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基于社会-技术系统理论的中国电力系统演化路径分析

范文

聂龑张国兴

摘要?基于社会-技术系统理论评价我国电力系统的低碳演化进程，有助于动态分析我国电力系统的发展规律，揭示其演化机理，还可以提供系统演化过程中包含的重要信息，为决策者制定电力发展策略提供理论依据。文章从宏观环境层、中观体制层和微观利基层的视角出发，融合演化熵权法和政策变权函数构建出一套综合评价指标，结合不同发展阶段的电力政策动态评价电力系统演化路径，揭示系统内生机制、外部要素及其交互作用对系统发展产生的影响效力。研究结果表明：外部环境对系统的演化作用是缓慢而稳定的，但外部环境对电力系统重大事件的鲁棒性较差，电力政策形成机制亟待构建;中观体制层具有路径锁定效应，其发展较为稳定同时对政策约束较为敏感，应注重化石能源和非化石之间的博弈关系，加强区域能源协同发展;创新利基就显得尤为活跃，它占据了多个重要指标并对系统演化产生强烈地正向影响;相反，外部环境中国际影响力和公众参与这两项指标对系统演化存在抑制效用。整体而言，评价指标框架能够较好地反映出我国电力系统演化过程中的演化特征。基于上述分析结果，文章认为在我国电力系统的低碳演化过程中，当创新技术成熟时，应适当减少政府政策干预，遵循政府主导国家的市场规则;未来要加快利基层示范工程建设，加快创新技术的认证和利基项目的监管;从低碳发展的角度出发，进一步降低国际影响、公众行为和输电端对整体电力系统演化的负向影响，提升系统的低碳演化速率，推进整体电力系统的低碳演化。本文的研究结果对我国电力系统低碳演化有较好的理论与实践借鉴意义。

关键词?电力系统;低碳演化;电力政策;变权函数;路径分析

中图分类号?F205

文献标识码?A?文章编号?1002-2104（2020）11-0087-11?DOI：10.12062/cpre.20200321

电力作为重要的二次能源，其清洁、高效的发展可以推动整体能源体系的低碳、智能化转型。随着全球环境压力和资源束缚力的加剧[1]，中国在实现自身电力系统“智能、低碳、互联”的转型道路上，不仅需要平抑国内日益增长的供需矛盾，还要提升整体电力系统的安全性、清洁性以及灵活性，以此来迎接气候变化、环境污染、资源限制和高比例可再生能源消纳等外部约束条件带来的转型挑战。全球能源系统的低碳转型正驱动着中国能源系统的绿色低碳变革。发达国家能源系统的转型更注重引领能源变革、带动经济复苏，亚洲新兴经济体对能源安全和能源经济可承受性更為重视，而南美洲和非洲地区则主要着眼于解决社会问题[2-3]。因此，在资源、环境和能源安全约束下，评估中国电力系统的低碳演化可以全面分析系统的演化特征，探寻其内部要素和外部环境之间的交互作用机理，为制定电力系统发展政策提供理论依据。

1?文献综述

经济全球化发展和《巴黎协定》碳减排约束给中国电力系统带来了巨大的转型压力。政策干预、公众参与和社会行为都成为影响电力系统转型的关键因素[4]，电力系统转型可以有效推动社会体制中能量扩散、资源重新分配、经济发展以及主体间多维竞争[5]。中国未来能源结构的重构除了要符合自身经济发展规律外，还将受到全球温室气体减排的环境约束[6]。在此宏观发展背景下，如何协同电力系统多层次之间的交互作用，突破发电主体间的利益壁垒，降低系统发电成本，提高可再生能源的利用效率成为促进我国电力系统绿色低碳发展的关键[7]。

