【电力期刊】配电网自动无功补偿装置研制.pdf

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1、第2 7 卷第2 期 2 007 年 2月 电 力自 动 化 议 备E l e c t ri c POw e r A u t o m a t i o n E q u i P m e n tVo l.2 7No.2 F e h.2 0 0 7.配电网自动无功补偿装置研制钟 庆，张 尧，苗 冬阳2(l.华南 理工大学 电力学院，广东 广州510 640;2.广州智光电气有限公司，广东 广州 51064 0)摘要:为 使配电网 的无功补偿更加方便灵活，对高 短路阻 杭变压器型的新型可控电 杭器与固 定电容器组合作为配电网的自 动无功补偿装置进行了研究。通过调节高短路阻杭变压器二次侧的晶闸管触发角，可

2、以实现配电网中无功功率的动态自 动无级补偿。根据变电站参数，合理选取电容器组和可控电杭器的容量，能实 现变电站低压侧母线无功功率的自 动跟踪和无级补偿。通过备用电容器投切的滞环控制律的设计，以减少电容器组的投切次数。对某一实际系统进行仿真测试的结果表明该装置能够实 现无功的动态无级补偿，并具有良 好的动态响应性能，对提高配电网的功率因数和抑制配电网的电压波动有明显效果。关键词:配电网;动态无功 补偿;可控电抗器;滞环控制中图分类号:T M7 1 4 3文献标识码:A文章编号:100 6 一 6 0 4 7 2 0 07)0 2 一 0071一。0 引言 电压质量是电网电能质量的重要指标之一，目

3、前我国电压质量的控制还存在许多问题l。电网电压与系 统中的 无功功率有 着密切的 关系，系统中 无功过剩将导致电 压过高，而无功不足会 使电 压过低，因 此采用无功补偿是解决电 压质量问 题的 一个关键手段z1。配电网现有的无功补偿手段主要是采用并联补偿电容器实现31。但是，补偿电 容 器补偿容量固定，一般按照定时投切的工作方式进行补偿，容易造成负荷高峰时欠补偿，而在负荷低谷时 过补偿，出现无功返送t4。另外，电容器组不能频繁投切，频繁的投切动作将严重影响开关设备的使用寿命和增加运行人员的维护工作。随着电力电子技术的发展，传统静态无功补偿器的 提出，可以实现无功的 连续调节，并具有性能好、响应

4、快等特点，能够解决无功补偿中的大部分问题和提高系统运行的稳定性5-7。针对配电网的 无功补偿问 题，采用新型的可控电抗器和变电站中现有的补偿电容器组构成了经济实用的新型配电网动态无功自 动补偿装置，解决现有配电网中 无功补偿装置技术单一、补偿性能较差的缺点，实现电网电 压、无功的平滑调节，提高配电网的运行水平。1 系统设计 该系统主要由可控电抗器、固定电容器组及控制至负载电抗器 图1系统的基本配置图 Fi g.IB a s i cc o 成即r a t 1 0 nofs y st e m的主要调节器件。传统TCR需要采用多硅串联技术，并需设计其分压、均脉冲和冷却等问题，而且仅当T c R 较大

5、容量时，单位容量的成本才能降低。但是，由于配电变电站中需要补偿的无功量不大，所以采用传统TCR的方式造价过高。采用高短路阻抗变压器方式，通过对其二次侧的调节达到电 抗器调整的目 的，从而可避免多硅的串 联或者并联问题，并能满足配电变电站补偿容量的需要。晶闸管控制高短路阻抗变压器原理图及等效电路图如图2 所示。器构成，其结构 如图1 所示。1.1 可控 电抗器可控电抗器(T C R)是无功补偿装置中无功功率收稿日 期:2 0 0 6 一 02一 0 7;修回日 期:2 侧)6 一 0 8 一 n基金项目:国家自 然科学基金资助项目(50337 010)(a)基本结构(b)等效电路 图2可控电杭器

