CN110580577A - 基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重,让智能变电站二次系统运行质量评价体系更符合实际运行情况,能够准确反映智能变电站二次系统运行质量,按照设备指标评价、单体设备评价、子系统与二次系统运行质量评价的层次,为智能变电站二次设备状态评价、子系统状态评价、整体运行质量评价提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站运维领域,具体是一种基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法。
背景技术
目前,智能变电站二次系统运行质量评价体系多采用层次分析法,按指标体系的层次将不同方面的指标进行量化评估,指标初始权重系数为常权重系数,不会因指标数值变化而发生改变。而当二次设备的某一指标数值严重偏离正常值,即二次设备某一方面性能已经严重下降时,若该指标权重系数较小,运行质量的整体评价可能还是良好水平,可知使用常权重系数还不能准确反映二次设备真实的运行质量。
因此,需要一种对权重系数修正的方法,让智能变电站二次系统运行质量评价体系更符合实际运行情况。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明提供一种基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法。
本发明采用如下技术方案:
一种基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,包括如下步骤:
(1)根据智能变电站二次系统运行质量多层次评价指标体系,分别确定各层级评价内容;
(2)在评价指标体系及各层级评价内容确定之后,利用改进层次分析法对各层级进行分别赋权,得到各指标、各二次设备和各子系统的初始权重;
(3)在各指标初始权重确定之后,收集二次设备各指标的样本数据,再根据指标的属性选择对应的隶属度函数并计算得分,然后结合初始权重得到初始评分;
(4)根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重,最后根据修正权重得到指标的最终评分;当出现否决性指标分数异常时,采用新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型进行评分;
(5)根据各指标最终评分计算各二次设备初始评分,再根据初始评分利用变权理论修正各二次设备的权重,并计算得到各二次设备的最终评分;根据各二次设备最终评分计算各子系统初始评分,再根据初始评分利用变权理论修正各子系统的权重,并计算得到各子系统的最终评分;最后,根据各子系统的最终评分计算得到智能变电站二次系统运行质量总体评价得分。
进一步的,步骤(1)中多层次评价指标体系各层级评价内容具体为:
第一层:从出厂质量指标、运行环境指标、运行性能指标、历史运行指标、运行管理情况五个方面评价具体指标;
第二层:根据各子系统包含的二次设备情况,分别评价各二次设备;
第三层:对电能计量系统、时间同步系统、通信系统、继电保护系统、故障录波系统、测控系统与监控系统七个子系统进行评价;
第四层:对智能变电站二次系统运行质量进行总体评价。
进一步的,所述步骤(2)改进层次分析法包括建立判断矩阵、求最优传递矩阵、求判断矩阵的拟优一致矩阵和权重向量求解,具体计算步骤如下:
1)建立判断矩阵:依据九标度法,结合专家打分法,可由每一位专家给出一个判断矩阵,考虑邀请的专家经验不同,可能会出现个别专家与其他专家意见分歧比较大的情况,为了保证结果的准确性,需要将判断矩阵元素的离散度控制在一定范围内。各专家判断矩阵的元素离散度偏差计算方式如下:
①对所有判断矩阵中的相应的矩阵元素求平均值得到均值矩阵;
②将所有判断矩阵中各元素值分别与均值矩阵中的对应均值元素进行比较,若偏离程度超过阈值,则认为专家意见离散度过大,此时,应将判断矩阵元素离散情况反馈给专家,再组织一次专家讨论打分,得到新的判断矩阵组,求均值矩阵,重新判断元素的离散程度,如此循环,直到满足离散度的要求为止;
