考虑多能互补的综合能源系统联合规划及发展综述

.综述.•综合能嫌系统专題
电器与能效管理技术(2019NO. 19)
考虑多能互补的综合能源系统联合
规划及发展综述*
*颜宁(1988-),女，博士研究生，研究方向为微电网的规划、控制技术。

马少华(1963-),女，教授，博导，研究方向为电气可靠性、智能电网、能量管控研究。

*基金项目：考虑多种源-网-荷柔性匹配方式的试验型微电网规划、运行及平台示范(2019YF-01)
乔彦哲'，颜 宁'，马少华'，郑亚红2
(1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870；
2.沈阳市装备制造工程学校，辽宁 沈阳110026)
摘要：综合需求响应作为以未来多能耦合的能源系统为基础的全新调控机制， 模糊了能源供给侧与消费侧的界限，以市场为切入点,通过用能替代，实现能源更为安
全、可靠、灵活的供应。

对综合能源系统(IES)的基本理论和物理特性进行了概述，从
优化规划和需求响应两方面论述了相关的发展前景。

依据IES 的能量枢纽静态模型和 混合潮流模型，对已有文献进行了评述。

归纳总结了优化模型面临的关键技术问题,
以期为IES 的研究提供思考。

关键词：综合能源系统；多能耦合；能源利用率；优化规划
中图分类号：TM 715文献标志码：A 文章编号:2095-8188(2019)19-0015-08
乔彦哲(1993-),
男，硕士研究生，研 究方向为综合能源
系统规划及管控技 术。

DOI ： 10. 16628/j. cnki. 2095-818& 2019. 19.002
Summary of Joint Planning and Development of Integrated Energy System Considering Multi-Energy Complementarity
QIAO Yanzhe 1 , YAN Ning' , MA Shaohua' , ZHENG Yahong 2
(1. School of Electrical Engineering , Shenyang University of Technology , Shenyang 110870, China ；
2. Shenyang Equipment Manufacturing Engineering School , Shenyang 110026, China)
Abstract : The integrated demand response is a new regulatory mechanism based on future multi-energy
coupled energy systems. The boundary between the energy supply side and the consumption side is blurred , and the market is used as an entry point to achieve a safer , more reliable and flexible energy supply. Firstly , the basic theory and physical characteristics of the integrated energy system were summarized. The relevant development prospects
are discussed from the aspects of optimization planning and demand response. Secondly , the energy hub static model and mixed power flow model of the integrated energy system were established and the existing literatures were
reviewed. Finally , the key technical issues faced with the integrated energy system optimization model were
summarized , which provides consideration for the research of integrated energy system.
Key words : integrated energy system ; multi-energy coupling ； energy efficiency ； optimization planning
0引言
环保问题的日益严重以及对于绿色GDP 理
念贯彻的逐渐深入，国家政府考核体系中加入了 节能减排指标。

为促进能源产业结构的进一步升 级及优化，实现社会、经济的低碳能源发展，近年
来，开发清洁能源成为我国着力发展的方向，光 伏、风电领域迎来了跨越式的发展,在整个能源体 系中，清洁能源所占比例逐步增加⑷。

当前，我
国弃光、弃风现象频繁发生，相比之下，由于天然 气普及率与消费量逐年攀升，其缺口则是不断加
大;同时,我国北方地区进入供暖期后，风电出力
—15
—
电器与能效管理技术(2019NO.19)®综合能源系统专题.综述.
与热力需求也时常产生重叠，进而严重挤压了风电的接纳空间，加剧了当前清洁能源消纳的困境,极大地阻碍了能源结构的调整。

目前,清洁能源接入比例不断提高，极大地干扰了能源系统原有的运行模式，对于能源系统安全、稳定、高效的运行原则来讲,是极大的挑战,优化运行成为综合能源系统(Integrated Energy System,IES)亟待解决的主要问题⑵。

电转气(Power to Gas,P2G)技术、电制热技术实现新能源与传统能源的合理嫁接，将废弃的风电、光电转化为气体燃料和热能，既有利于填补能源供给的不足，保证能源的稳定、可靠供应,又可在一定程度上解决当前弃光限电的困局。

