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如何構(gòu)建符合“雙碳”目標(biāo)的新型電力系統(tǒng)
日期:2021-10-27   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_miaowanying 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
作者供職于中國電科院電力系統(tǒng)碳中和研究中心

2021年3月15日,習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委第九次會議上,提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。這是自2014年6月總書記提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略以來,再次對能源電力發(fā)展作出的系統(tǒng)闡述,明確了新型電力系統(tǒng)在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中的基礎(chǔ)地位,為能源電力發(fā)展指明了科學(xué)方向、提供了根本遵循。

01

從“雙碳”目標(biāo)到新型電力系統(tǒng)

能源消費在碳排放中占據(jù)絕對主體地位

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布,中國將采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這就要求我國在今后很長的周期內(nèi),對碳排放總量施行更嚴(yán)格的控制。

據(jù)估算,2020年我國二氧化碳排放總量約110億噸,我國能源燃燒的二氧化碳排放約為98億噸,電力行業(yè)約39億噸(不含熱電聯(lián)供的供熱碳排放約5億噸,計入工業(yè)、建筑等終端用熱行業(yè)),占二氧化碳總排放量的比重分別為88%和35%??梢钥闯觯茉慈紵碗娏π袠I(yè)在二氧化碳排放中占據(jù)絕對主體地位,在上述領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排將成為實現(xiàn)全行業(yè)“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的重要一環(huán)。

能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途經(jīng)

從目前的的產(chǎn)業(yè)模式和技術(shù)發(fā)展來看,實現(xiàn)能源領(lǐng)域的碳減排主要有四個主要途徑:能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,產(chǎn)業(yè)模式升級,用能效率提升,碳捕獲、利用和封存(CCUS)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,其中能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型對碳減排的貢獻(xiàn)率最高。

根據(jù)波士頓咨詢公司的數(shù)據(jù),全球范圍內(nèi),能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型對碳減排的貢獻(xiàn)率達(dá)到70%。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,與2005年相比,2019年我國煤炭消費比重從72.4%下降到57.7%,非化石能源占一次能源比重從7.4%提高到了15.3%。為實現(xiàn)碳中和的目標(biāo),2060年我國非化石能源占比需要達(dá)到80%以上,而非化石能源消費的95%是通過電力來實現(xiàn)的。全面提升電能在終端能源中的消費比例,是實現(xiàn)碳中和的重要手段,對于電力對碳中和的貢獻(xiàn),大致有以下判斷。

一是滿足終端用電負(fù)荷增長需求,通過電能替代幫助其他行業(yè)轉(zhuǎn)移碳排放。與2020年相比,未來十年,其他行業(yè)電能替代電量將新增超過1萬億千瓦時,可減少其他行業(yè)二氧化碳排放超過5億噸。

二是服務(wù)源端高比例風(fēng)、光等非化石能源發(fā)電的接入和送出,支撐源端的清潔替代減排。根據(jù)預(yù)測,以2020年為基準(zhǔn),2030年由于支撐源端新增非化石能源電量,替代化石能源電量等效碳減排16億噸以上;2060年由于支撐源端新增非化石能源電量,替代化石能源電量等效碳減排超過85億噸。

三是電力行業(yè)能源燃燒碳排放持續(xù)下降,助力碳減排目標(biāo)實現(xiàn)。2030年后,能源燃燒碳排放加速下降,2060年考慮LULUCF(土地利用及土地利用變化)后全行業(yè)溫室氣體基本實現(xiàn)近零排放,能夠?qū)崿F(xiàn)碳中和目標(biāo)。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必然選擇

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),能源結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行電能替代、清潔替代兩個轉(zhuǎn)型。在這個轉(zhuǎn)型過程中,電力將從過去的二次能源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌袠I(yè)事實上的基礎(chǔ)能源。而電網(wǎng)連接著能源供應(yīng)、消費及傳輸轉(zhuǎn)換,是能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)。根據(jù)測算,為實現(xiàn)碳中和的目標(biāo),非化石能源發(fā)電量占比需達(dá)到90%,而以風(fēng)電、太陽能為主體的新能源發(fā)電量占比需達(dá)到60%左右。這就要求電網(wǎng)要以目前以輸送常規(guī)能源發(fā)電為主的模式,向支撐高比例新能源消納、支撐和保障多種終端用能需求轉(zhuǎn)型,形成可支撐多種能源品種交叉轉(zhuǎn)換的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺。

