CN107196310B - 考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法，所述方法包括如下步骤：(1)针对给定的含分布式电源的配电网，结合天气信息，进行次日24h负荷预测和分布式电源出力预测；(2)考虑开关操作次数约束，对次日24h负荷曲线进行时段划分；(3)根据负荷曲线分段结果，进行日前多时间段落的源网协调优化；(4)基于日前电网调度计划和分布式电源出力安排，进行日内柔性负荷优化调度；(5)通过所述源网协调优化和所述柔性负荷优化调度，充分利用分布式电源和各种柔性负荷，达到源网荷的实时功率平衡。本发明实现了潮流的合理分配，可有效降低网损，提升节点电压水平和电能质量，提升电网运行的经济性和可靠性。

Description

考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法

技术领域

本发明属于配电网运行控制技术领域，具体涉及一种考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法。

背景技术

传统配电网是一种基于电网供电与用户用电之间的单向电力分配网络，是一种“电网-负荷”的二元结构。随着电力需求的持续增长、传统能源的短缺、电力市场的开放，电网正朝着高效、灵活、智能和可持续方向发展，可持续性表现为分布式电源尤其是大量可再生能源的规模化接入与应用。大量分布式电源的接入，配电网由传统二元结构升级为“源-网-荷”三元结构，传统的单向潮流变为复杂的双向潮流，电压分布、线损、供电可靠性、继电保护等也都受到广泛影响；同时，由于分布式电源的不确定性，实现源-网-荷三者的平衡成为配电网运行控制的新挑战。主动配电网在配电网中引入主动控制机制，通过主动调动分布式电源和可调负荷参与电网运行控制与优化，提升配电网对分布式电源的接纳能力，提升配网资产利用率，延缓配电网升级改造，实现配电网安全可靠、优质高效运行的目标。

针对分布式电源的大规模接入，目前尚未从系统层面上提出有效的协调控制方案，研究重点多集中在分布式电源的选址和定容优化；在源-网-荷协调互动方面，侧重考虑网-荷协调、源-荷协调或者源-网协调，综合三者的协调优化鲜有涉及。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法。本发明综合网络重构、分布式电源出力优化、柔性负荷优化调度等多重手段，实现日前和日内不同时间尺度的优化实现源-网-荷的实时功率平衡。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法，所述方法包括如下步骤：

(1)针对给定的含分布式电源的配电网，结合天气信息，进行次日24h负荷预测和分布式电源出力预测；

(2)考虑开关操作次数约束，对次日24h负荷曲线进行时段划分；

(3)根据负荷曲线分段结果，进行日前多时间段落的源网协调优化；

(4)基于日前电网调度计划和分布式电源出力安排，进行日内柔性负荷优化调度；

(5)通过所述源网协调优化和所述柔性负荷优化调度，充分利用分布式电源和各种柔性负荷，达到源网荷的实时功率平衡。

优选的，所述步骤(3)中，所述源网协调优化以最小化配电网供电成本和最大化消纳分布式电源出力为目标，确定各个时段的开关状态的组合、分布式电源出力以及电网的输入功率，计算公式如下：

目标函数

所述最小化配电网供电成本为：

式中：C_cost为电力企业的供电成本，包括从上级电网的购电费用、开关操作费用以及分布式电源的出力成本三部分；T₁为按照购电电价划分的时段数；E_k、d_k分别为第k个电价时段的电网购电电量和该时段购电的单位电价；N为开关总数；T₂为划分后的时段数；C_switch为开关单次操作费用；S_i,t为序号为i的开关在时段划分后第t时段的状态，S_i,t＝1表示闭合，S_i,t＝0表示断开；N_DG为分布式电源的总数；