由此，大力发展多能互济、集中优化管控的IES亦对深化能源结构改革意义深远。

IES是指不同类型的能源在开发、转换、储备、运输、使用等环节高度协同，满足终端能源需求的系统。

相较于传统的能源系统，是将电力、天然气、热能及新能源等多种能源进行耦合组成能源系统，具有更强的可靠性、灵活性，还可有效提高能源的利用效率⑶。

对于IES来讲，大规模消纳可再生能源、提高能源利用率、确保运行过程的安全、稳定和高效是当前研究的首要目标。

多能协调互济相关工作的开展，必然推动现有的电力系统需求响应向综合需求响应(Integrated Demand Response, IDR)转变，IES以用户侧为依托,通过电力市场的价格政策,改变用户的用电行为，实现IES供需两侧侧发资源协调运行优化，提前布局未来分布式的能源市场结构,实现IES的稳定、高效运行及多能源市场的健康、稳步发展。

能量流和信息流作为指导能源生产和传输过程高效进行的能源和信息传输方式,其稳定、快速传输对于保障分布式能源设备有序配合、协同运行意义重大⑷。

未来的能源系统将不再是单独运行、单独规划的独立系统，而是多种能源形式彼此耦合、彼此联系的协同运行系统，IES将解决环境污染和能源危机问题，为社会的持续发展提供全新可能性。

1IES概述
IES以其庞大的规模、多类型的元件构成，集成了热能、天然气、电力等多种能源形式,是一种—16—具有多源多负荷的新一代能源系统,IES结构如图1所示。

实际规划过程中，为了降低规划难度，提高规划的准确性与可靠性，通常基于现有IES 框架的有关研究®］，按照能源生产环节(源)、传输环节(网)及消费环节(荷)为一体的划分方法,针对系统不同环节的特性及其目标依次进行规划。

IES主要以大规模可再生能源作为主要的一次能源，因此在保证系统可再生能源消纳能力的前提下兼顾系统的经济性,成为优化规划最重要的问题。

整个系统的规划可以分结构规划和系统规划两部分展开。

结构规划是在能源生产、传输、消费都未展开的场景下,通过对目标区域内资源分布情况、多种能源需求进行分析,在宏观层面上进行的一种源-网-荷多环节的协调规划，针对耦合不同环节的规划模型,获取不同能源间供需平衡、设备建设年限、运维成本等信息,为后续的系统规划打下了基础。

系统规划是结构规划的具体体现和有效延伸，立足于系统运行，以规划区域内原有的彼此分立的不同能源系统为研究对象，规划过程主要包括综合能源网络的扩建，系统中典型设备的选址定容，进而达到耦合不同能源系统的目的。

1.1能源供应环节规划
对于能源生产环节的规划在满足用户多种用能需求和达到各种经济技术指标的前提下,充分考虑不同能源形式间的耦合机理及物理特性方面的差异和互补，确定了能源生产设备、能源转换设备和能源存储设备的具体配置方案。

几种主要的能源转换及存储设备如表1、表2所示。

.综述.®综合能源系统专题电器与能效管理技术(2019NO.19)
表1能量转换设备举例一
能源转换装置输入的能源形式输出的能源形式热交换器热热
燃料电池氢气电
热电联供(CHP)天然气、煤炭电、热电锅炉电热
电解槽电氢气新能源机组新能源电
变压器电电吸收式制冷机热冷
表2能量存储设备举例二
能源转换装置输入的能源形式输岀的能源形式贮氢设备气气
电池电电
热储罐热热
在IES中,借由以CHP.P2G等设备为代表的能量转换装置，实现了热能、天然气与电力之间的有效耦合。

相较于电力系统，热力及天然气系统具有较大的惯性，具备实现能量大规模存储的理论支撑，同时又有运行过程，便于控制和调节。

随着大容量储热、储气设备的引入，电力系统对于可再生能源的平抑能力得以增强川)，整个系统对于高渗透率可再生能源的消纳能力也随之提高。

目前，国内已有部分专家学者对IES的规划问题开展了相关研究。

文献［9-10］就IES的进一步改进规划问题开展了相关工作,进行了燃气锅炉、燃气机组及发电机组的配置规划。

文献［11］在原有多区域冷热电联供系统(CCHP)规划模型的基础上,搭建了引入热网的全新模型，同时对内部的能源转换及存储装置进行了选址定容。

文献［12］选取实际供电区域内的若干变电站低压侧的典型日负荷曲线,引入调峰适宜度指标,通过识别峰谷差变化特征，并结合相应的控制策略，实现了储能系统的选址定容优化，有效平抑了系统的波动性。