③若各专家判断矩阵元素的离散度偏差在阈值以内,则得到最终的判断矩阵,判断矩阵A如式(5-2)所示:
aij为第i个指标与第j个指标重要性的比较结果,m为指标个数;
2)求最优传递矩阵:按照式(5-3)求解最优传递矩阵L,其各元素为:
3)求判断矩阵的拟优一致矩阵:按照式(5-4)求判断矩阵A的拟优一致矩阵A*,其各元素为:
4)权重向量求解:得到拟优一致矩阵后,求解拟优一致矩阵的最大特征值及对应的特征向量,特征向量为各指标对应的初始权重;
求矩阵A*最大特征值对应的特征向量W*,经归一化处理后,即可得到表征各指标相对重要性的权重向量W=(w1,w2,…,wm), wi(i=1,2,…,m)即为第i个指标的初始权重系数,归一化公式为:
进一步的,所述步骤(4)中根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重具体为:
在二次设备运行质量评价中,需要考虑指标间均衡性的问题,引入均衡函数B(x1,x2,…,xm):
式中:xi为第i个评价指标的得分,α为乐观系数,0≤α≤1,当对指标的均衡程度要求不高时,取α>0.5;当排除某些指标的严重缺陷时,取α<0.5;当α=1时,等同于常权重模式;
由该均衡函数诱导得到的变权公式如下:
式中:m为评价指标个数,xi为第i个评价指标的值,为第i 个指标的初始权重系数,wi(x1,x2,…,xm)为第i个指标的变权重系数,α同上。
进一步的,所述步骤(4)中当出现否决性指标分数异常时,采用新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型进行评分,具体为:
当否决性指标处于异常状态时将引发二次系统运行质量严重下降,针对这一特性,在加权平均模型的基础上,引入无穷大算子,建立新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型为:
式中:m为非否决性指标个数,xi为第i个非否决性指标的值, wi为第i个非否决性指标的权重系数,n为处于异常状态的否决性指标个数,g为无穷大数,在这个数学模型中,无须计算否决性指标权重系数和指标得分;
应用所建立的数学模型f(x)按照设备指标层、二次设备层、子系统层、智能变电站二次系统运行质量评价层的顺序逐层计算,最终可得到二次系统运行质量的评分值。
本发明根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重,让智能变电站二次系统运行质量评价体系更符合实际运行情况,能够准确反映智能变电站二次系统运行质量,按照设备指标评价、单体设备评价、子系统与二次系统运行质量评价的层次,为智能变电站二次设备状态评价、子系统状态评价、整体运行质量评价提供科学依据。
附图说明
图1是本发明智能变电站二次系统运行质量多层次评价指标体系示意图;
图2是本发明基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法的流程图;
图3是本发明中改进层次分析法初始权重计算流程图;
图4是本发明中指标初始评分计算流程图;
图5是本发明中二次设备与二次系统最终评分计算流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图2所示,本发明实施例提供一种基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,具体实施步骤如下:
(1)根据智能变电站二次系统运行质量多层次评价指标体系(如图1所示),分别确定各层级评价内容:
第一层:从出厂质量指标、运行环境指标、运行性能指标、历史运行指标、运行管理情况五个方面评价具体指标;
第二层:根据各子系统包含的二次设备情况,分别评价各二次设备;
第三层:对电能计量系统、时间同步系统、通信系统、继电保护系统、故障录波系统、测控系统与监控系统七个子系统进行评价;
第四层:对智能变电站二次系统运行质量进行总体评价;
(2)在评价指标体系及各层级评价内容确定之后,利用改进层次分析法对各层级进行分别赋权,得到各指标、各二次设备和各子系统的初始权重;
