基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型和拓?fù)浞治?/h1>
2021-04-02 14:42鄧迪
機(jī)電信息 2021年9期
摘要：配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，具有點(diǎn)多、線長、面廣等特點(diǎn)。對配電網(wǎng)進(jìn)行分析時，可將實際的電氣元件等效為相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而將一個實際問題轉(zhuǎn)化成一個數(shù)學(xué)問題?，F(xiàn)首先介紹了配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅母拍?，分析了配電網(wǎng)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)和方法，提出了一種可用于實際的GIS配電網(wǎng)絡(luò)模型，然后在GIS平臺上設(shè)計和實現(xiàn)了電源點(diǎn)分析功能，利用GIS的空間分析與統(tǒng)計方法，在該平臺上實現(xiàn)了設(shè)備及其屬性均能在地理圖上展示和查詢的功能，為將GIS引入配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)并及時準(zhǔn)確地判斷出故障設(shè)備及其地理位置奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);GIS平臺;拓?fù)浞治?地理圖
0? ? 引言
GIS平臺首先要將實際電網(wǎng)中的設(shè)備轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治隼L制出配電網(wǎng)絡(luò)圖，最后通過GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的分析功能在地圖上展示出設(shè)備及其屬性。
1? ? 配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅母拍?/p>
在地理空間中，網(wǎng)絡(luò)是通過無數(shù)“通道”互相連接的一系列地理空間位置。抽象來說，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由很多互相連接的線段組成。許多常見的實際地理事物都能組成網(wǎng)絡(luò)，比如公路網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)等。把這些實際的網(wǎng)絡(luò)抽象后進(jìn)行表達(dá)，那就是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。
對抽象后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析的行為稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪窃诰W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上開展的，其他種類的數(shù)據(jù)集都不能開展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?。分析的方法包括網(wǎng)絡(luò)路徑查詢、最短路徑分析、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)查詢、最佳路徑分析等。
當(dāng)前GIS系統(tǒng)平臺擁有強(qiáng)大的拓?fù)浞治龉δ?，比如：搜索相鄰的所有?jié)點(diǎn)功能、連接的所有邊功能、連接的所有節(jié)點(diǎn)功能、關(guān)鍵點(diǎn)功能、關(guān)鍵邊功能、路徑分析功能等。只要充分發(fā)揮上述強(qiáng)大功能，就能在GIS平臺上高效開展配電網(wǎng)拓?fù)浞治觥?/p>
2? ? 配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅奶攸c(diǎn)和方法
在實際設(shè)計配電網(wǎng)時，通常選擇閉環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)架設(shè)計，如圖1所示，設(shè)計思路是各條線路均可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行分合操作，實現(xiàn)線路互相連接或斷開。在故障時可進(jìn)行轉(zhuǎn)供電，提高線路的供電可靠性，縮小線路的停電范圍，減少停電用戶數(shù)和停電小時數(shù)。配電網(wǎng)實際運(yùn)行時，雖然是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但線路采用開環(huán)的運(yùn)行方式，網(wǎng)架呈輻射狀。在該運(yùn)行方式下，便于開展繼電保護(hù)定值整定，有利于確定故障位置。
開展配電網(wǎng)拓?fù)浞治鰰r，主網(wǎng)的設(shè)備（如斷路器、刀閘、變壓器等）一般都是放在變電站內(nèi)，可視為安放在一個地點(diǎn)。與主網(wǎng)設(shè)備的安放不同，配電網(wǎng)的許多設(shè)備（如分段開關(guān)、變壓器、電纜分接箱、負(fù)荷開關(guān)等）并不是集中在一個地點(diǎn)的，而是分散在不同地方，通過架空導(dǎo)線或電纜來連接，應(yīng)將這些設(shè)備看成不同的點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)之間是有長度的線段。配電網(wǎng)連接了廣大終端用戶，線路有很多支線且包含了大量設(shè)備，這些設(shè)備分散在各個地方。因此，配電網(wǎng)構(gòu)成了龐大的數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超主網(wǎng)的數(shù)據(jù)規(guī)模。
面對結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜的配電網(wǎng)，迫切需要高效的算法來快速跟蹤和識別網(wǎng)絡(luò)連通性以及節(jié)約存儲空間和運(yùn)算時間。當(dāng)前常用的算法結(jié)合了人工智能和數(shù)值計算的優(yōu)點(diǎn)，例如關(guān)聯(lián)表矩陣表示法、面向?qū)ο蠓?、離散處理法、樹搜索法、結(jié)點(diǎn)消去法等。
配電網(wǎng)GIS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常分為物理、邏輯、運(yùn)行拓?fù)淙N。配電網(wǎng)拓?fù)浞治鰧嵸|(zhì)就是在GIS平臺中，把開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等關(guān)鍵設(shè)備抽象成節(jié)點(diǎn)，把連接設(shè)備間的線路或電纜抽象成線，這就繪制出了配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，可以在配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中對空間屬性及設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)開展拓?fù)浞治鲞\(yùn)用。