当前，尽管负荷的不确定性在系统的规划中有被提及，但是对于风电不确定性带来的影响则较少涉及，负荷不确定性与风电的不确定性引发的影响差异较大，因此，有必要就可再生能源出力的不确定性对于系统的影响开展更为精细化的研究与分析。

1.2能源消费环节规划
在IES的消费环节中，用户的参与度得到大幅的提升，用户端的积极参与对于系统的控制功能、灵活性的提升具有十分重要的现实意义。

用户可以根据能源价格、供给情况选择不同种类的能源来实现相同的目标，即用户通过需求响应来实现能源消费侧与能源生产侧的合理匹配，实现供给、消费双向协同的多能互济方式，从而极大地增加了系统的灵活性。

城市地区作为能源消费的主要区域，可根据能源需求规模，将城市用能系统分为区域级综合能源系统和能源微电网两类⑴〕。

区域级的用能单位多选取工业园区、居民区等用能集中片区，此外还包括能量供给系统、储能系统等传输网络等。

能源微电网作为区域IES的子系统，主要由CCHP和小型储能设备构成，以单个厂房、商业体或居民楼为用能单元。

区域级IES的规划，不仅要考虑CHP机组、电制气设备等能量转换装置及能量存储装置的选址、选型、定容，还要对电、气、热网络的建设进行规划。

文献［14-15］考虑了能源的价格和负荷需求等因素,对不同CHP和配套设备的收益/花费比进行了比较，最终确定能量枢纽的内部结构。

文献［16］搭建了兼顾运行成本、排放成本、弃风成本的电-气耦合系统综合调度模型，有效分析了天然气负荷变化与系统调度的关系及对系统经济性和污染排放的影响。

在进行系统规划时，要充分考虑多种能源的转换互济效应,利用天然气、热能系统时间常数大的特点，充分发挥其能量存储能力，以应对负荷高峰，提升供应能力，鼓励用户根据能源价格及供给能力调整能源选择，将需求侧响应应用到多种能源协调管控中，以达到提高能源利用率、供应可靠性的目的。

在以城市为主的能源消费环节中，个体能源消费行为通常存在一定差异，因而对以建筑设施为单位的能源微电网进行规划设计显得十分必要。

文献［17］提出一种包含热锅炉、CHP机组等装置的规划模型,与传统分供系统相比，得出统一规划可以减小投资的结论。

多个能源微电网也可以互联协调运行,文献［18-19］对多个能源微电网协调运行和各自独立运行的情况分别进行了分析工作，分别从微电网电力互联方面、多能流协同互补方面研究了协调运行的方案。

—17—
电器与能效管理技术(2019NO.19)•综合能源系统专题.综述.
1.3IES的需求响应
未来，随着IES理念的进一步深化、相关工作的进一步开展，传统的电力需求响应势必难以为继,IDR成为了今后的发展方向。

其中，以用户侧IES的引入为先导，通过在天然气市场、电力市场等多个能源交易市场实行价格激励机制及政府出台相关的鼓励政策，实现引导用户变更原有综合用能行为。

(1)IDR在新型能源系统中的作用。

伴随未来能源市场分散化趋势的显现，多能源市场的价格波动、多能源系统的源、荷侧波动平抑问题亟待获取有效治理方案血如o IDR一方面可丰富用户用能的选择,提高用能可替代度;另一方面对能源供应侧对市场的影响产生一定约束；同时可观的响应收益也为用户侧的积极参与提供有效的驱动力。

其在IES中的价值及作用如下：
①提高可靠性。

确保能源能够可靠、安全的供应给IES。

发展IDR理念能在不影响用户原有用能诉求的基础上,鼓励用户借助能源替代的方式在不同时段、不同情况，特别是能源供应短缺或传输线路岀现故障的情形下，实现能量消费；同时，多类型的能源存储设备能够有效降低能量存储成本,进而提升需求侧的接纳程度，有效应对可再生能源高比例接入带来的波动性平抑问题。

