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轨道交通地面装置能量储存系统目 次前言 III112范引文件 13语定和略语 1术和义 2缩语 44能统成 5一要求 5以锂池储质且有含力子流器系构示例 5以级容储质且含力子流的系构示例 5以轮储介包含力子流的统构示例 6辅部件 65用件 6环条件 6电工条件 66装能统的研 6一说明 6确储系的位置容量 6评引储系节能果 7与他统兼性 77能求 7一要求 7控和护能 9电兼容EMC 10储系的效式 10机特性 10铭牌 118验法检规则 11试方法 11检规则 13附录A(料)模仿真现测方(研仿软使情) 15A.1一说明 15A.2系设采仿件 153验安实储统的果 17附录B(料)电和电器荷状(SOC)和量态(SOE) 181容和量内容 18IIIIIB.2SOC和SOE内容 20附录C(料)工周期例 2211轨道交通地面装置能量储存系统范围吸收装置、能馈装置、双向变流装置等联合使用时,本文件可参照执行。(GB/T1402—2010轨道交通牵引供电系统电压(IEC60850:2014,MOD)GB/T3859(所有部分)半导体变流器[IEC60146(所有部分)]注1:GB/T3859.1—20131-1(IEC60146-1-1:2009,MOD)GB/T3859.2—2013半导体变流器通用要求和电网换相变流器第1-2部分:应用导则(IEC/TR60146-1-2:2011,MOD)GB/T3859.3—20131-3(IEC60146-1-3:1991,MOD)GB/T3859.4—2004半导体变流器包括直接直流变流器的半导体自换相变流器(IEC60146-2:1999,IDT)GB/T4208—2017外壳防护等级(IP代码)(IEC60529:2013,IDT)\hGB/T13422—2013半导体电力变流器电气试验方法GB/T24338(所有部分)轨道交通电磁兼容(IEC62236)注2:GB/T24338.1—2018轨道交通电磁兼容第1部分:总则(IEC62236-1:2008,MOD)GB/T24338.2—2018轨道交通电磁兼容第2部分:整个铁路系统对外界的辐射(IEC62236-2:2008,MOD)GB/T24338.3—2018轨道交通电磁兼容第3-1部分:机车车辆列车和整车(IEC62236-3-1:2008,MOD)GB/T24338.4—2018轨道交通电磁兼容第3-2部分:机车车辆设备(IEC62236-3-2:2008,MOD)GB/T24338.52018轨道交通电磁兼容第4部分:信号和通信设备的发射与抗扰度(IEC62236-4:2008,MOD)GB/T24338.6—2018轨道交通电磁兼容第5部分:地面供电装置和设备的发射与抗扰度(IEC62236-5:2008,MOD)GB/T25890.7—2010轨道交通地面装置直流开关设备第7-1部分:直流牵引供电系统专用测量、控制和保护装置应用指南(IEC61992-7-1:2006,IDT)GB/T257—216(IE6289:010MGB/T32593—2016(IEC62590:2010,MOD)GB/T36271.1—20181kV1IEC61936-1:2010+AMD1:2014)22术语和定义GB/T3859(所有部分)界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1储能系统energystoragesystemESS可以从直流母线获取并存储电能,并可将电能回馈至该直流母线。3.1.2再生制动regenerativebraking将电动机的能量反馈到电网或车载储能装置的电动力制动。注:如(电池、飞轮)GB/T2900.36-2021]3.1.3储能单元energystorageunitESU可进行电能存储和释放的设备。注:储能单元是任何可用的存储介质,例如电池(锂离子、镍金属氢化物等)、电容器(双电层电容器、锂离子电容器等)或飞轮等。3.1.4电力电子变流器electronicpowerconverter又一个或多个阀器件连同变压器、滤波器(如有必要)和辅助设备(如有)所组成的运行单元。[来源:GB/T2900.33-2004]3.1.5工作周期dutycycle一个周期内电力电子变流器或储能单元充电、放电、待机的工作时序。3.1.6短时耐受电流能力short-timewithstandcurrentcapability在规定的条件下,短时间内承受电流的能力。3.1.7充放电效率charge-dischargeefficiency储能系统通过其电气端口的放电能量与充电能量之比。注:使用7.1.4中描述的方程式计算效率。3.1.8systemchargecurrent333.1.9放电电流systemdischargecurrent从储能系统流向供电网络的电流。3.1.10充电功率systemchargepower从供电网络流向储能系统的功率。3.1.11放电功率systemdischargepower从储能系统流向供电网络的功率。3.1.12产品生命末期EndofLife,EOL储能单元无法达到最初确定的功能或工作周期的时间。3.1.13容量capacity可以从储能单元释放的电荷量。注1:Ah与电池电量之比通常以安培为单位。注2:对于电容器,电荷通常以库仑(C)或者以法拉(F)为单位。