蘇才普

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為各國關(guān)注的焦劇。人類能源發(fā)展面臨的第一挑戰(zhàn)，是以可再生能源逐步替代化石能源，建造能源使用的創(chuàng)新體系，以信息技術(shù)徹底改造現(xiàn)有的能源利用體系，最大限度地開發(fā)電網(wǎng)體系的能源效率。因此期望通過一個(gè)數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將能源資源開發(fā)、輸送、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換(發(fā)電)、輸電、配電、供電、售電、服務(wù)以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和其他用能設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)精確供能、對(duì)應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能，將能源利用效率和能源供應(yīng)安全提高到全新的水平，將污染與溫室氣體排放降低到環(huán)境可以接受的程度，使用戶成本和投資效益達(dá)到一種合理的狀態(tài)，即智能電網(wǎng)的思想。針對(duì)智能電網(wǎng)技術(shù)，美國和歐洲已經(jīng)形成強(qiáng)大的研究群體，研究內(nèi)容覆蓋發(fā)電、輸電、配電和售電等環(huán)節(jié)，許多電力企業(yè)也在如火如荼地開展智能電網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐，通過技術(shù)與具體業(yè)務(wù)的有效結(jié)合，使智能電網(wǎng)建設(shè)在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中切實(shí)發(fā)揮作用，最終達(dá)到提高運(yùn)營績效的目的。隨著我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化，智能電網(wǎng)也將成為我國電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新方向。在宏觀政策層面，電力行業(yè)需要滿足建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的要求;在市場化改革層面，電能交易手段與定價(jià)方式正在改變，市場供需雙方的互動(dòng)將越來越頻繁，電網(wǎng)必須能夠靈活地支持各種電能交易。本文將綜述智能電網(wǎng)的概念以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合我國能源分布及電網(wǎng)特點(diǎn)，分析我國發(fā)展智能電網(wǎng)的條件和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 智能電網(wǎng)的發(fā)展歷程

2005年，一位名叫馬克·坎貝爾的加拿大人發(fā)明了一種無線控制器，這種控制器與大樓的各個(gè)電器相連，讓大樓里的電器互相協(xié)調(diào)，減少了大樓在用電高峰期的用電量。歐美各國對(duì)智能電網(wǎng)的研究開展較早，且已經(jīng)形成強(qiáng)大的研究群體，由于各國的具體情況不同，其智能電網(wǎng)的建設(shè)動(dòng)因和關(guān)注點(diǎn)也存在差異。我國電力行業(yè)緊密跟蹤歐美發(fā)達(dá)國家電網(wǎng)智能化的發(fā)展趨勢，著力技術(shù)創(chuàng)新，研究與實(shí)踐并舉，在智能電網(wǎng)發(fā)展模式、理念和基礎(chǔ)理論、技術(shù)體系以及智能設(shè)備等方面開展了大量卓有成效的研究和探索。2009年5月，在北京召開的“2009特高壓輸電技術(shù)國際會(huì)議”上，國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略。2009年8月，國家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了智能化規(guī)劃編制、標(biāo)準(zhǔn)體系研究與制定、研究檢測中心建設(shè)、重大專項(xiàng)研究和試點(diǎn)工程等一系列工作。在2010年3月召開的全國“兩會(huì)”上，溫家寶總理在《政府工作報(bào)告》中強(qiáng)調(diào):“大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推廣高效節(jié)能技術(shù)，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”。這標(biāo)志著智能電網(wǎng)建設(shè)已成為國家的基本發(fā)展戰(zhàn)略。

3 國內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外智能電網(wǎng)現(xiàn)狀

歐美各國對(duì)智能電網(wǎng)的研究開展較早，且已經(jīng)形成強(qiáng)大的研究群體，由于各國的具體情況不同，其智能電網(wǎng)的建設(shè)動(dòng)因和關(guān)注點(diǎn)也存在差異。