规模不断扩大的清洁能源以及快速发展的前沿技术将深刻影响我国未来电力系统的格局，现有的电力系统演化分析既没有充分考虑到清洁能源的特点，也没有对电力市场和创新技术进行建模[8]，因此，“社会-技术”系统转型理论成为国内外电力系统演化研究的基础。2002年，Geels[9]描述了一个转型理论：各种系统转型都是由社会系统和技术系统交互作用推进，具体作用来自宏观环境、中观体制和微观利基，政策环境、制度变化、市场构建以及创新技术发展均会对系统演化产生积极作用[10]。政治环境是宏观环境层的参与主体，而政策作为最直接的政治手段，可以有效推动电力系统的演化[10];利基层的技术创新是驱动系统演化的主要动力，协调各层次之间的交互作用有助于推动系统转型升级[11]。基于社会-技术系统转型理论，Andries等[12]探讨了不同低碳情景对欧洲电力系统的发展影响，发现现有研究过分注重成本最优解决方案;Ayobami等[13]分析了2015—2050年内实现西非可持续电力系统的主要途径，发现能源政策可以有效促进跨境电力贸易，减少温室气体排放成本;以社会-技术系统为分析思路，陈卓淳和姚遂[14]根据我国电力系统现行体制发生的动态变化，从短、中、长期三个时间维度对我国低碳电力系统转型路径提出一个概念性的分析框架;基于此分析框架，聂龑和吕涛[15]揭示中国电网智慧转型的内在机制，发现加强政策引导和电网监管可以有效加速我国电力系统转型。

现阶段多用构建评价体系的方法来评估电力系统的演化特征和低碳发展程度[16-17]。电力系统演化评价研究主要集中在演化过程分析、关键影响因素挖掘以及评价体系构建等方面[18]，尤其对系统演化过程中各种新能源发电绩效的评价颇为深入[19]。电力系统评价的主要方法集中在熵权法、AHP法及其拓展算，熵权法作为一种可以有效屏蔽主观信息的定量测算方法，得到指标分析研究者的广泛关注[20-21]。但是，熵权法测算出的指标权重忽视了主观意见的影响效力，权重受离散极值影响较大[22]。而且，在系统实际的演化过程中，影响因素中的政治作用和环境约束会随着演化空间的变化而发生改变，因此，静态空间权重不能准确刻画复杂空间交互关系。为了克服空间权重不随经济属性值进行动态变化的缺陷，学者将变权函数引入指标评价中来动态分析指标作用[23-24]。

综上，针对电力系统低碳演化的研究聚焦于理论分析和发展评价，研究方法客观性较高，评价结果较为依赖统计数据的变化规律。但电力系统演化是一个复杂而漫长的过程，不仅影响因素多种多样，还涉及多个演化阶段。现有电力系统的评价指标多集中在创新技术和发电成本方面，忽视了宏观环境和中观体制对电力系统的演化影响;中国属于政府主导型国家，其电力系统演化受政策影响颇重，更要重视政策影响效果。因此，本文基于“社会-技术”系统转型理论提出我国电力系统演化的评价指标，再综合演化熵权法和政策变权函数构建出综合评价指标框架，结合电力政策对我国电力系统演化进行动态分析;然后，根据系统外部环境和内部要素间的交互关系，探究电力政策对其演化产生的影响效力和作用形式，评估不同层级的演化潜力;最终，根据各层级的演化潜力提出驱动我国电力系统低碳演化的策略。

2?基于“社会-技术”系统转型理论的评价框架

“社会-技术”系统转型理论概括了各类系统转型过程中宏观环境层、中观体制层、微观利基层中的演化要素及其间的交互作用[9]。2017年，Nie等[11]从上述三个层中选取了参与电力系统协同演化的14个因素。基于此，本文选取其中13个反映电力系统低碳演化的影响因素，并描绘了三个层次间演化主体的交互作用关系，如图1所示。宏观环境层的政府政策制定和监督紧扣可再生能源消纳和电力市场化改革，宏观经济环境为电力系统转型提供动力，国际影响从《巴黎协定》和全球能源互联网的角度出发，凸显外部国际环境对我国电力系统演化的宏观影响力，公众行为侧重统计节能减排行为的影响力度;中观体制层基于电力供应链系统，重点描述电力系统发、输、配、用电功能，而发电功能着重可再生能源的利用效率，用电功能又细分为工业用电和居民用电;微观利基层涉及电力系统创新技术的研发和生产，以及可再生能源发电和储能技术。

2.1?电力系统演化主体分析

基于政府职能报告中对政策制定和政策监督的定义、电力系统各部分属性以及专家建议，结合相关文献中已有的指标选取研究成果，本文选取13个电力系统低碳演化主体指标，指标对应的变量数据集，具体变量选择、参考文献、定义方法和数据来源详见表1。

