智能變電站SCD文件構(gòu)成了二次系統(tǒng)的核心組成部分，基于XML格式的SCD文件使得智能變電站二次回路呈現(xiàn)為“黑匣子”特征，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)很大困難。
本文探索了基于語(yǔ)義強(qiáng)度的SCD虛回路辨識(shí)技術(shù)，可為智能變電站核心要素SCD管理提供有效的技術(shù)解決方案，為控制智能變電站二次系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)提供可借鑒的技術(shù)路徑。
自2009年國(guó)網(wǎng)公司智能電網(wǎng)戰(zhàn)略推進(jìn)以來(lái)，大量智能變電站進(jìn)入了工程應(yīng)用，我國(guó)已經(jīng)成為智能變電站最多的國(guó)家[1-3]。智能變電站基于變電站配置文件SCD完成二次系統(tǒng)信號(hào)關(guān)聯(lián)的配置，由于SCD采用XML格式，與常規(guī)綜自系統(tǒng)以硬接線為特征的二次聯(lián)接電纜表現(xiàn)特征有很大差異，二次系統(tǒng)呈現(xiàn)為不可見性，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)工作帶來(lái)了很大困難。
為規(guī)范智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用，國(guó)網(wǎng)公司頒布了Q/GDW 1161—2014，線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范，及Q/GDW 1175—2013，變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范。為智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供了依據(jù)。
本文提出了基于語(yǔ)義強(qiáng)度的SCD虛回路辨識(shí)技術(shù)，通過(guò)分層解析SCD文件，判別智能變電站虛回路的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為智能變電站工程應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支撐。同時(shí)明確虛回路語(yǔ)義由標(biāo)簽語(yǔ)義和結(jié)構(gòu)語(yǔ)義構(gòu)成。標(biāo)簽語(yǔ)義在于識(shí)別回路標(biāo)識(shí)的正確性，結(jié)構(gòu)語(yǔ)義在于識(shí)別回路的功能完備性和正確性。而任何語(yǔ)義尤其是標(biāo)簽語(yǔ)義具有不同的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度表現(xiàn)為不同層次的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范約束。
1 SCD虛回路應(yīng)用分析
1.1 SCD虛回路描述特征
SCD文件中對(duì)于虛回路的描述是間接和隱含的，沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)象化的顯性描述。例如發(fā)送遠(yuǎn)方跳閘令的虛回路，在SCD中的保護(hù)外部關(guān)聯(lián)部分的描述如下：<ExtRef intAddr="PI/GOINGGIO13.SPCSO1.stVal" doName="Tr" lnInst="5" iedName="PM2201B" daName= "general" ldInst="PI" lnClass="PTRC" prefix="">
該回路是由母線保護(hù)PM2201B發(fā)給PL2201B的遠(yuǎn)方跳閘命令回路。對(duì)象化的描述應(yīng)該包含3個(gè)部分：①回路名稱；②發(fā)送虛端子；③接收虛端子。
因此，對(duì)于虛回路的對(duì)象化顯性描述是實(shí)現(xiàn)符合保護(hù)設(shè)計(jì)原理檢查的重要基礎(chǔ)。
在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于IED的輸入輸出虛端子描述采用FCDA和ExtRef，因此，建立IED裝置之間的虛回路聯(lián)接關(guān)系取決于FCDA和ExtRef之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。FCDA的合法性為：通過(guò)FCDA中的LD、LN、DO、DA能否在IED的對(duì)應(yīng)LD/LN/DO/DA路徑下找到。
ExtRef和FCDA的對(duì)應(yīng)為：ExtRef中每一組LD+LN+DO+DA能否在其指定iedName的FCDA中找到對(duì)應(yīng)的LD+LN+DO+DA。
若滿足：①FCDA合法；②ExtRef能夠找到FCDA的對(duì)應(yīng)，則虛回路能夠建立，下一步再通過(guò)檢查ExtRef來(lái)確定輸入回路的含義是否滿足1161和1175規(guī)范所需，對(duì)于規(guī)范中的輸出回路，可以通過(guò)檢查FCDA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1.2 基于業(yè)務(wù)特征的可視化