注3:对于飞轮,电荷量通常以kwh为单位。3.1.14理论容量theoreticalcapacity无损耗条件下的最大可用容量。3.1.15额定容量ratedcapacity根据相关标准中表示的“额定”条件测量的可用容量。注:参考IEC62928。3.1.16可用容量usablecapacity根据应用情况可释放的容量。3.1.17理论能量theoreticalenergy无损耗条件下储能单元中存储的最大可用能量。3.1.18额定能量ratedenergy44根据相关标准中表示的“额定”条件测量的可用能量。注:额定能量的实际定义取决于所选储能技术。3.1.19可用能量usableenergy根据应用情况,可释放的能量。3.1.20荷电状态StateofSOC待释放的剩余容量,通常以相关标准中满容量的百分比表示。注1:SOCSOC适用于电池。注2B3.1.21能量状态StateofSOE待释放的剩余能量,通常以相关标准中全部能量的百分比表示。注1:SOESOEB3.1.22能量转换速率ratedofenergyexchange<储能系统>在额定条件下,在规定的时间内,储能系统可充入或释放出的最大能量。3.1.23自放电self-discharge储能单元处于既没有充电也没有放电的一段时间内,储能单元减少的电荷或能量。缩略语下列缩略语适用于本文件。ATO:列车自动驾驶(AutomaticTrainOperation)ATP:列车自动防护(AutomaticTrainProtection)(ApparatusforConnectingtheESUTotheDCBus)BOL(Beginningoflife)DCCB:直流断路器(DCcircuitbreaker)EOL:储能单元无法达到最初确定的功能或工作周期的时间(EndofLife)EDLC:双电层电容(Electricdouble-layercapacitor)ESS:储能系统(Energystoragesystem)ESU:储能单元(Energystorageunit)SOC:荷电状态(StateofCharge)SOE:能量状态(StateofEnergy)55一般要求储能系统具有图1所示的通用系统构成。ACTB储能单元ACTB储能单元储能系统直流母线–ACTB连接储:单元与直流母线之间的设备图1储能系统的通用系统构成储能系统的构成分为以下两类:ACTBACTB4.2、4.3、4.4以铁锂电池为储能介质且没有包含电力电子变流器的系统构成示例图2电压和内阻决定。此外,DCCB用于正极和负极连接,以提高安全性。ESU直流电抗器ESU直流电抗器直流断路器DCCB铁锂电池直流母线–图2没有电力电子变流器的系统配置示例以超级电容为储能介质且包含电力电子变流器的系统构成示例图3DC/DC储能单元直流断路器DCCB 直流电抗器储能单元直流断路器DCCB 直流电抗器超级电容电力电子变流器直流母线–图3使用电力电力变流器的系统构成示例66以飞轮为储能介质且包含电力电子变流器的系统构成示例图4显示了电力电子变流器和飞轮储能单元组成的储能系统构成示例。在此系统中,系统充电和放电电流由DC/AC变流器控制。储能单元直流断路器 储能单元直流断路器 直流电抗器M飞轮电力电子变流器直流母线–图4使以飞轮为储能介质且包含电力电子变流器的系统构成示例辅助部件及其电源能形成不同的配置,此类组件应包括:•控制和保护装置;•冷却系统,包括冷却风扇或水冷装置等;•加热系统。这些部件的电源可通过将辅助电源装置连接到与储能系统主电路相同的直流母线,或通过与主电路分离的任何类型的外部电源来提供。储能系统在\hGB/T32593-2016中5.2条规定的环境条件下应能正常工作。储能系统在\hGB/T32593-2016中5.3条规定的电气工作条件下应能正常工作。储能系统设计时需要考虑如下几个方面:储能系统和引入储能系统的供电网络的设计应使用仿真工具进行评估,该工具的有效性应通过之前的项目得到证明或得到用户认可。77在确定储能系统的最佳安装位置和容量时,需要考虑储能单元的充电和放电特性以及、和0中分别定义的工作周期、额定容量和可用容量。仿真和测量方法见附录A。也可以根据现场临时安装储能系统获得的实际测量数据确定。6.2也可以根据现场临时安装储能系统获得的实际测量数据进行评估。在交付储能系统之前,应使用仿真工具来仿真和验证评估系统充电/放电电流中的谐波含量以及对其他系统(尤其是通信、信号系统)的影响。一般要求额定值储能系统的额定值是在储能系统设计时确定的数值,当系统在规定的操作条件及该额定值下运行时,系统应能在不超过任何规定限值(包括所用部件的限值),或者不会造成任何损坏的情况下正常工作。储能系统并不一定需要电力电子变流器,至0中描述的参数也应适用于没有电力电子变流器的系统。系统设计所选定的电压,标称电压应为GB/T1402中规定的Un。额定电压应为GB/T1402中规定的Umax1。额定充电电流定义为额定电压下的最大充电电流。额定放电电流定义为额定电压条件下的最大放电电流。额定充电功率定义为中定义的额定电压和中定义的额定充电电流的乘积。88额定放电功率定义为中定义的额定电压和中定义的额定放电电流的乘积。储能系统应规定所需的工作循环,并据此进行充电和放电操作。此类工作周期的示例如附录C所示。能量额定容量或额定能量应与额定充放电功率一起规定。/可用容量或可用能量应与额定系统充放电功率一起规定。)(kWh/h)(1)∫𝑇𝑃𝑐(𝑡)𝑑𝑡 C=0 𝑇