②提升灵活性。

未来能源发展背景下，传统能源供应、需求间的界限得以模糊，自然也对多能源系统的灵活性调节能力及供需侧的协同配合提出了更高的要求;IDR机制旨在促进用户积极参与系统运行和能源市场的运转，大力挖掘需求侧的调节潜力,充实灵活性调节资源,提前布局未来可再生能源高接入比例不断提高的情形。

③提升经济性。

IDR经济性方面的优势在系统运行层面、用户用能层面这两方面得以体现。

就系统运行来讲,IDR使得不同层级能源系统间的能量切换成为可能，加强了能量的梯级利用;与此同时，用户侧的用能替代、多能互补机制作为一种灵活性调节手段,有效支撑了用户的弹性用能需求,在保障高比例可再生能源接入情况下系统的稳定、可靠运行的同时，节约了系统调节成本，突出了经济运行理念。

就用户用能层面来讲，用户能针对能源市场的实时价格波动，调整原计划用能需求、变更用能习惯,合理回应市场价格信号的同—18—时，节约用能成本。

随着以分布式储能、储热以及电动汽车(Electric Vehicle,EV)为代表的“虚拟能量单元”的大规模接入，系统的灵活性调节资源进一步得到充实,响应收益来源进一步得到丰富〔切O
(2)IDR的效应评估。

IDR效应评估应充分结合系统运行效益、能源稳定供应效益、节能减排效益、能源市场运营效率提高产生的效益等多个效益来源,综合考虑用户、能源的供应商、能源的输配方、能源的附加服务供应商以及监管部门等多主体效益的影响。

负荷侧不同能源需求具有不同的可响应特性，使得不同情况下开展需求响应的效果往往存在较大的差异，不同的用户利益诉求也不尽相同。

建立完整的评价体系、明确划分参与IDR项目的各主体带来的成本和利益显得尤为重要,IDR的成本及收益如表3所示。

表3IDR的成本及收益
类型成本收益
社会政策补贴\推广成本环保收益
生产环节
产量变化燃料成本、
起停机成本
激励补贴
传输环节
管理成本购能成本、
故障成本
激励补贴代理商管理成本、通信成本市场差价、服务收益用户设备投资成本、响应成本用能费用、响应津贴2IES规划建模
IES规划所关注的数学模型大致可分为多能流系统的潮流模型和多种能源形式的耦合、转化模型两类。

多能流潮流模型通常采用稳态潮流模型，对于多种能源形式的耦合、转化模型的研究,提出能量枢纽模型(Energy Hub,EH)O
整合能量枢纽的静态建模以及混合潮流计算可以确定IES的建模方法，IES建模方案如图2所示。

2.1IES的耦合、转化模型
IES中不同能源系统之间因其物理特性的差异以及时间尺度的不同，导致彼此间的耦合关系较为多样化，然而，究其本质终归是多种能源单一的输入向包含多种能源形式协调输出的转变。

当前相关研究多借助能源枢纽的定义，用以表述能源输入、输出、存储之间对应的耦合关系特性⑵］。

能量枢纽基于“化零为整”的数学思想实现
•综述.•综合能源系统专題电器与能效管理技术(2019NO. 19)
：一＞|燃气锅炉-
CO,
储气设备
CHP 机组
热网—►电能
一-天然气
--►热能
图2 IES 建模方案
储热设备
IES 建模分析，指导IES 的协同优化。

能量枢纽
可将IES 抽象化为含多输入、多输出的多端口网
络架构形式,多能源耦合多端口输入及输出模型
如图3所示。

图3中，方框部分即为基于能量枢 纽概念的IES 抽象描述，从而为多种能量的转换、
分配、存储提供了场所。

初始
能量--------►
能量枢纽
输入_________a
S
转换
能量 输出
N
图3多能源耦合多端口输入及输出模型
由图3可以看出，左侧端口 S 表示IES 的初 始输入能量，右侧端口 N 表示通过能量枢纽转换 后的输出能量。

因此，能量枢纽在数学上可等效 为S 向量到N 向量的一个映射关系：
N =/(S)
(1)
式中：函数/可对IES 多类型能源的输入、转换、 传递及存储等过程进行描述。

这种建模可通过能量枢纽的输入端与能源网 络连接，以输入相应的能源，在输出端输出电、气、
热等形式的能源以满足消费侧的负荷需求，因此 须对各个能源系统进行合理的建模。