從清潔能源目前的開發(fā)情況來看,以風(fēng)電、光伏為主的新能源,在我國可開發(fā)潛力巨大、技術(shù)成熟度高,幾乎是目前成本最低的新建發(fā)電方式,隨著規(guī)模效應(yīng)不斷增大,將成為未來電力生產(chǎn)的主體能源。因此,實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必然要依賴以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

綜上所述,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、推動我國高質(zhì)量發(fā)展意義重大。一是大力發(fā)展風(fēng)電、太陽能等非化石能源,降低能源領(lǐng)域碳排放,對推進(jìn)我國生態(tài)文明建設(shè)有重大意義。二是在能源供應(yīng)上實現(xiàn)以新能源為主體,大幅降低對油氣等化石資源依賴,對保障國家能源安全有重大意義。三是通過提升電能在能源中的消費比例推動全社會能效提升,全產(chǎn)業(yè)向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型,對我國國民和經(jīng)濟建設(shè)實現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展意義重大。四是通過建設(shè)新型電力系統(tǒng),實現(xiàn)電力能源領(lǐng)域核心裝備技術(shù)擺脫對外依賴,對能源電力產(chǎn)業(yè)全鏈條安全可控和轉(zhuǎn)型升級意義重大。

02

新型電力系統(tǒng)的主要特征和新變化

主要特征

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)承載著能源轉(zhuǎn)型的歷史使命,是清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分,是以新能源為供給主體、以確保能源電力安全為基本前提、以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展電力需求為首要目標(biāo),以堅強智能電網(wǎng)為樞紐平臺,以源網(wǎng)荷儲互動與多能互補為支撐,具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動基本特征的電力系統(tǒng)。

1.清潔低碳,形成清潔主導(dǎo)、電為中心的能源供應(yīng)和消費體系,生產(chǎn)側(cè)實現(xiàn)多元化、清潔化、低碳化,消費側(cè)實現(xiàn)高效化、減量化、電氣化。

具體來看,多元化:供給側(cè)風(fēng)、光、水、火、核、生物質(zhì)、天然氣等多種一次能源形式。清潔化:清潔化是比較外在感性的說法(清潔是指不排放污染物,如清潔煤燃燒發(fā)電是清潔的,但不是低碳的),此處主要指電源結(jié)構(gòu)以清潔能源為主。低碳化:新型電力系統(tǒng)源側(cè)的核心要求,提高風(fēng)、光、水、天然氣等零碳、低碳發(fā)電量比例,常規(guī)燃煤電廠通過加裝CCUS實現(xiàn)凈零排放。高效化:我國作為發(fā)展中國家,必須在實現(xiàn)能源消費總量控制的同時保障未來經(jīng)濟持續(xù)增長,就必須提高全社會用能效率,降低能源消費強度(單位GDP能耗)。減量化:指實現(xiàn)能源消費總量(包括一次能源消費與終端能源消費)的減量控制,但同時值得指出的是,電能消費需求從2020~2060年一直在持續(xù)增長。電氣化:持續(xù)推動消費側(cè)電能替代,提升能源利用效率,降低其他行業(yè)碳排放,是實現(xiàn)高效化和減量化的重要手段。

2.安全可控,新能源具備主動支撐能力,分布式、微電網(wǎng)可觀可測可控在控,大電網(wǎng)規(guī)模合理、結(jié)構(gòu)堅強,構(gòu)建安全防御體系,增強系統(tǒng)韌性、彈性和自愈能力。

3.靈活高效,發(fā)電側(cè)、負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)能力強,電網(wǎng)側(cè)資源配置能力強,實現(xiàn)各類能源互通互濟、靈活轉(zhuǎn)換,提升整體效率。

4.智能友好,高度數(shù)字化、智慧化、網(wǎng)絡(luò)化,實現(xiàn)對海量分散發(fā)供用對象的智能協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲各要素友好協(xié)同。

5.開放互動,適應(yīng)各類新技術(shù)、新設(shè)備以及多元負(fù)荷大規(guī)模接入,與電力市場緊密融合,各類市場主體廣泛參與、充分競爭、主動響應(yīng)、雙向互動。