2001年意大利的電力公司就安裝和改造了3000萬臺(tái)智能電表，建立起了智能化計(jì)量網(wǎng)絡(luò)，歐洲其他國家也將智能網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)革命進(jìn)行推廣。2006年歐盟理事會(huì)的能源綠皮書《歐洲可持續(xù)的、競爭的和安全的電能策略》(A European Strategy for Sustainable，Competitive and Secure Energy)明確強(qiáng)調(diào)歐洲已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新能源時(shí)代，而智能電網(wǎng)技術(shù)是保證歐盟電網(wǎng)電能質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。其他國家也紛紛啟動(dòng)智能電網(wǎng)相關(guān)研究和建設(shè)規(guī)劃。日本政府計(jì)劃在與電力公司協(xié)商后，于2010年開始在孤島進(jìn)行大規(guī)模的構(gòu)建智能電網(wǎng)試驗(yàn);韓國計(jì)劃在2011年前建立一個(gè)“智能電網(wǎng)”綜合性試點(diǎn)項(xiàng)目，屆時(shí)能提高該國環(huán)保能源的能力;澳大利亞政府在最新的預(yù)算案中已劃撥1億澳元用于智能電網(wǎng)建設(shè)。

德國人在加速新能源的應(yīng)用范圍，最好令其無空不入。他們的新計(jì)劃是，在每個(gè)家庭的房頂上，都裝上太陽能發(fā)電裝置，再在庭院里建一個(gè)小型風(fēng)能發(fā)電站，用它們來滿足每個(gè)家庭對(duì)電和熱的全部需求。一張無所不能的智能電網(wǎng)正在鋪開。這張網(wǎng)建立起來之后，新能源的利用率幾乎可以達(dá)到100%。這才是真正的能源革命。

美國發(fā)展智能電網(wǎng)重點(diǎn)在配電和用電側(cè)，推動(dòng)可再生能源發(fā)展，注重商業(yè)模式的創(chuàng)新和用戶服務(wù)的提升。2006年，美國IBM公司與全球電力專業(yè)研究機(jī)構(gòu)、電力企業(yè)合作開發(fā)了“智能電網(wǎng)”解決方案。電力公司可以通過使用傳感器、計(jì)量表、數(shù)字控件和分析工具，自動(dòng)監(jiān)控電網(wǎng)，優(yōu)化電網(wǎng)性能、防止斷電、更快地恢復(fù)供電，消費(fèi)者對(duì)電力使用的管理，也可細(xì)化到每個(gè)聯(lián)網(wǎng)的裝置。2009年2月，IBM與地中海島國馬耳他簽署協(xié)議——雙方將建立一個(gè)“智能公用系統(tǒng)”，以實(shí)現(xiàn)該國電網(wǎng)和供水系統(tǒng)的數(shù)字化，其中包括在電網(wǎng)中建立一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。IBM將提供搜集分析數(shù)據(jù)的軟件，幫助電廠發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)，降低成本以及碳的排放量。

3.2 國內(nèi)智能電網(wǎng)現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增強(qiáng)，而國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)不合理、能源分布不均衡嚴(yán)重制約電力行業(yè)的發(fā)展。特高壓電網(wǎng)解決了遠(yuǎn)距離、大容量輸電問題，在一定程度上解決了能源輸送問題，但“重電源輕電網(wǎng)”導(dǎo)致供電可靠性較低，同時(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱則限制了新能源有效利用。2007年10月，華東電網(wǎng)正式啟動(dòng)了以提升大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力為目的的智能互動(dòng)電網(wǎng)可行性研究項(xiàng)目。2008年4月，在前期智能電網(wǎng)研究成果的基礎(chǔ)上，華東電網(wǎng)啟動(dòng)高級(jí)調(diào)度中心項(xiàng)目群建設(shè)，該項(xiàng)目是智能電網(wǎng)建設(shè)藍(lán)圖“三步走”的第一階段“鞏固提升”的重點(diǎn)內(nèi)容。2009年5月21日，在北京召開的“2009特高壓輸電技術(shù)國際會(huì)議”上，國家電網(wǎng)公司正式宣布將建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)”，并公布了規(guī)劃試點(diǎn)、全面建設(shè)、引領(lǐng)提升三階段的建設(shè)方案。

