Trabajo 1 Daniel Diaz Mario Cifuentes

TRABAJO 1

MARIO CIFUENTES PARDO

DANIEL FELIPE DIAZ TORO

PROFESOR: JHON ALBEIRO

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA

MEDELLN

2014

PROTECCIONES ADAPTATIVAS WACS Y WAMS 2014

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TABLA DE CONTENIDO

1 SYSTEM PROTECTION SCHEMES .......................................................................... 4

1.1 DEFINICIONES ....................................................................................................... 4

1.2 PROBLEMAS A SOLUCIONAR O DISMINUIR CON SPS. ................................................ 4

1.3 PARA QU SIRVEN LOS SPS? POR QU SE USAN? ............................................... 5

1.4 CLASIFICACIN DE LOS SPS SEGN SU ARQUITECTURA. .......................................... 7

2 DESARROLLO........................................................................................................... 9

2.1 ESTUDIO DEL SISTEMA ........................................................................................... 9

2.2 DESARROLLO DE SOLUCIONES ............................................................................. 10

2.3 DISEO E IMPLEMENTACIN. ................................................................................ 12

2.4 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL SPS ................................................................ 15

2.5 PRUEBAS ADICIONALES ........................................................................................ 23

CONCLUSIONES ............................................................................................................ 24

REFERENCIAS ............................................................................................................... 25

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.CAMBIOS DEL ESTADO DE OPERACIN DE UN SISTEMA ELCTRICO LUEGO DE UNA PERTURBACIN. ............................. 5

FIGURA 2 ESTRUCTURA GENERAL DE UNA PROTECCIN SISTMICA. .................................................................................... 7

FIGURA 3. PROCEDIMIENTO DE DISEO Y OPERACIN DE UN SPS. ..................................................................................... 9

FIGURA 4. UNIFILAR UTILIZADO PARA EL PRESENTE ESTUDIO ........................................................................................... 10

FIGURA 5. DIAGRAMA LGICO DE SALIDA DE UNA LT .................................................................................................... 11

FIGURA 6. DIAGRAMA DE PROCESO DE SALIDA DE UN GENERADOR .................................................................................. 11

FIGURA 7. RUTINA PARA ACTIVA SPS ........................................................................................................................ 12

FIGURA 8. DIAGRAMA DE COMUNICACIN ................................................................................................................. 13

FIGURA 9. SOBRECARGA ANTE SALIDA DE G2 Y LINEA_1_2_500KV ............................................................................... 16

FIGURA 10. ACTUACIN DEL SPS ANTE SALIDA DE G2 Y LINEA_1_2_500KV ................................................................... 16

FIGURA 11 SOBRECARGA ANTE SALIDA DE LA LINEA_1_2_500KV .................................................................................. 17

FIGURA 12 ACTUACIN DEL SPS ANTE SALIDA DE LA LINEA_1_2_500KV ........................................................................ 18

FIGURA 14 SOBRECARGA ANTE SALIDA DE G2 ............................................................................................................. 19

FIGURA 15 ACTUACIN DEL SPS ANTE SALIDA DE G2 ................................................................................................... 20

FIGURA 16. CHEQUEO DE ESQUEMA DE SALIDA DE LT ................................................................................................... 21

FIGURA 17. PRUEBA DE ESCRITORIO .......................................................................................................................... 22


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LISTA DE TABLAS

TABLA 1. DESLASTRE DE CARGA ANTE SALIDA DE G2 Y LINEA_1_2_500KV ........................... 17

TABLA 2. DESLASTRE DE CARGA ANTE SALIDA DE LA LINEA_1_2_500KV............................... 18

TABLA 3. DESLASTRE DE CARGA ANTE SALIDA DE G2 ........................................................... 20


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1 System protection schemes

1.1 Definiciones

Segn la IEEE, un SPS es un sistema de proteccin diseado para detectar una

condicin particular de un sistema elctrico que se sabe puede causar un stress

inusual e indeseado en dicho sistema y para tomar algn tipo de accin

predeterminada para contrarrestar la condicin observada, de alguna manera

controlada.