2.2?电力系统演化综合评价指标体系

根据数据的可得性，评价结果的科学性、有效性，基于中国电力系统的实际演化情景，本文构建出中国电力系统低碳演化综合评价指标体系：总体目标为了实现电力系统低碳演化;三个标准层包括宏观环境（LI）、中观体制（RI）和微观利基（NI）;具体指标由13个可测量指标集构成（见表2）。与已有电力系统评价指标相比，本指标较为全面的反应影响电力系统低碳演化的多个层次，指标属性可以根据其正、负影响效果动态改变，指标权重可以基于不同阶段的政策导向进行调整。具体评价指标体系如表2所示。

3?电力系统低碳演化综合评价模型

“熵值”可用于衡量指标已有数据中包含的有效信息量，有效信息越多，熵值越小，权重反而变大[34]。为了弥补熵权法缺乏主观意见以及受离散极值影响较大的问题，本文引入变权理论[35]，利用主观电力政策内容指向性来改变指标的静态权重，通过政策变权模型调整后的指标权重可以更真实地反映该指标对评价结果的影响效应。将主观政策指向与客观赋权法相结合，本文提出更加科学的“变权-熵权”赋权法，具体原理如图2所示。

3.1?政策变权函数

不同转型阶段国家经济环境、技术水平、新能源发展会对评价指标产生影响[34]，本文根据阶段性电力发展政策，综合经济、技术、安全和社会等众多因素，利用变权理论[36]判断对应演化阶段的政策变权向量。已知一组n维变权映射wj（j=1，2，…，n）：[0，1].n→[0，1]，（x1，x2，…，xn）→wj（x1，x2，…，xn）满足wj（x1，x2，…，xn）（j=1，2，…，n）关于变元xj单调增加（激励型）或单调减小（惩罚型）。基于国家电力政策导向，及其评价指标函数的单调性变化状态，本文按照如下原则设计不同转型情景下的状态变权公式。

（1）激励型变权函数的构建。政策的侧重点是想通过提升电力系统自身的功能来强化其发展，进而促进社会进步，这个阶段的演化就更注重强项指标（影响力度较大

的指标）[23]。往往在这个阶段电力技术较为落后且经济欠发达，决策者更加看重系统中相对权重较大的指标（例如发电量、经济发展等指标）[34]，数组图像会出现由降变增的拐点[36]。在这种情况下，适合采用激励型函数来调整状态变权向量：

（2）惩罚型变权函数的构建。当电力系统整体实力达到一定程度，系统发展会更加注重其弱项指标（影响力度较小的指标）[23]。在经济发展稳定的时期，决策者往往更看重环境资源和社会发展等外部性指标，他们试图在追求经济发展的同时，可以保证环境的可持续性发展以及社会的公正公平[34]，数组图像会出现由增变减的拐点[36]。此时，采用惩罚型变权函数来对指标的权重进行修正：

3.2?电力系统演化综合评价框架

设定M年内有N个反映各电力系统演化的指标和统计数据，则该指标的矩阵可设置如下：

指標分为正向指标和逆向指标，它们分别对权重产生正向影响和逆向影响。在此基础上，构建标准化公式，正向指标计算如式（4）所示，反向指标如式（5）所示。

采用主客观权重相结合的方法来确定权重向量集中较为满意的权重向量。然后，基于线性组合[37]，得到综合指标（LRNI）的线性组合表达如下：

4?电力系统演化路径分析

利用构建的电力系统低碳演化综合评价框架评价中国电力系统的低碳演化进程，分析2005—2017年间中国电力系统低碳演化指标的变化特征，验证评价指标框架的有效性，并揭示中国电力系统的演化模式，为未来电力系统的转型发展提供决策建议。

4.1?数据来源

电力系统演化指标数据来自“国家数据”网站、《中国统计年鉴》《中华人民共和国国家统计局》和“国家能源局”“中国储能网”网站等，具体见前文表1所示。

4.2?政策变权属性的确定

搜集2000—2018年中国颁布的所有有关于电力系统发展的行政法规、规范性文件和部门工作文件等，按照其政策效力的大小（行政法规>规范性文件>部门工作文件）、政策内容导向（注重发展强项指标还是弱项指标）以及指标数组图像的变化趋势（单调递增还是单调递减），来确定2005年到2017年我国电力系统发展的政策变权函数种类，由于缺少2006年的电力政策，故保留其原始指标权重。其余年份具体的划分内容和类型如表3所示。