为第g个分布式电源在第t时段的输出功率；d_g为第g个分布式电源单位输出功率的成本；

所述最大化消纳分布式电源出力为：

式中：E_DG为分布式电源的有功电量总量；T₂为划分后的时段数；N_DG为分布式电源的总数；

为第g个分布式电源在第t时段的调度输出功率；Δt为第t时段的持续时间；

约束条件

①功率平衡约束

式中：

为第t时段电网输入功率；N_DG为分布式电源的总数；

为第g个分布式电源在第t时段的输出功率；N_L为负荷总数目；

为第j个负荷点在第t时段的功率预测值；N_F为支路总数目；

为第k条支路在第t时段的功率损耗；S_k,t为第k条支路在第t时段的工作状态，S_k,t＝1表示投入运行，S_k,t＝0表示退出运行；

②节点电压约束

U_{i_min}≤U_i≤U_{i_max} (4)

式中：U_{i_min}为节点电压下限，U_{i_max}为节点电压上限；

③支路功率约束

式中：

为编号为i的支路在第t时段的传输功率；

为编号为i的支路的最大允许传输功率；

④开关动作次数约束

式中：S_i,t为序号为i的开关在时段划分后第t时段的状态；N_i,max为序号为i的开关最大动作次数；N_max为所有开关的最大动作次数；

⑤分布式电源出力约束

式中：

为第i个分布式电源在第t时段的输出功率；

分别为第i个分布式电源的有功出力的下限和上限；

⑥网络拓扑约束

网络拓扑满足无孤岛、无环的辐射状结构。

优选的，所述步骤(4)中，所述进行日内柔性负荷优化调度包括两种情况：

a、当负荷波动和分布式电源出力波动的综合表现为供电能力过剩时，即电网输入功率和分布式电源输出功率大于负荷需求时，以电网调度成本最小为目标，对电网中的可转移负荷和激励负荷进行优化调度；

b、当负荷波动和分布式电源出力波动的综合表现为供电能力不足时，即电网输入功率和分布式电源输出功率小于负荷需求时，对电网中的可中断负荷和直接控制负荷进行优化调度：

优选的，所述情况a计算方法如下：

目标函数

式中：C_{demand_1}为电力过剩时电力企业调度柔性负荷支付的成本，包括可转移负荷调度成本和激励负荷调度成本两部分；T—时段数；N_TL为可转移负荷的数目；

为编号为i的可转移负荷在第t时段的负荷增加量；Δt为第t时段的持续时间；α_i,t为编号为i的可转移负荷在第t时段进行负荷转移的补偿率；N_EL为激励负荷的数目；

为编号为j的激励负荷在第t时段的负荷增加量；β_i,t为编号为j的激励负荷在第t时段进行负荷增加享受的电价折扣率；

为第t时段的基准电价；

约束条件

①功率平衡约束

对任意时刻，有：

式中：

—实施可转移负荷和激励负荷优化调度前、后的总负荷；

—可转移负荷的转入负荷量与转出负荷量；ΔP^EL—激励负荷的负荷增加量；

式中：P^grid为电网的输入功率；

为分布式电源输出功率之和；

为实施负荷优化调度策略后的负荷功率；ΔP^Loss′为实施负荷优化调度策略后的有功功率损耗；

②功率调整约束

式中：

分别为编号为i的可转移负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

分别为编号为j的激励负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

③可转移负荷时间约束

可转移负荷的负荷转移时段和持续时间满足可转移负荷协议的相关要求。

优选的，所述可转移负荷和所述激励负荷都属于电价敏感性负荷；所述可转移负荷是指，出于电价考虑，将用电行为从电价较高的时刻转移至电价较低的时刻，但是该类负荷的用电行为及用电量仍会发生，在一定周期内用电量保持固定；所述激励负荷是指享受电力公司的折扣电价在特定时段增加用电量的负荷。