3? ? 基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)地圖
目前，GIS已廣泛應(yīng)用于DMS（配電管理系統(tǒng)）。DMS在運(yùn)用時所需的很多拓?fù)鋽?shù)據(jù)（靜態(tài)數(shù)據(jù)）取自GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)。區(qū)別于常用的地球地理信息系統(tǒng)的拓?fù)涿枋?，電網(wǎng)的拓?fù)涿枋鍪遣煌模枰扇∫欢ǖ奶幚矸绞?，實現(xiàn)GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)可在電力系統(tǒng)運(yùn)用。也就是在GIS平臺中，通過充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將每種設(shè)備抽象為特定原始對象，且通過在GIS接口中繪制的電源接線圖，利用軟件自動把電氣設(shè)備抽象成原始對象和形成相應(yīng)的連接關(guān)系，然后把圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)采用開源空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL/PostGIS統(tǒng)一存儲，把二者融合并綜合管理，破解了長期以來電網(wǎng)圖形與屬性數(shù)據(jù)割裂的難題，最終可以在GIS中建立配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，并展開電網(wǎng)拓?fù)浞治觥?/p>
空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩種模型就組成了GIS數(shù)據(jù)模型。如圖2所示，兩種模型間以GISID為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。
首先，將配電網(wǎng)模型進(jìn)行抽象分類得到相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在GIS平臺將電氣設(shè)備元件的地理位置抽象為點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，進(jìn)而由點(diǎn)、線、面元素構(gòu)成空間數(shù)據(jù)。其次，把電氣設(shè)備元件的屬性信息（如設(shè)備基本信息、基本運(yùn)行狀態(tài)等）進(jìn)行抽象化表達(dá)，然后保存為鏈表、樹或索引等結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)成了屬性數(shù)據(jù)并存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫平臺中。如此，由點(diǎn)、線、面元素組成的空間數(shù)據(jù)得到了矢量化的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)元素模型如圖3所示。
根據(jù)配電網(wǎng)中的構(gòu)成元素定義建立配電拓?fù)鋱D。實質(zhì)上，GIS空間數(shù)據(jù)通過GISID與關(guān)系數(shù)據(jù)庫平臺屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在一起，可以在各系統(tǒng)中互相查詢。最終在GIS平臺上，設(shè)備的所有屬性均能在地理圖中展示查詢，并具備相應(yīng)的分析功能。總之，在GIS平臺中，引入建好的網(wǎng)絡(luò)模型，將模型中的拓?fù)潢P(guān)系和相關(guān)數(shù)據(jù)與地圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后通過相關(guān)軟件，繪制配電網(wǎng)中的電力元件。圖4為南網(wǎng)GIS平臺中瀝林地區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)圖。
4? ? 配電GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/p>
當(dāng)前，配電GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋饕欠治龈骶€路中各設(shè)備之間的連通關(guān)系以及設(shè)備與線路的連通關(guān)系。把設(shè)備元件的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，也就是把設(shè)備（開關(guān)、刀閘）的狀態(tài)信息與點(diǎn)、線元素的連接關(guān)系結(jié)合起來，最終形成配網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系。配電GIS分析是利用從智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)（SG-OSS）、南網(wǎng)新安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、南網(wǎng)計量自動化系統(tǒng)以及SCADA系統(tǒng)等采集的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等信息在GIS平臺上開展定位。實際運(yùn)行中，線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)是斷開的，各線路的分支負(fù)荷呈輻射狀，可以以電源側(cè)為起點(diǎn)按照其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)順序依次進(jìn)行搜索進(jìn)而得到地理位置。實際運(yùn)行中，線路中的設(shè)備只存在一個電源點(diǎn)，可通過GIS的拓?fù)浞治龉δ懿粩嗖樵冊O(shè)備與上級開關(guān)是否聯(lián)通，然后定位到是由哪個變電站側(cè)的開關(guān)供電的，最終獲得整個供電區(qū)間。
5? ? 結(jié)語
本文結(jié)合配電網(wǎng)的特點(diǎn)，主要闡述了配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅奶攸c(diǎn)和方法，并研究了基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時介紹了如何在GIS平臺上開展定位，為將GIS引入到配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)并及時準(zhǔn)確地判斷出故障設(shè)備及其地理位置奠定了理論基礎(chǔ)。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 謝瑞，肖海紅.基于GIS的配電網(wǎng)拓?fù)渌惴ǖ难芯颗c實現(xiàn)[J].河南科學(xué)，2009，27（12）：1550-1554.
