專利名稱：表征電氣部件線性性能的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表征多端口電氣部件線性性能的方法和設(shè)備。本發(fā)明 還涉及對(duì)至少包含一個(gè)具有此種特性部件的電氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬的方法。
多端口電氣部件的線性性能通常采用特征矩陣之一例如阻抗或?qū)?納矩陣進(jìn)4亍表征。這些矩陣可l吏用適當(dāng)?shù)碾娐芳右詼y(cè)量。
通常，特征矩陣的所有矩陣元是與頻率有關(guān)的，因此必須對(duì)不同 的頻率進(jìn)行測(cè)量。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的測(cè)量方法由于測(cè)量設(shè)備的精度有限以及電噪聲 的影響，特別是在特征矩陣的不同矩陣元或本征值的大小差別極大 時(shí)，其可能給出的結(jié)果很差。在這些情況下，信息可能被丟失。反過(guò) 來(lái)說(shuō)，只有充分地了解了特征矩陣的特性才能夠準(zhǔn)確地說(shuō)明系統(tǒng)中不 同電氣部件或子系統(tǒng)之間的相互影響。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題就是給出表征多端口電氣部件線性 性能的一種改進(jìn)方法和設(shè)備。使用根據(jù)各獨(dú)立權(quán)利要求的方法和設(shè)備 解決了這個(gè)問(wèn)題。
相應(yīng)地，表征含有n>l個(gè)端口的部件特性的方法包含有"估算過(guò) 程，，，在此過(guò)程中，通過(guò)把電壓加到部件端口并測(cè)量部件的響應(yīng)來(lái)確 定出所估算的導(dǎo)納矩陣Y，。估算過(guò)程例如可包括通過(guò)把電壓加到一個(gè) 端口，將所有其他端口接地，測(cè)量每個(gè)端口的電流，以及對(duì)所有端口 重復(fù)這一過(guò)程來(lái)進(jìn)行導(dǎo)納矩陣Y，的常規(guī)測(cè)量。
所述方法還包括"測(cè)量過(guò)程，，，在測(cè)量過(guò)程中將若干電壓起伏圖 Uk加到端口上。這些電壓起伏圖與所估算導(dǎo)納矩陣Y，的本征向量Vk相 對(duì)應(yīng)。在這里"對(duì)應(yīng)"是用來(lái)表示起伏圖Uk基本上(但不一定是嚴(yán)格
地)與(歸一化的)本征向量Vk及其相應(yīng)本征值Xk相平行。對(duì)每個(gè)外
加電壓起伏圖Uk，測(cè)量出部件的響應(yīng)。
如已發(fā)現(xiàn)的那樣，外加上對(duì)應(yīng)于導(dǎo)納矩陣本征向量的電壓起伏圖 Uk，即使在導(dǎo)納矩陣的本征值彼此差別很大時(shí)也能夠得到更為準(zhǔn)確的
部件說(shuō)明。
通過(guò)針對(duì)每個(gè)外加電壓起伏圖Uk來(lái)測(cè)量端口處的電流起伏圖ik可
方侵j也測(cè)出i殳備的響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備能夠?qū)哂衝>l端口的設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行這種測(cè)量。
另一方面，本發(fā)明還以這樣一種設(shè)備為目標(biāo)，該設(shè)備通過(guò)4吏用常 規(guī)方法或此處所述的方法，借助為每個(gè)端口產(chǎn)生電壓的n個(gè)電壓發(fā)生 器和檢測(cè)每個(gè)端口電流的n個(gè)電流傳感器能夠自動(dòng)地確定出具有n>2 端口的部件的線性響應(yīng)。
注意遍及本文，使用黑體大寫字母如Y等來(lái)表示矩陣，使用黑
體小寫字母如U或Uk等表示向量，以及非黑體字母如Xk等來(lái)表示標(biāo)量
或矩陣分量或向量。
在論及部件的"線性性能"時(shí)，這一術(shù)語(yǔ)要理解為包括呈嚴(yán)格線 性或接近線性的任何性能，只要該性能在關(guān)注的電流和電壓范圍內(nèi)以 足夠的精度滿足下文中概述的數(shù)學(xué)關(guān)系式。
附圖簡(jiǎn)述
