孫 文,劉俊杰,禹 佳

(國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

特高壓換流站OCT故障對(duì)換流站的影響及其運(yùn)行可靠性統(tǒng)計(jì)分析

孫 文,劉俊杰,禹 佳

(國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

OCT是特高壓直流換流站中常用且又十分重要的測(cè)量設(shè)備，但目前在運(yùn)的OCT會(huì)出現(xiàn)故障率高的特點(diǎn)。根據(jù)宜賓換流站OCT測(cè)量模塊與直流控保系統(tǒng)的關(guān)系，結(jié)合宜賓站投運(yùn)以來(lái)出現(xiàn)的因OCT合并單元POMI異常導(dǎo)致單套保護(hù)誤動(dòng)的情況，理論分析其成因。并引用概率論對(duì)比分析直流保護(hù)“三取二”邏輯和“二取一”邏輯中保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的概率情況。最后對(duì)目前的直流保護(hù)動(dòng)作邏輯中存在的隱患可能導(dǎo)致直流閉鎖的情況進(jìn)行深入分析，提出合理化建議，進(jìn)而保證特高壓直流輸電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓直流；OCT；直流控保；POMI異常；概率；直流閉鎖

0 引 言

電流互感器是電力系統(tǒng)中能量計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備，尤其是對(duì)于特高壓換流站，電流互感器的測(cè)量結(jié)果將直接作用于控制及保護(hù)，因此其精度和可靠性對(duì)于電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

OCT電子式電流互感器(簡(jiǎn)稱光CT或OCT)是利用光學(xué)和電子學(xué)原理實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電流測(cè)量。與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，OCT體積小、重量輕、頻帶響應(yīng)寬，可以測(cè)量直流電流，使其在特高壓換流站中得以廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于±800 kV直流換流站，測(cè)量極母線、閥廳內(nèi)極線、中性線、直流濾波器高壓側(cè)和不平衡電流，輸出信號(hào)供控制及保護(hù)設(shè)備使用。

然而，從特高壓換流站OCT的運(yùn)行情況看，故障較為頻繁，由于OCT及其二次回路構(gòu)造復(fù)雜、硬件故障率高，同時(shí)更換備件需要在停電狀態(tài)下進(jìn)行，因此得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

宜賓站直流場(chǎng)區(qū)域共安裝18臺(tái)OCT，對(duì)應(yīng)的OCT測(cè)量接口屏8個(gè)。直流場(chǎng)部分于2014年4月6日投運(yùn)以來(lái)，曾發(fā)生過(guò)8次由激光發(fā)射板引起的故障，故障率22.2%；14次遠(yuǎn)端模塊引起的故障，故障率12.9%；1次電源板卡故障，故障率3%。

2016年出現(xiàn)的兩次OCT測(cè)量故障，合并單元均未監(jiān)測(cè)到測(cè)量故障，異常電流導(dǎo)致單套保護(hù)誤動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的威脅。

1 OCT原理及結(jié)構(gòu)介紹

一次電流流經(jīng)OCT，OCT頭部電流傳感器把一次電流值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由安裝于互感器頭部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)模塊輸出。轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)通過(guò)遠(yuǎn)端模塊轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)并通過(guò)光纖發(fā)送至POMI測(cè)量接口屏內(nèi)。

OCT利用光纖復(fù)合絕緣子保證絕緣，產(chǎn)品有懸式及支柱式兩種結(jié)構(gòu)方式，可以滿足不同的現(xiàn)場(chǎng)安裝需求。OCT具有絕緣簡(jiǎn)單可靠、重量輕、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

根據(jù)OCT電子式電流互感器的原理，其結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，如圖1所示。

圖1 OCT電子式電流互感器原理圖

1)一次傳感器。一次傳感器位于高壓側(cè)，作用是把一次電流值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由安裝于互感器頭部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)模塊輸出，一次傳感器可根據(jù)工程需求實(shí)現(xiàn)冗余配置。

2)遠(yuǎn)端模塊。遠(yuǎn)端模塊也位于高壓側(cè)。遠(yuǎn)端模塊接收并處理由一次傳感器傳輸過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字光信號(hào)后輸出。遠(yuǎn)端模塊的工作電源由合并單元內(nèi)的激光器提供，OCT電子式電流互感器可根據(jù)工程需求配置多個(gè)完全相同的遠(yuǎn)端模塊，以保證其可靠性。

