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文檔簡介
自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)demaene通信性能評估
0供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建由于電力線路的可靠性和安全性,它直接影響到大多數(shù)電力用戶。因此,有必要對其進(jìn)行維護(hù)和有效的保護(hù)。傳統(tǒng)繼電保護(hù)以“事先整定、實時動作、定期檢驗”為特征,其整定值均通過離線計算得到,并且在運行中保持不變。這種按最嚴(yán)重運行條件確定保護(hù)整定值的方法,雖然可保證在電力系統(tǒng)各種運行方式下發(fā)生故障時保護(hù)都能正確動作,但對于其他運行方式卻無法使保護(hù)達(dá)到最佳保護(hù)效果。自適應(yīng)保護(hù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了一條途徑。它通過在線調(diào)整保護(hù)整定值和改變保護(hù)性能,從而適應(yīng)電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運行方式和故障類型的變化,在各種運行方式下均能獲得最佳保護(hù)性能。通信網(wǎng)絡(luò)是自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)的命脈,其可靠性和信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性。為此,本文在文獻(xiàn)構(gòu)建適用于110kV及以下電壓等級供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,綜合DeviceNet現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)各自的優(yōu)勢,構(gòu)建了供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。DeviceNet現(xiàn)場總線采用短幀傳輸和非破壞性逐位仲裁技術(shù),具有良好的故障診斷和抗干擾能力,可有效支持分布式控制和實時控制,已在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域得到較多應(yīng)用。但是,其通信性能分析在所見文獻(xiàn)中卻未見報道,其信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性能否滿足變電站自動化的要求尚需驗證。作為一種極具潛力的新型現(xiàn)場總線,工業(yè)以太網(wǎng)由于具有技術(shù)開放、通信速率高、組網(wǎng)簡單靈活和設(shè)備易于實現(xiàn)互操作等優(yōu)點,已在變電站自動化中得到初步應(yīng)用。然而,它能否滿足變電站通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求一直存在爭議。本文運用現(xiàn)場總線傳送延時模型和性能評價指標(biāo)對DeviceNet的通信性能進(jìn)行分析,并對工業(yè)以太網(wǎng)周期性通信的傳送延時進(jìn)行分析,從而驗證自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)DeviceNet通信與工業(yè)以太網(wǎng)通信的實時性和可靠性能否滿足變電站自動化的要求。1供配電線路監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成電力系統(tǒng)是典型的全分散型系統(tǒng),針對此特點,確定本文構(gòu)建的供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)采用全分散型結(jié)構(gòu),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該通信網(wǎng)絡(luò)主要由供配電線路層(生產(chǎn)設(shè)備層)、供配電線路自適應(yīng)保護(hù)裝置層(間隔層)、變電站控制中心層(變電站層)和集控中心層組成。各供配電線路自適應(yīng)保護(hù)裝置和所在變電站控制中心工控機(jī)(上位機(jī))連同DeviceNet現(xiàn)場總線共同組成主/從結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)各保護(hù)裝置之間以及各保護(hù)裝置與變電站控制中心上位機(jī)之間的實時和高效數(shù)據(jù)傳輸。為保證信息交換的安全性和實時性,以光纖為傳輸媒體,各變電站控制中心工控機(jī)和集控中心服務(wù)器通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成高速工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),在各變電站控制中心之間以及各變電站控制中心與集控中心之間進(jìn)行實時信息交換。2滿足一定時限分布為滿足變電站自動化功能對信息傳輸提出的實時性要求,信息在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸延時必須滿足一定的時限。