本發(fā)明的另外的實(shí)施方案，優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用在相關(guān)的權(quán)利要求以及對(duì) 于附圖的下述詳細(xì)說(shuō)明中給出。
圖l是要表示其特性的部件的示意性圖解說(shuō)明， 圖2是表示部件特性的測(cè)量設(shè)備的方框電路圖， 圖3是測(cè)量設(shè)備的第一實(shí)施方案，及 圖4是測(cè)量設(shè)備的第一實(shí)施方案。
詳細(xì)i兌明 一般測(cè)量原理


圖1示出了具有n>l個(gè)端口 Pi到pn的多端口部件1
Ui到Un加到端口 Pi到Pn上時(shí)，將流過(guò)電流il到in。部件
應(yīng)特性用其導(dǎo)納矩陣Y或者等同地用其阻抗矩陣來(lái)表示
。將線性電壓 1的線性電響
。在導(dǎo)納符號(hào)
表示法中，在端口 Pi到Pn加上電壓其電壓向量U- (U卜.Un)時(shí)產(chǎn)生出
的電流向量i- (ii…in)如下
i - Y.u. (1)
根據(jù)本發(fā)明的一般測(cè)量原理是基于估算過(guò)程和測(cè)量過(guò)程。在估算
過(guò)程中，確定所估算的導(dǎo)納矩陣Y，，在測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行更確精的測(cè)量。 在估算過(guò)程中，所估算導(dǎo)納矩陣Y，的矩陣元例如可使用常規(guī)方法 直接進(jìn)行測(cè)量。對(duì)角陣元Y，ii可例如通過(guò)將電壓Ui加到端口 pi并在同 一端口測(cè)量電流ii而將所有其他端口短路至零伏來(lái)進(jìn)行測(cè)量，即 Y，i尸ii/iii而在bj時(shí)Uj-O。矩陣的其他矩陣元Y，ij可通過(guò)將電壓叫加到 端口 Pi而將所有其他端口置在零伏并測(cè)量端口 pj的電流ij來(lái)進(jìn)4亍測(cè) 量，即Y，ij-ij/Ui而在i#j時(shí)Uj=0。
測(cè)量在估算過(guò)程中所估算導(dǎo)納矩陣Y，的其他常規(guī)方法也可以使用。
通常，所估算的導(dǎo)納矩陣Y，有n個(gè)本征值M…;^以及n個(gè)相應(yīng)的 (歸一化的)本征向量V卜.Vn，對(duì)它們來(lái)說(shuō)
Y' , = (2)
一旦知道所估算導(dǎo)納矩陣，就能夠計(jì)算出其本征向量Vk。
在估算過(guò)程后的測(cè)量過(guò)程中，將若干(通常為n)個(gè)電壓起伏圖uk
(U仏…Unk)加到部件1的端口 Pl…Pn上。每個(gè)電壓起伏圖Uk對(duì)應(yīng)于 本征向量Vk中之一。對(duì)每個(gè)外加電壓起伏圖Uk，測(cè)量出部件的響應(yīng)，
特別是通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電流起伏圖ik來(lái)測(cè)量其響應(yīng)。
如上所述，電壓起伏圖Uk對(duì)應(yīng)于(歸一化的)本征向量vk (它是 導(dǎo)納矩陣n個(gè)歸一化本征向量其中之一)，即在電壓起伏圖Uk基本上
與對(duì)應(yīng)本征值Xk的本征向量Vk相平行的意義上呈對(duì)應(yīng)。在理論上，佳_ 用UkCXVk可能是最好的解決辦法，但是產(chǎn)生電壓起伏圖Uk的設(shè)備由于
離散化誤差的影響其通常不能夠產(chǎn)生出與本征向量嚴(yán)格匹配的電壓起 伏圖。以有限分辨率產(chǎn)生電壓起伏圖的設(shè)備其使用方法將在下文中說(shuō)明。
測(cè)量過(guò)程一旦完成，電壓起伏圖Uk和相應(yīng)的電流起伏圖ik就會(huì)充
分地表示出部件1的線性響應(yīng)特性。
通常，導(dǎo)納矩陣Y是與頻率有關(guān)的。為了充分模擬在網(wǎng)絡(luò)中部件 的特性，應(yīng)當(dāng)了解在廣泛頻率范圍，例如50Hz-幾MHz范圍內(nèi)部件1
的線性響應(yīng)。另外，估算過(guò)程在給定范圍內(nèi)的多個(gè)頻率COi下進(jìn)行。
對(duì)每個(gè)估算過(guò)程，有利地計(jì)算出在給定頻率①i下的本征值人k(COi)。