En algunos casos un SPS es diseado para detectar una condicin del sistema

que se sabe causante de inestabilidades, sobrecarga, colapso de voltaje, etc.

La accin de control puede ser la apertura de una o ms lneas, desconexin o

reduccin de generacin, desprendimiento de carga o cualquier medida que alivie

el problema.

Segn el North American Electric Reliability Corporation, NERC, un SPS es un

sistema diseado para detectar condiciones anormales del SEP y tomar acciones

correctivas pre planificadas (adems de aislar el o los elementos en falla) para

permitir que el SEP se desempee aceptablemente.

De esta manera se debe resaltar que el objetivo de la proteccin sistmica es

detectar condiciones anormales del sistema elctrico y tomar acciones correctivas

predeterminadas (que no sean desconectar equipos en falta) para preservar la

integridad del sistema y permitir su desempeo en condiciones aceptables.

Para saber si se est ante una proteccin de equipo de potencia o ante un esquema de proteccin sistmica, la pregunta a hacer es: se est protegiendo a un equipo? Si la respuesta es s, es una proteccin o sistema de proteccin para un equipo de potencia (lnea, transformador, generador, barra, etc.). En caso contrario es proteccin sistmica que es el tema de inters en este caso.

1.2 Problemas a solucionar o disminuir con SPS.

Los SPS apuntan a sacar al sistema elctrico de un estado de emergencia llevndolo a una condicin al menos satisfactoria y si es posible a una condicin segura, como se puede apreciar en la Figura 1


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Figura 1.Cambios del estado de operacin de un sistema elctrico luego de una perturbacin.

Los SPS se justifican frecuentemente en casos donde est en juego la integridad del sistema elctrico. Eso puede ocurrir ante inestabilidades:

transitoria (de ngulo), de pequea seal, de frecuencia, de tensin, por disparos en cascada.

Los SPS no pueden predecir o prevenir ante todos los tipos de contingencias posibles que llevan al colapso de un sistema de potencia. Sin embargo estos pueden ser suficientes para proteger el sistema adecuadamente, ante la mayora de condiciones anormales que se pueden presentar, ya que casi siempre estos se disean con el fin de solucionar problemas en particular de la zona que ha sido seleccionada a proteger y ante otro tipos de problema, ya la accin de mitigacin debe ser tomada por las protecciones habituales que se disearon para esta zona.

1.3 Para qu sirven los SPS? Por qu se usan?

La proteccin sistmica puede servir para alguno o varios de los siguientes objetivos. Para mejorar la operacin del sistema de potencia. Para permitir operar ms cerca de los lmites del sistema, ya que su existencia

garantiza acciones rpidas para llevar al sistema de un estado de emergencia a un estado satisfactorio o seguro.

Para aumentar los lmites de transferencia de potencia manteniendo similar confiabilidad.


6

Para aumentar la seguridad del sistema, especialmente ante contingencias extremas que llevaran al colapso.

Algunas acciones tpicas de los SPS son producir cambios en:

la carga (o load shedding),

la generacin,

la interconexin entre sistemas o reas,

la configuracin del sistema, para mantener:

la estabilidad del sistema,

los voltajes en niveles aceptables,

la frecuencia en niveles aceptables,

los flujos de potencia en niveles aceptables. Algunos ejemplos de SPS son los siguientes:

Disparos de carga por subfrecuencia, Disparos remotos de generacin, Disparos ante posible colapso de tensin, Disparos ante prdida de sincronismo.

Algunas caractersticas de los SPS son las siguientes:

Los SPS no son equipos estndar con funciones estndar, sino que son sistemas que se disean a medida.

No son funciones clsicas de proteccin de los equipos de potencia. Protegen ante algunas contingencias seleccionadas y/o raras fuera de los rangos de

diseo y operacin normal del sistema de potencia. Los SPS no son entonces los sistemas de control del sistema de potencia.

Son sistemas que, con fines deseados, a veces aumentan el riesgo de operacin. Son sistemas con medidas y/o acciones coordinadas en mltiples lugares.

En la Figura 2 se puede observar la estructura general de un SPS, la cual rene los tems

claves de operacin.


