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JP4118531B2 - 電力調整装置 - Google Patents

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JP4118531B2
JP4118531B2 JP2001140343A JP2001140343A JP4118531B2 JP 4118531 B2 JP4118531 B2 JP 4118531B2 JP 2001140343 A JP2001140343 A JP 2001140343A JP 2001140343 A JP2001140343 A JP 2001140343A JP 4118531 B2 JP4118531 B2 JP 4118531B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相機を電力系統母線に接続し、この位相機を制御することにより、有効電力あるいは無効電力を連続的に調整する電力調整装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、大容量負荷の電力を調整するためには、負荷自身が調整機能を有する場合を除き、タップ付変圧器の2次側に負荷を接続し、このタップを切り替えることによって負荷に供給する電圧の大きさを変え、負荷が消費する有効電力・無効電力を調整するようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、タップ付変圧器の動作は、タップ切替器により電圧を段階的に切り替えるため、系統の状態に応じて電圧を微細に調整する用途には不向きであった。また、タップ切り替えに時間がかかる上、切り替え器を頻繁にメンテナンスする必要があり、運用コストがかかるという問題があった。
【0004】
一方、パワーエレクトロニクスを応用した電力変換器を用いて、高速且つ連続的に調整する方法も考えられるが、コストが高いうえに、相対的に損失が大きいという問題があった。
【0005】
(発明の目的)
本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたもので、負荷電力指令に対して微細に調整することができ、しかも損失の少ない電力調整装置を提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の電力調整装置に係る発明は、固定子巻線を有する固定子および回転子巻線を有する回転子を備え且つ前記固定子巻線あるいは回転子巻線のうち、いずれか一方の巻線端子を電力系統母線に接続し、他方の巻線端子をインピーダンス負荷を介して前記電力系統母線に接続した位相機と、前記回転子に軸結合し、回転子を駆動する駆動装置と、この駆動装置に前記固定子および回転子間の位相差を所望の値に調整する指令値を与える制御装置とからなる電力調整装置において、前記位相機を同期発電機を有する発電所の電力系統母線に接続し、前記同期発電機の検出速度値を安定化制御装置に入力して前記検出速度と設定値との偏差分に応じた回転子の回転角度の指令値を求め、この指令値を制御装置を介して前記駆動装置に与えることにより、固定子と回転子の位相差を変化させインピーダンス負荷の抵抗で消費する電力を調整することを特徴とするものである。
【0007】
この発明によれば、制御装置による指令に従って、駆動装置にトルクを発生させ、固定子と回転子の間の回転角を調整することによって、電力調整装置に流れ込む電流、すなわち、電力調整装置で消費する電力の値を連続的に調整することができ、電力系統あるいは負荷側において、有効電力または無効電力の値を連続的に調整することができる。
また、電力系統母線に接続されている発電機の速度偏差に応じて有効電力を調整できるので、電力系統における安定限界を向上させることができる。
【0008】
また、請求項2に記載の電力調整装置に係る発明は、請求項1記載の発明において、前記電力系統母線および前記位相機の巻線間に変圧器を介挿したことを特徴とするものである。
この発明によれば、昇圧変圧器を設けることにより、前記位相機をコスト面で適切な設計とすることができる。
【0015】