然后，確定臨界頻率，它們是本征值達(dá)到局部最大或最小，或者特別 是最大和最小本征值之間的絕對(duì)比值為最大值或超過(guò)給定閾值時(shí)的那 些頻率。這些臨界頻率是人們特別關(guān)注的，或是因?yàn)樗鼈儽硎境隽瞬?件1的諧振或是因?yàn)樗鼈儽硎境瞿承┕浪惚菊髦悼赡芫群懿畈⒁?所述測(cè)量過(guò)程提高精度。
大體上可以把所需頻率范圍分成若干個(gè)頻率窗口并計(jì)算出每個(gè)頻 率窗口內(nèi)的臨界頻率。
對(duì)每個(gè)或至少某些臨界頻率，進(jìn)行上述的測(cè)量過(guò)程以改進(jìn)測(cè)量。 此外或換個(gè)地方也可以在關(guān)注的頻率范圍內(nèi)的其他點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量過(guò) 程。
頻率COi(在這些頻率下進(jìn)行測(cè)量)在關(guān)注的頻率范圍可能呈線性分
布或?qū)?shù)分布。但是，在有利的實(shí)施方案中，接近上述臨界頻率的測(cè)
量頻率Q)i的密度要大于遠(yuǎn)離臨界頻率的頻譜區(qū)中的測(cè)量頻率①i的密 度。這就能夠得到部件的更為可靠的特性展示。
測(cè)量i殳備
圖2中公示了為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種通常的測(cè)量設(shè)備2。在通常情況 下，測(cè)量i殳備2包括產(chǎn)生電壓qh到qv的n個(gè)可調(diào)電壓源，這些電壓通
過(guò)阻抗Zt到Zn饋送到端口 Pi到pn。電壓CPl到(Pn都具有相等的頻率和 已知的相位關(guān)系。阻抗Zi到Zn實(shí)際上可以為零，或者是如下文所述，
它們是可調(diào)節(jié)的且在電位上是非零的。設(shè)置控制單元3用來(lái)自動(dòng)地調(diào) 節(jié)電壓源并在適用時(shí)調(diào)節(jié)阻抗Zt到zn。 對(duì)圖2的設(shè)備，得到
(p - u + Z-i, (3) 式中9= ( (pl…(pn)為電壓源的電壓，U=(Ui...Un)為端口處的輸入電壓，
Z是含有對(duì)角陣元ZrZn的對(duì)角矩陣。
將方程(1)和(3)合并就給出輸入電壓與外加電壓的下述關(guān)系
式
<formula>formula see original document page 8</formula> (4)
式中I為n x n單位矩陣。
如上所述，外加電壓u應(yīng)當(dāng)與所估算導(dǎo)納矩陣Y，的本征值Vk相對(duì) 應(yīng)。不過(guò)，通常將不可能嚴(yán)格地匹配這種情況，因?yàn)殡妷涸床荒軌虍a(chǎn) 生除了一組離散數(shù)值外的任何任意的電壓數(shù)值。如果能夠產(chǎn)生的電壓 值的數(shù)量小，阻抗Zi到Zn也能夠設(shè)計(jì)成是可調(diào)的以便得到數(shù)量更大的 不同輸入電壓u。
輸入電壓向量Uk可以表示成為本征值Vi的線性組合，即
<formula>formula see original document page 8</formula>將方程(5 ) 、 ( 1)以及(2 )合并得
因此，為了使第k個(gè)本征值與其他本征值相比對(duì)輸入電流向量i 的影響成為最大，必須使下述誤差函數(shù)成為最小
換句話說(shuō)，對(duì)每個(gè)本征值xk，必須(在可能系數(shù)的集合中，該集
合由于測(cè)量設(shè)備2所固有的離散化而是一個(gè)有限集合)求出系數(shù)Od… ocn，在該系數(shù)下方程(6)的項(xiàng)為最小。
如果測(cè)量設(shè)備2具有如圖2中所示的可調(diào)電壓源和阻抗，我們得
到<formula>formula see original document page 9</formula> (7)
實(shí)現(xiàn)上述方法的測(cè)量設(shè)備通常應(yīng)包括n個(gè)可編程電壓發(fā)生器，以 把電壓起伏圖u加到部件1的n個(gè)端口上。此外，它還應(yīng)包括n個(gè)測(cè) 量電流i的電流傳感器。應(yīng)當(dāng)使測(cè)量設(shè)備適合于把至少n個(gè)合適的電壓 起伏圖依次地加到端口上來(lái)自動(dòng)地測(cè)量部件的線性響應(yīng)。這對(duì)擁有多 于兩個(gè)端口的部件1來(lái)說(shuō)尤其有利，因?yàn)閷?duì)含n>2端口的部件使用這 種自動(dòng)測(cè)量在降低成本的同時(shí)還得到了速度和準(zhǔn)確度的顯著增加。