4.3?演化评价结果分析

根据计算得到电力系统演化指标权重（见表4），分析演化指标与电力系统发展之间的关联关系，揭示电力系统的演化机理并验证指标体系的有效性（见图3）。

宏观环境层的权重（0.374）处在中间水平。这一层级最重要的指标是政策监督（0.116），这与中国属于政府主导型国家契合，也与近年来国家公布多项能源政策及其监管政策相互印证，但与其他指标权重相比，政策监督依然不属于电力系统演化过程中的绝对优势指标，其实施效果仍然需要协同发展推进。电力系统演化过程中宏观环境层存在两种现象：一是宏观环境对系统演化影响较为缓慢;另一个是随着我国电力系统的逐步强化，电力进口数量（国际影响）逐年减低，电力能源安全已然成为我国的发展重点。如图3所示，除2015年印度大规模停电事件对中国电力进口数量产生负向影响外，其余年份中国电力进口数量逐渐递减，整体图形类似于反“S型”曲线，总量持续下降，但在2010年前曲线下降速率较大，2010年后下降速率变小。公众对于电力清洁化行为的投诉（公众行为）数量也逐年下降，这一现象可以反映出电力行业越来越重视低碳发展，但也凸显出国家事件中公众参与不足（0.036为最小值）。从指标属性来看，国际碳排放约束以及公众低碳行为均会从系统内部对其演化产生积极影响，且影响力度将逐年提升。

中观体制层的权重值最小（0.217），四项指标的权重分布相对平均。其中，可再生能源对发电端的影响较大，居民小区的智能用电系统也对其用电行为影响较大，这两项指标的权重较其他指标而言更大。从网络结构而言，这说明出低碳、稳定的发电端属于较重要的电力系统子系统，而居民用电端由于其逐渐增加的灵活性和智能性也开始成为关键的需求端。中观体制层的演化发展是依赖电力供应链路径发展和其创新技术支撑的，这在短期内难以改变。

微观利基层的权重最大（0.409），这说明利基层变量都较为活跃，其中，政策制定对微观利基的影响较大。政府提供财政支持和政策激励，促进利基层从多利基位的新兴阶段快速发展到优势利基位的成熟阶段，截至2018年底，我国新能源发电累计装机容量3.6亿kW，发电量“牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，……” 惩罚型6 342亿kW·h，风能和太阳能累计装机量均居世界第一（能源与电力分析年报，2019）。此外，超高压输电技术也得到了广泛的应用;电力技术研发指标作为其发展的关键因素，在四个指标中占据了较大比重，这也证明了政府对可再生能源发电技术和储能技术的大力支持。13项指标中，微观利基层中储能技术的权重最大，这突显了储能技术稳定电力、增加消纳的重要作用，也突出体现了全社会对电力系统智能区域互联发展的重视程度。

总体来说，由于宏观环境层指标的发展演化速率较为缓慢，中观体制层具有路径依赖和锁定效应，它的权重值最小;相比之下，利基层是三个层次中最活跃的，多政策多目标均推动其快速发展。

4.4?电力系统演化路径分析

计算2005—2017年中国电力系统整体演化指标权重和分层演化指标权重，并结合电力政策内容和创新技术发展来分析其指标权重的动态变化规律，进一步探索中国电力系统演化的内在机理及其其低碳、智能的发展路径。

（1）整体系统演化路径分析。中国整体电力系统的发展路径基本呈现出持续上升的态势，但在其演化过程中也存在一些波动（见图4）。2005、2008和2015年都属于激励型变权函数年份，它们均处在阶段演化路径曲线波动的“谷底”位置（指標数组图像由单调递减变为单调递增的拐点位置）。2005年国务院发布的《电力监管条例》强调加强电力监管，完善电力监管制度，要求从系统内部强化电力属性行为。2008年电力行业进入“严冬期”，煤炭价格上升致使发电量急剧下降，同年金融危机导致工业用电规模大幅下降，发电端指标（0.00095）用电端指标（0.0019）均处在较低水平，雪灾和汶川地震也对电力系统造成了严重破坏，中国电力系统进入一个发展低谷。2015年，“电改9号文”的颁布为“十三五规划”提供了一个良好的定策，基于大面积停电事件，政府开始关注中国电力系统发配电网建设和其鲁棒性建设，电力系统的安全性与稳定性成为关注重点，指标集中技术创新和加工生产指标处在上游水平。