·········································································(1)式中:C——能量转换速率,单位为千瓦时每小时(kWh/h);Pc(t)——额定条件下时间t的系统充电功率,单位为千瓦(kW);T——积分时间,单位为小时(h)。0,则P(t)=01h。制当系统在规定的工作周期条件下运行时,所用部件不应发生损坏。注:8.1.7和8.1.9中规定了与7.1.2相关的试验。制造商应说明系统的短时耐受电流能力。GB/T32593-2016第——正常运行后;——维持短路时间为0.15秒而不损坏;——持续短路电流和峰值短路电流之间的比值为1.6。注:GB/T32579-2016中附录B给出了一个具体应用的短路电流计算。99储能系统的充放电效率应在规定的单个工作周期或一系列工作周期下获得,重复次数由用户和制造商确定。按公式(2)计算:∫𝑡𝐸𝑃

(𝑡)𝑑𝑡 η=𝑡𝑆𝐷 ×100% (2)∫𝑡𝐸𝑃(𝑡)𝑑𝑡式中:

𝑡𝑆𝐶η——充放电效率,单位为百分比(%);𝑃𝐷(𝑡)——表示系统在时间t的放电功率,单位为千瓦(kW);𝑃𝐶(𝑡)——系统在时间t的充电功率,单位为千瓦(kW);(h);𝑡𝐸(h)。𝑃𝐷(t)﹥0则𝑃𝐶(t)=0,如果𝑃𝐶(𝑡)﹥0则𝑃𝐷(𝑡)=0。在计算充放电效率时,每个工作周期开始和结束时或所有重复工作周期结束时的SOC和SOE自放电和待机损耗应包含在该充放电效率中。无论辅助电源装置是由直流母线还是从单独的外部电源供电,辅助电源装置的功耗都不应包括在本计算中。注1:自放电是指储能单元处于既没有充电也没有放电的一段时间内,储能单元减少的电荷或能量。注2:待机损耗是指在储能系统运行过程中,处于没有充电或放电时产生的损耗。温升电力电子变流器中使用的每个半导体器件的温度不应超过半导体器件规定的允许最高温度。电力电子变流器的任何附件或辅助设备的允许上限温度应符合该设备的要求。储能单元的温度不应超过储能单元规定的允许最高温度。储能单元应基于工作周期明确寿命。产品生命末期(EOL)应由用户和制造商商定。为了确定EOL要求,给出了以下示例。示例EOLX或内阻比初始电阻高Y倍时,则达到EOLX、Y示例2:电池面向组件的EOLEDLC的某个百分比X或内阻比初始电阻高Y示例3:面向工作周期的EOL定义:基于用户提供的工作周期和寿命对于制造商提供的工作周期估算,“当定义的工作周期数量超过X次时,则达到EOL”。X或其他参数的值为用户和制造商根据项目商定。控制和保护功能应具备适合不同储能单元特定特性的充放电控制功能。1010储能系统应具备短路保护功能。储能系统应具备接地故障保护功能。储能系统应具备过载保护功能。在检修维护时,应能够切除部分或全部储能系统。电磁兼容EMC储能系统应符合GB/T24338(所有部分)中规定的抗扰度和发射要求。任何控制系统或保护系统应进行单独测试。储能系统的失效模式系统制造商应通过表1中给出的失效模式,提出各种故障的处理措施。保护系统应符合表1中规定。表1失效模式失效模式结果信息与控制R:冗余无直接后果,保持全面性能警告信号F:降额性能下降(例如载流能力降低)警告信号或触发保护信号T:触发保护保护装置导致装置退出触发保护信号D:损坏损坏导致装置退出触发保护信号机械特性应设置防凝露的装置。储能系统燃烧性能应符合GB/T36271.1-2018的F0级要求,或所用材料为金属或具有自熄特性。