优选的，所述情况b计算方法如下：

目标函数

式中：C_{demand_2}为供电能力不足时电力企业调度柔性负荷支付的成本，包括可中断负荷调度成本和直接负荷控制成本两部分；N_IL为可中断负荷的数目；

为编号为i的可中断负荷在第t时段的负荷削减量；λ_i,t为编号为i的可中断负荷在第t时段进行负荷削减的补偿率；N_DL为直接控制负荷的数目；

为编号为j的直接控制负荷在第t时段的负荷削减量；γ_j,t为编号为j的直接控制负荷在第t时段进行负荷削减的补偿率；Δt为第t时段的持续时间；

为第t时段的基准电价；

约束条件

①功率平衡约束

对任意时刻，有：

式中：

为实施可中断负荷和直接控制负荷优化调度前、后的总负荷；ΔP^IL—可中断负荷的负荷削减量；ΔP^DL—直接控制负荷的负荷削减量；

式中：P^grid为电网的输入功率；

为分布式电源输出功率之和；

为实施负荷优化调度策略后的负荷功率；ΔP^Loss″为实施负荷优化调度策略后的有功功率损耗；

②功率调整约束

式中：

分别为编号为i的可中断负荷在第t时段的负荷削减量的下限和上限；

分别为编号为j的直接控制负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

③负荷中断时间约束

可中断负荷的负荷中断时段和持续时间满足可中断负荷协议的相关要求。

优选的，所述直接控制负荷是指电力企业在系统高峰负荷时段利用电力监控和电力信号切断所需控制负荷与系统的联系。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明综合网络重构、分布式电源出力优化、柔性负荷优化调度等多重手段，实现日前和日内不同时间尺度的优化实现源-网-荷的实时功率平衡；

本发明充分发挥柔性负荷的快速响应能力和灵活性，在负荷高峰时期通过可中断负荷和直接控制负荷的优化调度达到平抑负荷的目的，在负荷低谷时期通过可转移负荷和激励负荷的优化调度，最大限度的消纳分布式电源出力，提升分布式电源的利用率；

本发明通过源网荷的协调互动，充分发挥分布式电源、柔性负荷对电网的支撑作用，实现潮流的合理分配，可有效降低网损，提升节点电压水平和电能质量，提升电网运行的经济性和可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法，通过日前源-网协调优化、日内柔性负荷优化调度两个阶段，综合网络重构、分布式电源机组优化、柔性负荷调度等多种优化手段，最大限度提升配电网对分布式电源的消纳能力，达到源网荷功率平衡，实现配电网安全可靠、经济运行的目的。包括如下步骤：

(1)针对给定的含分布式电源的配电网，结合光照、风力等天气信息，进行次日24h负荷预测和分布式电源出力预测，常规负荷预测可采用基于相似日的负荷预测法、时间序列预测法、基于混沌理论的负荷预测法等；分布式电源出力预测可采用概率预测法；

(2)考虑开关操作次数约束，对次日24h负荷曲线进行时段划分，可以按照等时间间隔进行划分，也可根据负荷水平(峰荷、谷荷、腰荷)进行划分；

(3)根据负荷曲线分段结果，进行日前多时间段落的源网协调优化：

以最小化配电网供电成本和最大化消纳分布式电源出力为目标，确定各个时段的开关状态的组合、分布式电源出力以及电网的输入功率。

1)目标函数

电力企业的供电成本为：

式中：C_cost—电力企业的供电成本，包括从上级电网的购电费用、开关操作费用以及分布式电源的出力成本三部分；T₁—按照购电电价划分的时段数；E_k、d_k—第k个电价时段的电网购电电量以及该时段购电的单位电价；N—开关总数；T₂—划分后的时段数；C_switch—开关单次操作费用；S_i,t—序号为i的开关在时段划分后第t时段的状态，S_i,t＝1表示闭合，S_i,t＝0表示断开；N_DG—分布式电源的总数；

—第g个分布式电源在第t时段的输出功率；d_g—第g个分布式电源单位输出功率的成本。

电网调度的分布式电源的供电电量为：

式中：E_DG—分布式电源的有功电量总量；T₂—划分后的时段数；N_DG—分布式电源的总数；

—第g个分布式电源在第t时段的调度输出功率；Δt—第t时段的持续时间。

2)约束条件

①功率平衡约束

式中：

—第t时段电网输入功率；N_DG—分布式电源的总数；

—第g个分布式电源在第t时段的输出功率；N_L—负荷总数目；

—第j个负荷点在第t时段的功率预测值；N_F—支路总数目；

—第k条支路在第t时段的功率损耗；S_k,t—第k条支路在第t时段的工作状态，S_k,t＝1表示投入运行，S_k,t＝0表示退出运行。

②节点电压约束

U_{i_min}≤U_i≤U_{i_max} (4)

