微電網(wǎng)是分布式能源系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用形式，由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控保護(hù)裝置及負(fù)荷組成，可在并網(wǎng)和孤島兩種狀態(tài)間平滑過(guò)渡，高效、可靠地對(duì)分布式能源進(jìn)行管理[1].隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，可將云計(jì)算、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于分布式微電網(wǎng)，從而解決實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度控制、智能運(yùn)維等問(wèn)題，以提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

　　集中式的云計(jì)算模型作為大數(shù)據(jù)的載體，對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)資源進(jìn)行彈性管理，時(shí)間、空間靈活性高，可滿足中長(zhǎng)期的大數(shù)據(jù)計(jì)算需求[2].各類分布式終端設(shè)備采集大量數(shù)據(jù)并傳輸至對(duì)應(yīng)的云平臺(tái)，通過(guò)中心化的集中運(yùn)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[3].但在云計(jì)算模型中，設(shè)備與云端之間的數(shù)據(jù)傳輸回路較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性不足，因此邊緣計(jì)算模型應(yīng)運(yùn)而生。邊緣計(jì)算是指在靠近數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，操作對(duì)象包括來(lái)自云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)及來(lái)自萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，具有時(shí)延低、通信成本低、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4,5].基于邊緣計(jì)算技術(shù)可將計(jì)算、分析與控制本地化，為用戶提供更快的響應(yīng)，不再將全部數(shù)據(jù)上傳至云端，從而提升數(shù)據(jù)處理效率，并減輕云端數(shù)據(jù)處理負(fù)荷[6].

　　目前已有在電力物聯(lián)網(wǎng)及智能電網(wǎng)領(lǐng)域中針對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[7]提出了一種用于電力物聯(lián)網(wǎng)的集中-分布聯(lián)合控制式電力信息物理系統(tǒng)模型，建立了云邊協(xié)同的計(jì)算模型，并通過(guò)虛擬電廠的算例驗(yàn)證了模型靈活性和計(jì)算快速性。文獻(xiàn)[8]提出了一種適用于基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)中的邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，并提出了基于邊緣計(jì)算的隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及任務(wù)排序策略。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了一種用于配電網(wǎng)、以邊緣計(jì)算為核心的"云-管-邊-端"四層架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的三層架構(gòu)，可提升配電網(wǎng)管理效益和決策能力。邊緣計(jì)算技術(shù)還被用于家庭能源管理[10]、可再生能源管理[11]以及分布式配電故障處理[12].邊緣計(jì)算設(shè)備在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件上采用軟件容器及其編排技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，并可容納各類功能的獨(dú)立拓展[13,14].邊緣計(jì)算架構(gòu)也面臨著新的安全威脅，需制定有效的安全防護(hù)策略[15].上述研究表明，應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)及智能電網(wǎng)領(lǐng)域的邊緣計(jì)算技術(shù)在數(shù)據(jù)快速處理、設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)度控制等方面均有較好表現(xiàn)。

　　邊緣計(jì)算技術(shù)也適用于微電網(wǎng)。微電網(wǎng)對(duì)底層調(diào)度控制的實(shí)時(shí)性要求高，尤其是用于海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)的離網(wǎng)型微電網(wǎng)，其系統(tǒng)慣性較小，受負(fù)荷波動(dòng)的影響較大，若系統(tǒng)瞬時(shí)波動(dòng)過(guò)大將導(dǎo)致整體電能質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致微電網(wǎng)停止運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行低時(shí)延調(diào)度控制，在可再生能源出力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)及儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)調(diào)度等方面均需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。邊緣計(jì)算技術(shù)恰好可以滿足這些需求，但目前針對(duì)微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算技術(shù)研究及應(yīng)用有限。

　　基于此，本文提出一種面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)，同時(shí)介紹在該架構(gòu)下邊云協(xié)同的具體功能，并闡述該架構(gòu)的構(gòu)建方案，包括數(shù)據(jù)處理流程、網(wǎng)絡(luò)通信及安全機(jī)制，最后介紹該架構(gòu)在華南某海島上的應(yīng)用實(shí)踐。

　　1 架構(gòu)