新型電力系統(tǒng)帶來的新變化

1.電源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。主要體現(xiàn)在電源結(jié)構(gòu)由可控連續(xù)出力的煤電裝機占主導(dǎo),向強不確定性、弱可控出力的新能源發(fā)電裝機占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。

2.負(fù)荷特性發(fā)生變化。主要體現(xiàn)在基本負(fù)荷體量大,尖峰負(fù)荷增幅大,隨機負(fù)荷波動大;源-荷角色轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)隨機性;負(fù)荷特性由傳統(tǒng)的剛性、純消費型,向柔性、生產(chǎn)與消費兼具型轉(zhuǎn)變。

3.電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生變化。主要體現(xiàn)在電網(wǎng)形態(tài)由單向逐級輸配電為主的傳統(tǒng)電網(wǎng),向包括交直流混聯(lián)大電網(wǎng)、直流電網(wǎng)、微電網(wǎng)和可調(diào)節(jié)負(fù)荷的能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變。一是大電網(wǎng)仍將發(fā)揮重要作用,承擔(dān)電能的大容量、遠(yuǎn)距離輸送任務(wù)。二是配電網(wǎng)將接入源荷儲等元素,發(fā)揮能源綜合承載與互動作用。三是微電網(wǎng)將與多類能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,發(fā)揮終端用能交互與自治協(xié)調(diào)的作用 。

4.運行特性發(fā)生變化。主要體現(xiàn)在從以充裕度確保發(fā)電與用電平衡的方式,轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;發(fā)電從優(yōu)、用電可調(diào)、發(fā)用聯(lián)動”的運行方式。一是由源隨荷動的實時平衡模式、大電網(wǎng)一體化控制模式,向源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動的非完全實時平衡模式轉(zhuǎn)變。二是儲能將從以抽蓄集中式接入電網(wǎng)為主過渡到以抽蓄和電化學(xué)儲能為主,多類型儲能協(xié)調(diào)發(fā)展,通過集中式與分布式接入廣泛應(yīng)用于發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)。三是由于風(fēng)光等新能源發(fā)電全部來源于氣候資源,系統(tǒng)運行將高度依賴于氣象條件,氣象條件影響范圍涵蓋發(fā)電、輸電、用電全環(huán)節(jié)。

5.技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)生變化。一是體現(xiàn)在物理電力系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)由同步發(fā)電機為主導(dǎo)的機械電磁系統(tǒng),向由電力電子設(shè)備和同步機共同主導(dǎo)的混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。二是體現(xiàn)在物理電力系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)由同步發(fā)電機為主導(dǎo)的機械電磁系統(tǒng),向由電力電子設(shè)備和同步機共同主導(dǎo)的混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

03

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)下

實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的路徑

構(gòu)建新型電力系統(tǒng),總的發(fā)展路徑是:進(jìn)行電網(wǎng)架構(gòu)的重構(gòu),要素的布局和配置,理論和技術(shù)的突破,數(shù)字的深度賦能,機制與模式的創(chuàng)新,構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng),形成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。在建設(shè)進(jìn)程上,與國家實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要時間節(jié)點是基本同步的,具體可大致劃分為兩個階段。

建設(shè)期

具體特征表現(xiàn)為:新能源裝機逐步成為第一大電源,常規(guī)電源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)性和保障性電源。電力系統(tǒng)總體維持較高轉(zhuǎn)動慣量和交流同步運行特點,交流與直流、大電網(wǎng)與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。系統(tǒng)儲能、需求響應(yīng)等規(guī)模不斷擴大,發(fā)電機組出力和用電負(fù)荷初步實現(xiàn)解耦。

主要解決的問題:要實現(xiàn)達(dá)峰時的新能源裝機容量達(dá)到一定的規(guī)模,為達(dá)峰后的新能源向主體發(fā)展奠定基礎(chǔ),保證達(dá)后不返;開展新能源為主體的新型電力系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)建,探索新型電力系統(tǒng)的路徑并向其演進(jìn)。

成熟期

具體特征表現(xiàn)為:新能源逐步成為電力電量供應(yīng)主體,火電通過CCUS技術(shù)逐步實現(xiàn)凈零排放,成為長周期調(diào)節(jié)電源。分布式電源、微電網(wǎng)、交直流組網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展。系統(tǒng)儲能全面應(yīng)用、負(fù)荷全面深入?yún)⑴c調(diào)節(jié),發(fā)電機組出力和用電負(fù)荷逐步實現(xiàn)全面解耦。