3)光纖絕緣子。絕緣子為內(nèi)嵌光纖的實(shí)芯復(fù)合絕緣子。絕緣子內(nèi)嵌多根62.5/125 μm的多模光纖，留有足夠的備用光纖。光纖絕緣子高壓端光纖通過(guò)光纖頭接至遠(yuǎn)端模塊的電源口和數(shù)據(jù)口，低壓端光纖以熔接的方式與光纜對(duì)接。

4)合并單元。合并單元置于屏柜內(nèi)，合并單元一方面為遠(yuǎn)端模塊提供供能激光，另一方面接收并處理互感器遠(yuǎn)端模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)。所有合并單元的數(shù)字式輸出均為7路IEC 60044-8光纖數(shù)字信號(hào)，輸送至控制保護(hù)及相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)；所有合并單元的輸入為擴(kuò)展FT3光纖數(shù)字信號(hào)，取自安裝在一次本體處的遠(yuǎn)端模塊，具體輸入信號(hào)的數(shù)量由測(cè)點(diǎn)位置決定。同時(shí)，合并單元裝置由以下板卡組成：電源板(POWER)、激光發(fā)射板(PPM)、開(kāi)入開(kāi)出板(DIDO)、數(shù)據(jù)處理板(CPU)。

2 特高壓換流站直流OCT配置

特高壓換流站直流場(chǎng)區(qū)域共安裝有18臺(tái)OCT，其位置如圖2所示。由圖2可知，18臺(tái)OCT分別為安裝于極母線上的戶外極線800 kV OCT(2臺(tái))、安裝于直流場(chǎng)區(qū)域的戶外濾波器高壓側(cè)800 kV OCT(2臺(tái))、安裝于各閥廳內(nèi)的閥廳極線800 kV OCT(2臺(tái))、閥廳極線中點(diǎn)400 kV OCT(4臺(tái))、閥廳中性線100 kV OCT(2臺(tái))以及安裝于直流場(chǎng)區(qū)域的戶外濾波器不平衡OCT(6臺(tái))。

圖2 極ⅠOCT分布圖(極Ⅱ與此相同)

OCT將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y(cè)量接口屏，供控制及保護(hù)裝置使用，其配置如圖3所示。

圖3 極Ⅰ直流場(chǎng)不平衡OCT接線示意圖

圖3中，OCT模擬量采集回路涉及到相應(yīng)的極保護(hù)和閥組保護(hù)。POMI為OCT合并單元，PMI(pole measuring interface)為極測(cè)量接口屏，CMI(converter measuring interface)為閥組測(cè)量接口屏。每個(gè)OCT的模擬量經(jīng)過(guò)POMI的信號(hào)轉(zhuǎn)換板卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，再經(jīng)過(guò)IEC 60044-8總線協(xié)議送至相應(yīng)的控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。

如圖3可知，每個(gè)OCT通過(guò)光纖將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)6個(gè)遠(yuǎn)端模塊(其中有1個(gè)遠(yuǎn)端模塊為備用)傳輸?shù)?個(gè)合并單元，再分別傳輸至A、B、C三套測(cè)量屏錄波、備用。在OCT測(cè)量接口屏內(nèi)，合并單元通過(guò)PPM激光發(fā)射板為OCT的遠(yuǎn)端模塊供能，遠(yuǎn)端模塊將采集到的電流量送至合并單元的CPU插件，CPU插件再將各個(gè)遠(yuǎn)端模塊采集的量轉(zhuǎn)送出去。

3 OCT故障對(duì)換流站的影響分析

3.1 直流出線及閥廳OCT故障對(duì)換流站的影響

直流出線OCT及閥廳OCT故障導(dǎo)致極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)極高，主要表現(xiàn)在OCT故障后直流電流測(cè)量異常時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)極高。假設(shè)每套保護(hù)的誤動(dòng)概率為p，拒動(dòng)概率為q。根據(jù)概率論原理，在“三取二”邏輯中：只要兩套或兩套以上保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)才能出口，所以保護(hù)的誤動(dòng)概率P=3p2-2p3；只有兩套或兩套以上保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)時(shí)才出口，所以拒動(dòng)概率為Q=3q2-2q3。而“二取一”邏輯中：只要有一套保護(hù)誤動(dòng)即出口，所以“二取一”保護(hù)的誤動(dòng)概率P=2p-p2；只有當(dāng)兩套保護(hù)全部拒動(dòng)才不出口，所以拒動(dòng)概率Q=q2。