4 智能電網(wǎng)的原動(dòng)力和主要特征

智能電網(wǎng)的原動(dòng)力對(duì)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。其中可以歸納為以下四個(gè)方面:

(1)實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，避免大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備使用率。近年來全世界大規(guī)模停電的案例頻發(fā)。以2005年莫斯科南部、西南和東南市區(qū)發(fā)生的大面積停電事故為例，大停電使莫斯科電網(wǎng)321座變電站全停，損失負(fù)荷3539.5MW，莫斯科市約有一半地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動(dòng)和交通運(yùn)輸陷入癱瘓。一天之后才完全恢復(fù)正常供電。一般觀點(diǎn)認(rèn)為提高系統(tǒng)的全局可視化程度和預(yù)警能力，與使用較好的、靈巧的和快速的控制是增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性和避免系統(tǒng)崩潰的關(guān)鍵。

(2)分布式電源的大量介入和充分應(yīng)用。隨著新能源的不斷發(fā)展，同時(shí)基于環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的要求，人類更加深入地研究和利用潔凈能源，各國家已經(jīng)把可再生能源的實(shí)施提升為國家戰(zhàn)略高度。分布式發(fā)電是靠近它服務(wù)負(fù)荷的小規(guī)模電力發(fā)電技術(shù)，它能夠降低成本、提高可靠性，減少排放量和擴(kuò)大能源選擇。風(fēng)能和太陽能在地理上是天然分布的，所以次兩類發(fā)電技術(shù)受到廣泛重視。當(dāng)大量的分布式電源集成到大電網(wǎng)中時(shí)，多數(shù)是直接接入各級(jí)配電網(wǎng)。此時(shí)電網(wǎng)自上而下都成了支路上潮流可能雙向流動(dòng)的電力交換系統(tǒng)，從而提出了如何處理數(shù)以萬計(jì)的分布式電源和應(yīng)對(duì)其發(fā)電的間歇性，以確保電網(wǎng)的可靠性和人身與設(shè)備安全的問題。

(3)峰荷問題和需求側(cè)管理?，F(xiàn)階段還沒有經(jīng)濟(jì)有效的大容量儲(chǔ)存電能地手段。電的發(fā)生和消費(fèi)必須保持平衡，而電力變化是隨著時(shí)間變化的。例如夏天，商業(yè)區(qū)、住宅空調(diào)使用率的提高會(huì)讓點(diǎn)需求量大幅提高。為滿足供求平衡，電力設(shè)施必須根據(jù)全年的峰荷來規(guī)劃和制造。由于系統(tǒng)處于峰負(fù)荷附近的時(shí)間每年很短，所以電力資產(chǎn)利用率低下。解決辦法是縮小負(fù)荷曲線峰谷差，而現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中存在著大量能與電網(wǎng)友好合作的可平移負(fù)荷，其比重超過運(yùn)行儲(chǔ)備。因此，高級(jí)配電市場的開發(fā)就迫在眉睫。通過電力公司與終端的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更具有彈性的負(fù)荷需求特性，優(yōu)化資產(chǎn)管理和利用，同時(shí)為用戶提供多種選擇性。消費(fèi)者不僅可以從中獲利，而且感到舒適方便。

(4)對(duì)電網(wǎng)各種約束日益嚴(yán)格(提高可靠性、提高電能質(zhì)量、節(jié)能降損和環(huán)保)。近20年來，通信和信息技術(shù)得到了長足的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用日益普及。它對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量提出了很高的要求。然而，目前的電網(wǎng)不僅滿足不了數(shù)字化社會(huì)的需要;同時(shí)，它在數(shù)字化技術(shù)的自身應(yīng)用方面也相對(duì)落后，特別是在配電網(wǎng)方面，盡管技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和資產(chǎn)管理進(jìn)一步擴(kuò)展到配電網(wǎng)絡(luò)日益經(jīng)濟(jì)可行。

