AMI數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差狀態(tài)評(píng)估方法

劉 煒，王朝亮，肖 濤，陸春光

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，浙江 杭州 311121）

0 引言

電動(dòng)汽車及其充電設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展是踐行我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要舉措。我國(guó)已將電動(dòng)汽車充電設(shè)施的建設(shè)納入國(guó)家“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”工作的核心領(lǐng)域之一，目前圍繞充電設(shè)施的裝置設(shè)計(jì)［1-2］、充電需求預(yù)測(cè)［3-5］、協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃［6-8］、有序充電及負(fù)荷調(diào)度［9-11］等方面已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究，為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)在全球市場(chǎng)的快速迅猛發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

隨著電動(dòng)汽車在全球市場(chǎng)所占份額的逐步提升，對(duì)電動(dòng)汽車充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)服務(wù)提出了更高的要求與挑戰(zhàn)，充電設(shè)施作為計(jì)量計(jì)費(fèi)器具已于2019 年被國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局納入《實(shí)施強(qiáng)制管理的計(jì)量器具目錄》，其電能計(jì)量的準(zhǔn)確、可靠以及計(jì)費(fèi)的公平、公正直接關(guān)乎廣大充電用戶的切身利益，因此需對(duì)使用中的充電設(shè)施開展強(qiáng)制檢定。目前，對(duì)充電設(shè)施的計(jì)量檢定方法主要是由專業(yè)的計(jì)量檢定人員攜帶多臺(tái)充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置，采用實(shí)負(fù)荷檢定的方式對(duì)待檢充電設(shè)施的計(jì)量性能逐一開展檢定，存在檢定損耗大、效率低、成本高等劣勢(shì)［12］。考慮到充電設(shè)施具有分布散、面廣、數(shù)量多、質(zhì)量參差不齊等特點(diǎn)，現(xiàn)有的檢定方法無(wú)法完全滿足開展周期檢定的需求，亟需探索新型技術(shù)和方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)在運(yùn)充電設(shè)施計(jì)量性能的高效監(jiān)督與管控。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)［13］提出了一種基于實(shí)時(shí)脈沖周期比較法的電動(dòng)汽車充電樁直流計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程校驗(yàn)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制和多路切換的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電動(dòng)汽車充電樁直流計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程校驗(yàn)；文獻(xiàn)［14］在分析了充電樁工作原理和計(jì)量誤差來(lái)源的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套直流充電樁遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、軟硬件結(jié)構(gòu)以及通信手段進(jìn)行了設(shè)計(jì)，檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了所開發(fā)的遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直流充電樁計(jì)量檢定的有效性；文獻(xiàn)［12］提出了一種適用于虛負(fù)荷檢定的非車載充電機(jī)檢定裝置，采用外部功率源與標(biāo)準(zhǔn)電能表一體化設(shè)計(jì)，在保障計(jì)量檢定的高準(zhǔn)確度與高可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)了檢定裝置的輕量便攜化，提高了現(xiàn)場(chǎng)檢定的工作效率；文獻(xiàn)［15］設(shè)計(jì)了一種新型交流充電樁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀，相較于傳統(tǒng)的接口電路模擬器方案，所研制的儀器可減少設(shè)備搬運(yùn)和接線，有效提升了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率；文獻(xiàn)［16］開發(fā)了一種基于LabVIEW 的便攜式直流充電樁自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能方便快捷地對(duì)直流充電樁進(jìn)行常規(guī)測(cè)試，提高了充電樁的檢測(cè)效率。

上述文獻(xiàn)從硬件裝置的角度提出了電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量規(guī)?；?、高效檢測(cè)的解決方法，在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了檢測(cè)裝置的有效性及推廣應(yīng)用的價(jià)值，但考慮到目前數(shù)量龐大并快速增長(zhǎng)的待檢在運(yùn)充電設(shè)施，單靠檢定人員攜帶檢定裝置開展現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢測(cè)，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)全部在運(yùn)電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量的性能狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估與管控。為此，本文提出了一種高級(jí)量測(cè)體系（AMI）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差狀態(tài)評(píng)估方法，根據(jù)充電站的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差模型，并利用海量充電數(shù)據(jù)，在不增加硬件改造成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)在運(yùn)充電設(shè)施計(jì)量性能的狀態(tài)評(píng)估與監(jiān)測(cè)，有效地提升了電動(dòng)汽車充電設(shè)施的智能運(yùn)維水平，確保充電設(shè)施計(jì)量的準(zhǔn)確、可靠。