所以當(dāng)因更換PPM激光發(fā)射板將閥組或極保護(hù)一套退出運(yùn)行后，相應(yīng)保護(hù)的“三取二”邏輯將變?yōu)椤岸∫弧边壿嫵隹?，由上述?jì)算得知“二取一”邏輯誤動(dòng)概率較高，對(duì)運(yùn)行設(shè)備極為不利。

以極母線差動(dòng)保護(hù)為例，其保護(hù)原理如下。

正常運(yùn)行、僅高端閥組運(yùn)行時(shí)：

Idif=|IDC1P-IDL±IZT1|

IRES=max(IDC1P,IDL,IZT1)

Idif>max(Iset,kset×IRES)； 報(bào)警延時(shí)2 s；

Ⅰ段動(dòng)作延時(shí)150 ms；Ⅱ段動(dòng)作延時(shí)6 ms。

其中IDC1P、IDL均由OCT測(cè)量得到。如果OCT設(shè)備異常，導(dǎo)致某個(gè)電流值測(cè)量失真，進(jìn)而可能導(dǎo)致二次側(cè)動(dòng)作電流大于整定值，致使保護(hù)誤動(dòng)。

3.2 OCT故障處理過(guò)程對(duì)換流站的影響

3.2.1 交流濾波器場(chǎng)OCT故障處理過(guò)程對(duì)換流站的影響

交流濾波器場(chǎng)OCT故障對(duì)換流站的影響主要體現(xiàn)在減少可用濾波器組的數(shù)量上，因OCT檢修期間，相應(yīng)濾波器需要陪停。

根據(jù)特高壓直流無(wú)功控制方式，交流濾波器場(chǎng)無(wú)功控制有以下控制功能：1) 絕對(duì)最小濾波器控制；2) 最大交流電壓控制；3) 最大無(wú)功功率控制；4) 最小濾波器控制；5) 電壓/無(wú)功控制。其中，絕對(duì)最小濾波器組是為了保證流經(jīng)交流濾波器的電流不超過(guò)其額定值，按照設(shè)計(jì)單位規(guī)定，投入相關(guān)組別濾波器。如果絕對(duì)最小濾波器組無(wú)法滿足，直流極將回降功率，甚至導(dǎo)致閉鎖。同時(shí)，即使絕對(duì)最小濾波器組數(shù)滿足要求，濾波器投入過(guò)少也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量及無(wú)功補(bǔ)償能力嚴(yán)重下降。

由此可見(jiàn)，當(dāng)交流濾波器OCT故障時(shí)，檢修期間濾波器必須處于停電狀態(tài)，減少了換流站可用的濾波器組數(shù)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)諧波超標(biāo)、電壓偏低等風(fēng)險(xiǎn)，甚至在某些方式下可能導(dǎo)致直流閉鎖。

3.2.2 直流濾波器場(chǎng)OCT故障處理過(guò)程對(duì)換流站的影響

直流濾波器場(chǎng)OCT故障對(duì)換流站的影響，也主要體現(xiàn)在OCT檢修期間相應(yīng)濾波器需要陪停上。由于直流濾波器數(shù)量遠(yuǎn)少于交流濾波器組數(shù)，因此其影響較交流濾波器場(chǎng)更為明顯。

根據(jù)特高壓直流工程的典型設(shè)計(jì)，直流每極將配置兩組直流濾波器，整流站、逆變站各一組。正常情況下，需要保證每極至少有一組直流濾波器運(yùn)行，否則將造成極閉鎖。由此可見(jiàn)，當(dāng)一組直流濾波器的OCT出現(xiàn)故障檢修時(shí)，直流濾波器單組運(yùn)行，一旦運(yùn)行的濾波器故障跳開(kāi)，會(huì)出現(xiàn)直流單極閉鎖，難以滿足檢修N-1的要求。

3.2.3 直流場(chǎng)OCT故障處理過(guò)程對(duì)換流站的影響

直流OCT二次測(cè)量接口屏按照常規(guī)直流模式劃分為極Ⅰ區(qū)域和極Ⅱ區(qū)域，但高低端閥組層、極層之間的測(cè)量設(shè)備沒(méi)有按照區(qū)域單獨(dú)配置，由此將導(dǎo)致故障影響范圍嚴(yán)重?cái)U(kuò)大，主要包括以下兩個(gè)方面：