由于SCD僅僅是二次系統(tǒng)的功能載體，保護(hù)業(yè)務(wù)管理對(duì)象應(yīng)該是二次功能回路，因此，基于SCD的智能變電站實(shí)現(xiàn)方案并沒有改變變電站業(yè)務(wù)特征，卻使變電站二次系統(tǒng)演變成了“黑匣子”。因此，基于業(yè)務(wù)特征的SCD虛回路可視化成為一種基本應(yīng)用需求，如圖1所示。然而，不同廠家IED基于XML格式描述的SCD二次虛回路存在的一定的差異。
圖1 虛回路可視化
具體如：北京四方公司500kV電壓等級(jí)的CSC101線路保護(hù)用于起動(dòng)發(fā)遠(yuǎn)方跳閘令的GOOSE虛端子的地址為PI/GOINGGIO13.SPCS01.stVal, 而其描述是“其他保護(hù)停信”。南瑞繼保PCS931-GM保護(hù)雙重化配置時(shí)虛端子的地址為PIGO/GOINGGIO5。SPCS01.stVal，相應(yīng)的描述卻是“發(fā)遠(yuǎn)方跳閘”。
1.3 工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)的問題分析
在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了SCD虛回路的諸多問題，具體如下。
1）缺少失靈起動(dòng)回路
某220kV智能變電站SCD文件某線路間隔的虛回路缺少失靈起動(dòng)回路，如圖2所示。
圖2 缺乏失靈起動(dòng)回路
原因是該變電站擴(kuò)建時(shí)，系統(tǒng)集成商做工程時(shí)手工完成相關(guān)回路配置，沒有采用工具配置；等同于常規(guī)站現(xiàn)場(chǎng)二次線更改后，竣工圖沒有修改。
2）二次回路錯(cuò)線
某變電站SCD文件中短引線保護(hù)存在二次虛回路錯(cuò)誤現(xiàn)象，如圖3所示。
圖3 二次回路錯(cuò)線
SCD文件中對(duì)該回路的描述如下：<ExtRef daName="t" doName="Pos" iedName= "IL3321A" intAddr="PI/GOINGGIO1.DPCSO1.stVal" ldInst="RPIT" lnClass="XSWI" lnInst="1" prefix= "QG3"/>
原因是，該二次刀閘位置回路的輸出虛端子被錯(cuò)誤的配置到了刀閘變位時(shí)間“t”上。
3）未投運(yùn)的二次設(shè)備回路不完整
變電站建設(shè)一般會(huì)分階段進(jìn)行，在某些智能變電站未投運(yùn)間隔盡管保護(hù)設(shè)備已經(jīng)配置，但在SCD文件中會(huì)完全不配置相關(guān)回路，該保護(hù)的二次虛回路完全缺失，如圖4所示。
圖4 二次回路沒有配置
因此，探索SCD虛回路的檢查技術(shù)成為確保智能變電站可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
2 SCD檢查方案分析
2.1 基于通用設(shè)計(jì)規(guī)則的模板庫(kù)
國(guó)網(wǎng)公司發(fā)布的“變電站通用設(shè)計(jì)規(guī)范”定義了變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，這些規(guī)范規(guī)定了二次系統(tǒng)的配置原則，結(jié)合變電站一次典型接線方式，可以大體確定SCD所包含的二次虛回路的聯(lián)接要求。基于此，構(gòu)成二次系統(tǒng)檢查的規(guī)則庫(kù)[4]。
在此基礎(chǔ)上，需要結(jié)合變電站過(guò)程層組網(wǎng)方案進(jìn)行檢查，檢查的內(nèi)容包括：①IED之間的功能回路連接，驗(yàn)證基本的功能回路是否完整以及是否符合二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則。這種驗(yàn)證本質(zhì)上是一種結(jié)構(gòu)語(yǔ)義的驗(yàn)證，其核心是完備性和一致性；②功能回路的網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)的規(guī)范性和正確性，驗(yàn)證是否存在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)錯(cuò)誤等。這種驗(yàn)證本質(zhì)上是一種語(yǔ)義標(biāo)簽驗(yàn)證，其核心是正確性和等價(jià)性。
例如，1.3中1）屬于語(yǔ)義標(biāo)簽錯(cuò)誤；1.3中的2）屬于結(jié)構(gòu)語(yǔ)義錯(cuò)誤。兩種錯(cuò)誤的承載對(duì)象存在差異：標(biāo)簽語(yǔ)義錯(cuò)誤的對(duì)象是回路對(duì)象；而結(jié)構(gòu)語(yǔ)義錯(cuò)誤的對(duì)象是功能，或包含功能的保護(hù)裝置，或包含保護(hù)裝置的變電站。
2.2 基于功能的回路檢查
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的邏輯節(jié)點(diǎn)（logical node, LN）是功能實(shí)現(xiàn)的載體和表現(xiàn)，展現(xiàn)和控制與功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的輸入、輸出、定值和參數(shù)等，即邏輯節(jié)點(diǎn)可以使：“功能”的所有輸入和定值都是可見和可配置的；“功能”的所有輸出都是可定向和可檢查的。因此，對(duì)于二次系統(tǒng)功能的回路檢查可以通過(guò)由大到小的方式，沿著電壓等級(jí)、等級(jí)內(nèi)間隔、間隔內(nèi)裝置、裝置內(nèi)功能的路徑進(jìn)行逐步。