2006、2007年，中国电力系统发展曲线迅速爬升，对比指标权重数据和政策文件可知，这两年中国经济环境利好电力能源发展，政府颁布了一系列的政策来激励可再生能源发展，并且极度重视能源带来的环境问题，如：开展广州市城市高压电网规划的环境影响评价工作，进行节能发电调度等。政策刺激公众监督管理行为，同年公众行为的影响力度变强（2006年LI5=0.011，2007年LI5=0.007）。2006年和2007年中国电力系统发展曲线呈现出一个急剧上升的倒“U”型。但是，可再生能源的大规模发展并没有同期带动其消纳利用，2016年之后，系统发展曲线的上升速率开始减缓，电力市场建设、区域能源协同发展和可再生能源消纳成为电力系统新的关注热点。

综上，中国电力系统的演化发展总体呈现出上升趋势，演化期间存在波动，波动趋势与当年的政策导向、政策监督程度、微观利基层的创新技术研究和储能技术发展密切相关。中国电力系统整体向着低碳、智能的方向演化，政策对其影响较大。在系统转型过程中，仍然需要统筹其安全、低碳及经济性发展关系;在保障能源安全和生态环境友好的前提下，降低用电成本和电力各环节的能耗。

（2）分层演化路径分析。宏观环境层在2005年到2011年间出现较大规模的波动，2006年和2007年达到峰值，这与当时的经济环境、政策发布、电力进口数量和公众反馈行为密切相关（见图5）。2010年多个部门共同发文，从发电企业和电网企业两个方面入手强调电力企业节能减排工作，而且多个省市成立低碳试点;同年，政策制定指标权重也达到一个较高的水平（0.008 7）。去掉图像中波动较大的点，宏观环境层的指标权重变化曲线符合随时间x变化的开口向上的二次函数，且上升速率为，较为缓慢，这证明宏观环境层较稳定且变化幅度较小，2008年是宏观环境层的最低点，这一年宏观环境对电力系统的演化影响效力最低。

剔除波动较大的点可知，中观体制层的指标曲线整体符合开口向下且变化缓慢的抛物线图像，拟合出随时间x变化的中观体制层的抛物线函数方程fR（x）=-0.0002x.2+0.0003x+0.021，可知曲线的变化速率与宏观环境层一致（γR=0.000 4），这与电力体制具有路径锁定效应相吻合。在2015年，中观层曲线出现快速下降，2016年后又趋于稳定。这与2015年电改继续启航、电力系统得以重塑，但是，《巴黎协定》的签署一方面推动了中国可再生能源发电的发展，但是疯狂增长的装机量背后却是“电力过剩”的演化困局等实际现象相符。上述原因导致了2015年中国发电量指标（0.003）和用电量指标（0.006）均下降到同期最低水平。随着中观层函数变化趋势可知2019年后抛物线将达到顶点，换言之，电力系统体制的自身发电、输配电和用电的发展已经达到现阶段的最优状态，中观体制层未来将会从市场灵活度和交易智能化角度入手，来进行系统的进一步演化升级。

微观利基层的指标曲线上升的幅度较环境层和体制层更大，整体曲线较为平滑，2007年和2009年出现了轻微波动。2007年国务院发布节能发电调度办法，要求优先调度可再生发电资源;2009年人大常委发布修改《中华人民共和国可再生能源法》的决定，要求国家实行可再生能源发电全额保障性收购制度。这两个政策对于微观利基层中可再生能源发电指标的影响较大。拟合微观利基层的指标曲线，发现其函数图像更加符合随时间x变化的指数函数fN（x）=0.044e.-0.25.x，因此，微观层指标变化速率更快。它将保持相对快速的发展来实现电力系统的智能、低碳演化转型。