式中：U_{i_min}—节点电压下限，U_{i_max}—节点电压上限。

③支路功率约束

式中：

—编号为i的支路在第t时段的传输功率；

—编号为i的支路的最大允许传输功率。

④开关动作次数约束

式中：S_i,t—序号为i的开关在时段划分后第t时段的状态；N_i,max—序号为i的开关最大动作次数；N_max—所有开关的最大动作次数。

⑤分布式电源出力约束

式中：

—第i个分布式电源在第t时段的输出功率；

—第i个分布式电源的有功出力的下限和上限。

⑥网络拓扑约束

网络拓扑应满足无孤岛、无环的辐射状结构。

(4)基于日前电网调度计划和分布式电源出力安排，进行日内柔性负荷优化调度

当负荷波动和分布式电源出力波动的综合表现为供电能力过剩，即电网输入功率和分布式电源输出功率大于负荷需求时，以电网调度成本最小为目标，对电网中的可转移负荷和激励负荷进行优化调度：

1)目标函数

式中：C_{demand_1}—电力过剩时电力企业调度柔性负荷支付的成本，包括可转移负荷调度成本和激励负荷调度成本两部分；T—时段数；N_TL—可转移负荷的数目；

—编号为i的可转移负荷在第t时段的负荷增加量；Δt—第t时段的持续时间；α_i,t—编号为i的可转移负荷在第t时段进行负荷转移的补偿率；N_EL—激励负荷的数目；

—编号为j的激励负荷在第t时段的负荷增加量；β_i,t—编号为j的激励负荷在第t时段进行负荷增加享受的电价折扣率；

—第t时段的基准电价。

可转移负荷和激励负荷都属于电价敏感性负荷。可转移负荷是指，出于电价考虑，将用电行为从电价较高的时刻转移至电价较低的时刻，但是该类负荷的用电行为及用电量仍会发生，在一定周期内用电量保持固定；激励负荷是指享受电力公司的折扣电价在特定时段增加用电量的负荷。