如：①功能回路邏輯閉環(huán)的完整性：以線路保護(hù)為例，完整的邏輯閉環(huán)包括模擬量和開關(guān)量采樣、保護(hù)跳閘動(dòng)作出口等回路；②虛回路連接的正確性：根據(jù)SCD文件中配置的二次虛回路的模型和描述等信息提取回路的類型特征，與規(guī)則庫(kù)進(jìn)行匹配和比較，檢查回路連接是否完整[5]。
2.3 基于通信描述機(jī)制的檢查
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于IED之間的信息傳遞一般通過(guò)GOOSE和SMV數(shù)據(jù)描述，因此，需要針對(duì)SCD中的報(bào)告控制塊特征，結(jié)合數(shù)據(jù)集定義、通信參數(shù)等要素，進(jìn)行SCD的虛回路檢查。檢查的內(nèi)容包括：①GOOSE和SMV的報(bào)告控制塊的通信地址配置格式和范圍是否合乎規(guī)范；②APPID、MAC地址是否有重復(fù)或者缺失；③IP地址的分配是否合理、是否存在重復(fù)或者缺失等。
智能變電站的集成商在工程現(xiàn)場(chǎng)修改SCD時(shí)，一般是通過(guò)各自的專用SCD配置工具，由人工配置其中的二次回路連接關(guān)系。雖然某些集成商的工具具備模板類的配置輔助功能，但是保護(hù)和智能設(shè)備之間的多樣性組合仍然對(duì)SCD工程配置的正確性提出很大的挑戰(zhàn)[6-9]。
3 基于語(yǔ)義強(qiáng)度的虛回路辨識(shí)技術(shù)
3.1 基于語(yǔ)義強(qiáng)度的虛回路辨識(shí)技術(shù)方案
鑒于SCD語(yǔ)義有強(qiáng)弱區(qū)分，可以根據(jù)語(yǔ)義強(qiáng)度對(duì)于SCD虛回路實(shí)現(xiàn)逐層辨識(shí)。具體如：基于IEC 61850-6的要求，進(jìn)行SCD輸入二次虛回路的語(yǔ)義語(yǔ)法結(jié)構(gòu)規(guī)范性辨識(shí)；基于國(guó)網(wǎng)企標(biāo)《智能變電站配置文件技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)行IED裝置與一次系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系辨識(shí)；基于1396標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IED裝置模型描述規(guī)范性辨識(shí)；基于1161、1175設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行基于引用路徑及DESC的二次虛回路辨識(shí)，如圖5所示。
圖5 基于語(yǔ)義強(qiáng)度的虛回路辨識(shí)示意圖
3.2 基于Schema的實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析
XML Schema是一種在XML中創(chuàng)建模式定義的語(yǔ)言，其以xsd為文件的后綴名。Schema模式文檔自身以XML語(yǔ)言寫成，且支持include、import等多種編程形式，使用Schema模式文檔規(guī)定XML文件，可以使其正確性定義結(jié)構(gòu)清晰，含義明確。
Schema模式文檔給出了對(duì)指定XML文件的語(yǔ)法和語(yǔ)義規(guī)定，檢查則由特定的程序或者軟件完成，程序如JAVA等語(yǔ)言中的xml.validation包，軟件如XMLSpy、Oxygen等。
Schema模式語(yǔ)言不僅能夠規(guī)定XML文檔的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，而且可以通過(guò)一致性約束做到一定程度的語(yǔ)義檢查。Schema模式語(yǔ)言中使用的一致性約束有兩種，分別為：①惟一性約束，即xs:unique，其作用是指定某個(gè)元素的值或?qū)傩栽谝欢ǚ秶鷥?nèi)的唯一性；②關(guān)鍵字約束，即xs:key和xs:keyref，其作用是使用keyref的一組值或?qū)傩员仨氁闷鋵?duì)應(yīng)的key這一組值或?qū)傩浴?/p>
變電站中IED之間的連接關(guān)系、二次回路等信息是通過(guò)某一個(gè)IED的數(shù)據(jù)集中的FCDA表達(dá)輸出，另一個(gè)IED的inputs中的ExtRef表達(dá)輸入來(lái)完成，Schema模式語(yǔ)言只能描述單個(gè)元素的值或?qū)傩约s束，無(wú)法直接使用Schema模式文檔描述連接關(guān)系或二次回路等間接信息的正確性定義，因此不能通過(guò)Schema模式文檔進(jìn)行SCD虛回路的規(guī)范性檢查。
SCD模型文件自身對(duì)連接信息、二次回路的描述機(jī)制決定了其不能使用Schema模式語(yǔ)言直接進(jìn)行約束。但是SCD本身并不缺少變電站中的任何配置信息，只是大量信息耦合在一起難以處理。因此，需要對(duì)SCD文件中的信息按類型進(jìn)行信息提取，即對(duì)不同類型的信息解耦，由此，實(shí)現(xiàn)SCD文件中彼此孤立卻在實(shí)際上緊密聯(lián)系的同類信息的整合，并按照利于Schema模式文檔約束的形式寫入到新的XML文件之后，用Schema模式文檔描述檢查規(guī)則，進(jìn)行SCD虛回路辨識(shí)。