有利的是，測(cè)量設(shè)備應(yīng)當(dāng)包括使用上述估算和測(cè)量過(guò)程進(jìn)行測(cè)量 的控制單元。
測(cè)量設(shè)備2的一種可能實(shí)施方案示于圖3。在此設(shè)備中，為每個(gè)輸 入端口都配置了產(chǎn)生幅度和相位可調(diào)的各電壓(Pi的電壓發(fā)生器10。它 還包括n個(gè)電流傳感器11， 一個(gè)用來(lái)測(cè)量至/自每個(gè)端口的電源。控制 單元3通過(guò)控制電壓發(fā)生器10能夠直接地設(shè)定外加輸入電壓。如果由 每個(gè)電壓發(fā)生器所能夠產(chǎn)生的電壓值的數(shù)量小，通過(guò)使方程(6)的項(xiàng) 達(dá)到最小就能夠計(jì)算出對(duì)給定本征向量的最佳電壓。對(duì)每個(gè)外加電壓 起伏圖，控制單元3借助電流傳感器11測(cè)量出通過(guò)端口的電流i。
測(cè)量設(shè)備的另一可能實(shí)施方案示于圖4。此設(shè)備只包括一個(gè)單個(gè)電 壓源4。將發(fā)自電壓源的電壓(p饋送至由控制單元3控制的n個(gè)電壓轉(zhuǎn) 換器5，使用電壓源4和電壓轉(zhuǎn)換器5取代了前一實(shí)施方案的電壓發(fā)生 器10。每個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器5有選擇地將一個(gè)端口或直接接電壓cp，通過(guò)阻 尼電路6接電壓(p、通過(guò)阻抗7接地、直接接地、或使端口開路(阻抗 無(wú)限大)。這種測(cè)量電路的好處是，它只需要一個(gè)單個(gè)的電壓源。依 據(jù)方程(6)和(7)能夠算出電壓轉(zhuǎn)換器每個(gè)值的合適設(shè)定值。
結(jié)果的進(jìn)一步處理
如上所述，所說(shuō)明的測(cè)量過(guò)程對(duì)一給定頻率給出了一組電壓起伏 圖Uk和相應(yīng)的電流起伏圖ik,它們充分地表示出在此給定頻率下部件1 的線性響應(yīng)特性。
數(shù)值Uk和ik，其中k-l…n，在原則上可以轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納矩陣Y或相 應(yīng)阻抗矩陣的更為準(zhǔn)確的估算。不過(guò)，如果導(dǎo)納矩陣Y的最小與最大 本征值相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)的話，由于數(shù)字算法的舍入誤差和有限精度， 這種矩陣很難在數(shù)字上用浮點(diǎn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理。因此，在本發(fā)明有
利的實(shí)施方案中，將數(shù)值Uk和ik直接地用于進(jìn)一步的處理，而無(wú)需事
先轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納矩陣Y或阻抗矩陣。
例如，測(cè)量過(guò)程的結(jié)果可用于例如對(duì)部件1或部件1為其組成部 分的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬。這種模型可以例如用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性進(jìn)行一般 的分析或者對(duì)其對(duì)給定事件的響應(yīng)進(jìn)行具體的分析。
這里所說(shuō)明的方法可以用來(lái)表征如電動(dòng)機(jī)、變壓器、開關(guān)裝置、 傳輸線等各種部件的特性。
附圖標(biāo)記列表
1 測(cè)試部件
2 測(cè)量設(shè)備
3 控制單元
4 單個(gè)電壓源
5 電壓轉(zhuǎn)換器
6 阻尼電路
7 阻抗
10 電壓發(fā)生器
11 電流傳感器
權(quán)利要求