2)约束条件

①功率平衡约束

对任意时刻，有：

式中：

—实施可转移负荷和激励负荷优化调度前、后的总负荷；

—可转移负荷的转入负荷量与转出负荷量；ΔP^EL—激励负荷的负荷增加量。

式中：P^grid—电网的输入功率；

—分布式电源输出功率之和；

—实施负荷优化调度策略后的负荷功率；ΔP^Loss′—实施负荷优化调度策略后的有功功率损耗。

②功率调整约束

式中：

—编号为i的可转移负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

—编号为j的激励负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限。

③可转移负荷时间约束

可转移负荷的负荷转移时段和持续时间应满足可转移负荷协议的相关要求。

当负荷波动和分布式电源出力波动的综合表现为供电能力不足时，即电网输入功率和分布式电源输出功率小于负荷需求，对电网中的可中断负荷和直接控制负荷进行优化调度：

1)目标函数

式中：C_{demand_2}—供电能力不足时电力企业调度柔性负荷支付的成本，包括可中断负荷调度成本和直接负荷控制成本两部分；N_IL—可中断负荷的数目；

—编号为i的可中断负荷在第t时段的负荷削减量；λ_i,t—编号为i的可中断负荷在第t时段进行负荷削减的补偿率；N_DL—直接控制负荷的数目；

—编号为j的直接控制负荷在第t时段的负荷削减量；γ_j,t—编号为j的直接控制负荷在第t时段进行负荷削减的补偿率；Δt—第t时段的持续时间；

—第t时段的基准电价。

可中断负荷的用电行为具有较大的灵活性，用户与电力公司签订可中断负荷协议，在特定时段削减用电量并且接受电力公司一定的补偿，在另外时段不再增加用电量。

直接控制负荷是指电力企业在系统高峰负荷时段利用电力监控和电力信号切断所需控制负荷与系统的联系。

2)约束条件

①功率平衡约束

对任意时刻，有：

式中：

—实施可中断负荷和直接控制负荷优化调度前、后的总负荷；ΔP^IL—可中断负荷的负荷削减量；ΔP^DL—直接控制负荷的负荷削减量。

式中：P^grid—电网的输入功率；

—分布式电源输出功率之和；

—实施负荷优化调度策略后的负荷功率；ΔP^Loss″—实施负荷优化调度策略后的有功功率损耗。

②功率调整约束

式中：

—编号为i的可中断负荷在第t时段的负荷削减量的下限和上限；

—编号为j的直接控制负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限。

③负荷中断时间约束

可中断负荷的负荷中断时段和持续时间应满足可中断负荷协议的相关要求。

(5)通过日前的源网协调优化和日内的柔性负荷优化调度，充分利用分布式电源和各种柔性负荷，达到源网荷的实时功率平衡，同时最大限度的消纳分布式电源出力，提升分布式电源利用率，实现配电网安全可靠、优质高效运行。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种考虑源网荷协调互动的主动配电网多时间尺度优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)针对给定的含分布式电源的配电网，结合天气信息，进行次日24h负荷预测和分布式电源出力预测；

(2)考虑开关操作次数约束，对次日24h负荷曲线进行时段划分；

(3)根据负荷曲线分段结果，进行日前多时间段落的源网协调优化；

(4)基于日前电网调度计划和分布式电源出力安排，进行日内柔性负荷优化调度；

(5)通过所述源网协调优化和所述柔性负荷优化调度，充分利用分布式电源和各种柔性负荷，达到源网荷的实时功率平衡；

所述步骤(3)中，所述源网协调优化以最小化配电网供电成本和最大化消纳分布式电源出力为目标，确定各个时段的开关状态的组合、分布式电源出力以及电网的输入功率，计算公式如下：

1)目标函数

所述最小化配电网供电成本为：

式中：C_cost为电力企业的供电成本，包括从上级电网的购电费用、开关操作费用以及分布式电源的出力成本三部分；T₁为按照购电电价划分的时段数；E_k、d_k分别为第k个电价时段的电网购电电量和该时段购电的单位电价；N为开关总数；T₂为划分后的时段数；C_switch为开关单次操作费用；S_i,t为序号为i的开关在时段划分后第t时段的状态，S_i,t＝1表示闭合，S_i,t＝0表示断开；N_DG为分布式电源的总数；

为第g个分布式电源在第t时段的输出功率；d_g为第g个分布式电源单位输出功率的成本；

所述最大化消纳分布式电源出力为：

式中：E_DG为分布式电源的有功电量总量；T₂为划分后的时段数；N_DG为分布式电源的总数；

为第g个分布式电源在第t时段的调度输出功率；Δt为第t时段的持续时间；

2)约束条件

①功率平衡约束

式中：P_t ^grid为第t时段电网输入功率；N_DG为分布式电源的总数；

为第g个分布式电源在第t时段的输出功率；N_L为负荷总数目；

为第j个负荷点在第t时段的功率预测值；N_F为支路总数目；

为第k条支路在第t时段的功率损耗；S_k,t为第k条支路在第t时段的工作状态，S_k,t＝1表示投入运行，S_k,t＝0表示退出运行；

②节点电压约束

U_{i_min}≤U_i≤U_{i_max} (4)