6、的结构原理图及等效电路图 F i g.ZPrin c i P les t rU ct ure ande q u i v aleni c i 代u i tof c o n t 八 ll abl er e a c t o r 变压器的一次绕组作为工作绕组(N W)接人电网中，二次绕组作为控制绕组(C w)由2 个反向并接第 2 7卷御电 力 自 动 化 议 备的晶闸管(V T H)连接，晶闸管的导通角由触发控制器控制。该变压器的短路阻抗高达1 00%。调节晶闸管的 触发角a 在9 00一 18 00之间变化，使晶闸管的等效阻抗z v，。在无穷大至零之间变化，则N w两端的 等效阻 抗Ze，就在无穷

7、大至变压器的 短路阻 抗25。之间变 化，输出的 补偿电 流就可在零至额定值之间 得到连续无级调节。由于晶闸管工作于与电感串联的无电容电 路中，其工况既无反峰电 压的威胁又无电流突变的冲 击，因 此可靠性得到保障f引。经过试验测试获得可控电抗器电流与触发角之间的关系如图3 所示，横坐标为触发角a，纵坐标为可控电 抗器输出电流与电 抗器额定电流的比值e。1 1 刃卜、a.由可控电 抗器、基本组和备用组组合进行无功补偿，能实现大范围内的 无功连续无级调节;b.结合不同变电站的实际负荷情况配置基本电容器组的容量，而且基本 组一般一直投人系统中，不需要投切;c.根据基本组的容量选取可控电抗器的容量，可

8、以在满足无功调节范围的基础上适当地减小可控电 抗器的容量，从而减少系统的 成本;d.由于可控电抗器的 存在，使备用组的投切属于一个有较大滞环的开关控制f 0，能够明显地减小备用电容器组的投切开关次数。0 一一 一-J es 二 二 二 二 9 01 2 01 5 01 8 0 a/(。)图3可控电抗器电流特性 F i g.3R e l at i o n s h i pb e t w e e nc u rren t and fi ri n ga n g l eo f c o n t ro l l a b l ere act o r1.2 控制器系统 控制器采用高性能的D S P 加以数字实现，通

9、过控制器的 检测、运算和调节作用，使变电 站的无功功率达到设定的目 标，从而实现对电 压的控制F91。控制器的结构框图如图4 所示。2 测试结果 对 10k V母线上的无功补偿效果进行了仿真计算，对系统的无功功率、电流和电 压的变化进行了动态分析。在l oom s 时刻负载无功功率有一 l ookvar(此处负号表 示容 性无功)的 增量，投人电 容器组，加人可控电抗器前、后的无功补偿情况见图5(1 为补偿前，2 为补偿后)。系统的 响应时间 在一个周期之内，具有良好的动态性能。补偿前、后的电流见图6(1为补偿前，2 为补偿后)，使补偿后电流中的无功分量明显减少，功率因 数接近于1。2(X)F

10、 n 、享/句 0一2 0 0一4 砚 刃.七一 一、1 、_猫一-一一-匆二0运算环 节线性化环 节 n叫/喃 图4 控制结构框图 F ig.4B l o c kd i a g r a mofc o n t ro ll e r 作为系统的 逻 辑控制中 心，控制器在对晶闸 管触发角度进行控制的同时，还需给出电 容器的 投切控制信号和变压器抽头的调节信号，以 免在晶闸管完全导通或关断时，电压质量仍无法满足质量标准，只有依靠投切电容器或变压器中间抽头来确保电压质量。同时，控制器还具有检测、记录、报警和通信等功能。1.3 变电站无功补偿参数选取 现有变电站多采用并联补偿电容器组的无功补偿方式，补偿

11、电 容器组的 容量一般按照变压器容量的1 5%一 2 0%选取，如一般3 5k V变电站的2 0 M v A主变压器一般需要配有3.6 M v ar的电容器，而现有的配置方式一般将其分为2 组1.S M va r 的电容，使无功补偿级间 跳变较大，无法满足真正的 需要。根据变电站负荷的具体情况，针对不同的变电站配置不同 容量的基本电容器组，基本电容器组一般一直投入电网运行。除基本组之外，变电站中配置有一定容量的备用电容器组，在负荷高峰时投人。可控电抗器容量按照基本电容器组容量7 0%一 80%选取。通过可控电抗器和电容器组的组合，可以实现无功的无级自动补偿。以上无功补偿参数配置方式有以下优点:

12、05 01(X)1 5 02(X)2 5 03(X)t/”1.图5无功变化波形 F i g.SR e ac t i v ep owe r w a v e s w i t h a n dwit h o u t c 0 Il l P e n s a t i o n一2 0005 01(X)1 5 0t/ms2 0 02 5 03(刃 图6 电流波形 F i g.6C u rren t w a v e s w i t ha n d w i t h o u t c o m p e n s a t i o n 由 于l oom，时刻系 统的总无功功率发生变化，所以系统的电 压也会受到影响发生波动，在未加

13、补，偿装置前系统的电压变化波形如图7 所示，电压有)约5 0 V的变化。在加装无功补偿装置之后、系统的 电 压波形见图8，装置对电 压波动 有明显的 抑制作用。某市一座35k V变电站中一台主变压器的容量为 20M v.A，并联有一组1 20O kvar的补偿电 容器组，电 容器的投切方式为凌晨1 点切除，上午8 点投人。其 日 无功负荷曲线如图9 所示。由日 无功曲线可以看出，该变电站在电容器尚 未切除，而负荷较低的情况时，会发生无功倒送的情 况(如在上午8 点和晚上11点到12点时)，所以 该无 功补偿方式不合理。第 2 期钟庆，等:配电网自动无功补偿装置研制函58 5 058 1 50.

14、40.30.2 翻卜居合57 8 0 7 51 投入、0 切除)，能够有效减少电容器的投切次数，只需要在上午10点投人，晚上24点退出就可以实现无功的平滑调节。补偿后的日 无功曲线如图 12所示。2 253 00 名/n 旧 图7补偿前的电压波形 Fi g.7V o l t agewavew i th out c o m P e n s ation57 4 0 r oo 7 、势/目56 日7 51 5 02 2 53(X)t/n 州 图8补偿后的电压波形F i g.SV ol t agew a 铭 衍t hc o m p e n s atio n:00，且0 匆补芝昏一0.50481 21

15、62 02 4 t/h 图9 无补偿的日无功负荷曲线 Fi g gD a i lyre act iv e 卯 w e r lo ad c urv ew i t h o u t c o m p e n s a t o r 该变电站配置一台补偿容量为今 45 kvar的可控电 抗器，则无功补偿装置的调节范围为+9 45kvar一 0(此处正号表示感性无功)，一 2 55一 1 加o kvar为连续可调。加人电 抗器后，补偿电 容器组24h 都投人，不需要切除，补偿后的日 无功曲 线如图10所示。通过加装可控电 抗器可以消除无功倒送的现象，并可以不用对电 容器进行投切。匆卜国合 t/h 图ro 补偿

16、后的日 无功曲线(1 2 00k v ar电容器)Fi g.1 0D a i l yre ac t ive 卯wer l o ad c urve w i t h c o mPe n s at o r(1 2(X)k v arc apaci t or)由 于在负荷高峰时，容性无功略显不足，而且随着电力用户的增加，负荷必然会不断增长，所以在1 2 00 kvar基本组的基础上加装 6 00 kvar的电容器组作为备用组。通过可控电抗器和电容器组的配置，无功补偿的 范围为:+945 kvar0，一 2 55一1 8 00kvar连续可调，在不增加电抗器容量的 基础上扩大了调节范围。而备用组的 投切在

17、系统无功Q 1 2 00kv ar时投入，在0 8 5 5 kv ar时切除，所以 具有一个滞环区域，如图n所示(图中纵坐标A为备用组投切状态，:一一 丁-勺10-一 一 卜 8 5 5k v a rl Z(X k v a x图 n 备用组投入的滞环控制Fi g.l lH y s te re s i sc o n trol of stan d 场 c 叩a 己 i to r 俪te h i n g 0.IL we.占se 一司 一乙石 七 J 一 L es j es一 一J，es-一 0481 21 62 02 4 t/h 图12 补偿后的日 无功曲 线 有备用组)Fi 琴 l 2D a i

18、lyre ac ti v e p 0 w e r l o a dc u rv ew i th c omp e n s ator(袱 th s ta n 曲yc 叩a c i to rs)3 结论 利用新型的可控电抗器和变电站中已安装的固定电容器构成配电网中的自 动无功补偿装置，能实现无功功率的动态自 动无级调节。通过引入可控电抗器，能实现无功的自动无级调节，动态响应性能好，并对变电站电压波动有明显抑制作用，同时能减少变电站中电容器和变压器中间抽头的投切动作次 数，从而 减轻了 运行 调 度人 员的 调节和 维 护工作。通过合理配置无功补偿装置的参数，利用“基本组”和“备用组”相结合的概念，在调