接地变流器和储能单元的直流部分的外壳或框架的接地应符合GB/T25890.7-2010中6.5.8的规定,交流部分的外壳或框架的金属部分应连接到变电所的主接地系统。1111储能系统的防护等级应符合GB/T4208-2017的规定。注和直流电缆以及总线连接方面的要求,外壳顶部和底部的普通防护等级为IP31。注2:对于安装在室内的变流器,通常不会规定进水的防护等级。铭牌型号);(IP);必要时提供的其他信息:);试验方法7.6按照GB/T4208-2017中规定的试验方法进行验证。按照GB/T3859.1—2013进行。1212按照GB/T32593—2016中7.2.1进行。b)c)系统故障时的顺序,例如系统停止、变为降级运行等。7.5.3本试验不适用于没有电力电子变流器的直连系统。按照GB/T32593-2016,7.2.2的规定进行。本试验不适用于没有电力电子变流器的直连系统。应在与所用工作周期匹配的试验条件下测量电力电子变流器和储能单元的温升。关于储能系统中电力电子变流器的温升测试按照GB/T32593-2016,的规定进行。/a)b)c)准备在开始规定的工作循环之前,应确定储能系统中的初始能量水平。测量在规定的工作周期和规定的重复次数测量充放电效率。测试后,应测量并计算储能系统中的能量与初始水平的差值。如有必要,在每个工作周期开始和结束时,或在所有重复工作周期结束时对储能单元进行补偿,SOC/SOE补偿后的值与初始值一致。补偿可通过离线充电/放电进行。13131应使用测量结果,通过7.1.4中规定的方程式计算充放电效率。1m压计测量噪声,声压计测量采用A计权方式。按照GB/T13422—2013中5.1.16的规定进行。EMC按照GB/T24338.1-2018和GB/T24338.6-2018的规定进行。与其他系统(如信号系统)的兼容性应由用户和制造商商定。谐波测量应作为型式检验和现场检验进行。至少应进行两次单独测量,一次在储能系统充电时进行,另一次在储能系统放电时进行。应进行测量以获得谐波特性。()由于充电和放电时系统中的瞬态现象可能会对其他系统产生影响,因此该测量也应针对直接连接型系统进行。检验规则使用以下三种类型的检验:出厂检验,用于验证产品是否正确组装,以及所有部件和/凡具有下列情况之一者,应进行型式检验:14142检验项目应符合表2的规定。表2检验项目列表试验项点型式检验出厂检验现场检验检验方法相应条款技术要求相应条款目视检查MMM8.1.17.5.1,7.6防护等级测试MO-8.1.27.5.3附件和辅助部件的试验MM-8.1.34.5绝缘测试MM-8.1.47.5.2启停顺序测试MMM8.1.57.2.5保护装置的检查MMM8.1.67.2.2,7.2.3,7.2.4充放电控制功能测试MaMaMa8.1.77.2.1轻载功能测试MaMa-8.1.87.4温升测试M--8.1.97.1.5充放电效率测试M--8.1.107.1.4噪声测试MOO8.1.117.5.1EMC测试M--8.1.127.3谐波测量Ma,bOa,bM8.1.136.4注:M表示强制性试验,O表示可选性试验,“-”表示不进行该项试验a表示不适用于没有电力电子变流器的系统b表示可以使用基于仿真的验证。1515附录A(资料性)模拟仿真和现场测量方法(调研仿真软件使用情况)附录A提供了储能系统系统设计的信息。包括对系统安装位置和容量的考虑,通过基于仿真或从临时安装的储能系统获得的测量结果来研究系统引入时的预期影响。A.2中介绍了在储能系统系统设计中使用仿真软件的各种条件。1至A.2.3.5线路参数应包括坡度、曲线半径、限速点、车站位置,以及单线还是双线等。