在评价指标体系及各层级评价内容确定之后,利用改进层次分析法计算各层级的初始权重,如图3所示,改进层次分析法包括建立判断矩阵、求最优传递矩阵、求判断矩阵的拟优一致矩阵和权重向量求解。具体计算步骤如下:
1)建立判断矩阵。依据九标度法,结合专家打分法,可由每一位专家给出一个判断矩阵,考虑邀请的专家经验不同,可能会出现个别专家与其他专家意见分歧比较大的情况,为了保证结果的准确性,需要将判断矩阵元素的离散度控制在一定范围内。各专家判断矩阵的元素离散度偏差计算方式如下:
①对所有判断矩阵中的相应的矩阵元素求平均值得到均值矩阵;
②将所有判断矩阵中各元素值分别与均值矩阵中的对应均值元素进行比较,若偏离程度超过阈值(本文中设定为50%),则认为专家意见离散度过大。此时,应将判断矩阵元素离散情况反馈给专家,再组织一次专家讨论打分,得到新的判断矩阵组,求均值矩阵,重新判断元素的离散程度,如此循环,直到满足离散度的要求为止。
③若各专家判断矩阵元素的离散度偏差在阈值以内,则得到最终的判断矩阵。判断矩阵A如式(5-2)所示。
aij为第i个指标与第j个指标重要性的比较结果,m为指标个数。
2)求最优传递矩阵。按照式(5-3)求解最优传递矩阵L,其各元素为:
3)求判断矩阵的拟优一致矩阵。按照式(5-4)求判断矩阵A的拟优一致矩阵A*,其各元素为:
4)权重向量求解。得到拟优一致矩阵后,求解拟优一致矩阵的最大特征值及对应的特征向量,特征向量为各指标对应的初始权重。
求矩阵A*最大特征值对应的特征向量W*,经归一化处理后,即可得到表征各指标相对重要性的权重向量W=(w1,w2,…,wm), wi(i=1,2,…,m)即为第i个指标的初始权重系数。归一化公式为:
(3)在各指标初始权重确定之后,收集二次设备各指标的样本数据,再根据指标的属性选择对应的隶属度函数并计算得分,然后结合初始权重得到初始评分,如图4所示;
(4)根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重,最后根据修正权重得到指标的最终评分;当出现否决性指标分数异常时,采用新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型进行评分;
当各个指标均可以表征二次设备某一方面的运行质量时,某一指标评分明显较其他指标偏低,能够根据变权公式自动修正该指标的权重系数,评分越低则表示运行质量越严重,其变权重系数就越大,二次设备运行质量整体评分也越低,更符合实际运行情况。
基于层次分析法的智能变电站二次系统运行质量评价的目标函数见下式(5-1),当权重结果和评分结果都确定之后,将其代入到目标函数中,通过目标函数进行求解,分别得到二次设备运行状态评分、子系统运行状态评分和二次系统运行质量评分,三类评分均采用相同的目标函数。
其中,wi表示各指标权重;μi(x)表示各指标的评分值,当μi(x) 为设备指标评分时,表示的是二次设备运行状态评价结果;当μi(x)为二次设备评分时,表示的是子系统运行状态评价结果;当μi(x)为子系统评分时,表示的是二次系统运行质量评价结果。最终函数值是一个介于0到100之间的数值,其值越大,说明该评价对象评价结果越好。
其中,根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重,其具体步骤如下:
在二次设备运行质量评价中,需要考虑指标间均衡性的问题,引入均衡函数B(x1,x2,…,xm):
式中:xi为第i个评价指标的得分,α为乐观系数,0≤α≤1,当对指标的均衡程度要求不高时,取α>0.5;当排除某些指标的严重缺陷时,取α<0.5;当α=1时,等同于常权重模式。
由该均衡函数诱导得到的变权公式如下:
式中:m为评价指标个数,xi为第i个评价指标的值,为第i 个指标的初始权重系数,wi(x1,x2,…,xm)为第i个指标的变权重系数,α同上。
否决性指标为可引起智能变电站二次系统运行质量严重下降的指标。智能变电站二次设备大多具有自检能力,如差流越限告警、失步告警、对时异常告警等。一旦开关型自检信息异常,可判断运行质量处于严重状态,因此可认为开关型自检信息为否决性指标。否决性指标,意即对评价对象的整体质量具有决定性影响的一类指标。当该类指标发生劣化时,会严重影响评价对象的整体质量。