3.3 智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范特征
由上述可以看出，IEC 61850，1396，1161/1175，是目前分層強(qiáng)度檢查的主要層次框架。但以虛回路的視角看，它們所約束的語(yǔ)義強(qiáng)度側(cè)重點(diǎn)不同：
1）IEC 61850更側(cè)重標(biāo)簽語(yǔ)義，即使是對(duì)于結(jié)構(gòu)的約束，也多為通信目的，并非回路結(jié)構(gòu)。因此應(yīng)作為回路檢查的基礎(chǔ)標(biāo)簽語(yǔ)義依據(jù)。
2）1396屬于結(jié)構(gòu)語(yǔ)義的范疇，并細(xì)化了部分標(biāo)簽語(yǔ)義，但結(jié)構(gòu)側(cè)重于變電站通用結(jié)構(gòu)。因此應(yīng)作為回路檢查的加強(qiáng)標(biāo)簽語(yǔ)義，及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)語(yǔ)義依據(jù)。
3）1161/1175，以裝置類型為對(duì)象，詳細(xì)的規(guī)定的裝置的輸入/輸出，及模型表達(dá)約束，屬于強(qiáng)結(jié)構(gòu)語(yǔ)義。因此應(yīng)作為回路檢查的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)語(yǔ)義依據(jù)。
IEC 61850所提供的Schema模式，雖然僅僅表達(dá)了IEC 61850的約束，但其本質(zhì)是一種詞法/語(yǔ)法/句法的形式化表達(dá)，可作為自動(dòng)檢查的輸入。所以，無(wú)論1396，還是1161/1175中涉及詞法/語(yǔ)法/句法的約束，都可以采用擴(kuò)充Schema的方式加以形式化表達(dá)，則自動(dòng)檢查的強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)。
除此之外，1161/1175對(duì)回路設(shè)計(jì)的規(guī)范約束更具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值。在本文中，屬于最高強(qiáng)度的回路語(yǔ)義依據(jù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)形式主要依靠表格與文字，但其實(shí)質(zhì)是語(yǔ)義學(xué)中的詞庫(kù)、詞袋、詞向量，作為等價(jià)關(guān)系的檢查，目前的技術(shù)已經(jīng)是充分的。
參考目前AI技術(shù)和數(shù)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將“等于”這一單一運(yùn)算，擴(kuò)展到“大于”、“小于”、“相加”、“相減”等完整的運(yùn)算體系，則可以近一步給出語(yǔ)義的“距離”，使之與“強(qiáng)度”、“完備”等性質(zhì)對(duì)應(yīng)，將使回路語(yǔ)義檢查更具有量化特征。
4 典型工程案例分析
為驗(yàn)證技術(shù)方案的有效性，選擇了某500kV智能變電站SCD，采用基于語(yǔ)義強(qiáng)度的Schema技術(shù)，逐層對(duì)于所選擇的SCD進(jìn)行虛回路規(guī)范性辨識(shí)，具體如下。
1）第一步IEC 61850檢查，基于XML的原始SCD文件與IEC 61850-6給出的XSD文件進(jìn)行一致性比較，主要檢查SCD的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)是否規(guī)范，檢查結(jié)果如下。
（1）第56317行：PB5012B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。（2）第56318行：PB5012B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。（3）第99942行：PL5003B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。（4）第1891953行：PM5001B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。
前4條示例差異，缺乏上述屬性，可能會(huì)影響SCD二次回路正確性的判斷。
2）第二步基于SCD技術(shù)規(guī)范的檢查，通過(guò)基于SCD技術(shù)規(guī)范的Schema技術(shù)，比對(duì)原始SCD文件與XSD文件的一致性。檢查SCD是否滿足SCD規(guī)范附錄J對(duì)IED實(shí)例化命名的約束要求，具體如下。
（1）SCD文件第2031857行：裝置命名為IT02A，該命名不正確!（2）SCD文件第2036225行：裝置命名為IT02B，該命名不正確!（3）SCD文件第2040590行：裝置命名為PT02A，該命名不正確!（4）SCD文件第2052491行：裝置命名為PT02B，該命名不正確!（5）SCD文件第2241564行：裝置命名為ZDTQ01，該命名不正確!（6）SCD文件第2245445行：裝置命名為ZDTQ02，該命名不正確!（7）SCD文件第2581276行：裝置命名為ythdy，該命名不正確!