また請求項に記載の電力調整装置に係る発明は、請求項記載の発明において、前記電力系統母線と前記位相機との間に投入用遮断器を設け、この投入用遮断器を前記安定化制御装置により投入または開放を行なうことを特徴とするものである。
【0016】
この発明によれば、平常時は投入用遮断器を開放して位相機を電力系統から外しておき、故障発生により同期発電機が加速した時のみ遮断器を投入するようにしたので、平常時の損失軽減、動作開始の時間短縮を実現することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態
図1は本発明の第1の実施形態を示す電力調整装置の構成図である。図1において、1は発電所、変電所または需要家構内等に設けられた3相交流の電力系統母線である。2は巻線型誘動機あるいは回転型変圧器と同様に、固定子巻線を有する固定子2−1および回転子巻線を有する回転子2−2を備えた位相機であり、一方の巻線端子t2-1を前記電力系統母線1に接続すると共に、他方の巻線端子t2-2をインピーダンス負荷3を介して前記電力系統母線1に接続するように構成している。
【0019】
なお、前記位相機2は、通常の誘導電動機又は誘導発電機のように、回転子を自由に回転できるようにする場合と、誘導電圧調整器のように回転子の回転角度を所定の範囲(例えば0°〜180°)内に制限する場合とが考えられるが、ここでは発明の理解を容易にするという観点から、回転子2−2が0°〜180°の範囲内で回転するものとして説明する。
【0020】
また、図1の例では固定子側の巻線端子t2-1が前記電力系統母線1に、回転子側の巻線端子t2-2がインピーダンス負荷3を介して前記電力系統母線1にそれぞれ接続されているが、この接続関係を逆の関係即ち、固定子側の巻線端子t2-1を前記インピーダンス負荷3を介して前記電力系統母線1に、回転子側の巻線端子t2-2を直接前記電力系統母線1に接続にしても、以下に述べる作用、効果と同じ作用、効果を奏することができる。
【0021】
4は前記位相機2の回転子2−2の軸2−3と機械的に結合され、当該回転子2−2を前述した所定角度(0°〜180°)の範囲で回転させるための駆動装置であり、この回転角度は、制御装置5によって調整されるようになっている。
【0022】
次に、本実施の形態の動作について図2を用いて説明する。まず、前記位相機2の固定子巻線と回転子巻線の巻数比を1:1と仮定すると、両者の機械的な位相差が(δ)の時、回転子2−2には固定子2−1の電圧と大きさが等しく且つ位相差が(δ)である電圧を誘起する。
【0023】
すなわち、図2に示した電圧、電流の関係は以下の(1)〜(4)式で示される。ここで、Vsは前記電力系統母線1側の電圧、V2は回転子2−2側の電圧、Isは電力系統母線1と位相機2との間に流れる電流、I1は固定子2−1側に流れる電流、I2は回転子2−2側に流れる電流、Zはインピーダンス負荷3のインピーダンスである。ここでは簡単のため、位相機の励磁電流や漏れインピーダンス(Zl)は無視している。
【0024】
Is = I1 + I2 ・・・ (1)
V2 = Vs−I2・Z ・・・ (2)
V2 = Vs・exp(−jδ) ・・・ (3)
−I2 = I1・exp(−jδ) ・・・(4)
以上の関係より、IsとVsの関係に整理すると、(5)式が得られる。
Is = 2・Vs/Z・( 1 − cosδ) (5)
【0025】
すなわち、この(5)式の意味するところは、出力電流Isは固定子2−1と回転子2−2の位相差δに応じて図3に示すように変化するということである。(5)式からわかるように、固定子2−1と回転子2−2間の位相差δが0°の場合は、右辺の括弧の中が0になるので、Is = 0すなわち、インピーダンス負荷3で消費する電力がゼロであるが、位相差δが180°の場合は右辺の括弧の中が2となるので、Is = 4・Vs/Zとなり、消費電力は最大となる。
この間のインピーダンス負荷3における消費電力は、位相差δ(0°〜180°)の調整により、図3で示すように連続的に調整できることがわかる。
【0026】
そこで、本発明では、前記制御装置5により所要の電力量に対して位相差δを(5)式から逆算し、駆動装置4から適切なトルクを発生させて回転子2−2を所定角度だけ回転させ、回転子2−2の電圧と固定子2−1の電圧とに所望の位相差δが生じるように制御する。
【0027】