主要解決的問題:該階段是新型電力系統(tǒng)建設(shè)的主導(dǎo)發(fā)展期,重點需要通過技術(shù)手段解決新能源出力比例和消納利用受限的問題,解決全社會深度脫碳的電能增長的承載問題,最終實現(xiàn)電網(wǎng)形態(tài)的革命性轉(zhuǎn)變。

04

電力行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的

難點及建議

面臨難點

電力行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),根本途徑是建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)?,F(xiàn)階段主要在電力穩(wěn)定供應(yīng)、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、新技術(shù)成熟度不足以及政策機制不配套等方面面臨重大挑戰(zhàn),這也是目前電力行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的最大難點。

1.電力供應(yīng)安全方面面臨挑戰(zhàn)。

一是體現(xiàn)在新能源最小出力處于較低水平,對電力平衡支撐能力不足。部分地區(qū)高溫寒潮等極端氣候發(fā)生過程中電力供應(yīng)需求顯著增加,保障電力供應(yīng)難度大。以東北電網(wǎng)為例,2021年7月28日,受副熱帶高壓位置偏北影響,東北地區(qū)天氣連續(xù)多日高溫,東北全網(wǎng)用電負(fù)荷最高達(dá)到7058萬千瓦,同比增長8.2%;而風(fēng)力發(fā)電創(chuàng)歷史新低3.4萬千瓦,不足風(fēng)電裝機容量的0.1%,新能源難以支撐電網(wǎng)的電力需求。

二是體現(xiàn)在現(xiàn)有火電等常規(guī)裝機規(guī)模不足以保證未來電力供應(yīng)需求。2030年如維持現(xiàn)有火電裝機規(guī)模不變,則火電裝機容量缺額達(dá)1.54億千瓦,難以有效保障電力供應(yīng)。

2. 高比例新能源消納難以維持。

一是體現(xiàn)在新能源電量滲透率與利用率之間相互制約,高比例的新能源電量占比必然造成利用率的下降。亟待推動新能源消納模式從追求新能源利用率到提高新能源發(fā)電量占比的轉(zhuǎn)變。經(jīng)測算,2030年,以新能源發(fā)電量最大為目標(biāo)布局新能源,可提升新能源電量占比1.75個百分點,但新能源利用率降低1.87個百分點。

二是體現(xiàn)在系統(tǒng)調(diào)峰能力存在缺額,不足以支撐高比例新能源消納。2030年,若保證新能源100%全額消納,國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)的調(diào)峰能力缺額為3.98億千瓦;若保證新能源利用率95%,國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)的調(diào)峰能力缺額為1.96億千瓦。

三是體現(xiàn)在跨區(qū)直流運行方式靈活性欠缺,新能源跨區(qū)消納難度大。2030年,送/受端電網(wǎng)新能源利用率分別由當(dāng)前的98% / 100%降至85% / 95%左右,在送/受端電網(wǎng)新能源同時受限消納形勢下,電網(wǎng)跨區(qū)互濟作用凸顯,需采取市場政策、技術(shù)創(chuàng)新等多種方式提升跨區(qū)直流運行靈活性。

3.電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨重大挑戰(zhàn)。

一是體現(xiàn)在新能源發(fā)展駛?cè)肟燔嚨馈⒖鐓^(qū)直流送電需求旺盛,電力系統(tǒng)向“雙高”(高比例新能源、高比例電力電子)轉(zhuǎn)型成為必然趨勢,系統(tǒng)特性復(fù)雜,頻率、電壓、功角等安全穩(wěn)定問題仍將存在。以英國8.9 大停電為例,事故前英國電力系統(tǒng)呈現(xiàn)高比例新能源狀態(tài),一臺燃?xì)鈾C組停機造成大面積新能源脫網(wǎng),引發(fā)連鎖故障,停電范圍波及100萬人。

二是現(xiàn)有技術(shù)條件下跨區(qū)輸電及新能源承載規(guī)模存在技術(shù)約束。現(xiàn)有技術(shù)框架下,為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定,常規(guī)機組開機需要保持一定安全水平,使系統(tǒng)調(diào)峰能力下降,新能源承載規(guī)模進(jìn)一步受到限制,跨區(qū)輸電及新能源規(guī)模存在技術(shù)約束。