当否决性指标处于异常状态时将引发二次系统运行质量严重下降,针对这一特性,在加权平均模型的基础上,引入无穷大算子,建立新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型为:
式中:m为非否决性指标个数,xi为第i个非否决性指标的值, wi为第i个非否决性指标的权重系数,n为处于异常状态的否决性指标个数,g为无穷大数。在这个数学模型中,无须计算否决性指标权重系数和指标得分。
应用所建立的数学模型f(x)按照设备指标层、二次设备层、子系统层、智能变电站二次系统运行质量评价层的顺序逐层计算,最终可得到二次系统运行质量的评分值。
(5)根据各指标最终评分计算各二次设备初始评分,再根据初始评分利用变权理论修正各二次设备的权重,并计算得到各二次设备的最终评分;根据各二次设备最终评分计算各子系统初始评分,再根据初始评分利用变权理论修正各子系统的权重,并计算得到各子系统的最终评分;最后,根据各子系统的最终评分计算得到智能变电站二次系统运行质量总体评价得分,如图5所示。
其中隶属度函数选用模糊综合评价法中的隶属度函数,利用隶属度函数计算各指标得分。模糊数学中,一个实测值属于某一级别的程度称为隶属度,隶属度的值介于0到1之间。隶属度越接近1,则该指标值隶属于某一级别的程度就越大。模糊化过程就是将各状态信息转换成隶属度的过程。根据各指标的重要性级别(I、II、III)与劣化情况(单向、双向),需要选择2*3=6种类型的隶属度函数模型进行表征。
基于层次分析法的评价实例:
为对上述评价指标体系、评价模型等进行说明,此处选取某智能变电站二次系统通信系统作为评价对象开展分析。
(1)建立评价指标体系
根据相关参考标准,建立通信系统的评价指标体系。结合实际测量数据,得到通信系统的指标数据值表,如下所示:
表1-1通信系统指标数据值
“出厂质量指标”与“运行管理情况”未收集到足够的数据和专家意见,此处两类指标不再计入评价。
(2)确定初始权重系数及计算各指标评分
利用改进层次分析法和变权理论,根据式(5-2)、式(5-3)、式(5-4)、式(5-5)、式(5-12)、式(5-13)计算通信系统准则层权重W和各指标层指标权重w,并利用六类隶属度函数计算各指标评分值sinx。
以“运行环境指标”下级指标为例,首先利用九标度法进行指标比较,认为三者重要性相当,因而形成判断矩阵如下式所示:
再利用式(5-3)计算其最优传递矩阵L,得:
故根据式(5-4),拟优一致矩阵A*为:
利用式(5-5)可得,三个指标归一化后的权重向量为:
W=[1/3 1/3 1/3]
再根据式(5-12)、式(5-13)以及指标实测数据对初始权重进行修正。由于此时三个指标实测数据均较正常,因而取α=1,即变权后的权重与初始权重值相同。
由于“环境温度”、“直流电源偏差”指标对应于类型六的隶属度函数,“日均相对湿度”对应于类型五的隶属度函数,因此分别代入相应的隶属度函数中进行计算,即可得到各自的指标状态等级为:(0,0.78, 0.22,0)、(0,0.74,0.26,0)与(1,0,0,0),而后与对应的权重相乘,即得到指标评分。
所有指标的计算结果如下所示:
表1-2通信系统指标计算结果值
由于该通信系统运行时间不足200000h,且未有故障记录,因此认为其MTBF状态等级为(1,0,0,0)。
其中,指标评分值以“环境温度”指标为例,根据其权重、上级权重、指标状态等级,可得其指标评分为:0.116*0.334* (0.78*66.7+0.22*33.3)=2.2995。其他指标计算过程相同。
(3)计算总体评分
由于没有处于异常状态的否决性指标,因此根据子系统总评分计算公式(5-1),可知该通信运行质量总评分为:
2.2995+2.2410+3.8628+8.7506+1.9123+21.5171+5.2440+4.1646*3 +9.7405+6.2440+6.0214=80.327分。
以某220kV智能变电站为例,应用本项目提出的评价体系对智能变电站的二次系统运行质量进行评价,以验证该评价指标体系、评价模型以及评价流程在实际工程应用中的可行性、有效性、可操作性和实用性。
本次评价的二次设备包括智能终端、合并单元、继电保护装置等。