[2] 姚玉斌，晉文轉(zhuǎn)，靳力.配電網(wǎng)快速網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鏊惴╗J].繼電器，2005，33（19）：31-35.
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收稿日期：2021-01-06
作者簡介：鄧迪（1992—），女，廣東惠州人，助理工程師，研究方向：電力營銷。
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關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);GIS平臺;拓?fù)浞治?地理圖
0? ? 引言
GIS平臺首先要將實際電網(wǎng)中的設(shè)備轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治隼L制出配電網(wǎng)絡(luò)圖，最后通過GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的分析功能在地圖上展示出設(shè)備及其屬性。
1? ? 配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅母拍?/p>
在地理空間中，網(wǎng)絡(luò)是通過無數(shù)“通道”互相連接的一系列地理空間位置。抽象來說，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由很多互相連接的線段組成。許多常見的實際地理事物都能組成網(wǎng)絡(luò)，比如公路網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)等。把這些實際的網(wǎng)絡(luò)抽象后進(jìn)行表達(dá)，那就是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。
對抽象后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析的行為稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪窃诰W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上開展的，其他種類的數(shù)據(jù)集都不能開展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?。分析的方法包括網(wǎng)絡(luò)路徑查詢、最短路徑分析、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)查詢、最佳路徑分析等。
當(dāng)前GIS系統(tǒng)平臺擁有強(qiáng)大的拓?fù)浞治龉δ?，比如：搜索相鄰的所有?jié)點(diǎn)功能、連接的所有邊功能、連接的所有節(jié)點(diǎn)功能、關(guān)鍵點(diǎn)功能、關(guān)鍵邊功能、路徑分析功能等。只要充分發(fā)揮上述強(qiáng)大功能，就能在GIS平臺上高效開展配電網(wǎng)拓?fù)浞治觥?/p>
2? ? 配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅奶攸c(diǎn)和方法
在實際設(shè)計配電網(wǎng)時，通常選擇閉環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)架設(shè)計，如圖1所示，設(shè)計思路是各條線路均可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行分合操作，實現(xiàn)線路互相連接或斷開。在故障時可進(jìn)行轉(zhuǎn)供電，提高線路的供電可靠性，縮小線路的停電范圍，減少停電用戶數(shù)和停電小時數(shù)。配電網(wǎng)實際運(yùn)行時，雖然是閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但線路采用開環(huán)的運(yùn)行方式，網(wǎng)架呈輻射狀。在該運(yùn)行方式下，便于開展繼電保護(hù)定值整定，有利于確定故障位置。
開展配電網(wǎng)拓?fù)浞治鰰r，主網(wǎng)的設(shè)備（如斷路器、刀閘、變壓器等）一般都是放在變電站內(nèi)，可視為安放在一個地點(diǎn)。與主網(wǎng)設(shè)備的安放不同，配電網(wǎng)的許多設(shè)備（如分段開關(guān)、變壓器、電纜分接箱、負(fù)荷開關(guān)等）并不是集中在一個地點(diǎn)的，而是分散在不同地方，通過架空導(dǎo)線或電纜來連接，應(yīng)將這些設(shè)備看成不同的點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)之間是有長度的線段。配電網(wǎng)連接了廣大終端用戶，線路有很多支線且包含了大量設(shè)備，這些設(shè)備分散在各個地方。因此，配電網(wǎng)構(gòu)成了龐大的數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超主網(wǎng)的數(shù)據(jù)規(guī)模。
面對結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜的配電網(wǎng)，迫切需要高效的算法來快速跟蹤和識別網(wǎng)絡(luò)連通性以及節(jié)約存儲空間和運(yùn)算時間。當(dāng)前常用的算法結(jié)合了人工智能和數(shù)值計算的優(yōu)點(diǎn)，例如關(guān)聯(lián)表矩陣表示法、面向?qū)ο蠓?、離散處理法、樹搜索法、結(jié)點(diǎn)消去法等。
配電網(wǎng)GIS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常分為物理、邏輯、運(yùn)行拓?fù)淙N。配電網(wǎng)拓?fù)浞治鰧嵸|(zhì)就是在GIS平臺中，把開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等關(guān)鍵設(shè)備抽象成節(jié)點(diǎn)，把連接設(shè)備間的線路或電纜抽象成線，這就繪制出了配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，可以在配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中對空間屬性及設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)開展拓?fù)浞治鲞\(yùn)用。
3? ? 基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)地圖