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Figura 2 Estructura general de una proteccin sistmica.

1.4 Clasificacin de los SPS segn su arquitectura.

Hay SPS que no utilizan medios o sistemas de comunicacin para su funcionamiento. Se basan en equipos con medidas y acciones locales y la coherencia y la coordinacin del SPS que conforman est basado en los estudios realizados para su diseo. Un ejemplo de este tipo de SPS es el disparo de carga por subfrecuencia, en que los rels de subfrecuencia se instalan en distintas estaciones del sistema elctrico y si la frecuencia alcanza los umbrales ajustados los rels mandan desconectar carga (load shedding) localmente en la estacin en donde est cada rel. Otros SPS tienen un fuerte soporte en la comunicacin ya sea de las medidas y/o de las rdenes o decisiones. Un ejemplo de este tipo de SPS son los que usan sincrofasores para recolectar variables elctricas del sistema de potencia y tomar decisiones de forma centralizada, dispersando sus acciones en los puntos del sistema elctrico de potencia en que son necesarias. Los algoritmos PSD, OOST y OOSD estudiados en esta tesis corresponden a este tipo de SPS. Las decisiones de los SPS se pueden realizar con distintas tcnicas como las que se listan a continuacin.


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Lgicas y algoritmos predeterminados (determinsticos), Matrices predeterminadas (determinsticas) segn la condicin o estado previo del sistema (casos finitos, rangos de las variables), Redes neuronales (artificial neural networks o ANN), Lgica difusa (fuzzy logic), Algoritmos genticos (genetic algoritms), Sistemas expertos (expert systems). Algunos requisitos que debe satisfacer un SPS son: Confiabilidad (Fiabilidad, Reliability). Dependability (operar cuando debe operar). Security (no operar cuando no debe operar). Velocidad. Disponibilidad. Flexibilidad. Coordinacin con los dems SPS y protecciones principales y respaldos. Que est pensado para todo su Ciclo de Vida (no slo pensar su diseo y montaje). Que pueda adaptarse a cambios en: el sistema elctrico, debidos a su crecimiento, nuevas instalaciones, nuevas

configuraciones, etc. los criterios que se le aplican a l o al sistema de potencia, los reglamentos y normas,

etc. los requerimientos de los clientes, actores o involucrados (stakeholders), la gerencia,

los tcnicos, etc. su explotacin, tanto lo que hace a la operacin como el mantenimiento. En la Figura 3 muestra un diagrama de flujo en que se describen los principales aspectos del diseo y operacin de los SPS.


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Figura 3. Procedimiento de diseo y operacin de un SPS.

2 Desarrollo

2.1 Estudio del Sistema

Con el objetivo de disear un SPS se necesitan realizar un anlisis preciso del sistema a

estudiar con el fin de identificar el conjunto de condiciones anormales que se puedan

presentar y poder definir los parmetros necesarios de operacin para su correcta

ejecucin.

En la Figura 4 se puede observar el diagrama unifilar, donde se plantea el proceso de

implementacin de un SPS, el cual permita dar solucin a las sobrecargas presentadas

ante las siguientes situaciones:

Salida de G2

Salida de Linea_1_2_500kV


10

Figura 4. Unifilar utilizado para el presente estudio

2.2 Desarrollo de Soluciones

Una vez identificado el problema, se analizan las posible soluciones y se realizan

recomendaciones especficas, con el objetivo de evitar un potencial colapso de tensin o

desequilibrio entre generacin y carga, los elementos que se evidencian en color rojo en

la figura anterior, son los que representan salidas o sobrecargas.

En la Figura 5 se muestra el esquema lgico para la deteccin ante una salida definitiva

de una LT, por otro lado en la Figura 6, se puede observar el diagrama de proceso ante la

salida de un generador.

En la Figura 7 se ilustra el diagrama de flujo, el cual representa la lista de acciones para la

correcta activacin del SPS, dicha rutina se ejecuta ante la salida de los dos elementos

mencionados anteriormente (generadores y LT).

