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环路与绝缘诊断项目介绍

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2

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直流系统环路造成系统绝缘
故障的诊断系统的研究项目

一、项目可行性方案
1.1. 项目背景概述
投入运行可以彻底解决直流系统中由于不确定系统环路信息造成误操作的损失,同时可以随时把握直流系统绝缘变化趋势，彻底避免由于绝缘故障而带来的经济损失，同时，利用设备本身信息采集稳定、可靠、准确的优势,为直流系统的绝缘运行趋势,直流系统的改造维护，提供了可信的依据.
直流系统绝缘状态的变化可能随气候、环境温度，震动等很多外介因素有关，因此对于监测其漏电流变化的传感器而言,就要求有相当高的精度和稳定性,同时,由于直流系统中有环路的存在,环路中电流变化快，而且电流大，因此又要求漏电流监测传感器有较大的量程范围,绝缘趋势分析将是一个长期而又漫长的过程,如何保证传感器在整个运行过程中数据稳定可靠,就必需具备低零飘、受地磁场影响小的特点。因此，要实现该系统的功能，我们将会按照该系统指标要求与国外公司合作，订制出完全适应该系统的漏电流传感器;
在没有可靠图纸的情况下，环路配对在一个正常运行的系统中，长期以来是无法实现的一个难题，国内外也很少有相应的课题对其进行讨论研究，因此，该系统将会充分收集现场数据,捕捉环路电流变化规律与趋势，再利用各种算法进行模式匹配，最终得出可靠的环路配对信息；
实现各回路信息高精度采样需要有非常先进的算法做基础;
由于要对系统漏电流瞬时数据进行采集，因此必需采用高速并行系统，因此可采用了先进的DADC构架，引入采样实时性和采用同时性两大概念。区别于传统的巡检模式，系统每0。001秒对所有回路电流进行时间完全同步的数据采集，数据精度达到五万分之一,在高速数据的采集与传输过程中保证通信的成功率与可靠性。
后台分析软件对所有数据进行集中管理，并按需存储，生成曲线与报表，关键在于根据分析情况做出合理化建议；
因此该项目可进一步提高电网公司供电安全、经济、稳定运行水平，起到示范和推动作用。在省内推广应用预计可产生直接经济效益大约6000万元，进一步推广应用到其他电网经济效益将更为可观，在小批量生产的基础上，可以实现产品化和产业化。
该项目目前处于世界领先水平。
1.2. 项目可行性分析
电力系统中的直流系统绝缘下降而引起的故障是一种易发生且对电力系统危害性较大的故障。无论是正极绝缘下降或者负极绝缘下降，在引起两点接地的情况下，都可能造成保护误动或者保护拒动，危害一次系统正常运行。
由于直流系统的复杂性和动态性,直流接地故障往往难以定位。同时由于微机保护和综合自动化系统的广泛应用，又对直流系统接地监测装置的准确性和安全性提出了更高的要求。而目前对于直流系统绝缘分析仅仅停留在对于直流系统接地的实时监测上，该监测主要有以下两种原理：
根据监测原理的不同，直流系统接地监测装置可分为主动式和被动式两种。主动式需要向系统注入特定的信号，然后通过传感器探测该信号来判统注断接地回路。被动式不向系入任何信号，直接检测各回路的漏电流来判断接地与否。被动式监测不发送任何特定信号作为判断基准，而直流系统中又含有各种干扰信号，因此监测难度远大于主动式.然而被动式监测以其安全性，代表了直流系统监测装置的发展方向，随着现代微电子技术的不断进步，将成为市场的主流.