19、节范围改变不大的 情况下，能减小可控电 抗器的 容量，实现装置成本的优化，使无功补偿装置的成本符合配电网现有的投资情况，有很大的推广利用价值。参考文献:1靳 龙章，丁 毓山.电网 无 功 补偿实 用技 术 M .北 京:中国 水利 水 电出版社，2(X)1.2 J o H NEM.R e ti v e c om呷 n s at ion tu t硕d c /I E E Ep OWe r E n gi n e e ri n gs oci ety wi n t e rM e et i n g，2(X)ZT o 和 n t o，C ana d a 二 I E E E，2(X)2:5 1 5 一 5 1

20、 9.【3 J 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿【M.北京:机械工业出版社，1 9 99.4 闻国 琦，杭乃 善，李如 琦，等.一种新型的 无功 补偿装置 J.电 力自动化设备，2 0(砰，24(6):38一 4 L Y A NG u o 一 中，H A N GN ai 一 s h a n，llRu一 qi，et目.An ew t y P 吧re ac-t i v ePOw e rc o 呷e n s at i on e 叫i p ment J .E l e c tricp o w e rAnt o-m 日 t i on E q u i p m ent，2 峨X)4，24(6):3

21、 8 一 4 1.【5 任王德，刘友发，周胜军.动态无功补偿技术的应用现状 J.电网技术，2(X 抖，2 8(2 3):82一 84.RENPi一 d e，L I UY 0 u 一 fa，Z H O US h e n g 一 j u n.Revi ew o nth edy-nazm creac ti v eP 0 w erc o m 拌n s at i on J .P o w e r sys t e mTec h n ol o-gy，2 1 洲 又，2 8(2 3):8 2 一 84.6 KEM E R E RRS，B E R K E B I LE LE.D i re c 街 c o nn二

22、t e ds t a ti cvar c om伴n sati on i ndi s tri b u t i on 叮 s te m即p l i c at i o n s J .I E E E叭 ra n-sact i o ns on ln d u st 厅A P p l i c at i ons，1 999，3 5(1):1 7 6 一 1 8 2.7 B A L D WI NTL，H O G A N STJr，H E N R YSD.R e 二t i ve一 p o w e r com pen sa t i on for volt a g ec o n t ro 1 atres1 8t an

23、c ew e】d e rs J .I E E E T ra ll sact i o n son l n d u s t ryA 即l i c atio ns，2 0 0 5，4 1(6):1 4 8 5 一 1 4 9 2【8 陆国庆，姜新宇，欧阳旭东，等.高短路阻抗变压器式自 动快速消 弧系统配电网中性点新型接地方式的实现【J.电网技术，2 仪 X)，24(7):2 5 一 2 8.LU Gu。一 中 n g，JI A N G为n 一 yu，O U Y A N Cxu一 d o n g，et沮.An auto-mat ic m p id翻 su p Pres si on sy st eln

24、b asedon tr a n 日 fo rn l e r衍th hi gh。h o rtc i 二 u i ti m 卯d 朋c e一i m p l e men t a t i on of an ew 即-由电 力自 动 化 议 备第 2 7卷 P o ac h of n e u t r a 1gronn d i n gfo rd i s t ri b u t i o n n e tw o rk J P o w e rs y s t e mTec h n o l o gy，2 以 城)，24(7):2 5 一 2 8 9 王雷，厉吉 文，丁 学 真，等一 种 新型 低压 无 功补 偿装置的

25、研制J1.电力自 动化设备，2(X)1，2 1(1 2):3 2 一 3 3.WA N G 肠1，ll j i 一 w e n，D I N GX u e 一 zbe n，e tal.R e s e 翻hof n ew L Vre ac t i v epow e r c o m p e n s at i o nd e v ic e J .E l e c tricP o w erA u t，m a(i o nE q u i p ment，2(X)1，2 1(1 2):3 2 一 3 3【10 陈劲操.就地无功补偿策略研究 及实现 J.电力自 动化设备，2(X)2，2 2(9):6 3 一 6 5.