目前，GIS已廣泛應(yīng)用于DMS（配電管理系統(tǒng)）。DMS在運(yùn)用時所需的很多拓?fù)鋽?shù)據(jù)（靜態(tài)數(shù)據(jù)）取自GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)。區(qū)別于常用的地球地理信息系統(tǒng)的拓?fù)涿枋?，電網(wǎng)的拓?fù)涿枋鍪遣煌模枰扇∫欢ǖ奶幚矸绞?，實現(xiàn)GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)可在電力系統(tǒng)運(yùn)用。也就是在GIS平臺中，通過充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將每種設(shè)備抽象為特定原始對象，且通過在GIS接口中繪制的電源接線圖，利用軟件自動把電氣設(shè)備抽象成原始對象和形成相應(yīng)的連接關(guān)系，然后把圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)采用開源空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL/PostGIS統(tǒng)一存儲，把二者融合并綜合管理，破解了長期以來電網(wǎng)圖形與屬性數(shù)據(jù)割裂的難題，最終可以在GIS中建立配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，并展開電網(wǎng)拓?fù)浞治觥?/p>
空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩種模型就組成了GIS數(shù)據(jù)模型。如圖2所示，兩種模型間以GISID為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。
首先，將配電網(wǎng)模型進(jìn)行抽象分類得到相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在GIS平臺將電氣設(shè)備元件的地理位置抽象為點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，進(jìn)而由點(diǎn)、線、面元素構(gòu)成空間數(shù)據(jù)。其次，把電氣設(shè)備元件的屬性信息（如設(shè)備基本信息、基本運(yùn)行狀態(tài)等）進(jìn)行抽象化表達(dá)，然后保存為鏈表、樹或索引等結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)成了屬性數(shù)據(jù)并存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫平臺中。如此，由點(diǎn)、線、面元素組成的空間數(shù)據(jù)得到了矢量化的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)元素模型如圖3所示。
根據(jù)配電網(wǎng)中的構(gòu)成元素定義建立配電拓?fù)鋱D。實質(zhì)上，GIS空間數(shù)據(jù)通過GISID與關(guān)系數(shù)據(jù)庫平臺屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在一起，可以在各系統(tǒng)中互相查詢。最終在GIS平臺上，設(shè)備的所有屬性均能在地理圖中展示查詢，并具備相應(yīng)的分析功能。總之，在GIS平臺中，引入建好的網(wǎng)絡(luò)模型，將模型中的拓?fù)潢P(guān)系和相關(guān)數(shù)據(jù)與地圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后通過相關(guān)軟件，繪制配電網(wǎng)中的電力元件。圖4為南網(wǎng)GIS平臺中瀝林地區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)圖。
4? ? 配電GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/p>
當(dāng)前，配電GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋饕欠治龈骶€路中各設(shè)備之間的連通關(guān)系以及設(shè)備與線路的連通關(guān)系。把設(shè)備元件的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，也就是把設(shè)備（開關(guān)、刀閘）的狀態(tài)信息與點(diǎn)、線元素的連接關(guān)系結(jié)合起來，最終形成配網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系。配電GIS分析是利用從智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)（SG-OSS）、南網(wǎng)新安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、南網(wǎng)計量自動化系統(tǒng)以及SCADA系統(tǒng)等采集的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等信息在GIS平臺上開展定位。實際運(yùn)行中，線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)是斷開的，各線路的分支負(fù)荷呈輻射狀，可以以電源側(cè)為起點(diǎn)按照其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)順序依次進(jìn)行搜索進(jìn)而得到地理位置。實際運(yùn)行中，線路中的設(shè)備只存在一個電源點(diǎn)，可通過GIS的拓?fù)浞治龉δ懿粩嗖樵冊O(shè)備與上級開關(guān)是否聯(lián)通，然后定位到是由哪個變電站側(cè)的開關(guān)供電的，最終獲得整個供電區(qū)間。
5? ? 結(jié)語
本文結(jié)合配電網(wǎng)的特點(diǎn)，主要闡述了配電網(wǎng)拓?fù)浞治龅奶攸c(diǎn)和方法，并研究了基于GIS的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時介紹了如何在GIS平臺上開展定位，為將GIS引入到配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)并及時準(zhǔn)確地判斷出故障設(shè)備及其地理位置奠定了理論基礎(chǔ)。
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收稿日期：2021-01-06
作者簡介：鄧迪（1992—），女，廣東惠州人，助理工程師，研究方向：電力營銷。
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