目前现场各直流系统所装配的多为多年前的直流在线绝缘监测装置,大多采用主动式的监测原理,存在一定安全隐患，有些也采用了被动式的监测方式，但实际运行时往往无法给使用人员提供准确的信息，即便是系统出现了接地情况，错报误报也时有发生,给现场运行维护带来了很大的困扰.
因此一种能够对直流系统进行综合信息分析的系统迫切需要出现在直流系统之上，直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统的设计理念正是在这样一种环境之下提出来了，它充分利用了现代电子电力及数字分析技术的优势，结合计算机网络系统实现集中监测，具有非常好的扩展性及实用性,能够彻底的排除威胁直流系统安全的隐患。
目前，国内外处理直流系统绝缘问题都是采用治大于防的方法,通常都是在直流系统出现接地现象之后再去处理，而往往由于处理周期过长从而引发事故，而关于环路配对问题，往往由于系统在经过多次改造之后会造成图纸丢失或模糊不清，从而造成误操作引发事故。
单从直流系统接地查找这方面来讲,目前大多电力系统对于绝缘监测的原理可以分为以下五类:
1)．继电器加电压表法
这种方法虽然简单可靠，但对于平衡接地时却无法检测到.
2）．串联电压表法
这种方法虽然能够检测到平衡接地时的情况，但由于电压表本身有内阻，使得测量结果与实际值有很大偏差，经常给现场人员提供错误信息。
3）．比较器法
由于这种检测方式平衡桥电阻很大（1-10M）,对于轻微的绝缘降低就会出现很大的电压偏差,很容易引起现场作业人员的误判。
4）．交流传感器法
交流传感器本身精度很高，但抗干扰能力差，经常出现误报现象,另外，由于使用了交流传感器，必然会给直流系统中注入交流信号,对直流系统不利。
5)．直流传感器法
直流传感器用来检测监测支路直流漏电流，对直流系统不会有任何影响，但目前大多工作在直流系统中的直流传感器由于本身零飘严重,线性性差的原因,使得精度很难做得很高，无法实现真正意义上的绝缘监测的功能。
正是由于检测方式的多样性与标准的不唯一性，长期以来直流接地故障快速排除与直流系统绝缘信息的准确获取一直是一个难题。
以往大多数判断接地与否的依据都是根据电压偏差来确定，但由于电压偏差本身受系统平衡桥的影响,不同平衡桥的系统相同的电压偏差却对应不同的接地阻抗,因此这种方式无法准确获取系统接地与否的信息。对于直流系统各回路绝缘信息长期追踪及趋势分析更是无法涉及。
而关于环路配对，由于技术难度大，实现起来相当困难，目前国内外还没有相应的设备来处理该问题。
由此可见,目前直流系统中单单对于绝缘监测这一项就还存在很多缺陷，而环路配对更是一片空白，现阶断，直流系统可靠运行要求越来越高，随着科学技术的不断发展，使高精度传感器的应用成为一种可能，对直流系统各回路状态监测必将成为一种趋势.因此直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统将一个全新的设计理念带进了直流系统，它将会提高直流系统供电安全、经济、稳定运行水平，起到示范和推动作用.
1.3 主要研究内容
研制出直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统，通过对直流系统中所有回路漏电流的实时采集，对每条回路所采集而得的数据进行 FIR数字信号预处理,滤除噪声后提取小波时频谱，时频谱信息通过SynBus总线实时上传至主分析系统，主系统自用数据处理CPU综合所有回路的时频谱特征进行人工智能分析，和主系统内置的特征规则进行多维模式匹配，最后得出系统未知环路信息，并将所有监测数据进行实时存储，通过后台系统描绘出系统回路分布系统信息、环路状态、每条回路的绝缘曲线信息。