為此,本文提出采用現(xiàn)場總線傳送延時模型與性能評價指標(biāo)對DeviceNet的通信性能(吞吐量、傳送延時、網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)利用率)進(jìn)行分析,從而驗證自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)DeviceNet通信的實時性和可靠性是否滿足要求。2.1tdrv的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)場總線的報文傳送延時Tdelay定義為源節(jié)點欲開始發(fā)送報文的時刻A至目的節(jié)點完成報文接收的時刻B為止所需的時間,主要包括源節(jié)點的發(fā)送總延時Tsst、通道傳播延時Tprop和目的節(jié)點的接收延時Tdrv,其中,Tsst包括等待時間Twait和報文發(fā)送凈延時Tframe。報文傳送延時模型如圖2所示?,F(xiàn)場總線傳送延時的數(shù)學(xué)模型為:Tdelay=Tsst+Tprop+Tdrv=Twait+Tframe+Tprop+Tdrv(1)實際應(yīng)用中,由于現(xiàn)場總線一般傳輸距離較短,而且報文在通道中的傳輸速度約為2×108m/s,因此,Tprop和Tdrv可忽略。于是,現(xiàn)場總線傳送延時數(shù)學(xué)模型可簡化為:Tdelay≈Twait+Tframe(2)在一次完整性通信中,報文總傳送延時TdelayΣ為:ΤdelayΣ=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τdelayi,j(3)TdelayΣ=∑i∈Nnode∑j=1M(i)Tdelayi,j(3)式中:Nnode為節(jié)點集合;M(i)為節(jié)點i的報文數(shù)量。由式(2)可知,等待延時Twait是總傳送延時TdelayΣ的主要組成部分,若Twait為有限值,對下式從k=1處開始迭代,可得:Τwaitk=Τresid+Τbreak+∑j∈ΝΗΡΤwaitk-1+ΤbitΤperij?(Τframej+Τbreak)(4)Twaitk=Tresid+Tbreak+∑j∈NHPTwaitk?1+TbitTperij?(Tframej+Tbreak)(4)式中:Tresid為當(dāng)前節(jié)點完成發(fā)送所需的剩余時間;Tbreak為通信通道的間隙時間;NHP為比等待節(jié)點具有較高優(yōu)先級的節(jié)點集合;Tperij為節(jié)點j的周期;Tbit為位時間。2.2tdela網(wǎng)絡(luò)效率現(xiàn)場總線性能評價指標(biāo)由包信息率、吞吐量、傳送延時、網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)利用率和數(shù)據(jù)包丟失率6個參數(shù)組成。每個數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)位數(shù)Neff與數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)總位數(shù)Nsum之比定義為包信息率Pinf,即Ρinf=ΝeffΝsum(5)Pinf=NeffNsum(5)包信息率主要反映網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議效率。一次完整性通信中,節(jié)點之間互相傳送的有效數(shù)據(jù)量Nd與傳送該有效數(shù)據(jù)量所需的TdelayΣ之比定義為現(xiàn)場總線的吞吐量Qthr,即Qthr=ΝdΤdelayΣ(6)Qthr=NdTdelayΣ(6)吞吐量由波特率、網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)觸發(fā)方式等因素決定,主要反映網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)的通信能力。一次完整性通信中總的Tframe與TdelayΣ之比定義為網(wǎng)絡(luò)效率Peff,即Ρeff=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τframei,jΤdelayΣ(7)Peff=∑i∈Nnode∑j=1M(i)Tframei,jTdelayΣ(7)網(wǎng)絡(luò)效率主要反映網(wǎng)絡(luò)的實時性。一次完整性通信中,總運行時間內(nèi)的TdelayΣ與總運行時間之比定義為網(wǎng)絡(luò)利用率Putil,即Ρutil=ΤdelayΣΤsum(8)Putil=TdelayΣTsum(8)網(wǎng)絡(luò)利用率主要反映帶寬的利用程度。一次完整性通信中,丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量Nloss與包括重發(fā)在內(nèi)的總數(shù)據(jù)包位數(shù)NΣ之比定義為數(shù)據(jù)包丟失率Ploss,即Ρloss=ΝlossΝΣ(9)數(shù)據(jù)包丟失率主要反映通信的穩(wěn)定性。2.3自適應(yīng)保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)各自適應(yīng)保護(hù)裝置與變電站控制中心生產(chǎn)和/或消費、通過DeviceNet現(xiàn)場總線傳遞的數(shù)據(jù)類型及其內(nèi)容和通信量如下。