このように、本実施の形態によれば、タップ付変圧器のように段階的に電力を切換えるのではなく、固定子2−1および回転子2−2間のインピーダンス3で消費する電力を連続的に制御することによって、電力系統および負荷側において、電力を連続的に制御することができるので、所要の電力量の要求に対して微細に調整することができる。また、パワーエレクトロニクスを応用した電力変換器を用いたシステムよりも構成がシンプルで低コストで実現することができる。
【0028】
(変形例
以上述べた実施の形態では、インピーダンス負荷3の種類については言及していないが、このインピーダンス負荷3は抵抗負荷(R)でも、あるいはリアクタンス負荷(L)でもあるいはコンデンサ負荷(C)でもよい。
【0029】
このようにインピーダンス負荷3を受動素子で接続することにより、抵抗負荷Rの場合では有効電力を、リアクトルLの場合では遅れ無効電力を、またコンデンサCの場合では進み無効電力をそれぞれ連続的に調整できるようになる。
また、抵抗負荷やリアクトル、コンデンサを組み合わせてインピーダンス負荷3を実現することにより、任意の力率の負荷を実現することができる。
【0030】
(第2の実施の形態
図4は本発明の第2の実施の形態を示す電力調整装置の構成図である。図4が図1と異なるのは、電力系統母線1と位相機2の間に変圧器6を接続した点である。
【0031】
一般に、発電所や変電所の母線電圧は大電力送電・送電損失低減の観点から非常に高い電圧の場合が多く、このような電力系統母線に本発明装置の位相機2を直接接続するのは絶縁面で不利となるので、本実施の形態では電力系統母線1と位相機2との間に降圧用変圧器6(電力系統母線1から見れば降圧用、位相機2から見れば昇圧用)を介在させることにより、位相機2およびインピーダンス負荷3の定格電圧を自由に選定できるようにしたものである。
従って、本実施の形態によれば、第1の実施の形態が有する効果に加えて、絶縁設計が容易な電力調整装置を、より低コストで提供することができる。
【0032】
(第3の実施の形態
図5は本発明の第3の実施の形態を示す電力調整装置の構成図である。図5が図1と異なるのは、位相機2の固定子と回転子とを直接接続し、固定子と回転子の漏れインピーダンス(Zl)により、前記インピーダンス負荷3と同様電力を消費させるようにした点にある。
【0033】
位相機2は、通常、漏れインピーダンス(Zl)を有している。本実施形態はこの漏れインピーダンス(Zl)を積極的に利用することによって、漏れインピーダンス(Zl)で電力を消費させるようにしたものである。この場合、漏れインピーダンス(Zl)の成分はほとんどリアクタンス分であるため、遅れ無効電力が消費される。よって、遅れ無効電力を固定子と回転子の位相差δに応じて調整することができる。
【0034】
従って、本実施の形態によれば、第1の実施の形態が有する電力調整の効果をよりシンプルな構成、すなわち、より低コストで提供することができるようになる。
【0035】
(第4の実施の形態
図6は本発明の第4の実施の形態を示す電力調整装置の構成図である。図6が図5と異なるのは、位相機2と並列にコンデンサ7を接続した点である。
【0036】
本実施の形態によれば、一定値の進み無効電力を供給するコンデンサ7と、固定子2−1と回転子2−2の位相差に応じて遅れ無効電力を調整できる位相機2との組み合わせにより、それぞれのリアクタンス値,キャパシタンス値を適切に設定することにより、位相機2から電力系統母線1に供給するトータルの無効電力を、進みから遅れまで広い範囲で連続的に調整することができる。
【0037】
なお、ここでの説明は図5の漏れインピーダンスとコンデンサ7との組み合わせで説明したが、図1のインピーダンス負荷3をリアクトルに置きかえ、更にコンデンサ7を並列に接続しても同様の作用・効果が得られることは言うまでもない。
【0038】
(第5の実施の形態
図7は本発明の第5の実施の形態を示す電力調整装置の構成図である。図7が図1と異なる点は、電力系統母線1に新たに変圧器8を介して発電機9を接続してこの発電機9の回転速度偏差Δωを安定化制御装置10に入力し、この安定化制御装置10の演算結果である安定化制御出力10aを前記制御装置5に対し指令値の変化分として出力するとともに、長距離の並行2回線送電線11を介して前記発電機9を別の変電所母線12に接続するように構成した点にある。