1.4 项目研究意义
通过直流系统环路造成系统绝缘故障的诊断系统项目的实施，彻底解决直流系统中由于不确定系统环路信息造成误操作的损失，同时可以随时把握直流系统绝缘变化趋势，彻底避免由于绝缘故障而带来的经济损失，同时,利用设备本身信息采集稳定、可靠、准确的优势，为直流系统的绝缘运行趋势,直流系统的改造维护，提供了可信的依据.
1.5 主要设备汇总

设备名称
型号
数量
备注
直流系统环路造成系统绝缘故障的诊断系统
Topwhip—565Z
1

监测分析软件

1

数据采集器

2
标配，可根据用户实际需求配置
传感器

10
标配,可根据用户实际需求配置

1.6 项目实施
1)、为了确保系统顺利实施，广州拓威讯将委派一位具有丰富现场工程经验与系统集成经验的技术人员作为该工程的项目经理。他将全面负责该项目的技术管理和项目管理。未经买方同意,在合同执行期间,广州拓威讯将不会随意更换该项目经理。
2）、系统安装调试、投运时的技术服务
为了便于合同中软硬件的安装、调试和投运,广州拓威讯将派出技术熟练的工程师到工程现场进行技术服务.如买方认为广州拓威讯的技术人员不能胜任现场的工作，有权要求公司调换。
广州拓威讯的现场技术人员将负责合同中软硬件系统设备的安装指导和检查,负责现场调试和全系统的启动投运，并负责解决系统投运时出现的问题。
广州拓威讯技术人员将负责解答和解决由买方在合同范围内所提的问题。
广州拓威讯的现场技术人员将免费在现场对软硬件系统设备的正确安装和试验给买方有关人员进行现场技术培训。
3）、保证期内的技术服务
在保修期间，广州拓威讯将保证系统的性能与合同中所保证的性能指标相符。如果因为系统的缺陷引起故障或异常运行，在收到买方的通知后，广州拓威讯将免费用最短的时间和有效的措施予以修复.若有重大技术问题，广州拓威讯将派技术人员以最快的速度赶赴现场解决问题。
保修期内发生系统故障时，广州拓威讯将负责分析事故原因和恢复系统正常运行,如因系统设备本身原因造成的故障，一切发生的费用由广州拓威讯承担.

1.7 需研究的主要技术问题及特点
1）、高精度直流漏电流传感器的研制
高精度、高稳定性直流漏电流传感器是保证绝缘监测精度的基础，0.1mA分辨率的直流漏电流传感器(可以准确识别系统对地绝缘0—1000K)可以完全满足直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统的要求.
2）、环路诊断及环路绝缘趋势分析
电力直流环路是普遍存在的，并给接地故障点的定位带来极大的干扰。主机通过将每条回路的特征状态信息和系统内置的特征规则进行人工智能模式匹配；对系统中所存在的环路进行诊断,并对每条环路绝缘状态进行分析,并将分析数据上传到PC机，通过后台系统进行趋势分析.
3） 、直流系统各种回路绝缘趋势分析
采用高精度采样传感器与智能算法为基础，使得该系统具有极高的检测精度,因此可通过检测未接地回路的对地阻抗判断其长期变化的趋势，并将分析数据上传到PC机，通过后台系统进行趋势分析.
4） 、绝缘分级无限扩充
在结构上，该系统将引入了主子系统的概念， 采用了独有的DADC构架，将现场工程实施的灵活性,系统扩展的灵活性和强大的处理能力相结合，只需要一条总线从主机接入子机,就可以实现子机间的超大范围扩展,使得该系统可以很方便的实现与直流系统的同步更新。
5)、强大的后台实时监测系统
后台监测系统详细的描述出了整个直流系统的拓扑接线图，该系统所有数据均通过RS485通信接口上传至该后台系统，它将对所有数据进行存储，分析，报表制作，并给出绝缘管理合理化建议,后期通过对这些数据的收集,结合直流系统的相关配置,写出提升直流系统配置性能的技术论文。

