CN110705098B - 一种原动机及其调速系统模型在线校核方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原动机及其调速系统模型在线校核方法及系统，包括以下步骤：获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据；获取被校核的原动机及其调速系统的实测模型；将采集的实时运行数据与实测模型的输出结果进行校核，得到原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果；获取被校核的原动机及其调速系统的计算模型，将计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核，得到被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间的双模型校核结果。本发明可以综合判断实际运行的原动机及其调速系统、实测模型、计算模型是否发生异常并定位异常位置。

Description

一种原动机及其调速系统模型在线校核方法及系统

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种原动机及其调速系统模型在线校核方法及系统。

背景技术

原动机及其调速系统作为电厂的核心设备，保证了发电机组向电网提供稳定、持续的电能。发电机的一次调频是确保电网稳定运行的重要措施。但由于设备异常、设备参数修改、机组老化等原因，原动机及其调速系统的性能会发生变化，导致发电机的一次调频能力不足，在电网大扰动时提供的频率稳定贡献度降低，严重威胁电网的安全稳定运行。

电力系统分析中，原动机及其调速系统计算模型的准确性对于电网稳定计算、事故分析具有重要影响。实际生产中，原动机及其调速系统性能的变化会导致仿真与实际产生较大偏差，使得仿真计算不能还原故障时刻的真实情况。因此，实时监测原动机及其调速系统模型显得至关重要。

目前，对发电机及其调速系统的管理主要通过涉网试验等离线手段，缺乏持续监测、在线校核的手段和技术。

目前公开的资料中，公开号为CN 108321794A、CN 102146812A、CN 105912779A、CN103032110A的专利都涉及到了原动机及其调速系统模型，但重点在于模型参数的辨识，不涉及模型校核；公开号为CN 101446807A的专利提出了一种火电厂调速系统仿真模型的实现方法，侧重于仿真模拟，与模型校核无关；公开号为CN 208587252U的专利提出了一种水轮机调速器在线监测与自诊断系统，侧重于系统组成的描述和运行状态的监测，不涉及模型校核。论文《汽轮机调节系统模型仿真校核技术》开发了一套用于汽轮机及其调节系统模型参数的仿真校核软件，属于离线校核，不涉及模型在线校核。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的不足，提出一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，解决现有技术中原动机及其调速系统模型不能持续监测的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，包括以下步骤：

获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据；

获取被校核的原动机及其调速系统的实测模型；将实时运行数据中相应数据输入到实测模型中得到实测模型的输出结果；然后再对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核，得到原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果；

获取被校核的原动机及其调速系统的计算模型，将实时运行数据中相应数据输入到计算模型中得到计算模型的输出结果；然后再对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核，得到被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间的双模型校核结果。

进一步的，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机，所述原动机的调速系统包括调速器和执行机构两部分。

进一步的，对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

将采集的实时运行数据中相应模型输出数据与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核1类告警信号。

进一步的，对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核2类告警信号。

进一步的，还包括步骤：根据原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果和计算模型与实测模型之间的双模型校核结果，综合判断实际运行的原动机及其调速系统、实测模型、计算模型是否发生异常并定位异常位置。

进一步的，综合判断过程为：若发出1类告警，不发出2类告警时，检修时着重检查实际运行原动机及其调速系统对应环节；

当发出2类告警，不发出1类告警时，则重点检查计算模型对应环节的模型与参数；

当1类告警和2类告警同时发出时，则实际运行系统、实测模型、计算模型的对应环节均要检查。

相应的，本发明还提供了一种原动机及其调速系统模型在线校核系统，其特征是，包括数据获取模块、实测模型校核模块和双模型校核模块；其中：

数据获取模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据；

实测模型校核模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统的实测模型；将实时运行数据中相应数据输入到实测模型中得到实测模型的输出结果；然后再对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核，得到原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果；

双模型校核模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统的计算模型，将实时运行数据中相应数据输入到计算模型中得到计算模型的输出结果；然后再对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核，得到被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间的双模型校核结果。

进一步的，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机，所述原动机的调速系统包括调速器和执行机构两部分。

进一步的，实测模型校核模块中，对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

将采集的实时运行数据中相应模型输出数据与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核1类告警信号。

进一步的，双模型校核模块中，对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核2类告警信号。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)原动机及其调速系统的实时运行数据和关键控制参数通常都是离线获取，目前还没有在线获取的手段，本发明可以在线获取原动机及其调速系统的实时运行数据和关键控制参数，数据的获取与调用更加方便。