上述7條差異反映IT02A、IT02B、PT02A、PT02B、ZDTQ01、ZDTQ02和ythdy均不符合SCD技術(shù)規(guī)范附錄J的IED命名方式。命名不規(guī)范會(huì)影響對(duì)于保護(hù)屬性的正確判斷。
3）第三步IED配置檢查，以Q/GDW 1396—2012《IEC 61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》為依據(jù)，采用Schema文件，比對(duì)SCD文件與XSD文件的一致性；具體如下。
（1）“PL5003A”的名字為PROT的LDevice中缺少名為PTOC的必選邏輯節(jié)點(diǎn)。（2）“PT02A”的名字為PROT的LDevice中缺少名為TVTR的必選邏輯節(jié)點(diǎn)。（3）“PT03A”的名字為PROT的LDevice中缺少名TVTR的必選邏輯節(jié)點(diǎn)。（4）“PM5001A”的名字為PROT的LDevice中缺少名為TCTR的必選邏輯節(jié)點(diǎn)。
檢查結(jié)果體現(xiàn)的4條差異，缺少上述邏輯節(jié)點(diǎn)，則與該IED相關(guān)的虛回路檢查時(shí)，無(wú)法直接調(diào)用Q/GDW 1161，線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范；Q/GDW 1175，變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范中定義的引用路徑。
4）第四步基于Q/GDW 1161，線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范，及Q/GDW 1175，變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范的二次虛回路檢查，主要采取兩種方式：①基于引用路徑檢查；②基于DO的描述DESC信息的檢查?？紤]到每臺(tái)裝置的有效輸出回路會(huì)在對(duì)端的輸入回路得到體現(xiàn)，所以需要提取SCD中每一個(gè)IED輸入虛回路的本端端子dodesc信息和對(duì)端端子dodesc信息，由此可以構(gòu)成二次虛回路體系完整性檢查。
具體結(jié)果如下：（1）“PL2204A”的輸入虛回路中閉鎖重合閘 -6不存在，與標(biāo)準(zhǔn)中不符。（2）“PL2204A”的輸入虛回路中其他保護(hù)動(dòng)作-6不存在，與標(biāo)準(zhǔn)中不符。（3）“PL2205A”的輸入虛回路中閉鎖重合閘 -6不存在，與標(biāo)準(zhǔn)中不符。（4）“PL2205A”的輸入虛回路中其他保護(hù)動(dòng)作-6不存在，與標(biāo)準(zhǔn)中不符。
結(jié)果示例：4條差異缺少標(biāo)準(zhǔn)中必須存在的輸入虛回路，可能會(huì)影響對(duì)二次回路正確性的判斷。
結(jié)論
本文針對(duì)智能變電站SCD應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了基于語(yǔ)義強(qiáng)度的SCD虛回路辨識(shí)技術(shù)，通過(guò)對(duì)于工程應(yīng)用中SCD文件的檢查，印證了該技術(shù)方案的有效性。確保SCD文件的正確性是實(shí)現(xiàn)智能變電站SCD全壽命周期管理的基礎(chǔ)[10-11]，是落實(shí)國(guó)調(diào)80號(hào)文要求，是實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)與智能診斷，構(gòu)建智能變電站二次安全預(yù)警系統(tǒng)的前提[12]。
本文所提出的解決方式對(duì)于智能變電站保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行安全性具有十分重要的價(jià)值，為智能變電站工程實(shí)踐推廣提供了可靠的技術(shù)保障。
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