Cuando se ejecuta el ejercicio anterior se activa el SPS, el cual tiene como fin el deslastre

de carga hasta garantizar un punto de operacin permitido; por ejemplo cuando la

Tensin es mayor o igual a 0.9 p.u y la sobrecarga en las LT y transformadores sea

menor a la resistencia mxima de soportabilidad de cada equipo.


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Figura 5. Diagrama lgico de salida de una LT

Figura 6. Diagrama de proceso de salida de un generador

P

Q

Barra

SI

NO

Generador fuera de servicio

Generador en servicio

Si los valores de P y Q son mayores que un valor determinado (Definido por el usuario)


12

Figura 7. Rutina para activa SPS

Los esquemas mencionados en la Figura 5 y en la Figura 6, garantizan que el SPS que

tiene como finalidad en este caso deslastrar carga, ante las contingencias de estos

elementos actu bajo estas condiciones, esto garantiza que no haya un deslastre de

carga ante situaciones diferentes como apertura monofsica, bifsica y trifsica por

restablecimiento del servicio ante una falla. De tal modo que no halla inicio del SPS ante

situaciones no establecidas.

2.3 Diseo e Implementacin.

Barras que llevaran los esquemas Con el propsito de aliviar los problemas propuestos, se propone implementar los

esquemas anteriores en las siguientes barras:

1_230 kV

2_230kV

3_500kV

Barras en Zona B

En la Figura 8 se puede observar el esquema de comunicacin que se implementara para

el funcionamiento adecuado del SPS


13

Figura 8. Diagrama de comunicacin


14

De la Figura 8 se puede identificar los diferentes elementos que hacen parte del diagrama

de telecomunicaciones que se implementara para el funcionamiento adecuado del SPS.

El diagrama est compuesto por 5 subestaciones, las cuales estn divididas por colores

(azul, verde y rojo). Cada grupo de subestaciones tiene asignada una red LAN respectiva

(Red LAN 1, 2 y 3).

Cada una de las redes LAN esta cableada hacia un Switch con el fin de separar los

dominios de colisin, para que no exista confusin entre los mensajes que se envan a las

diferentes LANs, dicho dispositivo se enlaza con router, para separar los dominios de

boradcast y poder permitir as la comunicacin inalmbrica entre las diferentes

wide networks.

En el diagrama tambin se evidencia el esquema para el control del sistema, el cual

cuenta con el apoyo de dispositivos de control, PLCs y computadores para un correcto

monitoreo y toma de decisiones que permitan tener el sistema de potencia ante

condiciones establecidas.

Es de resaltar que la informacin transmitida, debe tener un canal de comunicacin que

como mnimo tenga las siguientes caractersticas para que el funcionamiento del SPS sea

el adecuado:

Baja tasa de error

Baja latencia

Alta disponibilidad

Alta seguridad

Comportamiento determinstico

De esta forma la Baja tasa de error en las comunicaciones se puede lograr a travs de canales de fibra o canales de cobre de bajo ruido. Como mnimo, se necesita un canal de comunicacin de cobre con una tasa de error (BER) menor que 10-4. Con una BER de 10-4 y un tamao de paquete de comunicacin de 200 bits, la probabilidad de un paquete perdido es de 1 en 50. La probabilidad de obtener dos paquetes errneos en una fila es 1/2500, lo que retrasara la operacin del sistema por 16 ms.[4]

Otro tem de gran importancia es la alta seguridad de datos, es decir, si hay un error en un paquete de datos, el dispositivo debe tener una alta probabilidad de ser capaz de detectar errores de bit en el mensaje. Esta funcin se lleva a cabo tpicamente a travs de la adicin de un cdigo de redundancia cclica Adicionalmente es deseable en un sistema de comunicacin la capacidad de controlar no slo la prdida de paquetes, sino tambin la tasa de paquetes perdidos. Cuando se


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detectan altas tasas de errores, los equipos de mantenimiento pueden ser rpidamente enviados a buscar el origen de los errores de comunicacin. Otro componente clave tanto para el desarrollo de la infraestructura de comunicaciones como para el sistema en general es la capacidad de actualizacin, teniendo en cuenta los futuros cambios en la red en el sistema de generacin y transmisin, por lo que se espera que los SPS necesitarn modificaciones durante su vida instalada y dicha capacidad de actualizacin debe ser evaluada desde una perspectiva tanto de hardware y software.[5]