綜上所述，需要把目前的電網(wǎng)加以轉(zhuǎn)換，使其成為能夠適應(yīng)上訴要求的電氣系統(tǒng)，即智能電網(wǎng)。除了上面闡述的四個(gè)原動(dòng)力方面，尤其要注意的是:由于技術(shù)涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是要催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，為經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展提供新的支撐點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是要像十年前興起的國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一樣催生新的技術(shù)和商業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)袖思科預(yù)言，智能電網(wǎng)比國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)擁有更大的市場空間。

圖1 智能電網(wǎng)特征圖

5 智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 堅(jiān)強(qiáng)而靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱?jiān)強(qiáng)、靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是未來智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)

我國能源分布與生產(chǎn)力布局很不平衡，無論從當(dāng)前還是從長遠(yuǎn)看，要滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)電力的需求，必須走遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸電和大范圍資源優(yōu)化配置的道路。特高壓輸電能夠提高輸送容量、減少輸電損耗、增加經(jīng)濟(jì)輸電距離，在節(jié)約線路走廊占地、節(jié)省工程投資、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面也具有明顯優(yōu)勢。因此，發(fā)展特高壓電網(wǎng)，構(gòu)建電力“高速公路”，成為必然的選擇。如何進(jìn)一步優(yōu)化特高壓和各級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃，做好特高壓交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的銜接、特高壓電網(wǎng)與各級(jí)電網(wǎng)的銜接，促進(jìn)各電壓等級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展、送端電網(wǎng)和受端電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展、城市電網(wǎng)與農(nóng)村電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展、一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，成為需要解決的關(guān)鍵問題。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，互聯(lián)大電網(wǎng)的形成，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性與脆弱性問題越來越突出，對(duì)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求相應(yīng)地提高。只有靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)才能應(yīng)對(duì)冰災(zāi)、戰(zhàn)爭等突發(fā)災(zāi)害性事件對(duì)電網(wǎng)安全的影響。

5.2 開放、標(biāo)準(zhǔn)、集成的通信系統(tǒng)

智能電網(wǎng)需要具有實(shí)時(shí)監(jiān)視和分析系統(tǒng)目前狀態(tài)的能力:既包括識(shí)別故障早期征兆的預(yù)測能力，也包括對(duì)已經(jīng)發(fā)生的擾動(dòng)做出響應(yīng)的能力。智能電網(wǎng)也需要不斷整合和集成企業(yè)資產(chǎn)管理和電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行管理平臺(tái)，從而為電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理提供全方位的信息服務(wù)。因此，寬帶通信網(wǎng)，包括電纜、光纖、電力線載波和無線通信，將在智能電網(wǎng)中扮演重要角色。這也是GridWise和IntelliGrid項(xiàng)目的重要研究內(nèi)容。智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的要求，這一問題需要格外注意。目前美國EP砧的合作伙伴Power-Wec、EEl、NERC以及愛達(dá)荷州實(shí)驗(yàn)室正致力于信息安全問題的研究。

5.3 高級(jí)計(jì)量體系和需求側(cè)管理

電網(wǎng)的智能化需要電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)精確得知用戶的用電規(guī)律，從而對(duì)需求和供應(yīng)有一個(gè)更好的平衡。目前我國的電表只是達(dá)到了自動(dòng)讀取，是單方面的交流，不是雙方的、互動(dòng)的交流。由智能電表以及連接它們的通信系統(tǒng)組成的先進(jìn)計(jì)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)諸如遠(yuǎn)程監(jiān)測、分時(shí)電價(jià)和用戶側(cè)管理等的更快和準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)。將來隨著技術(shù)的發(fā)展，智能電表還可能作為互聯(lián)網(wǎng)路由器，推動(dòng)電力部門以其終端用戶為基礎(chǔ)，進(jìn)行通信、運(yùn)行寬帶業(yè)務(wù)或傳播電視信號(hào)的整合。這里涉及到用戶門戶(customer－portal)技術(shù)，作為美國Intelligrid項(xiàng)目的重要研究內(nèi)容之一，該項(xiàng)研究致力于設(shè)計(jì)與目前用戶使用的提供“非能源服務(wù)”的協(xié)議相連接的接口。