表A.1中给出的条件应用于运行数据。表A.1运行参数表(建议去掉信号系统参数)序号输入条件说明1运行时刻表:a)高峰时间;b)非高峰时间一天中至少应使用这两个时段,即a)和b)。如果是现有路线,最好使用实际时刻表。2载客量根据线路情况设置3车站停车时间根据线路情况设置4站间运行时间可与自动列车运行(ATO)系统一起定义。5信号闭塞区段可选。a)在铁路供电网络的模拟仿真中,通常不考虑列车运行受到干扰的情况,b)在移动闭塞中没有信号闭塞区段概念。6列车自动防护/列车自动运行的速度调节可选。自动列车保护(ATP)/自动列车运行(ATO)可能会限制每个位置的速度。可选作为信号闭塞。然而,列车的运行曲线可能由ATO系统决定,而某一段区间的限速可能由ATO决定。在这些情况下,当使用没有ATP/ATO模型的仿真工具时,在输入其他参数时应考虑基于ATP/ATO的限制。7列车运行图如果是现有路线,则需要使用真实的列车运行图。1616表A.2中给出的条件可用作机车车辆数据。表A.2机车车辆数据序号输入条件说明1列车编组根据车辆情况设置2列车重量(空载)/列车重量(满载)根据车辆情况设置3列车长度根据车辆情况设置4辅助功率应考虑与气候和/或季节相关的条件差异。5加速度根据车辆情况设置6制动速度(常规、最大、紧急)紧急减速数据是可选的。7控制方法例如:逆变器供电的异步电机驱动、斩波控制的直流电机驱动等。8恒压限制器(低压限制特性)根据车辆情况设置9过电压限制器(低负载再生特性)(随着电压的增加)电制动力与电压特性。10电机容量和电机数量可选的11起动阻力根据车辆情况设置12曲线阻力根据车辆情况设置13运行阻力公式例如,用戴维斯系数表示。14牵引特性曲线不同线路电压下的速度-牵引力特性和速度-电流特性。15制动特性曲线不同线路电压下的速度-电制动力特性和速度-电流特性。表A.3中给出的条件可用作直流供电网数据。表A.3直流供电网数据序号输入条件说明1供电网拓扑变电所位置、联络线位置、轨道并联位置、采用轨道连接或架空连接等。2安装容量(整流器容量)应输入现有路线的实际整流器容量。3运行整流器的数量根据线路供电系统参数设置4供电电压应输入现有线路的实际供电电压。5直流电压的调节应为现有线路输入实际直流电压调节数据6储能系统的特性根据储能系统类型设置7供电电源网络的正极阻抗对于使用简化等效电路的模拟,正负极阻抗相加。8供电电源网络的负极阻抗见第7条a)b)c)1717通过比较储能系统安装前后的能耗来评估节能效果。安装前电所的能耗和供电电压。安装后建议使用尽可能多的能耗数据,以便在安装前后进行比较。还建议获取列车运行数据,以便于评估。A.4表A.4测量数据序号测量项点说明1在每一个单独的变电所所需测量-1.1直流母线电压-1.2每一个单独的整流器单元的直流电流-1.3总的直流电流-1.4储能系统的充放电电流安装之后进行1.5整流变压器的交流侧输入电压-1.6整流变压器的交流侧输入电流-1.7温度和天气条件-2运行条件-2.1运营列车数量和运营范围-2.2载客量-1818附录B(资料性)电池和电容器的荷电状态(SOC)和能量状态(SOE)注:为方便本文件读者,附录B已从IEC62864-1:2016附录A中复制。在本文档中,容量和能量在三个不同的背景下定义:理论、额定和可用。附录B的主要目的是详细说明和澄清储能单元中采用的电池和/或电容器作为存储技术的定义或关系。例如,图B.1说明了包含电池和电容器容量和能量的每个定义的差异。电池 电容电压U