26、C H E NJ i n 一 c ao.Rese archa n dr e a I iZation offi e l dv arc om伴n-s at i on tact i c。J .E l e c t ri cP(附 e r A u t o n la t i o nE qui p men t，2(Xj2，2 2(9):6 3 一 6 5(责任编辑:柏英武)作者简介 钟庆(】9 78一)，男，江西龙南 人，博士，主要研究方向为电力系 统及其自 动化、电力电子技术在电力系 统中的应用及其控制 技术(E 一 m a il:e p q z h o n g s c u t.e d u.c n);张

27、尧(l 948 一)，男，广东 廉江人，教授，博士 研究生 导师，主要研究方向为电力系统运行与稳定、电力市场、电网规划(E 一 m ai l:e Pyz h a n g s c u t.e d u.c n)。A u t o ma ti crea c ti v eP o w e rc o m P e n s a t o ri nd i s t ri b u t i o nsys t e m z H O N GQ i n g ，Z H A N GY ao ，R U I D o n g 一 y ang Z (1.S o u t hC h i n aU n i v e rs i tyofTec h n

28、 o l o 盯，G u a n 郎 h o us l 0 64o，C h i n a;2.G u a n 邵 h o uZ h i 即a n gE l e c t ri cL t d.，G u a n 邵 h o u5 1 0 640，C h i n a)A b s t r a d:To m a k et h ec o m p e n s a t i o nmorefl e x i b l e，an a u t o m at i cre a c t i v eP owe r c o m P e n s at o r ofd i s t ri-b u t i o nn e two rk si

29、sd e v e l o p e d，w h i c hc o m b i n e sh i g hi m p e d a n c eT C T(Thy ri s to rC o n t rol T r a n s fo rme r)w i t hF C(F i x e dC a p a c i t ors).Thed y n ami cs t e p l e s sc o m p e n s a t i o nof re a c t i v ep o w e ri nd i s t ri b u t i o nn e t w o rk si sre a l i z e db yc h a n

30、 gi n gt h efi ri n ga n gl e o f t h y ri s t o r att h e s e c o n d 娜 s i d eoftran s fo rme r w i t h5/Ch i gh i m p e d a n c e.Then u m b e rofc a p a c i t o r卿u pandt h ec a p abi l i t yofc o n trol l abl ere ac t o rareP ro p e il yc h o s e na c c o rd i n gt os u b s t at i o np aram e t

31、 e rsfo r i t s I o w 一 vol t a 罗b u s b araut o m a t i cs t e p l e s s re a c t i v ep owe r c o m p e n s a t i o 几H y s t e re s i s c o n t ro l i s d e s i，e dfo r s t a n d b yc a p ac i t o r t ore d u c ei t s swi t c h i n gt i m e s.Ap ra c t i c a l s y s t e mi s s i m u l a t e da n d

32、re s u l t ss h o wt h at，t h ed e v i c ec a nc o m p e n s at et h ere a c t i v ep o w e rw i t hb e tt e r d y n a m i cp e rforma n c e，w h i c hh e l p s tore s t ra i n土 h ev o l t a g e fi u c t u a t i o na n di m p ro v et h e p o w e rfac t o rof d i s t ri b u t i o nn e t w o rk.T his P

33、 r Oj e c tissuP portedby theN a ti o n a l N a tor alS c i e nceF o u n dsd o no fC h i n a(5 0 3 3 7 0 1 0).K e yw o r d s:d i s t ri b u t i o nn e two r k;d y n a m i cre act i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n;c o n t ro l l a b l ere a c t o r;h y s-t e res i sc o n t rol 叫 卜一卜.州 卜.叫 卜.州 卜 一

34、 州 卜.州 卜 一 州 卜一 州 卜一 州 卜 一 州 卜.州 卜“州 卜。州 卜.州 卜.州 卜 一 州 卜.州 卜.州 卜.州 卜.州 卜 州 卜.州 卜.州 卜.州 卜.州 卜.州 卜.州 卜 一 州 卜.叫 卜 叫 卜.州 卜.叫 卜.叫 卜.州 卜.州 卜“州 卜 一 神.州 卜.州 卜.叫 卜.叫 卜.州 卜.州 卜.叫 卜.叫 卜.(上接第7 0页c o n t i n u e dfromp 鳍 e7 0)6 浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电【M.北京:水利电力出版社，1 9 8 5.【71 徐政.交直流电力系统动态行为分析 M.北京:机械工业出版 社.2 以 只.【