系统拓扑图

1.8、 方案描述
从上述的拓扑图，我们可以看到,公司提出的解决方案是一个简单易行的方案。
★ 全系统由主控制器(Main Control Machine），简称主机或者MCM;数据采集器（Data Acquisition Module），简称子机或者DAM；专用直流传感器(Dedicated DC Sensor),简称传感器或者DDS；共三部分构成。
★ 主机固定于直流屏上，为整个系统的核心控制单元,也是监控信息显示和设置信息输入的主界面。传感器安装在各个直流屏各出线回路处(一般在各回路保险的出口处）。子机位于主机和传感器之间,可根据需要灵活选择安装位置。
★ 主机和子机之间支持两种联结模式:星形联结和链形联结。每个子机既可以和主机通过SynBus总线直接相联，也可以通过另一个子机的级联口和主机间接相联，便于安装和布线.主机和子机之间的通信由子机的唯一地址码决定，和子机的物理位置无关,给现场系统配置带来了高度的灵活性。主机和子机可带电热插拔，主机可自动识别子机,无须人工设置.
★ 每个子机可以挂接8只传感器，当传感器通过专用接口接入子机后，子机可自动识别传感器,无须人工设置。
1.9、 系统特点及推广价值
1. 从结构上,该系统采用了先进的DADC构架，将现场工程实施的灵活性，系统扩展的灵活性和强大的处理能力相结合，只需要一条总线从主机接入子机,就可以实现子机间的超大范围扩展，节省了一次性成本.
2. 直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统以环路配对及趋势分析为主要核心，以防治为主的处理方式来解决直流系统绝缘降低陷患，因此将事故发生率降到最低，减小直流事故带来的损失。
3。 通过本系统，现场人员可以通过后台数据实时了解整个直流系统的绝缘信息,环路信息，同时该系统会对所有支路的绝缘变化状态进行跟踪，对被监测直流系统的绝缘情况进行评级，并给出整改建议，通过该系统，可以达到如下效果：
实现环路配对及绝缘状态趋势分析
Ø 每条直流回路数据采集通道（对应每个传感器）都采用独立的高精度16位AD转换器，转换速度在每秒1000次以上，分辨率在1/50000以上.
Ø 传感器采用分辨度达到0。1mA，精度高于1/1000的高稳定直流传感器,长时稳定性极高，能自动跟踪系统的细微变化。
Ø 对所有数据进行分析,实现环路配对及绝缘状态趋势分析
多CPU并形运行,扩展方便
Ø DADC构架可根据用户需要灵活配置子机数量,节省了一次成本,并能灵活的进行系统升级.
Ø DADC构架可根据现场环境灵活安排子机安装位置，便于传感器安装和布线,减小强电干扰。
Ø DADC构架将高速，高精度的AD采样和大负荷的运算量平衡的分配到主机和子机之间，是运行高效而复杂的SynSystem智能算法的基础平台。
智慧型软件
Ø 数字信号增强DSE技术，基于FIR数字信号处理方法对海量AD采样数据进行滤波，筛选和增强，可将传感器0。1mA原始分辨度提高10倍.
Ø 小波时频特征提取SCA技术，不同于传统傅立叶变换，通过小波分析可提取信号在不同时间尺度上的特征，可精确的发掘信号的瞬时特征和长时变化特征.
Ø 特征模式匹配CMM技术,将所有回路的时频特征信息进行综合，并和系统预设的几十条特征规则进行匹配运算，作出类似人脑分析过程的智慧型判断。
人性化的界面
Ø 标签式页面显示，不同的菜单功能都采用统一的图形页面进行显示,并辅助以图形标签指引，为简洁清晰的人机工程学设计.
Ø 人性化的界面设计，系统可以通过前页键和后页键灵活地进行页面的选择,按一下前页键即页面向前翻一页,按一下后页键即页面向后翻一页,也可以通过主页键返回主页面。用户也可以通过特定的向上、向下键对每一页中每一项进行选择，还可以通过蜂鸣键进行自由的切换.功能一目了然，方便快捷。
Ø 全功能数字键盘，标准的12键数字键盘除输入数字信息外，还可进行快捷键操作和高级功能操作，适合高级用户.
Ø 液晶显示更直观.左上角圆圈表示运行模式,空心表示无效，实心表示有效.左上角的尖角形表示检测进程。
高安全性
Ø 纯直流设计，采用直流传感器直接检测回路漏电流,不注入任何信号，不对直流系统的运行造成任何影响。
Ø 所有采样单元均采用隔离设计，设备故障不影响直流系统正常的运行。
高可靠性
Ø 软件陷阱和监控芯片双重抗干扰设计，能保证在强电干扰环境下长时间稳定运行。
Ø 传感器在初次校准后将定时进行自动校准,保证其精度。
Ø 传感器支持热插拔和自动识别，支持传感器失效自动检测。
Ø 子机支持热插拔和自动识别，主机定时校准子机时钟。
主机和子机之间SynBus总线定时自检，并实时显示通信状态.