類型1:自適應(yīng)保護(hù)裝置初始上電時生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(各保護(hù)整定值、互感器變比以及裝置節(jié)點地址和通信波特率等),通信量為42字節(jié)。類型2:自適應(yīng)保護(hù)裝置周期性生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(供配電線路電流、電壓值以及遙信輸入通道開關(guān)狀態(tài)和控制繼電器狀態(tài)等),通信量為14字節(jié)。類型3:供配電線路發(fā)生故障時自適應(yīng)保護(hù)裝置生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(故障類型、故障發(fā)生時間以及故障發(fā)生時線路的電壓、電流值等),通信量為19字節(jié)。類型4:自適應(yīng)保護(hù)裝置保護(hù)整定值發(fā)生變化時生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(各保護(hù)電流、電壓以及時間整定值等),通信量為12字節(jié)。類型5:變電站控制中心上位機(jī)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(設(shè)置或控制信息,包括跳閘命令、合閘命令、各自適應(yīng)保護(hù)裝置節(jié)點地址及其保護(hù)整定值發(fā)生變化時新的整定值),通信量為44字節(jié)??紤]自適應(yīng)保護(hù)裝置生產(chǎn)和/或消費的不同數(shù)據(jù)類型對實時性的要求不同,確定類型1和類型2中的數(shù)據(jù)使用輪詢方式傳送,類型3、類型4和類型5中的數(shù)據(jù)使用狀態(tài)改變方式傳送。下面利用上述現(xiàn)場總線傳送延時模型和性能評價指標(biāo)對自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)使用的DeviceNet現(xiàn)場總線在狀態(tài)改變、輪詢這2種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式下的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評估。評估條件如下:設(shè)定DeviceNet選用的波特率為500kbit/s,網(wǎng)絡(luò)采用主/從結(jié)構(gòu),由1個主站(變電站控制中心工控機(jī))和10個從站(供配電線路自適應(yīng)保護(hù)裝置)組成。主站的媒體訪問控制識別符(MACID)為1,從站節(jié)點地址依次為MACID2,MACID3,…,MACID11。1網(wǎng)絡(luò)性能及網(wǎng)絡(luò)模型輪詢方式為點對點通信,此方式下的數(shù)據(jù)傳送通過輪詢命令/響應(yīng)報文實現(xiàn),輪詢命令報文可向目的從站輸出數(shù)據(jù)或請求數(shù)據(jù)。下面以傳送42字節(jié)數(shù)據(jù)為例,分析輪詢方式下DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信性能。在本評估實例中,從節(jié)點收到主節(jié)點的命令報文后均發(fā)送響應(yīng)報文。每次完整性通信由10個來自主節(jié)點的命令報文和10個來自從節(jié)點的響應(yīng)報文組成。其中:命令報文的數(shù)據(jù)區(qū)為空,則命令報文幀長度為44位,包信息率Pinf為0;響應(yīng)報文傳送42字節(jié)的實時數(shù)據(jù),因此,在DeviceNet上需通過分段進(jìn)行傳送,由于DeviceNet分段報文數(shù)據(jù)區(qū)實時數(shù)據(jù)最大為7字節(jié),因此,通過發(fā)送6幀方可完成,各幀的數(shù)據(jù)區(qū)實時數(shù)據(jù)為7字節(jié),其幀長度為108位,包信息率Pinf為51.9%。設(shè)定幀間空間為3位。此外,設(shè)定總運行時間Tsum為50ms,不存在數(shù)據(jù)包的丟失。主節(jié)點的輪詢順序依據(jù)MACID,則從節(jié)點被訪問的順序依次為MACID2,MACID3,…,MACID11。由式(2)~式(4)得主節(jié)點和各從節(jié)點的傳送等待延時以及總傳送延時分別為:Twait1=0ms,Twait2=0.094ms,Twait3=1.520ms,Twait4=2.946ms,Twait5=4.372ms,Twait6=5.798ms,Twait7=7.224ms,Twait8=8.650ms,Twait9=10.076ms,Twait10=11.502ms,Twait11=12.928ms,TdelayΣ=14.254ms。由式(6)~式(8)得吞吐量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)利用率分別為:Qthr=ΝdΤdelayΣ=10×42×8×100014.254=235.7(kbit/s)Ρeff=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τframei,jΤdelayΣ=13.83414.254=97.1(%)Ρutil=ΤdelayΣΤsum=14.25450=28.51(%)同等條件下傳送14個字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送等待延時和總傳送延時分別為:Twait1=0ms,Twait2=0.094ms,Twait3=0.632ms,Twait4=1.170ms,Twait5=1.708ms,Twait6=2.246ms,Twait7=2.784ms,Twait8=3.322ms,Twait9=3.860ms,Twait10=4.398ms,Twait11=4.936ms,TdelayΣ=5.374ms;吞吐量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)利用率分別為:Qthr=208.4kbit/s,Peff=96.8%,Putil=10.75%。