【0039】
次に、図8により安定化制御装置10の一例について説明する。図8で示すように、安定化制御装置10は発電機9の回転速度偏差Δωを正値検出器10−1に入力して速度偏差Δωが正の値(回転数が上昇している期間)のみを出力し、その出力をゲイン部10−2に入力して適切な制御ゲインを乗じる(このゲインは、実際に適用する系統条件や発電機/電力調整装置の容量に応じて決める)。これで、後述する図9の(b)に示す動作が得られる。
【0040】
なお、安定化制御出力10aが位相機2の電力調整範囲を超過すると無意味なばかりでなく、以下の制御装置5および駆動装置4に悪影響を及ぼす場合もあるので、出力リミッタ10−3により、安定化制御出力10aの大きさを適正な範囲に収めるようにしてある。
【0041】
ところで、前記並行2回線送電線11のいずれかの1回線に地絡故障等が発生し、図示していない保護リレーにより故障回線が開放されると、送電線11が1回線となるため線路インピーダンスが大きくなり、この結果、安定に送電できる電力の限界が低下し、過渡安定度が保てない場合が生じることは良く知られている。
【0042】
また、このような状況下で、発電機9の速度偏差Δωに対応する有効電力を電力系統母線1で吸収すると、安定限界を向上できることもまた、良く知られている。これは、定性的には発電機の速度偏差が大きい時は加速している状況であり、発電機9の原動機(図示せず)側からの入力トルクが発電機9の電気出力を上回っているためであり、このような状況で、電力系統母線1に有効電力の吸収源を接続すると、発電機9の電気出力が増加して速度上昇を抑制する方向に作用するものと説明することができる。
【0043】
そこで、本実施の形態は、図9(b)で動作波形例を示すように、発電機9の回転速度偏差Δωが上昇した場合、上昇の程度に応じて安定化制御装置10からインピーダンス負荷3の抵抗で消費する電力を増加させるように前記制御装置5に指令値を送り、前記駆動装置4の動作により回転子を回転させ、固定子との間の位相差を調整し、前述のように有効電力を調整するようにしたものである。
【0044】
本実施の形態によれば、発電機9の速度偏差Δωに応じて有効電力を調整できるので、電力系統における安定限界を向上させることができる。
また、上記説明は発電機9の速度偏差Δωを安定化制御装置10に入力するものとしたが、速度偏差Δωと発電機9の有効電力出力は密接な関係があるため、有効電力出力を安定化制御装置10の入力とする場合も、安定化制御装置10の中で速度偏差Δωと有効電力の動的な関係を考慮することで同様な効果を得ることができる。
【0045】
(第6の実施の形態
図10は本発明の第6の実施の形態を示す電力調整装置の構成図である。本実施の形態は、前記第5の実施の形態(図7)の一部を変更したものであり、図10が図7と異なる点は、電力系統母線1と変圧器6の間に遮断器13を設け、更に、遮断器13を安定化制御装置14の出力により投入または開放するようにした点である。なお、送電線11、母線12は本図では省略しているが図7と同様に接続されているものとする。
【0046】
図11は、安定化制御装置14の一例を示すブロック構成図であり、図8と同一の要素に加え、14−1はしきい値設定回路であり、通常の小外乱では動作せず安定化制御が必要となる大外乱では動作するようなしきい値を予め決めてある。14−2はオフディレイタイマであり、そして14−3はセット・リセット形のフリップフロップ回路である。
【0047】
ここで、前記発電機9が定常状態で安定に運転されて、位相機2が有効電力を吸収する必要が無い場合には、遮断器13は開放させている。もし、電力系統側の故障などにより位相機2が有効電力を吸収する必要が生じた場合には、安定化制御装置14の指令により、遮断器13を投入する。
【0048】
この場合の応動を安定化制御装置14に基づいて説明すると、前記発電機9から検出した速度偏差Δωが前記しきい値設定回路14−1の設定値より大きくなったら、フリップフロップ回路14−3にセット信号が入力される。すると、フリップフロップ回路14−3はセット状態となり、遮断器13に対して投入指令14aを出力する。
【0049】