选取某间隔的继电保护装置进行基于变权理论的智能变电站继电保护装置运行质量评价。记录该装置在一个评价周期内各指标数据,如下表所示。
表1-3继电保护装置指标数据
(1)确定指标的初始权重系数
采用前述改进层次分析法计算准则层和各准则层下的指标层的非否决性指标初始权重系数,结果如下:
{历史运行状况w11,实时运行状况w12,巡检状况w13}={0.16, 0.54,0.30}
{运行时间w111,平均正确动作率w112,缺陷情况w113}={0.12, 0.56.0,32}
{运行温度w122,运行湿度w123,装置工作电压w124,光纤接口光强w125,CPU负荷率w126}={0.10,0.11,0.18,0.29,0.32}
{定期检修情况w131,功能巡检情况w132}={0.67,0.33}
(2)指标评分
根据对应指标情况选择确定的隶属度函数,对指标层的非否决性指标进行评分,其结果如下:
{运行时间x111,平均正确动作率x112,缺陷情况x113}={85, 90,70}
{运行温度x122,运行湿度x123,装置工作电压x124,光纤接口光强x125,CPU负荷率x126}={95,100,30,92,85}
{定期检修情况x131,功能巡检情况x132}={90,60}
否决性指标为正常状态。
(3)计算指标的变权重系数
将上述得到的指标层的指标初始权重系数和指标得分带入式(5-10)计算指标层指标的变权重系数,取α=0,结果如下:
{运行时间w111,平均正确动作率w112,家族型缺陷 w113}={0.12,0.51.0,37}
{运行温度w122,运行湿度w123,装置工作电压w124,光纤接口光强w125,CPU负荷率w126}={0.07,0.07,0.40,0.21,0.25}
{定期检修情况w131,功能巡检情况w132}={0.58,0.42}
(4)评价得分
将指标层的指标变权重系数和指标得分带入式(5-12)计算准则层指标的得分,结果如下:
{历史运行状况x11,实时运行状况x12,巡检状况x13}={82.00, 66.22,77.4}
将准则层指标的初始权重系数和得分带入式(5-10)计算准则层指标的变权重系数,结果如下:
{历史运行状况w11,实时运行状况w12,巡检状况w13}={0.14, 0.58,0.28}
将准则层的指标变权重系数和指标得分带入式(5-12)计算目标层即继电保护装置运行质量的得分,结果为71.56分。
根据最终评分情况判断智能变电站二次设备的运行质量。按照百分制,智能变电站二次设备运行质量与最终评分关系如下表所示:
表1-4智能变电站二次设备运行质量与最终评分关系表
最终评分 | 85~100 | 75~84 | 67-74 | 60-66 | <60 |
运行质量 | 良好 | 轻度劣化 | 中度劣化 | 重度劣化 | 故障 |
Claims (5)
1.一种基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)根据智能变电站二次系统运行质量多层次评价指标体系,分别确定各层级评价内容;
(2)在评价指标体系及各层级评价内容确定之后,利用改进层次分析法对各层级进行分别赋权,得到各指标、各二次设备和各子系统的初始权重;
(3)在各指标初始权重确定之后,收集二次设备各指标的样本数据,再根据指标的属性选择对应的隶属度函数并计算得分,然后结合初始权重得到初始评分;
(4)根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重,最后根据修正权重得到指标的最终评分;当出现否决性指标分数异常时,采用新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型进行评分;
(5)根据各指标最终评分计算各二次设备初始评分,再根据初始评分利用变权理论修正各二次设备的权重,并计算得到各二次设备的最终评分;根据各二次设备最终评分计算各子系统初始评分,再根据初始评分利用变权理论修正各子系统的权重,并计算得到各子系统的最终评分;最后,根据各子系统的最终评分计算得到智能变电站二次系统运行质量总体评价得分。