　　面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)由設(shè)備層、邊緣層與云層三個(gè)層級(jí)組成，云層以云平臺(tái)為核心，提供各類云端服務(wù)。針對(duì)不同的微電網(wǎng)規(guī)模，可選擇部署公有云、私有云或混合云;設(shè)備層則由微電網(wǎng)的各類電力設(shè)備組成，包括光伏、風(fēng)機(jī)等不可控分布式電源、柴油發(fā)電機(jī)等可控分布式電源、逆變器等電能轉(zhuǎn)換裝置、蓄電池等儲(chǔ)能裝置及各類負(fù)荷。邊緣層是整個(gè)架構(gòu)的核心，由邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣平臺(tái)及邊緣服務(wù)組成，在靠近設(shè)備數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)提供計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用部署等功能。

　　邊緣網(wǎng)關(guān)是邊緣計(jì)算架構(gòu)中的核心設(shè)備，通常部署在波動(dòng)較大的可再生能源發(fā)電設(shè)備、可實(shí)時(shí)調(diào)度的發(fā)電設(shè)備或電能轉(zhuǎn)換裝置、可實(shí)時(shí)調(diào)度的儲(chǔ)能裝置以及不穩(wěn)定負(fù)荷附近。鄰近的電力設(shè)備共用一臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)各類數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。邊緣網(wǎng)關(guān)由異構(gòu)計(jì)算單元(FPGA和ARM架構(gòu)下的CPU)、存儲(chǔ)單元、設(shè)備交互模塊及通信模塊組成，具有數(shù)據(jù)采集與傳輸、設(shè)備控制執(zhí)行等功能，支持CAN、RS485、Modbus、WIFI、Zig Bee、4G等通信協(xié)議及HTTPS、MQTT等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。各邊緣網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集分布式電源、負(fù)荷、電能轉(zhuǎn)換裝置及儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳至邊緣平臺(tái)。在邊緣平臺(tái)的協(xié)調(diào)下，各邊緣網(wǎng)關(guān)執(zhí)行邊緣側(cè)根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出的控制指令，對(duì)可調(diào)度的電力設(shè)備進(jìn)行控制。

　　邊緣平臺(tái)是由各邊緣網(wǎng)關(guān)以分布式架構(gòu)共同運(yùn)行的軟件平臺(tái)，支持Python、Java、C等高級(jí)編程語(yǔ)言的編譯及運(yùn)行，在開源邊緣計(jì)算開放平臺(tái)(Kube Edge、Edge X Foundry等)的基礎(chǔ)上運(yùn)行各類面向微電網(wǎng)的管理及業(yè)務(wù)應(yīng)用和微服務(wù)。邊緣平臺(tái)匯總從各邊緣網(wǎng)關(guān)采集并上傳的設(shè)備數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)預(yù)處理后向云平臺(tái)上傳用于數(shù)據(jù)分析的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，同時(shí)接受云平臺(tái)管理。在經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)模型推理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)邏輯判斷后，向相應(yīng)的邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制指令，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行控制。為確保微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，在微電網(wǎng)中布置一臺(tái)與邊緣網(wǎng)關(guān)配置相同的邊緣主網(wǎng)關(guān)作為運(yùn)行邊緣平臺(tái)的主設(shè)備，并在此設(shè)備中對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行本地可視化。

　　2 構(gòu)建方案

　　2.1 數(shù)據(jù)流程

　　數(shù)據(jù)處理是微電網(wǎng)邊緣計(jì)算架構(gòu)的核心，其全流程如圖3所示。邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)采自各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、解析等預(yù)處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于控制邏輯判斷及預(yù)測(cè)模型對(duì)照，并根據(jù)處理結(jié)果執(zhí)行預(yù)設(shè)控制策略。同時(shí)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于本地可視化并存儲(chǔ)在本地時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中。用于功率預(yù)測(cè)、發(fā)電預(yù)測(cè)及微電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)則在加密后上傳至云端，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化處理，并將上行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中。云端完成數(shù)據(jù)挖掘后，定期將訓(xùn)練所得的預(yù)測(cè)模型更新至邊緣側(cè)。相較于數(shù)據(jù)完全本地存儲(chǔ)的傳統(tǒng)能量管理模式及將所有數(shù)據(jù)上傳至云端的"云-端"兩層管理模式，該流程既保證了數(shù)據(jù)處理的安全性與實(shí)時(shí)性，同時(shí)也通過(guò)數(shù)據(jù)的本地化處理及分層存儲(chǔ)降低了數(shù)據(jù)傳輸成本。