しかし発電機9の速度偏差Δωがしきい値より小さくなってからの時間がオフディレイタイマ14−2で予め定めた時間(td)を経過してもさらに小さい状態が継続する場合は、電力系統が安定化したと判断し、フリップフロップ回路14−3にオフディレイタイマ14−2からリセット信号を入力し、フリップフロップ回路14−3をリセット状態に反転させる。これにより、遮断器投入指令14aを解除する。以降は図7の第5の実施の形態と同様の動作をする。
【0050】
以上述べたように、本実施の形態によれば、平常時は位相機2は電力系統母線1から電気的に分離されているため、励磁電流などによる損失を防止できる。また、平常時は固定子と回転子の位相差をゼロとしておかなくても電力消費が発生しないので、待機中に予め適当な位相差に設定しておくことにより、動作開始の時間を短縮することができ、それに伴い駆動装置4の駆動エネルギー(コスト)を低減させることができる。
【0051】
(第7の実施の形態
図12は本発明の第7の実施の形態を示す電力調整装置の構成図である。本図では、既に述べた実施の形態の場合と同一の要素に同一の符号を付しているが、インピーダンス負荷3の中身はリアクトルまたはコンデンサとした場合である。なお、前述した第4の実施の形態(図6)のように、位相機2に対してコンデンサ7を並列に接続する場合であってもよい。
【0052】
本実施の形態では更に、電力系統母線1に接続された電圧変成器15およびこの出力信号15aを入力とする電圧変動抑制制御16を追加した構成を採用しており、この電圧変動抑制制御16の出力信号16aにより制御装置5を制御するように構成している。
【0053】
なお、図13は前記電圧変動抑制制御16の一例を示すブロック図である。図13において、加算部16−1で電力系統母線1の電圧の検出値から基準電圧を減じて電圧偏差ΔVを算出し、この電圧偏差ΔVを次段のゲイン部16−2でゲインを乗じて無効電力基準値Qを生成する。なお、無効電力基準値Qの出力範囲をリミッタによって適正な範囲に収めておく。さらに、無効電力基準値Q−位相差δ変換部16−3において、前記無効電力基準値Qから固定子と回転子の位相差δに変換し、電圧変動抑制制御出力16aとする(インピーダンス負荷3がリアクトルの場合)。
【0054】
インピーダンス負荷3がリアクトルの場合、固定子と回転子の位相差δに応じて遅れ無効電力を調整できることは既に述べた。ところで、電力系統では一般的に、電力系統母線に遅れ無効電力を接続すると電力系統母線電圧が下がる性質があることは良く知られている。
【0055】
そこで、電力系統母線1の電圧の値を電圧変成器15を介して検出し、電力系統母線1の電圧が上昇した場合は、遅れ無効電力の出力が増大するよう固定子と回転子の位相差δを広げる方向に、逆に電力系統母線1の電圧が低下した場合は、遅れ無効電力出力が減少する方向に前記電圧変動抑制制御装置16で制御装置5を制御する。
【0056】
この応動を図13の制御ブロック回路によりもう少し具体的に説明する。電力系統母線1の電圧が上昇した場合には、電圧偏差ΔVが大きくなるので、これに応じてゲイン部16−2の出力である無効電力基準Qも大きくなる。無効電力基準Qが大きくなると、前記Q−δ変換器16−3の出力である位相差δの指令値が大きくなる。
【0057】
この結果、制御装置5と駆動装置4とにより位相機2の位相差δを広げることで位相機2のインピーダンス負荷3で消費する無効電力が大きくなり、電圧上昇を抑制する。
【0058】
一方、インピーダンス負荷3がコンデンサである場合には、進み無効電力を出力するので、前記ゲイン部16−2ゲインの極性(正負)を反対にし、上記とは逆に電圧が上昇した場合、進み無効電力の出力が減少するよう固定子と回転子の位相差δを小さくする方向に、逆に電圧が低下した場合は進み無効電力出力が増大するよう位相差δを拡大する方向に指令値16aを制御装置5に出力することにより、無効電力を連続的に調整して電力系統母線1の電圧変動を抑制することができる。
【0059】
なお、図13で説明した電圧偏差の検出方法は、固定の基準電圧と比較するようにしたが、基準電圧自身を系統状態に応じて変化させる場合(フローティングリファレンス)であっても良い。また、ゲイン部16−2は単純に比例ゲインとする場合の他に、電圧偏差のオフセットをなくする目的で比例積分(PI)制御とする方法も考えられる。また、Q−δ変換は、非線型による応答の変化があまり問題にならない場合は省略し、ゲイン部16−2の出力を電圧変動抑制制御装置16の出力としても良い。