1 電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差的數(shù)學(xué)模型

以目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的直流充電站為例，典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（交流充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與之相同），其呈現(xiàn)典型的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中：M∑為臺(tái)區(qū)總表；M1、M2、…、Mn為非車載充電機(jī)（下文簡(jiǎn)稱為充電機(jī)）內(nèi)部的直流計(jì)量模塊；R0、R1、…、Rn為充電站內(nèi)部的線路等效電阻；n為充電站內(nèi)的充電機(jī)數(shù)量。

圖1 典型直流充電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of typical DC charging station

根據(jù)能量守恒定律，圖1 中臺(tái)區(qū)總表接收的交流側(cè)電量等于各充電樁、站內(nèi)設(shè)備消耗的電量與線路損耗之和，據(jù)此可建立整個(gè)充電站臺(tái)區(qū)的能量守恒方程，如式（1）所示。

式中：Ii為充電機(jī)i支路上的電流；上標(biāo)“*”表示矢量的共軛。將Ii、Ij分別用各自所在支路上的有功功率和無(wú)功功率表示，則式（3）可改寫為：

式中：Pi、Qi分別為充電機(jī)i支路上的有功功率、無(wú)功功率；Ui、Uj分別為充電機(jī)i、j所在節(jié)點(diǎn)的端電壓。

1.1 AC／DC電源模塊的轉(zhuǎn)換效率

充電機(jī)內(nèi)部AC／DC 電源模塊的轉(zhuǎn)換效率在不同的充電功率下會(huì)發(fā)生變化，從而影響充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，因此需要建立不同充電功率下AC／DC 電源模塊的轉(zhuǎn)換效率模型。AC／DC電源模塊的損耗功率Pη可表示為：

式中：系數(shù)C0、C1、C2需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合方法進(jìn)行確定。

在充電機(jī)內(nèi)部安裝邊緣計(jì)算模塊（其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖如附錄A 圖A1 所示），將充電樁正常充電過(guò)程中AC／DC 電源模塊交流側(cè)和直流側(cè)采集到的電壓、電流、功率等關(guān)鍵電氣量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，得到電壓、電流、功率-時(shí)間曲線以及輸入、輸出端總功率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其中交流側(cè)電壓互感器、電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.2、1.0 級(jí)，直流側(cè)電壓互感器、電流互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.5、1.0 級(jí)，邊緣計(jì)算模塊的采樣頻率為10 kHz，監(jiān)測(cè)某充電樁24 h 內(nèi)AC／DC 電源模塊交、直流側(cè)功率的變化曲線，如圖2 所示。需要指出的是，對(duì)于同一樁企生產(chǎn)的同一型號(hào)充電樁而言，可以認(rèn)為其AC／DC 電源模塊的轉(zhuǎn)換效率是保持一致的，因此邊緣計(jì)算模塊只需在模型建模前期部署1 次，在后續(xù)狀態(tài)評(píng)估中無(wú)需部署，所以不會(huì)增加額外的硬件改造成本。

圖2 AC／DC電源模塊的功率曲線Fig.2 Power curves of AC／DC power module

根據(jù)圖2 計(jì)算相應(yīng)充電功率下的轉(zhuǎn)換效率，擬合得到充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率曲線如圖3 所示，由此確定式（6）中系數(shù)C0、C1、C2的取值分別為7.56948693×102、9.94796287×10-1、5.85326901×10-2。

圖3 AC／DC電源模塊的轉(zhuǎn)換效率曲線Fig.3 Conversion efficiency curve of AC／DC power module

1.2 基于AMI數(shù)據(jù)的充電站計(jì)量運(yùn)行誤差模型

依托電力公司已建成的AMI所提供的海量充電設(shè)施用電數(shù)據(jù)，并考慮數(shù)據(jù)的離散性，對(duì)式（8）中的各項(xiàng)進(jìn)行離散化處理并用電表電量數(shù)據(jù)進(jìn)行表示。其中，充電機(jī)i實(shí)際消耗的電量ψΣDC，i在采樣間隔ΔTp內(nèi)可表示為：

利用充電過(guò)程中的數(shù)據(jù)計(jì)算有功電量產(chǎn)生的線路損耗，并考慮到充電站內(nèi)總表與分表之間的壓降較小，對(duì)各充電機(jī)交流側(cè)端電壓Ui進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，存在Ui≈U0（U0為臺(tái)區(qū)總表端電壓），則ψΣlP可以表示為：