2.如权利要求1所述的基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,其特征在于:步骤(1)中多层次评价指标体系各层级评价内容具体为:
第一层:从出厂质量指标、运行环境指标、运行性能指标、历史运行指标、运行管理情况五个方面评价具体指标;
第二层:根据各子系统包含的二次设备情况,分别评价各二次设备;
第三层:对电能计量系统、时间同步系统、通信系统、继电保护系统、故障录波系统、测控系统与监控系统七个子系统进行评价;
第四层:对智能变电站二次系统运行质量进行总体评价。
3.如权利要求1所述的基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,其特征在于:所述步骤(2)改进层次分析法包括建立判断矩阵、求最优传递矩阵、求判断矩阵的拟优一致矩阵和权重向量求解,具体计算步骤如下:
1)建立判断矩阵:依据九标度法,结合专家打分法,可由每一位专家给出一个判断矩阵,考虑邀请的专家经验不同,可能会出现个别专家与其他专家意见分歧比较大的情况,为了保证结果的准确性,需要将判断矩阵元素的离散度控制在一定范围内。各专家判断矩阵的元素离散度偏差计算方式如下:
①对所有判断矩阵中的相应的矩阵元素求平均值得到均值矩阵;
②将所有判断矩阵中各元素值分别与均值矩阵中的对应均值元素进行比较,若偏离程度超过阈值,则认为专家意见离散度过大,此时,应将判断矩阵元素离散情况反馈给专家,再组织一次专家讨论打分,得到新的判断矩阵组,求均值矩阵,重新判断元素的离散程度,如此循环,直到满足离散度的要求为止;
③若各专家判断矩阵元素的离散度偏差在阈值以内,则得到最终的判断矩阵,判断矩阵A如式(5-2)所示:
aij为第i个指标与第j个指标重要性的比较结果,m为指标个数;
2)求最优传递矩阵:按照式(5-3)求解最优传递矩阵L,其各元素为:
3)求判断矩阵的拟优一致矩阵:按照式(5-4)求判断矩阵A的拟优一致矩阵A*,其各元素为:
4)权重向量求解:得到拟优一致矩阵后,求解拟优一致矩阵的最大特征值及对应的特征向量,特征向量为各指标对应的初始权重;
求矩阵A*最大特征值对应的特征向量W*,经归一化处理后,即可得到表征各指标相对重要性的权重向量W=(w1,w2,…,wm),wi(i=1,2,…,m)即为第i个指标的初始权重系数,归一化公式为:
4.如权利要求1所述的基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,其特征在于:所述步骤(4)中根据初始评分利用变权理论修正各指标的权重具体为:
在二次设备运行质量评价中,需要考虑指标间均衡性的问题,引入均衡函数B(x1,x2,…,xm):
式中:xi为第i个评价指标的得分,α为乐观系数,0≤α≤1,当对指标的均衡程度要求不高时,取α>0.5;当排除某些指标的严重缺陷时,取α<0.5;当α=1时,等同于常权重模式;
由该均衡函数诱导得到的变权公式如下:
式中:m为评价指标个数,xi为第i个评价指标的值,为第i个指标的初始权重系数,wi(x1,x2,…,xm)为第i个指标的变权重系数,α同上。
5.如权利要求1所述的基于权重系数修正的智能变电站二次系统运行质量多分层评价方法,其特征在于:所述步骤(4)中当出现否决性指标分数异常时,采用新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型进行评分,具体为:
当否决性指标处于异常状态时将引发二次系统运行质量严重下降,针对这一特性,在加权平均模型的基础上,引入无穷大算子,建立新的智能变电站二次系统运行质量评价的数学模型为:
式中:m为非否决性指标个数,xi为第i个非否决性指标的值,wi为第i个非否决性指标的权重系数,n为处于异常状态的否决性指标个数,g为无穷大数,在这个数学模型中,无须计算否决性指标权重系数和指标得分;
应用所建立的数学模型f(x)按照设备指标层、二次设备层、子系统层、智能变电站二次系统运行质量评价层的顺序逐层计算,最终可得到二次系统运行质量的评分值。
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