【0060】
このように、本実施の形態によれば、前記電圧変動抑制制御装置16は電圧偏差ΔVを小さくする方向に指令値を制御装置5に出力し、無効電力を連続的に調整して電力系統母線1の電圧変動を抑制することができ、システムを低コストで実現することができる。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固定子巻線を有する固定子および回転子巻線を有する回転子を備え且つ前記固定子巻線あるいは回転子巻線のうち、いずれか一方の巻線端子を電力系統母線に接続し、他方の巻線端子をインピーダンス負荷を介して前記電力系統母線に接続した位相機と、前記回転子に軸結合し、回転子を駆動する駆動装置と、この駆動装置に前記固定子および回転子間の位相差を所望の値に調整する指令値を与える制御装置とからなる電力調整装置において、前記位相機を同期発電機を有する発電所の電力系統母線に接続し、前記同期発電機の検出速度値を安定化制御装置に入力して前記検出速度と設定値との偏差分に応じた回転子の回転角度の指令値を求め、この指令値を制御装置を介して前記駆動装置に与えることにより、固定子と回転子の位相差を変化させインピーダンス負荷の抵抗で消費する電力を負荷電力指令に対して微細に調整することができ、且つ損失も少ない電力調整装置低コストで提供することができ、さらに、前記電力系統母線に接続されている発電機の速度偏差に応じて有効電力を調整できるので、電力系統における安定限界を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す構成図。
【図2】本発明の第1の実施の形態の電圧・電流の関係を説明する図。
【図3】本発明の第1の実施の形態の作用を説明する図。
【図4】本発明の第2の実施の形態を示す構成図。
【図5】本発明の第3の実施の形態を示す構成図。
【図6】本発明の第4の実施の形態を示す構成図。
【図7】本発明の第5の実施の形態を示す構成図。
【図8】第5の実施の形態で採用した安定化装置の一例を示す図。
【図9】第5の実施の形態の作用を説明する図。
【図10】本発明の第6の実施の形態を示す構成図。
【図11】第6の実施の形態の安定化制御装置の一例を示す図。
【図12】本発明の第7の実施の形態を示す構成図。
【図13】第7の実施の形態で採用した電圧変動抑制制御装置を示す図。
【符号の説明】
1,12…電力系統母線、2…位相機、2−1…固定子、2−2…回転子、3…インピーダンス装置、4…駆動装置、5…制御装置、6,8…変圧器、7…コンデンサ、9…発電機、10…安定化制御装置、10−1…正値検出器、10−2…ゲイン部、10−3…リミッタ、11…送電線、13…遮断器、14…安定化制御装置、14−1…しきい値設定回路、14−2…オフディレータイマ、14−3…フリップフロップ回路、15…電圧変成器、16…電圧変動抑制制御装置、16−1…加算部、16−2…ゲイン部、16−3…Q−δ変換部。

Claims (3)

  1. 固定子巻線を有する固定子および回転子巻線を有する回転子を備え且つ前記固定子巻線あるいは回転子巻線のうち、いずれか一方の巻線端子を電力系統母線に接続し、他方の巻線端子をインピーダンス負荷を介して前記電力系統母線に接続した位相機と、
    前記回転子に軸結合し、回転子を駆動する駆動装置と、
    この駆動装置に前記固定子および回転子間の位相差を所望の値に調整する指令値を与える制御装置とからなる電力調整装置において、
    前記位相機を同期発電機を有する発電所の電力系統母線に接続し、前記同期発電機の検出速度値を安定化制御装置に入力して前記検出速度と設定値との偏差分に応じた回転子の回転角度の指令値を求め、この指令値を制御装置を介して前記駆動装置に与えることにより、固定子と回転子の位相差を変化させインピーダンス負荷の抵抗で消費する電力を調整することを特徴とする電力調整装置。
  2. 前記電力系統母線と前記位相機の巻線との間に変圧器を介挿したことを特徴とする請求項1記載の電力調整装置。
  3. 前記電力系統母線と前記位相機との間に投入用遮断器を設け、この投入用遮断器を前記安定化制御装置により投入または開放を行なうことを特徴とする請求項記載の電力調整装置。
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