseguito la configurazione dei propri relè nelle rispettive applicazioni degli strumenti. Ciò comporta, secondo l'esempio illustrato nella Figura 5 (basato su un dispositivo Siemens), la preparazione dei blocchi pertinenti - siano essi messaggi SV o GOOSE - e quindi l'esportazione dei file scd/icd/iid in modo che altri produttori possano leggerli nei propri configuratori IEC 61850. Questa operazione consente di associare i segnali di uscita di un relè, ad esempio REL670, ai segnali di ingresso di un dispositivo 7SA870, con conseguente possibilità di interazione tra dispositivi di produttori diversi.

Figura 1: Schema che illustra l'idea di un banco di laboratorio per dimostrare l'interoperabilità degli IED [8].

Figura 2: Implementazione di una LAN basata su dispositivi Bitstream che utilizzano il meccanismo PRP [7].

È quindi necessario realizzare una situazione in cui i frame GOOSE o SV inviati siano compresi da ogni relè collegato al bus di stazione. La struttura del frame utilizzato è mostrata in Fig. 7 e Fig. 8. Nei casi mostrati per i relè REL670 e 7SA87, i frame hanno una struttura identica, condizione necessaria per un corretto scambio di dati. È stato utilizzato un frame incapsulato in una struttura composta da tre parametri: stVal, qualità e tempo. Solo questi dati possono essere interpretati correttamente da tutti i dispositivi di sicurezza ed era necessario che ogni produttore potesse definire in questo modo la struttura dei dati per i messaggi GOOSE.

Nel caso del frame SV, la sua struttura è illustrata nella Figura 6. Si tratta di un frame di esempio acquisito dal dispositivo SAM600. Si tratta di un flusso con misure a scopo di protezione, in cui il campionamento viene effettuato a 4 kHz, il che comporta l'invio di un frame con informazioni sui valori di 4 correnti e tensioni, ogni 250 μs. Ogni flusso inviato da qualsiasi unità di fusione viene identificato dai dispositivi di destinazione in base al parametro svID, che in questo caso era denominato SAM600MU0105. La struttura del frame presentata è stata utilizzata nel banco di laboratorio e una struttura identica è stata utilizzata per le altre due unità 7SD870 e TMU-11. Il parametro che identifica i diversi flussi in questo caso è il nome svID, individuale per ogni flusso di dati.

RISULTATI OTTENUTI

La costruzione di un banco di laboratorio che dimostrasse l'interoperabilità dei dispositivi multi-vendor aveva lo scopo di rispondere ad alcune delle domande chiave sull'interoperabilità sollevate nella sezione precedente. Queste si riferivano alle questioni chiave da risolvere nella costruzione di una sottostazione digitale. Queste sono, rispettivamente: la conferma dell'interoperabilità nel senso del trasferimento di informazioni PTP (sincronizzazione temporale) tra l'orologio PTP e i dispositivi MU e IED attraverso il layout delle apparecchiature di telecomunicazione (switch Ethernet).

Fig. 3. Stand costruito con rack da laboratorio

La corretta sincronizzazione temporale è fondamentale per garantire il corretto funzionamento delle EAZ, soprattutto per i flussi di dati SV presenti nel banco sviluppato. Questo compito è stato affidato all'orologio HYPERION 500, che ha fornito la sincronizzazione in PTP e, opzionalmente per dispositivi selezionati, il segnale 1PPS e NTP. I dispositivi del banco hanno ottenuto una sincronizzazione corretta secondo i dati riportati nella Tabella II. La maggior parte dei dispositivi IED consentiva la sincronizzazione temporale nello standard PTP. Il dispositivo SAM600 è stato sincronizzato con 1PPS, ma un successivo lavoro nel laboratorio dell'Istituto di Energia dell'Università di Tecnologia di Varsavia ha permesso di confermare la possibilità di sincronizzare questi dispositivi con PTP, confermata dal corretto scambio di dati SV con il relè 7SA87.

Fig. 4. Porte e tipi di fibre ottiche utilizzate nel banco

Figura 5: Metodo di configurazione della sicurezza utilizzando come esempio la sicurezza Siemens [8].

Figura 6: Esempio di frame di dati SV

Figura 7: Esempio di frame di dati GOOSE dal dispositivo REL670 di Hitachi.

Figura 8: Esempio di frame di dati GOOSE da un dispositivo Siemens 7SA87

TABELLA II. Tipi di sincronizzazione utilizzati per i singoli dispositivi installati sul banco di laboratorio che utilizzano l'orologio e gli interruttori BitStream (PUP - Power Utility Profile - IEC/IEEE 61850-9-3, NTP - Network Time Protocol).

I risultati ottenuti sono da considerarsi buoni. Tutti i dispositivi installati sul banco hanno consentito una sincronizzazione temporale di livello sufficiente a svolgere le funzioni loro assegnate. Nel caso del relè E2Tango, esso ha permesso lo scambio di messaggi GOOSE, e questo tipo di sincronizzazione temporale (NTP) è sufficiente per questo tipo di funzioni. Il chip di telecomunicazione fornito da BitStream soddisfaceva i requisiti per garantire una corretta sincronizzazione e l'orologio HYPERION 500 consentiva di ottenere tempi precisi utilizzando diversi standard, tra cui il segnale ottico 1PPS.