2.4 Prueba de funcionamiento del SPS

En la Figura 16 se evidencia la secuencia lgica del procedimiento que se tomara ante

las anomalas reportadas en el diagrama unifilar de la Figura 4

A continuacin se evidencian varios casos que podran suceder en el sistema y como

sera el funcionamiento del SPS

1. Salida de la lnea de 500 kV entre la subestacin 1 y 2 y salida de uno de los generadores

de la subestacin 1.

Ante este estado de contingencias (n-2), se experimentaran sobrecargas en los

generadores, que no son admisibles, por lo tanto el sistema experimenta un desbalance

entre generacin y carga. Para evitar el colapso del sistema, el SPS actuara con la

accin de deslastre de carga ya que los MW que son ledos en cada barra no son

suficientes para abastecer la demanda que cada una tiene. La rutina se activara apenas

detecte la salida de cualquiera de estos dos equipos y se seguira el procedimiento lgico

planteado en la Figura 16.

A continuacin se muestra en la Figura 9 la sobrecarga que se experimenta ante dicha

situacin. (realizar zoom para observar valores)


16

Figura 9. Sobrecarga ante salida de G2 y Linea_1_2_500kV

En la Figura 10, se puede observar como la actuacin del SPS, permite normalizar los

niveles de sobrecarga hasta el lmite permisible (99% < lmite > 99.99 %), en la Tabla 1 se

puede observar los valores deslastrados por el SPS. (realizar zoom para observar valores)

Figura 10. Actuacin del SPS ante salida de G2 y Linea_1_2_500kV

Enlance_1

Inactive

Out of Calculation

De-energized

Low and High Vol tage / Loading

Lower Voltage Range

< 0.95 p.u.

Higher Voltage Range

> 1.05 p.u.

Loading Range

> 80. %

> 100. %

G3 1.05 p.u.

Loading Range

> 80. %

> 100. %

G3


17

Tabla 1. Deslastre de carga ante salida de G2 y Linea_1_2_500kV

Cargas P_nominal

MW P_delastrada

MW

Carga_concentrada_1 200 177


Zona_B-1 150 132.75

Zona_B_2 150 63.75

Total 700 458.5

Delastre 242

2. Salida de la lnea de 500 kV

Ante esta contingencia se experimenta sobrecarga el generador ubicado en la

S/E 2_230kV, ya que este no es capaz de suplir la cargas concentradas correspondiente

a las barras 2_230 kV y Zona B. Para aliviar esta condicin en el sistema se sigue

igualmente la rutina lgica propuesta en el diagrama de la Figura 16, la cual se activa ante

la salida de la LT, el estado OFF SERVICE de la LT se detecta con el esquema lgico de

la Figura 5, en la

Figura 11 Sobrecarga ante salida de la Linea_1_2_500kV

se puede observar la condicin de sobrecarga del G3 ante este evento. (realizar zoom para

observar valores)

Figura 11 Sobrecarga ante salida de la Linea_1_2_500kV

Enlance_1

Inactive

Out of Calculation

De-energized


Lower Voltage Range

< 0.95 p.u.


> 1.05 p.u.

Loading Range

> 80. %

> 100. %

G3


18

En la

Figura 12 Actuacin del SPS ante salida de la Linea_1_2_500kV

se puede observar como la actuacin del SPS, regenera el estado degradado del sistema

de potencia, en la Tabla 2, se presenta el respectivo desastre para dicho evento.

Figura 12 Actuacin del SPS ante salida de la Linea_1_2_500kV

Tabla 2. Deslastre de carga ante salida de la Linea_1_2_500kV

Cargas P_nominal

MW P_delastrada

MW


Carga_concentrada_2 200 85.6

Zona_B-1 150 150

Zona_B_2 150 64.2

Total 700 499.8

Delastre 200

Enlance_1

Inactive

Out of Calculation

De-energized


Lower Voltage Range

< 0.95 p.u.