35、8 杨汾艳，徐政.直流输电系统典型暂态响应特性分析 J 电工 技术学报，2(X)5，2 0(3):4 5 一 5 2.Y A N GFen 一 y a n，X UZ h e n gT y p i c alt ra n s i e ntre s p o n s esi nH V D C t ra n s m i s s i o ns y s t e m【J .T r a n s ac t i onsof C h i n aE l e c t rote c h n i c al S oci e ty，2(X)5.2 0(3):4 5 一 5 2.9 陈琦 高压直流输电系统的实时数字仿真研究 D .

36、武汉:武汉 大学，2 0(只.C H E N Q i.S tu 衡 on t h es i mul at i o nof H V D C即 s te ms w i th a re al 一 ti me d i gi tal s i mul at o r D .W u h a n:W u h an U n i v ersi ty，2 0(又.10 石岩，徐玲铃，陶瑜，等.背靠背换流站极控系统的研究【J .高 电压技术，2 0 04，3 0(1 1):3 7 一 3 9.S H IY an，X UU n g 一 l i n g，T A O Y u，et al.S t u d yon B TB H

37、V D C polec o ntro ls y s t e m J .H i gh V o l t 哪E n gi n e e ri 鸣，2 0(抖，3 0 (1 1):3 7 一 3 9.(责任 编辑:柏英武)作者简介:高晓旺(1 9 81一)，男，河南安阳 人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术 在电力系 统中的应用(E 一 m ail:9 _ xw 1 63.c o m);周 勇(1 9 5 7 一)，男，河南信阳 人，教授，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。S i m u l a t i o no fb a c k 一 to b a c kH V D C s y s t e m

38、 w i th P S C A D/E MT D C G A OX i a o 一 w a n g l，Z H O UY o n g l，K A N GLu一”2+(1.Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y，Z h e n g z h o u4 5 0 O 0 2，C h i n a;2.N a nj i n g E l e c t ri c P o w e r A u t o m at i o n E q u i p m e n t G e n e r a l F a c t o 叮，N a nj i n g 2 1 0 0 O 3，C h i n a)A

39、 b s t rac t:PSC A D/E M T D C(P o w e r s y s t e mC o m p u t e r A i d e dD e s i 叨/E l e c tro一 M a g n e t i c T r a n s i e n t i nD Cs y s t e m)s o ft w are i su s e dt oe s t a b l i s ht h em o d e lof U n g b a ob a c k 一 to一 b a c kH V D C(H i g hV o l t a g eD Ct r a n s m i s s i o n)s

40、 y s t e mi ns t u d y i n gi t sc o m m u t at i o nfa i l u re d u ri n gA Cs y s t e mfa u 1 t.B a s e do ni t，t h eg e n e ral faul t sofH V D Cs y s t e mare s i m u l at e d，i n c l u d i n gt h re e 一 p h a s efaul t a n ds i n g l e 一 p h a s efa u l t ofA Cs y s t e m at i n v e rt e rs i d

41、 e.S i m u l at i o nre s u l t ss h o wt h at，t h em o d e lb u i l t i nP S C A D/E M T D Cc a na c c u r a t e l ys i m u l a t et h ed y n a m i cb e h a v i o rOf b a c k 一 t o 一 b ackH V D Cs y s t e mi nt ra n s i e n tP ro c e s sa n dp ro v i d er e fe re n c e s fo r fi e l do p e rati o n

42、a n dfa u l t a n a l y s i s.B ya d d i n g t h efa u l t d e t e c t i o n&c o n t ro l u n i ti ns y s t e m，t h ea d v a n c e dfi ri n ga n g l et ot h ec h a n g eofv o l t a g ea n dc u rren t.i sra i s e dt oe ffec t i v e l yP r e v e n t t h ec o m m u t a t i o nfa i l u re a c c o rdi n gK e ywo r d s:b a c k 一 t o 一 b a c k;PSC A D/E M T D C;s i m u l a t i o n