2網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)利用率現(xiàn)以傳送44字節(jié)數(shù)據(jù)為例分析狀態(tài)改變方式下DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的通信性能。狀態(tài)改變方式下共有4種報文:主節(jié)點的狀態(tài)改變報文;從節(jié)點的狀態(tài)改變應(yīng)答報文;從節(jié)點的狀態(tài)改變報文;主節(jié)點的狀態(tài)改變應(yīng)答報文。本評估實例選擇從節(jié)點的狀態(tài)改變報文,主節(jié)點不對此報文進(jìn)行響應(yīng),且不考慮狀態(tài)改變之間的時間差。每次完整性通信僅由10個從節(jié)點的狀態(tài)改變報文組成,此報文需傳送44字節(jié)的實時數(shù)據(jù),因此,在DeviceNet上需通過分段進(jìn)行傳送;由于DeviceNet分段報文數(shù)據(jù)區(qū)實時數(shù)據(jù)最大為7字節(jié),因此,通過發(fā)送7幀方可完成。第1幀到第6幀的數(shù)據(jù)區(qū)實時數(shù)據(jù)為7字節(jié),其幀長度為108位,包信息率Pinf為51.9%;第7幀的數(shù)據(jù)區(qū)為2字節(jié),其幀長度為68位,包信息率Pinf為23.5%。設(shè)定幀間空間為3位。此外,設(shè)定總運行時間Tsum為50ms,不存在數(shù)據(jù)包的丟失。根據(jù)具有消息優(yōu)先級仲裁的載波偵聽多路訪問(CSMA/AMP)機(jī)制,從節(jié)點發(fā)送響應(yīng)報文的順序依次為MACID2,MACID3,…,MACID11。由式(2)~式(4)得主節(jié)點和各從節(jié)點的傳送等待延時以及總傳送延時分別為:Twait2=0ms,Twait3=1.474ms,Twait4=2.948ms,Twait5=4.422ms,Twait6=5.896ms,Twait7=7.370ms,Twait8=8.844ms,Twait9=10.318ms,Twait10=11.792ms,Twait11=13.266ms,TdelayΣ=14.734ms。由式(6)~式(8)得吞吐量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)利用率分別為:Qthr=ΝdΤdelayΣ=10×44×8×100014.734=238.9(kbit/s)Ρeff=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τframei,jΤdelayΣ=14.32014.734=97.2(%)Ρutil=ΤdelayΣΤsum=14.73450=29.47(%)同等條件下傳送19字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送等待延時和總的傳送延時分別為:Twait2=0ms,Twait3=0.634ms,Twait4=1.268ms,Twait5=1.902ms,Twait6=2.536ms,Twait7=3.170ms,Twait8=3.804ms,Twait9=4.438ms,Twait10=5.072ms,Twait11=5.706ms,TdelayΣ=6.334ms;吞吐量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)利用率分別為:Qthr=240.0kbit/s,Peff=97.3%,Putil=12.67%。同等條件下傳送12字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送等待延時和總的傳送延時分別為:Twait2=0ms,Twait3=0.412ms,Twait4=0.824ms,Twait5=1.236ms,Twait6=1.648ms,Twait7=2.060ms,Twait8=2.472ms,Twait9=2.884ms,Twait10=3.296ms,Twait11=3.708ms,TdelayΣ=4.114ms;吞吐量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)利用率分別為:Qthr=233.3kbit/s,Peff=97.2%,Putil=8.23%。自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)變電站層DeviceNet網(wǎng)絡(luò)在狀態(tài)改變和輪詢這2種數(shù)據(jù)觸發(fā)方式下的通信性能如表1所示。由以上分析結(jié)果可知,DeviceNet現(xiàn)場總線在小數(shù)據(jù)量通信(實時數(shù)據(jù)小于100字節(jié))的條件下具有良好的實時性、優(yōu)異的吞吐量、較高的網(wǎng)絡(luò)效率和較低的網(wǎng)絡(luò)利用率。