式中：U_{i_min}为节点电压下限，U_{i_max}为节点电压上限；

③支路功率约束

式中：

为编号为i的支路在第t时段的传输功率；

为编号为i的支路的最大允许传输功率；

④开关动作次数约束

式中：S_i,t为序号为i的开关在时段划分后第t时段的状态；N_i,max为序号为i的开关最大动作次数；N_max为所有开关的最大动作次数；

⑤分布式电源出力约束

式中：

为第i个分布式电源在第t时段的输出功率；

分别为第i个分布式电源的有功出力的下限和上限；

⑥网络拓扑约束

网络拓扑满足无孤岛、无环的辐射状结构。

2.根据权利要求1所述优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述进行日内柔性负荷优化调度包括两种情况：

a、当负荷波动和分布式电源出力波动的综合表现为供电能力过剩时，即电网输入功率和分布式电源输出功率大于负荷需求时，以电网调度成本最小为目标，对电网中的可转移负荷和激励负荷进行优化调度；

b、当负荷波动和分布式电源出力波动的综合表现为供电能力不足时，即电网输入功率和分布式电源输出功率小于负荷需求时，对电网中的可中断负荷和直接控制负荷进行优化调度。

3.根据权利要求2所述优化方法，其特征在于，所述情况a计算方法如下：

1)目标函数

式中：C_{demand_1}为电力过剩时电力企业调度柔性负荷支付的成本，包括可转移负荷调度成本和激励负荷调度成本两部分；T—时段数；N_TL为可转移负荷的数目；

为编号为i的可转移负荷在第t时段的负荷增加量；Δt为第t时段的持续时间；α_i,t为编号为i的可转移负荷在第t时段进行负荷转移的补偿率；N_EL为激励负荷的数目；

为编号为j的激励负荷在第t时段的负荷增加量；β_i,t为编号为j的激励负荷在第t时段进行负荷增加享受的电价折扣率；

为第t时段的基准电价；

2)约束条件

①功率平衡约束

对任意时刻，有：

式中：

—实施可转移负荷和激励负荷优化调度前、后的总负荷；

—可转移负荷的转入负荷量与转出负荷量；ΔP_EL—激励负荷的负荷增加量；

式中：P^grid为电网的输入功率；

为分布式电源输出功率之和；

为实施负荷优化调度策略后的负荷功率；ΔP^Loss′为实施负荷优化调度策略后的有功功率损耗；

②功率调整约束

式中：

分别为编号为i的可转移负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

分别为编号为j的激励负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

③可转移负荷时间约束

可转移负荷的负荷转移时段和持续时间满足可转移负荷协议的相关要求。

4.根据权利要求2所述优化方法，其特征在于，所述情况b计算方法如下：

1)目标函数

式中：C_{demand_2}为供电能力不足时电力企业调度柔性负荷支付的成本，包括可中断负荷调度成本和直接负荷控制成本两部分；N_IL为可中断负荷的数目；

为编号为i的可中断负荷在第t时段的负荷削减量；λ_i,t为编号为i的可中断负荷在第t时段进行负荷削减的补偿率；N_DL为直接控制负荷的数目；

为编号为j的直接控制负荷在第t时段的负荷削减量；γ_j,t为编号为j的直接控制负荷在第t时段进行负荷削减的补偿率；Δt为第t时段的持续时间；

为第t时段的基准电价；

2)约束条件

①功率平衡约束

对任意时刻，有：

式中：

为实施可中断负荷和直接控制负荷优化调度前、后的总负荷；ΔP^IL—可中断负荷的负荷削减量；ΔP^DL—直接控制负荷的负荷削减量；

式中：P^grid为电网的输入功率；

为分布式电源输出功率之和；

为实施负荷优化调度策略后的负荷功率；ΔP^Loss″为实施负荷优化调度策略后的有功功率损耗；

②功率调整约束

式中：

分别为编号为i的可中断负荷在第t时段的负荷削减量的下限和上限；

分别为编号为j的直接控制负荷在第t时段的负荷响应量的下限和上限；

③负荷中断时间约束

可中断负荷的负荷中断时段和持续时间满足可中断负荷协议的相关要求。

5.根据权利要求4所述优化方法，其特征在于，所述直接控制负荷是指电力企业在系统高峰负荷时段利用电力监控和电力信号切断所需控制负荷与系统的联系。

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