2 充電設(shè)施計(jì)量性能狀態(tài)評(píng)估方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量性能狀態(tài)評(píng)估所需的臺(tái)區(qū)交流總表數(shù)據(jù)來(lái)自電力公司現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集頻率為15 min／次；充電樁數(shù)據(jù)來(lái)自電力公司現(xiàn)有的車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其數(shù)據(jù)采集頻率為10 s／次。相較于傳統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估方法，本文所提計(jì)量運(yùn)行誤差狀態(tài)評(píng)估方法的優(yōu)勢(shì)在于充分利用了電力公司已有的AMI數(shù)據(jù)（包括充電過(guò)程數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)），具體數(shù)據(jù)格式如附錄A 表A1 和表A2 所示，無(wú)需在充電站內(nèi)額外增加硬件設(shè)備投入。

根據(jù)廣義流量守恒，在任意時(shí)段充電站的臺(tái)區(qū)總表電量等于站內(nèi)各充電樁在該時(shí)段內(nèi)消耗的電量與站內(nèi)其他電量損耗之和。針對(duì)海量來(lái)自車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和用電信息采集系統(tǒng)的檔案數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、充電站數(shù)據(jù)，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)齊數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而為第1 節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算提供完備、準(zhǔn)確、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖4 所示，具體處理步驟如下。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.4 Data preprocessing process

1）異常數(shù)據(jù)檢測(cè)。剔除原始數(shù)據(jù)中明顯不符合實(shí)際充電樁充電使用規(guī)律的異常數(shù)據(jù)，以提高原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2）數(shù)據(jù)缺失檢測(cè)。由于臺(tái)區(qū)總表和充電樁計(jì)量模塊數(shù)據(jù)的采集頻率不同，在整個(gè)電動(dòng)汽車的充電過(guò)程中可能會(huì)有某些充電階段的數(shù)據(jù)缺失，如充電起始階段、充電結(jié)束階段以及不同充電過(guò)程中的轉(zhuǎn)換階段所對(duì)應(yīng)的表計(jì)電量。通過(guò)對(duì)齊原始數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，確定充電過(guò)程中缺失的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)一致性處理。針對(duì)步驟2）確定的缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性處理，具體方法如下：首先，根據(jù)電量-功率曲線，識(shí)別每次電動(dòng)汽車充電過(guò)程的不同充電階段并根據(jù)各恒流階段的功率曲線（近似為直線）和恒壓階段的功率曲線，采用插值或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［18］等數(shù)學(xué)處理方法得到各階段的轉(zhuǎn)換時(shí)間點(diǎn)和前后間隔的電量，將其加入電量曲線數(shù)據(jù)，得到模型計(jì)算所需的在時(shí)間上保持一致的臺(tái)區(qū)總表和充電樁計(jì)量模塊的電量數(shù)據(jù)。

2.2 充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差

將M個(gè)計(jì)量周期內(nèi)的交流側(cè)總表電量和充電樁計(jì)量模塊電量代入式（14），得到式（15）所示矩陣形式。

式中：fi(εi，j)、hi(Ri′，j)（i=1，2，…，n；i′=0，1，…，n；j=1，2，…，M）為式（14）中與εi和Ri相關(guān)的系數(shù)；yj為第j個(gè)計(jì)量周期的電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差，可根據(jù)式（14）求得。

當(dāng)計(jì)量周期數(shù)量M大于代求的未知變量個(gè)數(shù)時(shí)，可通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算得到各充電樁的計(jì)量誤差，具體求解過(guò)程如下。

將式（14）重寫為：

式中：F^=[F^ (1)F^ (2) …F^ (M)]。式（21）為一個(gè)數(shù)學(xué)上典型的二次規(guī)劃問(wèn)題，本文采用Python 的開源二次規(guī)劃包qpsolvers對(duì)其進(jìn)行求解。

3 電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量性能的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于第1 節(jié)建立的電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差模型，研發(fā)電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量性能的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖5 所示，主要包括設(shè)備層、通信網(wǎng)關(guān)層和應(yīng)用層。

圖5 電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Architecture of online measurement performance monitoring system for electric vehicle charging facilities

設(shè)備層主要包括充電站內(nèi)各充電樁的計(jì)量模塊、臺(tái)區(qū)總表；通信網(wǎng)關(guān)層采用邊緣能源網(wǎng)關(guān)，通過(guò)3G／4G／5G 或遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LoRa）采集充電樁計(jì)量模塊、臺(tái)區(qū)總表的電能數(shù)據(jù)并將其上傳至系統(tǒng)主站；應(yīng)用層包含系統(tǒng)主站與終端設(shè)備，系統(tǒng)主站根據(jù)上傳的充電站用能數(shù)據(jù)，結(jié)合電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并評(píng)估各充電樁的計(jì)量運(yùn)行誤差，并將結(jié)果反饋至終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)存在計(jì)量異常的充電樁的自動(dòng)報(bào)警與準(zhǔn)確定位，并及時(shí)下派工單通知運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