E

U

ETh:EuseU

+ +ETh:ETh::Euse:+++电压EEUUUEUU=0Charge(hUU

EUEUU=0QQQ100%SOC理论容量理论容量

Charge(Ah)

Q

Q0%放空

Q

Q100%SOC理论容量理论容量

Q0%SOC放空说明:EThEREuseQmaxQminQUmaxQUminQusemaQusemiU——电压;UOCURUmaxUminUuseUusemi注:对电池而言,对于非常小的电流,可用能量与额定能量相似。图B.1容量和能量的差异1919理论能量Eth是在非常低的放电电流值下的能量(可通过焦耳加热方式从储能装置中放电而不产生能量损失),代表储能单元中存储的最大能量。对于电容器,理论能量基于最大电压按公式(B.1)计算。E 12

2 (B.1)式中:ETh(eV);C(F);Umax(V)注:电容测量见GB/T25121.3-2018。Umin=0额定能量是在“额定”条件下,储能单元可释放的能量。对于电池,额定能量是放电试验中恒定电流与测量电压(例如5C速率)乘积的积分。例如,锂离子电池的额定能量参考IEC62928的结果,并符合IEC62620。对于电容器,额定能量实际上基于额定电压按公式(B.2)计算。R式中:R

E1CUR 2

2 (B.2)ER(eV);C(F);UR(V)ER可用能量是在预先定义的SOC或电压限制范围内能量的可用部分。最大限值和最小限值通常由用户或制造商定义。例如,可以定义所用设备的功率、电流或最大和最小电压限制等参数。对于电池,可用能量是指在不限制用户和制造商最初商定的工作周期的情况下可以使用的能量。(B.3)式中:

Euse

12

use

212

use_

2 (B.3)Euse(eV);C(F);UuseUuse_min——最小可用电压,单位为伏特(V)。注:由于EREuse理论容量、额定容量和可用容量分别用以下等式(B.4)表示:2020式中:QUmaxSOC和SOE

CHTHQUmaxQUminCHRQmaxQminCHuseQuse_maxQuse_min (B.4)S(S一般来说,SOC是储能单元剩余容量与每个定义(即理论、额定或可用)的最大可用容量的相对比例。SOC的数量通常以百分比(%)表示。SOC值为100%表示完全充电状态,而0%表示完全放电状态。同样,SOE是储能单元可用相对能量的度量,也以百分比表示。SOC、SOE定义出于理论需求,公式(B.5)适用:SOCCHTh_remainingTh ThETh_remainingSOETh E

··································································(B.5)Th式中:CHTh——理论容量,单位为安时(Ah);CHTh_remaining——剩余理论容量,单位为安时(Ah);ETh——理论能量,单位为瓦时(Wh);ETh_remaining——剩余理论能量,单位为瓦时(Wh)。SOC、SOE定义出于通用需求,公式(B.6)适用:式中:CHR——额定容量,单位为安时(Ah);

SOCCHR_remainingCHRSOEg (B.6)ERCHR_remaining(Ah);ERWh);ER_remainingWhSOC、SOE定义出于实际需求,公式(B.7)适用:2121SOCCHuse_remainingEf useSOEEuse_remaining (B.7)Ef Euse式中:CHuse——可用容量,单位为安时(Ah);CHuse_remaining——剩余可用容量,单位为安时(Ah);Euse——可用能量,单位为瓦时(Wh);Euse_remaining——剩余可用能量,单位为瓦时(Wh)。公式(B.8)适用于使用系数,适用于寿命开始(BOL)和寿命结束(EOL)。COU CHuseSOC RCOU Euse (B.8)SOE ER式中:CHR——额定容量,单位为安时(Ah);CHuse——可用容量,单位为安时(Ah);ER——额定能量,单位为瓦时(Wh);Euse——可用能量,单位为瓦时(Wh)。注:如果需要,参考使用不同容量或能量的其他组合,见公式(B.9)。COU

SO

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