　　2.1.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

　　為在邊緣網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)處理及機(jī)器學(xué)習(xí)模型推理等計(jì)算功能，采用異構(gòu)計(jì)算(heterogeneous computing,HC)作為邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件架構(gòu)，即在邊緣網(wǎng)關(guān)中集成體系結(jié)構(gòu)不同的計(jì)算單元，如CPU、FPGA等，從而提供傾向性不同的計(jì)算資源。CPU通用性強(qiáng)，適合處理不同類型的數(shù)據(jù)，可滿足微電網(wǎng)各類設(shè)備的數(shù)據(jù)處理需求。FPGA執(zhí)行速度快、并行工作能力強(qiáng)，是最適合用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型推理的計(jì)算器件。深度學(xué)習(xí)及其他人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法目前正被廣泛運(yùn)用于微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制、能量管理、優(yōu)化調(diào)度等領(lǐng)域，如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制[16]、負(fù)荷預(yù)測(cè)[17]以及基于深度學(xué)習(xí)的功率預(yù)測(cè)[18,19]、孤島檢測(cè)[20]、儲(chǔ)能調(diào)度[21]等。在基于邊云協(xié)同的邊緣計(jì)算架構(gòu)中，深度學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練在云端進(jìn)行，模型推理則在邊緣網(wǎng)關(guān)中基于按需加速框架運(yùn)行[22].

　　2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　不同于"云-端"架構(gòu)下將所有設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分層存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及無(wú)分析價(jià)值的備份數(shù)據(jù)保存在邊緣網(wǎng)關(guān)的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中，僅將有分析價(jià)值的數(shù)據(jù)及必要設(shè)備狀態(tài)信息上傳至云端。通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)用接口，云端管理員可實(shí)時(shí)從邊緣網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)中上傳臨時(shí)需要查看的數(shù)據(jù)，節(jié)省常態(tài)化數(shù)據(jù)傳輸流量。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)通信

　　在面向微電網(wǎng)的邊緣架構(gòu)中，通信主要包含三個(gè)部分：電力設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)之間的通信、邊緣網(wǎng)關(guān)之間的通信以及邊緣網(wǎng)關(guān)與云端之間的通信。邊緣網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)一定范圍內(nèi)各電力設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，因此電力設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)之間視物理距離的不同，采用RS485、Modbus等有線通信或Zig Bee等無(wú)線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。各邊緣網(wǎng)關(guān)之間相距較遠(yuǎn)，且存在計(jì)算資源、控制策略的協(xié)同，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求高，因此視微電網(wǎng)的規(guī)模大小不同而采用光纖或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。由于云端需對(duì)若干個(gè)分布式微電網(wǎng)進(jìn)行管理，且微電網(wǎng)可能部署在海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此邊緣網(wǎng)關(guān)與云端之間統(tǒng)一采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并通過(guò)HTTPS或MQTT等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)不同設(shè)備數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，邊緣網(wǎng)關(guān)之間以及邊緣網(wǎng)關(guān)與云端之間的所有數(shù)據(jù)均可通過(guò)輕量級(jí)的JSON格式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸、解析速度快。

　　3 應(yīng)用實(shí)踐

　　以華南南海某海島已建成的微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，介紹面向微電網(wǎng)的邊緣架構(gòu)在實(shí)際項(xiàng)目中的布局及運(yùn)作方式�；�于邊緣計(jì)算的海島微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該海島上分布著光伏、風(fēng)機(jī)等不可調(diào)節(jié)的可再生能源發(fā)電設(shè)備、柴油發(fā)電機(jī)組等可調(diào)節(jié)的發(fā)電設(shè)備及蓄電池組等儲(chǔ)能設(shè)備，同時(shí)分布著商業(yè)用電子網(wǎng)、居民用電子網(wǎng)、海水源熱泵等用電負(fù)荷。發(fā)電側(cè)通過(guò)主變壓器將電能輸送至10 k V高壓網(wǎng)，并通過(guò)各配電變壓器向各用電子網(wǎng)供電。

　　3.1 邊緣網(wǎng)關(guān)選址及通信實(shí)現(xiàn)

　　以空間上聚集的電力設(shè)備共享一臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)為原則，在海島微電網(wǎng)各設(shè)備附近共布置9臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)，包括布置在本地微電網(wǎng)監(jiān)控中心的1臺(tái)邊緣主網(wǎng)關(guān)。4臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)布置在發(fā)電側(cè)，其中2臺(tái)通過(guò)RS485及CAN總線接入光伏、風(fēng)機(jī)等不可控電源及變流器、逆變器等電能轉(zhuǎn)換裝置，2臺(tái)通過(guò)CAN總線接入蓄電池組的電池管理系統(tǒng)及三個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組。4臺(tái)邊緣網(wǎng)關(guān)布置在負(fù)荷側(cè)，2臺(tái)通過(guò)RS485接入商業(yè)及居民用電子網(wǎng)的終端控制器，2臺(tái)通過(guò)RS485接入海水源熱泵及水廠用電負(fù)荷的控制器。通過(guò)RS485接入的設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而通過(guò)CAN總線接入的設(shè)備則與邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)CANOpen協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.2 邊云協(xié)同功能實(shí)現(xiàn)