選取杭州市某直流充電站進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖1類似，包含33臺(tái)充電機(jī)，屬于典型的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合采用本文所提狀態(tài)評(píng)估方法。充電站采集交流電表與充電機(jī)直流電表2021 年9 月9日至9 月23 日兩周時(shí)間內(nèi)的用電數(shù)據(jù)，并將其上傳至電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可計(jì)算得到計(jì)量運(yùn)行誤差如表1 所示，各充電機(jī)的計(jì)量運(yùn)行誤差曲線如圖6 所示。為了驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，采用盲測(cè)的方法分別對(duì)單一充電機(jī)的用電數(shù)據(jù)加入5%和-5%的偏差，模擬充電機(jī)發(fā)生計(jì)量異常的工況，并定義式（22）所示誤差響應(yīng)率γ，用于定量評(píng)估模型對(duì)充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差異常工況的識(shí)別準(zhǔn)確性。

圖6 試點(diǎn)充電站的計(jì)量運(yùn)行誤差曲線Fig.6 Measurement operation error curve of test charging station

表1 試點(diǎn)充電站的計(jì)量運(yùn)行誤差Table 1 Measurement operation error of test charging station

式中：Δσ0為設(shè)定的電量偏差值；Δσ為根據(jù)設(shè)定的偏差值模型計(jì)算得到的充電機(jī)計(jì)量誤差的變化值。γ的數(shù)值越大，表明模型識(shí)別充電機(jī)計(jì)量異常工況的準(zhǔn)確性越高。

對(duì)整個(gè)試點(diǎn)充電站進(jìn)行盲測(cè)，誤差響應(yīng)率結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，所有充電機(jī)的誤差響應(yīng)率均大于85%，表明本文所提計(jì)量運(yùn)行誤差狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)存在計(jì)量異常工況的充電設(shè)施具備較高的識(shí)別準(zhǔn)確性。

圖7 試點(diǎn)充電站的盲測(cè)誤差響應(yīng)率Fig.7 Blind error response rate of test charging station

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所建模型的適用性，選取杭州市31座交直流充電站的160臺(tái)充電樁的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到各充電樁的計(jì)量運(yùn)行誤差如圖8所示，并從中篩選出5 個(gè)計(jì)量運(yùn)行誤差計(jì)算結(jié)果超過(guò)3%的充電樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)。

圖8 充電樁的計(jì)量運(yùn)行誤差計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculative results of charging piles’measurement operation error

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)結(jié)果，上述有計(jì)量異常預(yù)警的充電樁存在充電機(jī)模塊故障、絕緣監(jiān)測(cè)故障和充電機(jī)其他故障，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的充電樁無(wú)法正常工作，驗(yàn)證了本文所提計(jì)量運(yùn)行誤差評(píng)估方法在提升充電設(shè)施智能運(yùn)維方面具備良好的應(yīng)用成效和推廣前景。

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車充電設(shè)施具有分布散、面廣、數(shù)量多、質(zhì)量參差不齊等特點(diǎn)，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定方法的檢測(cè)效率低，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程開展現(xiàn)場(chǎng)檢定的難度大。為此，本文提出了一種AMI 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差狀態(tài)評(píng)估方法，根據(jù)電動(dòng)汽車充電站的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差模型，利用海量AMI高頻充電數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)分析的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)在運(yùn)充電設(shè)施計(jì)量運(yùn)行誤差狀態(tài)的精準(zhǔn)評(píng)估與異常監(jiān)測(cè)，相比傳統(tǒng)充電設(shè)施計(jì)量性能檢測(cè)方法具備如下性能：

1）可以在充電設(shè)施正常工作的場(chǎng)景下，完成對(duì)充電設(shè)施運(yùn)行誤差的檢測(cè)，無(wú)需外接負(fù)載箱，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過(guò)程的節(jié)能減碳；

2）實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)充電設(shè)施運(yùn)行計(jì)量誤差的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異常預(yù)警，有效地提升了充電設(shè)施智能運(yùn)維服務(wù)水平，解決了在運(yùn)充電設(shè)施計(jì)量性能在線監(jiān)控的技術(shù)難題；

3）利用了現(xiàn)有的AMI 數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的充電設(shè)施計(jì)量檢測(cè)方法相比，無(wú)需增加額外的硬件設(shè)備投入，易于大規(guī)模推廣應(yīng)用，可以有效保障電動(dòng)汽車充電設(shè)施的精準(zhǔn)計(jì)量，維護(hù)消費(fèi)者的權(quán)益。

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