对于多种规
模的系统均具备良好的适应性。

能量枢纽作为对IES 输入及输出端能量传递 映射关系的一种表示方式，只对IES 中能源输入、 转换、传递及存储过程进行分析，借助耦合矩阵来
进行输入及输出间关系的数学描述，即为£
-叶
■«11
«12・• a im~'Si'
=
«21a 22・••
a 2m
S2
(2)
叫
a n2・
•• %」-s ”-
式中：叫——第i 种输入能源到第j 种输岀能源
间的耦合因子。

具体的能量传递过程可分为两步进行描述:
第一步为分配环节;第二步为传输或转换环节。

分配过程中，按照一定比例将各类能源(包括一
次能源和二次能源)输送至不同的能源传输、转
换装置中，传输或转换过程中需要考虑能量转换
可以简记为
N = tj DS
(4)
式中：小——第i 种能源向第j 种能源转换的
效率；
1]----效率矩阵；
D ——分配矩阵，其中的分配因子如表
示第j 种形式的能源输入分配到
第i 种能源转化设备的比例。

在实际操作过程中，系统的分配因子可以人
为地加以控制。

因而，能量枢纽的数学建模过程
存在着大量的非线性元素，单纯的线性方程组的 分析方法并不适用,需针对不同的设备运行特性
进行分析。

2.2 IES 的潮流分析
多能流(Multi-Energy Flow,MEF)耦合的混合 潮流分析作为IES 建模中的数学基础模型，获得
了国内外学者的广泛关注〔24如。

目前，有关研究 主要集中在多种能源的IES 的耦合潮流求解过
程。

考虑到电、气、热系统各自响应的时间差异
—19
—
电器与能效管理技术(2019NO.19)©综合能嫄系统专题.综述.
性，在规划过程所采用的稳态潮流中，模型所考虑的时间尺度较大，且暂态耦合过程较为复杂,故对系统进行潮流分析时，通常采用代数求解方法对电、气、热系统的潮流进行计算。

这样，在便于求解的同时，也较为贴近实际运行状况。

求解多能流耦合系统的混合潮流，必须先对各个耦合单元在彼此联系的各个能源潮流中的作用进行分析,采用能量枢纽模型进行建模是较为常用的一种方法。

对于天然气、热力系统的稳态潮流模型的建立可在仿照电力系统稳态潮流模型进行搭建的基础上，根据不同能源系统物理特性做出相应的调整。

基于不同的应用场景，根据需求选择不同的智能算法进行求解。

在IES中，考虑电、气、热多能耦合的混合潮流模型的一般形式可由式(5)给岀：
0=G(x e,x g,x h,x ch)
0=F(x e,x g,x h,x eh)(5)
0=H(x e,x g,x h,x eh)
=ET(%e，%g,%h,%eh)
式中:G——天然气的系统方程，主要有压缩机模
型、支路流量及回路压力的约束；仏、％、叫—
—电、气、热3个子系统的各自的变量；
仏h——能量枢纽引入的变量；
H——热力方程，由热功率计算方程、节点
流量约束、回路压力约束、节点温度
约束等几部分构成；
F、E t——电力潮流方程及能量枢纽端口转化
关系。

文献［24］在对电-气最优潮流进行分析时，在求解最优潮流过程中引入安全约束，采用灵敏度分析系统发生N-1故障应对方案;文献［26］以彼此互联的多个能量枢纽为研究对象，以经典电力系统经济调度方法为分析方法，借助等效分析的思想，将能量枢纽等效为电源;文献［27-28］首先对能量枢纽进行结构优化，根据价格政策及负荷需求，进行耦合矩阵的求解，最终获得最优方案。

开展多能流的分析计算作为IES的投资规划、运行决策过程不可或缺的重要组成部分，已成为国内外学者重点关注的方向之一，但就目前的研究现状来讲,相关工作多集中于已优化规划为前提，就不同能源间的分配关系进行研究，同时就耦合天然气的系统进行研究时，压缩机模型带来的求解过程复杂化问题尚未得到有效解决。