1。10、 直流系统环路造成系统绝缘故障的诊断系统介绍

1）. 功能特点
★ 实时监测系统电压并告警
★ 实时监测系统绝缘并告警
★ 实时接地回路检测
★ 系统环路检测诊断
★ 回路绝缘分级预警
★ 接地历史记录分析
★ 与调度自动化系统和综合自动化系统的通信
★ 灵活的参数设置
★ 强大的扩展能力
★ 支持主机与子机间热插拔
★ 具有很强的自恢复能力

电压监测
主机实时监测系统母线对地电压,包括系统电压,正对地电压，负对地电压并实时显示。
当直流系统发生故障，系统电压偏高或者偏低超过预设整定值时，主机液晶屏显示告警信息，电压越限指示灯和蜂鸣器同时告警。
告警信息还可通过YX开关量和RS232/RS485接口上传到综合自动化系统或调度自动化系统上位机。
绝缘监测
主机实时监测系统母线对地阻抗，包括正对地电阻，负对地电阻并实时显示。
当直流系统发生故障，正负对地电压不再平衡并超过预设整定值时，主机液晶屏显示告警信息，系统接地指示灯和蜂鸣器同时告警。
告警信息还可通过YX开关量和RS232/RS485接口上传到综合自动化系统或调度自动化系统上位机.
接地检测
主机实时接收子机上传的各回路特征状态信息,并通过模式匹配技术进行智能分析，区分出不同的接地状态，排除系统充电脉冲干扰，起伏电平干扰以及环路带来的影响，最终准确判断接地回路，并计算接地阻抗。
接地阻抗数值在液晶屏显示，并可通过RS232/RS485接口上传到综合自动化系统或调度自动化系统上位机。
环路诊断
电力直流环路是普遍存在的,并给接地故障点的定位带来极大的干扰。主机通过将每条回路的特征状态信息和系统内置的特征规则进行人工智能模式匹配，能准确的区分出带环路的回路，以及环路接地回路，并显示于液晶屏上.
绝缘监测
由于主机的检测精度极高，可以达到500K以上，因此可通过检测未接地回路的对地阻抗判断其长期变化的趋势，提供回路接地的预警信息.绝缘降低预警和环路匹配监测为系统的诊断提供了有效手段。
历史记录
系统接地记录将自动保存在EEPROM中以供查阅。该记录包括了接地的日期时间，接地阻抗，接地回路等信息并可掉电后保存。数据记录最大保存1000条。
输入输出接口
巡航式人机界面，积木式菜单，操作简洁，功能强大。
多组LED系统状态显示，通信状态显示。
内置双音蜂鸣器报警。
多组YX开关量输出。
与调度自动化系统和综合自动化系统的通信
TOP-535Z具备RS232/RS485通信接口，能够实现与电力系统中的调度自动化系统和综合自动化系统之间的通信，其通信规约符合QB/TOP 500-2006②。

2）。 技术指标
1、绝缘状态趋势监测范围:0－500K（可进一步趋势分析500—1000K）。
2、抗直流系统分布电容干扰：大于 10000uF
3、适用直流系统电压等级:220V，110V，48V，24V或用户提出其它电压等级
4、可监测直流回路数:500路
5、主机接入直流系统对地阻抗值：大于1000 K
6、电压监测误差小于0.5%
7、对地绝缘告警带YX输出接点
8、系统电压低越限告警：198V（带YX输出接点)
9、系统电压高越限告警：242V（带YX输出接点)
10、标准RS232/RS485/RS422接口：与综合自动化系统、调度自动化系统接口.
11、工作环境温度：—30℃—+50℃。
12、相对湿度：≤96％
13、绝缘状态趋势监测方式：曲线实时显示

3)。 监测中心软件介绍
Ø 数字信号增强DSE技术，基于FIR数字信号处理方法对海量AD采样数据进行滤波，筛选和增强，可将传感器0。1mA原始分辨度提高10倍。
Ø 小波时频特征提取SCA技术，不同于传统傅立叶变换，通过小波分析可提取信号在不同时间尺度上的特征，可精确的发掘信号的瞬时特征和长时变化特征。
Ø 特征模式匹配CMM技术，将所有回路的时频特征信息进行综合，并和系统预设的几十条特征规则进行匹配运算，作出类似人脑分析过程的智慧型判断。
监测中心采用数据库管理，方便对各蓄电池组的数据进行管理、查询与调用。