Un altro elemento testato sul banco è stato:

• Conferma dell'interoperabilità nel senso della trasmissione di informazioni GOOSE e SV tra IED attraverso il layout delle apparecchiature di telecomunicazione (switch Ethernet).
• Conferma dell'interoperabilità nel senso della ricezione di informazioni GOOSE da dispositivi di altri produttori.
• Conferma dell'interoperabilità nel senso della ricezione di informazioni SV da dispositivi MU di altri produttori.

Nell'ambito del lavoro di costruzione del banco di laboratorio, è stata confermata la capacità del chip di telecomunicazione sviluppato da BitStream di inviare in modo efficiente messaggi GOOSE e flussi SV multipli da diversi dispositivi MU. I rappresentanti dei produttori, sulla base dei file di configurazione ottenuti dai singoli dispositivi, hanno portato al corretto scambio di messaggi GOOSE tra i dispositivi indicati nella Tabella III. Nella maggior parte dei casi, per ottenere uno scambio GOOSE corretto, è stato sufficiente importare i file di configurazione del relè selezionato nell'applicazione di un altro produttore e assegnare correttamente i segnali GOOSE. Tuttavia, in alcuni casi è stato necessario modificare manualmente i file scd/icd/iid caricati nei configuratori IEC.

Infine, dopo aver apportato le opportune modifiche e inviato le configurazioni ai relè, è stato possibile ottenere il corretto scambio di messaggi GOOSE tra tutti i relè installati nel banco. Questo è stato dimostrato durante la conferenza dall'accensione di LED indicatori successivi nei relè, corrispondenti alla ricezione di un messaggio GOOSE da un dispositivo selezionato di un altro produttore.

Nello stand erano presenti anche tre dispositivi MU di diversi produttori. Si trattava rispettivamente di:

• SAM600 di Hitachi,
• 7SA87 di Siemens (funzione MU attivata nel relè),
• TMU di ZPrAE.

I flussi SV potevano essere letti da tre relè dotati di questa funzione. Si tratta rispettivamente di:

• REL 670 di Hitachi,
• 7SA87 di Siemens,
• TZO-11 di ZPrAE.

Tutti i dispositivi sono stati configurati e collegati correttamente alla rete di telecomunicazioni. È stato ottenuto un corretto scambio di flussi SV, come mostrato nella Tabella IV. Ogni MU ha misurato le correnti e le tensioni alimentate dal tester Omicron e ha inviato il flusso alla rete. I relè hanno risposto alle variazioni delle grandezze misurate facendo intervenire la funzione di protezione selezionata e accendendo il diodo indicatore corrispondente. I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità dell'utilizzo dei flussi SV in dispositivi di diversi produttori.

TABELLA III. Risultati del test di interoperabilità per lo scambio di messaggi GOOSE, OK - scambio di messaggi GOOSE corretto

TABELLA IV. Risultati del test di interoperabilità per la lettura del flusso SV, OK - lettura corretta del flusso SV

SINTESI

È stata completata con successo la costruzione di un banco di laboratorio che dimostra l'interoperabilità dei dispositivi EAZ dotati dello standard IEC 61850. È stata confermata la fattibilità della costruzione di una rete di telecomunicazioni che consenta la trasmissione efficiente di grandi quantità di dati sotto forma di flussi SV, messaggi GOOSE e sincronizzazione temporale accurata. È stata confermata la possibilità pratica di scambiare messaggi GOOSE tra IED di produttori diversi. Naturalmente, in alcuni casi è necessario modificare manualmente i file di configurazione, ma alla fine è stato possibile collegare tutte le protezioni in una EAZ comune.

È anche possibile utilizzare flussi SV in dispositivi di produttori diversi. In questo caso, è necessaria una precisa sincronizzazione temporale in tutti i dispositivi che svolgono queste funzioni, che è stata realizzata in questo banco. L'iniziativa di costruire un banco di laboratorio e la presentazione delle possibilità di utilizzo dello standard IEC 61850 in applicazioni pratiche sembra molto valida e cruciale per l'introduzione della nuova tecnologia nelle applicazioni pratiche nelle sottostazioni. Le conferenze tematiche relative al campo dell'automazione della protezione riuniscono molti specialisti, che possono vedere di persona le possibilità della nuova tecnologia, parlare con gli specialisti che sviluppano nuovi sistemi, conoscere i vantaggi e gli svantaggi della nuova tecnologia. Sembra che l'idea di costruire stand di laboratorio e di presentare le attuali capacità dei relè e le applicazioni degli strumenti durante le riunioni di ingegneria dell'EAZ debba essere portata avanti.

Nell'ambito di questo articolo, vorremmo ringraziare sentitamente tutte le aziende e le persone coinvolte nella costruzione dello stand descritto - per l'impegno e il tempo dedicato agli incontri e alla costruzione fisica dello stand. L'impegno di tutto il team ha portato alla presentazione di un sistema EAZ completamente funzionante basato sullo standard IEC 61850 alla conferenza KAE 2022.

Fonte: Wiadomości Elektrotechniczne, Annuario 2023 - quaderno 9
Pubblicazione SIGMA-NOT

LETTERATURA

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