4.適應(yīng)減碳目標(biāo)的市場機制亟待完善。

一是現(xiàn)行上網(wǎng)電價機制無法維持火電機組生存。預(yù)計到2030年煤電機組年利用小時數(shù)低于4000小時,2060年低于2000小時,按照當(dāng)前的電價機制,火電機組無法回收成本。

二是輔助服務(wù)費用僅在發(fā)電側(cè)分?jǐn)偅⑽词鑼?dǎo)至用戶側(cè)。目前輔助服務(wù)成本通過電源側(cè)分?jǐn)?,進(jìn)一步擠壓了電源側(cè)生存空間,電源經(jīng)濟承受能力不足不利于未來長期電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

三是現(xiàn)行需求側(cè)響應(yīng)補償機制難以為繼。據(jù)測算,需求側(cè)響應(yīng)量與火電機組裝機的降低量相當(dāng)。但實施需求側(cè)響應(yīng)需要向用戶提供大量補償,推高系統(tǒng)運行成本,需在電價機制中統(tǒng)籌考慮。

四是規(guī)模化儲能的應(yīng)用將推高供電成本。為了實現(xiàn)大規(guī)模新能源消納,系統(tǒng)中需要配置大量儲能設(shè)備,將推高供電成本,需在電價機制中統(tǒng)籌考慮。

五是現(xiàn)行交叉補貼電價政策不利于調(diào)動用戶側(cè)資源。居民、農(nóng)業(yè)用電長期享受大規(guī)模交叉補貼,但其資金來源近年逐漸下降,現(xiàn)行交叉補貼方式難以為繼。由于可再生能源大規(guī)模接入,各類用戶需承擔(dān)更多成本。

5.構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

根據(jù)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)現(xiàn)有的技術(shù)路線及實施路徑,需要在電制氫、CCUS、碳排放評估、電力數(shù)字化、儲能、電力電子設(shè)備主動支撐技術(shù)、需求響應(yīng)、電力市場等方面加大技術(shù)研發(fā),但上述技術(shù)絕大部分還處于成熟度不高、穩(wěn)定性不足,無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。繼續(xù)在短期內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)突破并廣泛應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)建設(shè)之中。

相關(guān)建議

一是要解決好安全問題。在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下,隨著生產(chǎn)和消費側(cè)電能占比的提高,電力作為基礎(chǔ)能源的作用和地位愈加重要,而電力生產(chǎn)又以強不確定性的風(fēng)光為主,各時空尺度的能源安全(主要體現(xiàn)在電力)挑戰(zhàn)巨大,從毫秒級的設(shè)備安全、秒/分的運行控制安全、小時/天調(diào)度安全、周/年的供給安全,以及物理、功能、跨行業(yè)和社會等廣義空間尺度的安全,需要從全社會的視角審視電力安全問題,需要通過創(chuàng)新解決電力安全問題。

二是要多行業(yè)、多主體統(tǒng)籌推進(jìn)。在建設(shè)新型電力系統(tǒng)的過程中保證電力安全,是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要各級政府、各行各業(yè)協(xié)同,通過政策、法規(guī)和體制機制創(chuàng)新,業(yè)態(tài)、市場和電價機制創(chuàng)新,以及技術(shù)創(chuàng)新共同解決。

三是要明確階段,分步實施。從能源電力系統(tǒng)的發(fā)展來看,近期是能源轉(zhuǎn)型期,任務(wù)是市場、法規(guī)、技術(shù)的研發(fā);中期是新型電力系統(tǒng)形成期,完善政策法規(guī)和市場電價機制,解決新型電力系統(tǒng)構(gòu)建和安全運行問題;遠(yuǎn)期是新一代能源系統(tǒng)形成期,解決能源近零排放和能源電力安全問題。因此建設(shè)新型電力系統(tǒng)一定要尊重科學(xué)規(guī)律,做到規(guī)劃上由遠(yuǎn)及近、措施上全面具體,分階段統(tǒng)籌實施。

原標(biāo)題:如何構(gòu)建符合“雙碳”目標(biāo)的新型電力系統(tǒng)
 
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來源:能源雜志
 
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