1)OCT激光發(fā)射板接線示意圖如圖4所示。由圖4可知，高低端閥廳、直流極線共6個(gè)OCT的遠(yuǎn)端測(cè)量模塊的PPM激光發(fā)射板共同接入同一個(gè)機(jī)箱。由第2節(jié)中的分析知，POMI輸出的數(shù)字量信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)IEC 60044-8總線協(xié)議送至相應(yīng)的PMI極測(cè)量接口屏和CMI閥組測(cè)量接口屏，進(jìn)而送至相應(yīng)的保護(hù)及控制系統(tǒng)。假如上述6個(gè)OCT中任何一個(gè)OCT的遠(yuǎn)端模塊測(cè)量故障需要更換激光發(fā)射板，均需將整個(gè)POMI機(jī)箱退出運(yùn)行，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的高、低端閥組保護(hù)、極保護(hù)和雙極保護(hù)均需退出運(yùn)行。

圖4 OCT激光發(fā)射板接線示意圖

2)遠(yuǎn)端模塊配置示意圖如圖5所示。由圖5可知，遠(yuǎn)端模塊通過(guò)光纖將信號(hào)傳至5個(gè)不同的合并單元中，而其中的每個(gè)合并單元又同時(shí)連接了同一極中的不同遠(yuǎn)端模塊。并且在合并單元內(nèi)，不同遠(yuǎn)端模塊的數(shù)據(jù)光纖緊密排列。為避免在故障處理工作過(guò)程中誤碰其他模塊而產(chǎn)生異常(試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誤動(dòng)遠(yuǎn)端模塊數(shù)據(jù)光纖，會(huì)產(chǎn)生10 kA左右的故障電流)，在遠(yuǎn)端模塊數(shù)據(jù)傳輸光纖更換或清潔時(shí)，需要提前將本測(cè)點(diǎn)的所有遠(yuǎn)端模塊置于檢修狀態(tài)，這樣勢(shì)必會(huì)影響極或雙極保護(hù)的正常運(yùn)行。

圖5 遠(yuǎn)端模塊配置示意圖

4 直流OCT運(yùn)行可靠性故障統(tǒng)計(jì)

自系統(tǒng)調(diào)試以來(lái)，宜賓站直流OCT共計(jì)故障21次，其中激光發(fā)射板故障永久2次、短時(shí)2次、瞬時(shí)4次，遠(yuǎn)端模塊故障13次。更換過(guò)4塊激光發(fā)射板、9個(gè)遠(yuǎn)端模塊。除此之外， PPM激光發(fā)射板失效、單一電源供電問(wèn)題也會(huì)影響OCT的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 激光供能模塊故障

根據(jù)故障情況的分析，當(dāng)OCT合并單元某一測(cè)量通道的激光供電功率波動(dòng)(下降)或由于溫度等原因?qū)е逻h(yuǎn)端采集模塊消耗功率增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端模塊電壓下降，當(dāng)降低到一定程度，則AD采集芯片的電壓基準(zhǔn)降低，引起AD采集不準(zhǔn)確致使數(shù)值大幅增加，而當(dāng)激光供電功率恢復(fù)正常時(shí)，由于電壓上升過(guò)程中，電壓基準(zhǔn)上升需要一個(gè)過(guò)程，表現(xiàn)的現(xiàn)象是AD采樣突然上升到一定高度然后再緩慢下降的過(guò)程。

在此過(guò)程中，合并單元會(huì)給控制保護(hù)系統(tǒng)提供不正確的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致了相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作及直流閉鎖信號(hào)。

斯尼汶特在實(shí)驗(yàn)室模擬了激光供能模塊瞬間失電，證實(shí)了激光供能模塊失電會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端模塊工作電壓波動(dòng)，使AD采集芯片無(wú)法正確采集電流信號(hào)。

由錄波可知，PPM激光發(fā)射板的激光供能模塊若出現(xiàn)瞬時(shí)異常，會(huì)導(dǎo)致與其相應(yīng)的遠(yuǎn)端模塊工作電壓波動(dòng)甚至掉電，從而引起遠(yuǎn)端采集模塊上的電壓基準(zhǔn)故障，AD芯片采集到錯(cuò)誤的電流信號(hào)。從幾次事故的故障錄波中可以看到，從異常出現(xiàn)到恢復(fù)的時(shí)間大約為30～50 ms，這個(gè)極短的時(shí)間使得設(shè)備中光功能調(diào)制保護(hù)功能來(lái)不及被觸發(fā)。

4.2 遠(yuǎn)端模塊失效

OCT遠(yuǎn)端模塊可靠性偏低嚴(yán)重制約了OCT的性能。宜賓站調(diào)試期間出現(xiàn)過(guò)3次遠(yuǎn)端模塊故障更換的情況，正式運(yùn)行后至2016年1月份出現(xiàn)過(guò)11次遠(yuǎn)端模塊故障的情況，經(jīng)統(tǒng)計(jì)主要原因是：1)濾波電容損壞；2)光纖端面或連接器污染。