3自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)以太網(wǎng)傳輸工業(yè)以太網(wǎng)由于可解決共享以太網(wǎng)媒體訪問控制(MAC)機(jī)制所導(dǎo)致的媒體訪問沖突問題,已在電力系統(tǒng)中得到一定程度應(yīng)用。但它所采用的先進(jìn)先出(FIFO)方式不可避免地會出現(xiàn)緩沖器溢出現(xiàn)象,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失,降低網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和實時性。暫停(Pause)操作是一種數(shù)據(jù)鏈路層上的“源抑制”控制方法。全雙工鏈路兩端的任何一個設(shè)備均可向?qū)Ψ桨l(fā)送Pause幀,使對方在一段時間內(nèi)“暫?!睌?shù)據(jù)幀的發(fā)送,從而減小網(wǎng)絡(luò)輸入負(fù)荷,解除網(wǎng)絡(luò)擁塞。本文將IEEE802.3x中的Pause操作引入交換機(jī)緩沖器的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中,從而保證工業(yè)以太網(wǎng)實時和可靠通信,提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)由各變電站控制中心與集控中心生產(chǎn)和/或消費、通過以太網(wǎng)傳遞的數(shù)據(jù)類型及其內(nèi)容如下。類型1:變電站內(nèi)各供配電線路自適應(yīng)保護(hù)裝置初始上電時變電站控制中心生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(各供配電線路編號、各保護(hù)整定值以及互感器變比等)。類型2:各變電站控制中心周期性生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(線路編號及其電流、電壓值以及各斷路器、隔離開關(guān)的位置狀態(tài)等)。類型3:變電站內(nèi)供配電線路發(fā)生故障時變電站控制中心生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(故障線路編號、故障類型、故障發(fā)生時間以及故障發(fā)生時對應(yīng)線路的電壓、電流值等)。類型4:變電站內(nèi)供配電線路自適應(yīng)保護(hù)裝置保護(hù)整定值發(fā)生變化時變電站控制中心生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(線路編號及其各保護(hù)整定值)。類型5:集控中心生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(設(shè)置信息、控制信息或報警信息)。交換式工業(yè)以太網(wǎng)傳送延時由以下5部分組成:①由發(fā)送者到交換機(jī)傳送數(shù)據(jù)第1位所需的傳播延時TFP,通常取決于發(fā)送者與交換機(jī)之間的物理距離;②交換機(jī)接收所有幀所需的時間TRV;③清除輸入緩沖器內(nèi)所有幀所需的時間TCI;④清除輸出緩沖器內(nèi)所有幀所需的時間TCO;⑤由交換機(jī)至接收者的最后一位數(shù)據(jù)傳送所需的傳播延時TLP,通常取決于交換機(jī)與接收者之間的物理距離。電信號在導(dǎo)線中的傳輸速度約為2×108m/s。TRV,TCI,TCO受輸入和輸出緩沖器行為的影響。為驗證該自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)以太網(wǎng)通信的實時性,下面對自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)以太網(wǎng)的傳送延時進(jìn)行分析。設(shè)定全雙工交換式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)由16個傳感器(變電站控制中心工控機(jī))和1個控制器(集控中心工控機(jī))構(gòu)成;發(fā)送者與交換機(jī)之間的物理距離以及交換機(jī)與接收者之間的物理距離均為100m;輸入與輸出端口通過100Mbit/s全雙工以太網(wǎng)電纜連接,而且要求每個傳感器周期地發(fā)送50幀數(shù)據(jù);每幀數(shù)據(jù)含有1020字節(jié)數(shù)據(jù)和144bit頭部信息;電纜的錯誤幀比率為0.001;交換機(jī)選用每秒可處理14880幀的Cisco3000以太網(wǎng)交換機(jī),其每個端口的緩沖器長度為16幀,并將輸入緩沖器的高標(biāo)記位H、低標(biāo)記位L分別設(shè)為14幀和8幀;有效帶寬為99.9Mbit/s;一個周期內(nèi),16個傳感器分別向控制器發(fā)送50幀數(shù)據(jù)。因此,交換機(jī)帶寬λp=123.5Mbit/s,輸出帶寬λout=100Mbit/s,λout≤λp,輸出緩沖器將被填滿。交換機(jī)輸入帶寬λin=100Mbit/s,由1λep=1λout+1λp(10)可得輸入緩沖器有效帶寬λep=55.3Mbit/s,則每個輸入緩沖器的帶寬為λep/16≤λin,因此,輸入緩沖器也將被填滿。在輸入緩沖器和輸出緩沖器均填滿的情況下,交換機(jī)接收來自n個發(fā)送者q幀所需時間為:ΤRV={ΤΗ+k-1∑i=0(
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