综上，本文从电力系统整体发展和三个层级交互影响这两个角度揭示有关电力系统演化的内在规律：①权重大的指标的确在演化过程中会给系统发展带来显著作用，它们可以影响整体指标集的走向，确定阶段性的演化路径。因此，电力政策应重点关注权重较大的指标。但是电力政策形成也需要关注沟通、协调与决策几个环节，要重视政策的制度资源有限性，以及政策制定者和各类影响者之间关系、互动途径与方式，一个科学的电力系统发展政策形成机制将有效提升电力政策制定的合理性和实施的有效性。②负向影响指标更应关注，如：国际影响、公众行为和输电端指标，它们不仅与国家发展水平密切相关，还对不同层级的权重变化起着关键作用。电力系统发展应降低负向指标影响，从技术发展和行为约束两个方面促进电力系统的演化发展。发电端需要注意化石能源与非化石能源关系。需要正确认识化石能源替代不等于化石能源与非化石能源的对立，协同互补才是共同出路。电力系统的区域发展中要关注地域关系。破除省间壁垒和经济发展的不平衡不充分。③宏观环境层的演化较为缓慢，但其指标的权重变化与电力系统重大事件密切相关;中观体制层存在路径锁定效应，它的指标权重变化较为稳定;微观利基层较为活跃，尤其在中国电力政策的驱动下，逐年呈现出一个稳步上升的态势。电力政策应该针对活跃的指标进行约束引导，会出现更加显著的影响效果。但是，需要指出的是以补贴为代表的产业培育方式本质是政府特惠模式，存在政府选择失灵或过度支持问题，可能引发产能过剩、低效率、其他产业发展目标被忽视。构建的科学发展政策形成机制中应去除过度的能源补贴，逐渐转向电力市场平衡主导其发展。

5?结论和建议

本文基于社会-技术系统转型理论，提取了来自宏觀环境层、中观体制层和微观利基层的13项指标，并结合演化熵权法和政策变权函数构建出电力系统低碳演化综合评价指标体系，克服了单一客观赋权的不合理性。通过揭示2005—2017年间中国电力系统的演化规律，发现宏观环境层的指标变化缓慢，但对电力系统重大事件的鲁棒性较差，电力政策形成机制亟待构建;中观体制层具有路径锁定效应，其发展较为稳定但受政策约束较多，应注重化石能源和非化石之间的博弈关系，加强区域能源协同发展;微观利基层的指标变化最为活跃，但利基还不能完全有效融合其体制发展。

研究结果表明，本文所提出的评价指标框架能够较好地反映出电力系统演化过程中的演化特征。电力政策的确对我国电力系统的演化产生了引导效应，创新技术在政策驱动下快速推进电力系统的低碳发展，但创新技术与电力市场之间不协同的发展产生了诸多演化问题，如：电源主体之间的互补机制还未形成、消纳市场容量不足、行政区域间壁垒严重、科学协同的政策引导机制还没有建成等。

基于研究结果，本文提出了三点政策建议。

首先，当创新技术成熟后，应减少政府政策对创新技术的驱动干预，遵循电力市场规则，给予电力系统一个健康的发展环境。如：体制层指标在2014年后出现了下降趋势，这表明过多的政策干预以及体制层固有的路径锁定效应已经产生了市场壁垒。因此，应该减少政策干预，对中观体制层进行电力市场化改革，进而促进其演化发展。同时，针对电力政策的制定，需要协同资源环境、经济发展和多能互补，构建出一个科学的电力系统发展政策形成机制，提升电力政策制定的合理性和实施的有效性。

其次，在利基层发展成熟后要加快其示范工程建设，做好电力系统的低碳示范工程的宣传。只有充分扩展利基项目，才能增强资源配置能力和制度影响力，进而促进整体电力系统的低碳转型。对于现有的利基示范项目，应充分发挥其基本功能，加快机构认证，扩大覆盖范围，并且进行有效的监管，这对于推进电力系统的低碳演化具有重要意义。

最后，我国电力系统的发展应重点关注负向影响指标，降低负向指标的影响力度。从低碳发展的角度出发，降低国际影响、公众行为和输电端对整体电力系统演化的负向影响，可以有效提升系统的演化速率。同时，要重视化石能源与非化石能源间协同互补关系，破除省间壁垒和经济发展的不平衡现状，做好国家顶层设计、区域能源协同发展、省域能源革命之间的衔接，从全国智能互通的角度提升我国电力系统的鲁棒性、经济性和清洁性。

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