4.3 PPM發(fā)射板失效

PPM發(fā)射板失效問(wèn)題和上述的瞬間供能模塊失電問(wèn)題性質(zhì)相同，直接原因?yàn)榧す夤┠苣K的永久性故障。激光二極管損壞是導(dǎo)致激光供能模塊出現(xiàn)問(wèn)題的最大可能，而有三種原因可能引起激光二極管損壞：

1)靜電放電，包括高電壓、脈沖；

2)回波損耗，一般由光纖端面或連接器污染造成；

3)芯片質(zhì)量問(wèn)題。

4.4 單一電源模塊供電隱患

直流OCT測(cè)量接口屏內(nèi)機(jī)箱有兩塊電源板供電，其中一塊用于激光發(fā)射板激光模塊供電，另一塊用于CPU模塊及通訊模塊供電，兩路電源無(wú)物理上的聯(lián)系，均為單一電源供電模式，單一電源模塊斷電會(huì)造成單套保護(hù)故障退出和控制系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。

5 結(jié) 論

前面在介紹特高壓換流站OCT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了OCT故障對(duì)特高壓換流站的影響，并從宜賓換流站實(shí)際出發(fā)分析了換流站中OCT的可靠性及故障原因，得出了如下結(jié)論：

1)OCT是特高壓直流換流站中常用且又十分重要的測(cè)量設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行對(duì)直流輸電的可靠性有著重要的作用。當(dāng)交流濾波器OCT故障時(shí)，檢修期間濾波器必須處于停電狀態(tài)，減少了換流站可用的濾波器組數(shù)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)諧波超標(biāo)、電壓偏低等風(fēng)險(xiǎn)，甚至在某些方式下可能導(dǎo)致直流閉鎖；當(dāng)一組直流濾波器的OCT出現(xiàn)故障而檢修時(shí)，直流濾波器單組運(yùn)行，一旦運(yùn)行的濾波器故障跳開(kāi)，直流也會(huì)出現(xiàn)單極閉鎖，難以滿足檢修N-1的要求；直流出線OCT及閥廳OCT故障導(dǎo)致直流控制保護(hù)誤動(dòng)，極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)極高。

2)直流OCT二次測(cè)量接口屏按照常規(guī)直流模式劃分為極Ⅰ區(qū)域和極Ⅱ區(qū)域，但高低端閥組層、極層之間的測(cè)量設(shè)備沒(méi)有按照區(qū)域單獨(dú)配置，由此將導(dǎo)致故障影響范圍嚴(yán)重?cái)U(kuò)大。

3)宜賓站直流OCT共計(jì)故障21次，其中激光發(fā)射板故障8次，遠(yuǎn)端模塊故障13次。故障概率極高，因此增加OCT的備品備件，同時(shí)做好改造前故障處置預(yù)案對(duì)保障直流運(yùn)行有著重要的意義。

[1] 鄭曉冬,邰能靈,楊光亮,等．特高壓直流輸電系統(tǒng)的建模與仿真 [J] ．電力自動(dòng)化設(shè)備，2012,32(7):10-14.

[2] 謝紹宇,王秀麗,王錫凡．交直流混聯(lián)系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J] ．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011,31(7):10-16.

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[4] IEEE PES Transmission and Distribution Committee． IEEE Guide for Planning DC Links Terminating at AC Locations Having Low Short-circuit Capacities[R]．Newyork：IEEE，1997．

OCT is an important measurement equipment which is commonly used in UHVDC converter station, but there is a high failure rate in the running UHVDC converter station at present. According to the relationship between OCT measurement module and DC control and protection system in Yibin converter station, and combined with the maloperation of a single set protection caused by merging unit (POMI) exception since YiBin converter station being put into operation, the theoretical analysis of its causes is done. By using the probability theory, the probability of maloperation and rejection of " two out of three" logic and "one out of two" logic in DC protection are compared and analyzed. Finally, the existing hidden troubles in DC protection logic which may lead to DC blocking are analyzed, and the reasonable suggestions are put forward so as to ensure the safe and stable operation of UHVDC system in power grid.

UHVDC; OCT; DC control and protection; POMI exception; probability; DC blocking

TM721.1

A

1003-6954(2017)03-0035-04

孫 文(1980)，本科、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)；

2017-03-27)

劉俊杰(1989)，本科、助理工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)；

禹 佳(1983)，本科、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。