> 1.05 p.u.

Loading Range

> 80. %

> 100. %

G3


19

3. Salida de uno de los generadores de la subestacin 1.

Para este caso se realiza el mismo procedimiento lgico descrito en los 2 anteriores

tems. (realizar zoom para observar valores).

Figura 13 Sobrecarga ante salida de G2

En la Figura 14 se puede observar los niveles de cargabilidad de G1, ya normalizados

gracias a la actuacin del SPS, en la Tabla 3 se muestra el respectivo deslastre.

Enlance_1

Inactive

Out of Calculation

De-energized


Lower Voltage Range

< 0.95 p.u.


> 1.05 p.u.

Loading Range

> 80. %

> 100. %

G3


20

Figura 14 Actuacin del SPS ante salida de G2

Tabla 3. Deslastre de carga ante salida de G2

Cargas P_nominal

MW P_delastrada

MW



Zona_B-1 150 87.6

Zona_B_2 150 87.59

Total 700 408.79

Delastre 291

Contraejemplo

El siguiente contraejemplo permite evidenciar que el SPS no acta ante condiciones no

deseadas y no establecidas anteriormente por los diseadores.

Falla entre la lnea de 500 kV entre la subestacin 1 y 2, cuando se presenta esta

contingencia el diagrama de la Figura 5 garantiza que esta accin no actu la rutina

propuesta en la Figura 16 y por ente el SPS no entra en funcionamiento, debido a que la

salida del ultimo operador lgico ser un cero (0) que nunca har operar la respectiva

rutina, ya que ante una falla, se presenta condicin de recierre , lo cual hace que las

Enlance_1

Inactive

Out of Calculation

De-energized


Lower Voltage Range

< 0.95 p.u.


> 1.05 p.u.

Loading Range

> 80. %

> 100. %

G3


21

posiciones de los CB no se mantenga y por ende no operara la rutina, en la Figura 16 se

puede observar los valores que toma el esquema lgico de la LT..

Figura 15. Chequeo de esquema de salida de LT


22

Figura 16. Prueba de escritorio


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2.5 Pruebas adicionales

El xito final de la solucin de la aplicacin de los SPS depende de un plan de pruebas adecuado. Un plan de pruebas adecuado debe incluir las pruebas de laboratorio, pruebas de campo, la validacin del estudio, y la prueba peridica automtica y manual.

Adicionalmente la eficacia a largo plazo de un diseo de SPS depende de lo bien que se entienda por el personal de operacin y mantenimiento, de esta manera se garantiza que los sistemas sean bien asimilados por cualquier persona. Esta formacin evita errores humanos y tambin proporciona retroalimentacin continua para la mejora de la SPS.


24

CONCLUSIONES

El presente trabajo de protecciones adaptativas WACS y WAMS permiti conocer en

detalles los sistemas SPS y las funcionalidades que incluyen como aumentar la capacidad

y seguridad de los sistemas elctricos. De igual forma realizar una investigacin exaustiva

de estas tcnicas ayudo a fortalecer el conocimiento y modo de operacin de estos

sistemas que garantizan una operacin segura del sistema elctrico ante salidas de

sistemas de generacin y transmisin, un monitoreo de la red en tiempo real, as como un

incremento de la estabilidad del sistema elctrico en su totalidad, aislando zonas crticas.

El diseo del SPS presentado en el presente trabajo tiene caractersticas que permiten realizar desprendimientos de carga controlados, evitando colapsos totales del sistema de potencia, as como una minimizacin de la energa no suministrada, evitando una interrupcin generalizada del servicio.

Es de resaltar que los SPS adems de tener beneficios tcnicos para los sistemas de potencia, tambin poseen beneficios econmicos para todos los involucrados en el sistema, como usuarios, generadores, transmisores, etc, debido a que permite acceder a generacin ms econmica disponible en puntos remotos de la red, as como el uso de la capacidad mxima terica de las lneas sin prdida de seguridad y el aislamiento de zonas con problemas, reduciendo prdidas por cortes totales de energa.


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REFERENCIAS

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