—20—2.3IES的需求响应建模
在IES中，需求响应的应用比电力系统中研究更为深入。

文献［29-30］首次提岀了IDR的概念，能源消费者一方面可以通过削减能源消费量进行需求响应，另一方面还可通过对自身的能源消费类型进行调整来进行响应。

用户在响应过程中不需要对自身用能需求进行调整，用能舒适度也不会受到影响。

考虑负荷侧的IDR后,用户的用能情况自然发生相应的改变，以电-热耦合IES为例，基于IDR的能源优化模型可由式(6)给出：
s.t.P c,+W,=L e t+AA e,
H"+t=L h l+Ai hi((6)
g(P“,H“,HJ WO
虹％,%)wo
式中：w,——t时刻风电出力；
p“——t时刻CHP机组的发电功率；
H b,——电锅炉等电采暖设备的出力；
「—
—t时刻CHP机组的供热功率；
L*、厶,,——区域电力需求和热力需求；
△人八△厶"—
—电力、热力的需求响应，其取值通
常为数值或关于某个变量的函数。

文献［31］考虑了电力系统备用成本、环境温度等不确定性因素对IDR的影响，提出了一种供需不平衡的管控方法。

文献［32］分别建立了基于电价、政策激励的两类需求响应度模型，通过合理评估需求侧可调度资源容量，丰富了系统应对分布式能源渗透率日益提高局面的手段,保障了系统的安全稳定运行。

文献［33］首先分析了能源价格、机组容量、传输网络等各项指标对于系统运行的影响,然后在综合考虑新能源出力水平和IDR效应的基础上，搭建了能量枢纽短期经济调度模型，最后开展了系统灵敏度分析工作。

结合上述文献研究情况，在IES框架下充分考虑源、荷两侧的不确定性，提出一种适用于多时间尺度的优化模型是目前亟需解决的重大问题。

3IES研究展望
3.1多时间尺度耦合问题
IES内部不同子系统在时间尺度上存在较大
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差异，相比较热力系统、燃气系统、电力系统均具有较大的时间常数。

对于IES中彼此耦合的电、气、热能源系统多时间尺度特性及差异的研究是当前国内外相关研究的热点和难点。

3.2源、荷侧不确定性分析
清洁能源并网存在不确定因素，再加上原有负荷需求的不确定性，二者叠加成为IES规划、运行不容忽视的重要挑战。

在传统应对模式难以为继的情况下,亟需建立一种新的平衡机制以应对当前困局。

目前，对于不确定性的研究方兴未艾。

在能源侧,基于历史出力情况的聚类分析和以场景法表征不确定性特征是当前普遍采用的研究方法，但都是基于单一的能源集线器的规划，弱化了能源综合的理念;在负荷测，用户对于IDR的参与程度极易受到相关政策、能源价格的影响,使得不确定性进一步增大。

如何在明确不确定性来源的基础上，合理分析不确定性的特征，并对其进行建模处理，进而有效平抑源、荷侧的随机波动性是当下亟待解决的问题。

3.3IES市场研究
科学有效的市场机制是促进IES进一步发展的主要要素之一。

IES的规划与运行要充分考虑市场机制与价格理论的指导意义。

未来，分布式能源的接入比例势必进一步提高,增强电力零售市场开放力度势在必行，现有集中于电力市场层面的分布式主体市场研究成果难以为继，亟需岀现整合电力、天然气、热能等多个主体的市场研究方法，为IES区域分布市场的健康发展打好理论基础。

在IES的发展中，不同类型能源市场的机制设计，不同类型能源市场的组织协调，都是当下亟待解决的问题。

4结语
IES以电能为核心，进行了跨种类的能源互补供给，实现多能源之间的紧密耦合，达到能源在不同范围内的优化生产、传输及有效利用的目的，进而发挥不同能源优势，实现能源的最大化及可持续利用，提高能源利用的环境收益。

本文从IES的核心理念出发,基于现有的研究框架，从生产、消费两方面对多能耦合系统的联合规划进行了系统阐述，以能源系统的EH静态模型、混合潮流模型以及考虑需求相应的系统优化模型为引领，总结已有文献的研究情况,并就优化模型在多时间尺度耦合、不确定性分析、市场机制方面的现存问题给出了本文的思考。

IES的优化规划对于促进能源产业结构优化升级，实现清洁低碳能源快速发展具有十分重大的现实意义。

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