(2)模型的计算不是采用仿真软件或者其他离线方式，而是采用后台在线计算的方式，可实现原动机及其调速系统的持续跟踪。

(3)通过原动机及其调速系统实测模型与计算模型的双模型校核，有利于缓解实际使用中实测模型与计算模型不一致的矛盾。

附图说明

图1是本发明实施例的机组调节系统模型；

图2是本发明实施例的执行机构原理示意图；

图3是本发明实施例的原动机模型示意图；

图4是本发明实施例的原动机及其调速系统模型在线校核示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，包括以下步骤：

步骤(1)获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据和关键控制参数。

原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机，所述原动机的调速系统包括调速器和执行机构两部分。

在原动机及其调速系统附近设置采集装置，采集装置可以单独立屏也可以放在其他屏柜中。水轮机的调速器与执行机构配置有对外通讯接口卡，采集装置与该通讯接口卡之间通过Modbus TCP协议和Modbus RTU协议通讯，从而获取运行数据与关键控制参数。汽轮机和燃气轮机实时运行数据和关键控制参数可以通过通讯方式或者信号直采的方式获取。

原动机及其调速系统实时运行数据是指：

a、汽轮机包括：功率、转速(差)、压力、阀位指令、调门开度指令、调门开度、流量、一次调频动作等；

b、水轮机包括：功率、转速(差)、开度给定、水位、导叶开度、一次调频动作等；

c、燃气轮机包括：功率、转速(差)、燃气压力、燃料指令、IGV开度、燃料阀开度反馈等。

实时运行数据中包括模型的输入量和模型的输出量，输入量用来模型计算，输出量用来校核。

原动机及其调速系统的关键控制参数是指：

a、汽轮机包括：汽机主控PID参数、执行机构PID倍数、死区限值、输出限值等；

b、水轮机包括：调节系统PID参数、副环PID增益、永态差值系数、开度限值等；

c、燃气轮机包括：PID倍数、积分限幅值、输出限幅值、频差限幅等。

关键控制参数是实测模型中的用到的参数。

步骤(2)采集装置将采集到的实时运行数据和关键控制参数实时上送至监测后台。

采集装置将采集的实时运行数据和关键控制参数，通过光纤通讯方式送至监测后台。光纤通讯速率分为2个等级：高速率和低速率，实时运行数据上送采用高速率，速率不低于10Hz，关键控制参数上送采用低速率，速率不低于1Hz。采集装置将运行数据与关键控制参数分开传输，以保证运行数据的实时性。

步骤(3)监测后台中设置被校核的原动机及其调速系统的实测模型，模型参数可修改。

原动机模型是指能够模拟原动机输入和输出关系的数学模型，调速器模型是指能够模拟调速器输入和输出关系的数学模型，执行机构模型是指能够模拟执行机构输入和输出关系的数学模型。原动机及其调速系统模型是原动机模型、调速器模型、执行机构模型的总称。

实测模型是指参照制造厂给的资料进行模型和参数实测后得到的实际模型，原动机及其调速系统的实测模型包括原动机实测模型、调速器实测模型、执行机构实测模型3部分；模型中的参数可以是手动输入，也可以是根据采集的关键控制参数自动更新。

调速器、执行机构和原动机的实测模型如图1、图2、图3所示。

图1(a)为一种汽轮机或燃气轮机的调速器模型，输入为转速差Δw、机械功率P_M1、电磁功率P_E，输出为开度给定P_CV，P_REF为功率参考值，T₁为转速测量环节时间常数，T_R为功率反馈信号对应的一阶惯性环节时间常数，ε为转速偏差死区，K为转速偏差放大倍数，K_P为比例环节倍数，K_D为微分环节倍数，K_I为PID环节倍数，K₂为负荷控制前馈系数，TW_delay为频率信号放大后的纯延迟时间，TW2-PID_delay为频率信号放大后输入PID的纯延迟时间，DP_UP为频率信号放大后输入PID信号的上升速率限制，DP_DOWN为频率信号放大后输入PID信号的下降速率限制。

图1(b)为一种水轮机的调速器模型，输入为测量的机组频率f，输出为调节器对执行机构的控制量y_PID，C_f为频率参考值、C_y为开度参考值、E_f为频率死区参数、K_P为比例增益系数、K_D为微分增益系数、K_I为积分增益系数、T₁为微分环节时间常数、bp为永态转差系数。

图2为一种执行机构模型，汽轮机、水轮机、燃气轮机的执行机构模型基本类似，以此模型为例说明。输入Pcv为开度给定值，输出P_GV为计算开度值，K_p为比例增益系数，K_I为积分增益系数，K_D为微分增益系数，INT_MAX为积分限幅最大值，INT_MIN为积分限幅最小值，VEL_OPEN为过速开启系数，VEL_CLOSE为过速关闭系数，T_O为油动机开启时间常数，T_C为油动机关闭时间常数，P_MAX为最大原动机输出功率，P_MIN为最小原动机输出功率。