二、项目组织措施
根据电网直流系统环路造成系统绝缘故障的诊断系统研究项目的特点及工作需求的实际情况,决定成立施工组织机构，全权负责现场改造施工的安全管理、安全监护及施工，在供电局生产运行部的统一指挥和安排下开展工作.
施工组织机构应包括：供电局生产运行部门、现场管理部门、施工组、工作监护人、工作负责人及工作人员。
施工人员职责及权限：
施工组:负责对所有设备进行安装调整.
工作监护人:工作监护人是本工作施工安全监护人,是安全第一负责人，负责施工组的安全工作,确认安全措施是否完善。
工作负责人：工作负责人的职责是办理工作票及安全措施票，组织本工作班组人员按照工作计划的要求，在施工组工作监护人的监护下安排工作人员对各间隔设备的安装工作，作好安全措施的布置检查。检查工作人员的工作质量和监督工作人员安装设备的工作。
生产部：负责本次工作的协调、现场监督和组织、各间隔设备分部验收的组织工作，监督现场施工工作的开展。
三、项目实施进度安排

序号
时间段
内 容
完成能状况
1

立项，完成整体方案的确定；

2

35kV及以上变电站普查；

3

分析与评估；改善措施研究,方案确认；

4

在线监测实施;

5

设备调试，效果测试；

6

综合性能评估报告

7

项目验收

四、系统安装说明
4.1 主机的安装：
Ø 将主机牢固地固定在直流配电屏上。
将主机背面的（+）正接线柱接到直流正母线,将(一)负接线柱接入负母线，主机的地线牢固接入直流屏外壳，见主机背面示意图。
母线

母线输入
告警输出A
告警输出B
子机通讯端口
RS485
熔断丝
123456
123456
123456
12345678

接线说明：
1、母线输入：6—第一段电源正，5—第一段电源负，3、4—地，2—第二段电源正，1-第二段电源负。
2、告警输出A:6—二段接地告警输出，5—二段高越限告警输出，4—二段低越限告警输出，3脚—失电告警输出，1脚—公共端
告警输出B:6—一段接地告警输出，5—一段高越限告警输出，4—一段低越限告警输出，3脚-失电告警输出,1脚—公共端
3、子系统通信端口：与子机通信端口相连。
4。2 传感器的安装：
Ø 将被测回路直流正负极线穿过传感器的采样孔，原则上一条回路使用一个传感器，（也可以多回路同时穿入一个传感器，选线时视该传感器为一个回路），传感器由信号传输线接入子机后部信号输入插孔，每一个插孔对应一个回路编号,安装时要按设计或按做好记录的顺序将各个回路传感器有序地接入子机机背面信号输入插孔。
Ø 直流屏出线开关及保险都是顺序排列，一排排安装,建议在安装传感器时，将传感器一排排顺序安装在扁铁上,扁铁固定在直流屏后的铁架上。
4。3 子机与主机的连接：
Ø 用两头带水晶头的信号线分别插入主机的信号输入插座(专用水晶头插座）和传感器输出插座（专用水晶头插座)，按设计图纸要求接入或顺序接入。信号线两头必须分别做好走向标记，以便发生接地故障时查阅。
4。4 接入调度系统或综合自动化系统：
Ø 直流系统绝缘告警信号和直流系统电压越限告警信号需接入变电站综合自动化系统或RTU时，利用主机后面板提供的YX输出接口，通过专用电缆连接。
Ø 本装置留有RS485接口（用户需要也可提供RS232和RS422接口),该接口向厂站综合自动化系统和调度自动化系统提供直流系统的在线运行实时参数和故障记录,必须通过专用串口通讯电缆连接。
六、效益评估与成果
1. 提高电网运行的安全性和经济性；治理后保证直流电源系统的安全运行；
3．完成直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统的研制,在省电网公司指定的变电站试运行；
4．开发有自主知识产权的环路及绝缘分析在线监测软件，包括数据实时采集、数据实时传输、参数设置、数据存储和查看、对监控对象的连续跟踪、数据打印、远程通讯,专家建议等功能。
5．向用户提交一套完整的技术资料，如检测报告、使用说明、现场测试报告；
6． 申请国家专利1项；在研制出能实用于现场的直流系统环路及绝缘状况趋势诊断系统样机的基础上,通过现场运行对样机进行改进，进行小批量生产在省电网公司及全国推广应用，待取得应用效益后申报省部级科技成果奖和国家科学技术进步奖。
7． 测试技术世界领先;
8． 国内著名刊物论文

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