圖2 智能電網(wǎng)需求側(cè)設(shè)備支持圖

5.4 高級(jí)電力電子設(shè)備

電力電子技術(shù)在發(fā)電、輸電、配電和用電的全過程均發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)代電力系統(tǒng)應(yīng)用的電力電子裝置幾乎全部使用了全控型大功率電力電子器件、各種新型的高性能多電平大功率變流器拓?fù)浜虳SP全數(shù)字控制技術(shù)。目前我國在電力電子技術(shù)領(lǐng)域與國外的主要差距是:國內(nèi)不能制造全控電力電子器件;大功率變流器制造技術(shù)水平較低，裝置可靠性差;電力電子全數(shù)字控制技術(shù)水平還處于初級(jí)階段;應(yīng)用系統(tǒng)控制技術(shù)和系統(tǒng)控制軟件水平較低;缺乏重大工程經(jīng)驗(yàn)積累等。

5.5 可再生能源和分布式能源接入

在發(fā)展智能電網(wǎng)時(shí)，如何安全、可靠地接入各種可再生能源電源和分布式能源電源也是面臨的一大挑戰(zhàn)。分布式能源包括分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能，在許多國家都得到了迅速發(fā)展。分布式發(fā)電技術(shù)包括:微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、燃料電池技術(shù)、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)、海洋能發(fā)電技術(shù)、地?zé)岚l(fā)電技術(shù)等。分布式儲(chǔ)能裝置包括蓄電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。風(fēng)能、太陽能等可再生能源在地理位置上分布不均勻，并且易受天氣影響，發(fā)電機(jī)的可調(diào)節(jié)能力比較弱，需要有一個(gè)網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、備用充足的電網(wǎng)支撐其穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電網(wǎng)接入風(fēng)電量的增加，風(fēng)電廠規(guī)劃與運(yùn)行研究對(duì)風(fēng)電場動(dòng)態(tài)模型的精度和計(jì)算速度提出了更高的要求。在過去的十幾年中，燃料電池技術(shù)發(fā)展非常快，但要使燃料電池成為一種可靠的能源，還需要解決很多問題。風(fēng)能和太陽能作為分布式能源的重要組成部分，都具有波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，對(duì)可靠供電造成沖擊。通過改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測分布式發(fā)電的變化情況，通過合理調(diào)度減小其波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)智能電網(wǎng)有關(guān)的大量文獻(xiàn)綜述，闡述了智能電網(wǎng)的歷史、核心思想、功能特征等內(nèi)容，介紹了幾個(gè)國家建設(shè)智能電網(wǎng)的情況，文章的最后還給出了關(guān)于智能電網(wǎng)技術(shù)的一些關(guān)鍵點(diǎn)。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，電力系統(tǒng)必將實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化和智能化，并將最終實(shí)現(xiàn)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行和節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

[1]智能電網(wǎng).國家重大技術(shù)裝備網(wǎng)[EB/OL].(2012－12－10).

[2]2012年智能電網(wǎng)在中國發(fā)展前景展望.中國城市低碳經(jīng)濟(jì)網(wǎng)[EB/OL].(2012－09－11).

[3]智能電網(wǎng)的特征.5聯(lián)網(wǎng)[EB/OL].(2012－09－9).

[4]智能電網(wǎng):國內(nèi)投資積極 儲(chǔ)能技術(shù)待突破.中國經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào).2012－04－21[EB/OL].(2012－10－15).

[5]5000億建強(qiáng)智能電網(wǎng)引發(fā)世界關(guān)注.中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)[EB/OL].(2012－09－10).

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