图3(a)为一种汽轮机模型，输入P_GV为开度值，P_M为机械功率，T_CH为蒸汽容积时间常数。

图3(b)为水轮机模型，输入P_GV为开度值，P_M为机械功率，T_W为水流惯性时间常数。

图3(c)为燃气轮机模型，输入P_GV为开度值，P_M为机械功率，T_GAS为压气机时间常数。

步骤(4)监测后台将获取的实时运行数据中的相关数据输入到原动机及其调速系统模型中，并实时计算输出各模型的结果。

实时运行数据中包括模型的输入量和模型的输出量，输入量用来模型计算，输出量用来校核。将步骤(2)上送的实时运行数据中的与各模型输入对应的量作为模型的输入，监测后台根据图1，图2，图3实现各实测模型的计算，得到各模型的输出。模型的输入与输出固定周期刷新，刷新期不低于采集装置上送实时运行数据的最快周期。模型参数中的关键控制参数依据采集装置上送的参数值修改，其他参数(例如水流惯性时间常数、开启和关闭时间常数等)根据机组建模报告或其他文件资料中的参数值修改(建模报告中有试验辨识得到的模型实际参数)。

以水轮机为例说明监测后台如何计算，汽轮机和燃气轮机与之类似。将上送的实时运行数据中转速f、开度参考值C_y作为调速器模型的实时输入，计算得到执行机构的控制量y_PID；将上送的实时运行数据中开度指令P_CV作为执行机构模型的实时输入，计算得到导叶开度计算值P_GV；将上送的实时运行数据中的导叶开度值P_GV作为原动机模型的实时输入，计算得到机械功率(原动机模型的输出)计算值P_M。

监测后台对实时运行数据和实测模型输出结果进行录波。

步骤(5)监测后台将实测模型计算结果与采集的相应的实时运行数据比较，以校核实测模型与实际运行的原动机及其调速系统是否一致；当满足告警条件时，发出告警信号。

监测后台模型校核原理示意图如图4所示，将实际开度指令测量值与模型输出开度指令值(例如，火电机组和燃机机组调速器模型中的P_CV，水轮机调速器模型中的y_PID)进行对比，可以是作差计算也可以是进行二者的相似度计算，当计算值超过阈值Th1时，系统发出调速器模型校核1类告警信号；

将实际导叶开度测量值与执行机构模型输出导叶开度值进行对比，可以是作差计算也可以是进行二者的相似度计算，当计算值超过阈值Th2时，系统发出执行机构模型校核1类告警信号；

将实际功率值与原动机模型输出的机械功率值进行对比，可以是作差计算也可以是进行二者的相似度计算，当计算值超过阈值Th3时，系统发出水轮机模型校核1类告警信号。

发出1类告警信号说明实测模型与实际运行的原动机及其调速系统之间存在较大偏差。

上述所说的作差可以是瞬时值作差，也可以是滤波等其他方式数据处理后作差；告警阈值可修改，告警阈值可设置多个，对应不同程度的告警。

步骤(6)将被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间进行双模型校核。

计算模型是指用于电力系统稳定计算的模型，包括相应的调速器模型、执行架构模型、原动机模型。

双模型校核是指：

在计算模型的调速器模型、执行架构模型、原动机模型输入实测值，得到各模型输出的结果；

并将输出结果与实测模型输出结果进行实时比较，计算和比较的方法和步骤(4)(5)中类似；

当计算模型与实测模型校核结果超过告警阈值时，发出2类告警信号；发出2类告警信号说明计算模型与实测模型之间存在较大偏差。

同时，监测后台对计算模型输出结果进行录波。

步骤(7)综合判断实际运行的原动机及其调速系统、实测模型、计算模型是否发生异常并定位异常位置。

综合判断是指：在实时运行数据采集正确的前提下，若发出1类告警，不发出2类告警时，可以较为明确地定位是实际系统的哪个环节产生了异常，检修时着重检查实际运行原动机及其调速系统对应环节；

当发出2类告警，不发出1类告警时，则说明当前工况下，计算模型存在一定程度的失真，重点检查计算模型对应环节的模型与参数，需要优化模型和参数；

当1类告警和2类告警同时发出时，则实际运行系统、实测模型、计算模型的对应环节均要检查。

步骤(8)实际运行的原动机及其调速系统、实测模型、计算模型重新在线校核或离线校核。

异常修复后，实际系统需要等到机组运行后才能校核；实测模型和计算模型可以利用之前告警时刻的录波数据直接进行离线校核，能够较快的检查模型参数优化的效果。

本发明的有益效果为：

(1)实时在线校核原动机及其调速系统模型，能够及时发现系统存在的缺陷与问题，有利于电网的安全稳定，也有利于设备的维护。

(2)通过原动机及其调速系统实测模型与计算模型的双模型校核，给电力系统分析中模型与参数的优化提供了参考，有利于提高仿真模型精度。

相应的，本发明还提供了一种原动机及其调速系统模型在线校核系统，其特征是，包括数据获取模块、实测模型校核模块和双模型校核模块；其中：

数据获取模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据；

实测模型校核模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统的实测模型；将实时运行数据中相应数据输入到实测模型中得到实测模型的输出结果；然后再对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核，得到原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果；