　　邊緣計(jì)算架構(gòu)中的云服務(wù)運(yùn)行在遠(yuǎn)離海島的遠(yuǎn)程微電網(wǎng)監(jiān)控中心的私有云中，云平臺(tái)則運(yùn)行在私有云的主服務(wù)器中。私有云具有可拓展的計(jì)算、存儲(chǔ)資源，具有批量分布式微電網(wǎng)接入能力，可對(duì)所有接入的微電網(wǎng)進(jìn)行云監(jiān)控，并通過(guò)制定、更新邊緣層的資源管理策略實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣資源的協(xié)同管理。

　　3.3 安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)

　　在基礎(chǔ)設(shè)施安全及數(shù)據(jù)安全方面，云平臺(tái)根據(jù)海島所在地區(qū)郵編及各邊緣網(wǎng)關(guān)的MAC地址，為每個(gè)邊緣網(wǎng)關(guān)分配唯一的設(shè)備身份標(biāo)識(shí)ID,并通過(guò)SM9標(biāo)識(shí)密碼算法[26]進(jìn)行密鑰封裝解封及數(shù)據(jù)加密解密，從而實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)關(guān)及云平臺(tái)之間的訪問(wèn)安全及數(shù)據(jù)傳輸安全。同時(shí)，云平臺(tái)對(duì)各邊緣網(wǎng)關(guān)根據(jù)最小授權(quán)原則進(jìn)行權(quán)限管理，邊緣網(wǎng)關(guān)則對(duì)所有嘗試訪問(wèn)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求進(jìn)行SM9密鑰驗(yàn)證及權(quán)限驗(yàn)證。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，邊緣軟件層中部署了流量監(jiān)控微服務(wù)，根據(jù)安全策略對(duì)邊緣網(wǎng)關(guān)的上傳、下載流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將異常日志反饋至云平臺(tái)，云平臺(tái)通過(guò)部署在云Saa S層中的異常分析應(yīng)用對(duì)異常日志進(jìn)行分析后更新并下放安全策略。在應(yīng)用安全方面，基于Kube Edge的邊緣平臺(tái)對(duì)容器以及容器內(nèi)的應(yīng)用和微服務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)用或微服務(wù)行為后立即對(duì)異常應(yīng)用或微服務(wù)進(jìn)行沙箱隔離，并將異常信息在邊緣側(cè)及云平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　面向微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)跟蹤、預(yù)測(cè)及控制，在保證負(fù)荷正常運(yùn)行的同時(shí)有效提高光伏、風(fēng)能等可再生能源的利用效率，從而提升微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性;而當(dāng)與云端網(wǎng)絡(luò)連接不佳時(shí)，在安全機(jī)制保護(hù)下的邊緣計(jì)算架構(gòu)亦可保證微電網(wǎng)在本地的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，特別是保障敏感負(fù)荷的供電。

　　本文提出了邊緣計(jì)算在獨(dú)立微電網(wǎng)中的初步應(yīng)用架構(gòu)，闡述了該架構(gòu)的構(gòu)建方案，最后結(jié)合某海島微電網(wǎng)開展了應(yīng)用實(shí)踐，為邊緣計(jì)算技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了參考方案。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算設(shè)備向著小型化、集成化、智能化的方向發(fā)展，在靠近電力設(shè)備的邊緣側(cè)獲取計(jì)算能力是重要趨勢(shì)。5G技術(shù)的快速發(fā)展則帶來(lái)了新的低時(shí)延通信方案，用于邊-邊互聯(lián)以及邊-云互聯(lián)的通信技術(shù)也將大有可為，邊云協(xié)同的效率將進(jìn)一步提升。未來(lái)邊緣計(jì)算架構(gòu)在電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方面還需更深入的研究，以推動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)在微電網(wǎng)、分布式綜合能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

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　　《一種面向分布式發(fā)電微電網(wǎng)的邊緣計(jì)算架構(gòu)與應(yīng)用》來(lái)源：《新能源進(jìn)展》，作者：徐楚軻; 吳昌宏; 舒杰; 楊湛曄; 張虎潤(rùn)

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