双模型校核模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统的计算模型，将实时运行数据中相应数据输入到计算模型中得到计算模型的输出结果；然后再对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核，得到被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间的双模型校核结果。

进一步的，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机，所述原动机的调速系统包括调速器和执行机构两部分。

进一步的，实测模型校核模块中，对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

将采集的实时运行数据中相应模型输出数据与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核1类告警信号。

进一步的，双模型校核模块中，对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核2类告警信号。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，包括以下步骤：

获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据和关键控制参数；

获取被校核的原动机及其调速系统的实测模型；将实时运行数据中相应数据输入到实测模型中得到实测模型的输出结果；然后再对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核，得到原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果；

获取被校核的原动机及其调速系统的计算模型，将实时运行数据中相应数据输入到计算模型中得到计算模型的输出结果；然后再对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核，得到被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间的双模型校核结果；

其中，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机；

所述实时运行数据包括：

汽轮机的功率、转速、压力、阀位指令、调门开度指令、调门开度、流量、一次调频动作；

水轮机的功率、转速、开度给定、水位、导叶开度、一次调频动作；

燃气轮机的功率、转速、燃气压力、燃料指令、IGV开度、燃料阀开度反馈；

所述关键控制参数包括：

汽轮机的汽机主控PID参数、执行机构PID倍数、死区限值、输出限值；

水轮机的调节系统PID参数、副环PID增益、永态差值系数、开度限值；

燃气轮机的PID倍数、积分限幅值、输出限幅值、频差限幅。

2.根据权利要求1所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机，所述原动机的调速系统包括调速器和执行机构两部分。

3.根据权利要求1所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

将采集的实时运行数据中相应模型输出数据与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核1类告警信号。

4.根据权利要求3所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核2类告警信号。

5.根据权利要求4所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，还包括步骤：根据原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果和计算模型与实测模型之间的双模型校核结果，综合判断实际运行的原动机及其调速系统、实测模型、计算模型是否发生异常并定位异常位置。

6.根据权利要求5所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核方法，其特征是，综合判断过程为：若发出1类告警，不发出2类告警时，检修时着重检查实际运行原动机及其调速系统对应环节；

当发出2类告警，不发出1类告警时，则重点检查计算模型对应环节的模型与参数；

当1类告警和2类告警同时发出时，则实际运行系统、实测模型、计算模型的对应环节均要检查。

7.一种原动机及其调速系统模型在线校核系统，其特征是，包括数据获取模块、实测模型校核模块和双模型校核模块；其中：

数据获取模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统实时运行数据和关键控制参数；

实测模型校核模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统的实测模型；将实时运行数据中相应数据输入到实测模型中得到实测模型的输出结果；然后再对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核，得到原动机及其调速系统与其实测模型的校核结果；

双模型校核模块，用于获取被校核的原动机及其调速系统的计算模型，将实时运行数据中相应数据输入到计算模型中得到计算模型的输出结果；然后再对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核，得到被校核的原动机及其调速系统的计算模型与实测模型之间的双模型校核结果；

其中，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机；

所述实时运行数据包括：

汽轮机的功率、转速、压力、阀位指令、调门开度指令、调门开度、流量、一次调频动作；

水轮机的功率、转速、开度给定、水位、导叶开度、一次调频动作；

燃气轮机的功率、转速、燃气压力、燃料指令、IGV开度、燃料阀开度反馈；

所述关键控制参数包括：

汽轮机的汽机主控PID参数、执行机构PID倍数、死区限值、输出限值；

水轮机的调节系统PID参数、副环PID增益、永态差值系数、开度限值；

燃气轮机的PID倍数、积分限幅值、输出限幅值、频差限幅。

8.根据权利要求7所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核系统，其特征是，所述原动机包括汽轮机、水轮机、燃气轮机，所述原动机的调速系统包括调速器和执行机构两部分。

9.根据权利要求7所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核系统，其特征是，实测模型校核模块中，对实时运行数据中相应数据与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

将采集的实时运行数据中相应模型输出数据与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核1类告警信号。

10.根据权利要求7所述的一种原动机及其调速系统模型在线校核系统，其特征是，双模型校核模块中，对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果进行校核具体包括：

对计算模型的输出结果与实测模型的输出结果作差或者相似度计算，当计算值超过阈值时，发出校核2类告警信号。

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