1.表征具有n＞1個(gè)端口的電氣部件線性性能的方法，所述方法包括估算過(guò)程，其包括通過(guò)將電壓加到部件的端口上并測(cè)量部件響應(yīng)來(lái)確定該部件估算導(dǎo)納矩陣Y’的步驟，所述方法的特征還在于包括測(cè)量過(guò)程，其包括將若干個(gè)電壓起伏圖uk加到所說(shuō)部件的端口并對(duì)每個(gè)外加電壓起伏圖uk確定出部件響應(yīng)的步驟，其中每個(gè)電壓起壓圖uk與所估算導(dǎo)納矩陣Y’的本征向量vk相對(duì)應(yīng)。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中所述測(cè)量過(guò)程包括對(duì)加到端口上的每 個(gè)電壓起伏圖Uk測(cè)量出所述端口處電流起伏圖ik的步驟。
3. 前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方法，其中導(dǎo)納矩陣Y，有n個(gè)本征向量并且其中每個(gè)電壓起伏圖Uk與一個(gè)不同的本征向量相對(duì)應(yīng)。
4. 前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方法，其中借助能夠?qū)⒁唤M離 散的不同電壓起伏圖加到部件端口的測(cè)試設(shè)備來(lái)產(chǎn)生電壓起伏圖uk,其中每個(gè)電壓起伏圖Uk與該離散組中具有下述項(xiàng)》一)2 — 為最小之特性的那個(gè)組元相對(duì)應(yīng)，而其中OCi為系數(shù)。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中測(cè)試設(shè)備有n個(gè)電壓發(fā)生器，這些電 壓發(fā)生器產(chǎn)生n個(gè)不同的電壓cpk，將這些電壓通過(guò)n個(gè)可選的阻抗Zk 加到端口上，其中a = [v工'.vj1 '(工+ z .- cp 式中a是系數(shù)od-an的向量，Z是含對(duì)角陣元Zk的對(duì)角矩陣，而cp是含 纟且元cpi-(pk的向量。
6. 前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方法，該方法包括以下步驟 在關(guān)注的頻率范圍的多個(gè)頻率下重復(fù)進(jìn)行估算過(guò)程以及 至少對(duì)某些頻率進(jìn)行測(cè)量過(guò)程。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中對(duì)下述頻率進(jìn)行測(cè)量過(guò)程，在這些頻 率下，所估算導(dǎo)納矩陣Y，的最大與最小本征值之間的絕對(duì)比值為局部 最大值或超過(guò)給定的閾值。
8. 權(quán)利要求6或7的方法，其包括確定臨界頻率的步驟，其中接 近臨界頻率的測(cè)量密度要大于遠(yuǎn)離臨界頻率的一些測(cè)量的密度。
9. 模擬含至少一個(gè)部件的電氣系統(tǒng)的方法， 所述方法包括以下步驟使用前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方法通過(guò)確定外加電壓起伏 圖uk以及對(duì)每個(gè)加在端口上的外加電壓起伏圖工作確定在端口處的電 流起伏圖ik來(lái)表示出部件的特性，及使用電壓起伏圖Uk和電流起伏圖i對(duì)所說(shuō)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬而不計(jì) 算所說(shuō)部件的導(dǎo)納或阻抗矩陣。
10. 表示含n>l個(gè)端口的電氣部件線性性能特性的設(shè)備，所述設(shè) 備包括n個(gè)電壓發(fā)生器(10)，其對(duì)各個(gè)端口產(chǎn)生出電壓， n個(gè)電流傳感器(11)，其對(duì)各端口的電流進(jìn)行檢測(cè)，及 控制單元(3)，其自動(dòng)地實(shí)施前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方法。
11. 表征電氣部件、特別是權(quán)利要求10的部件在有11>2個(gè)端口時(shí) 的線性性能的設(shè)備，該設(shè)備包括n個(gè)電壓發(fā)生器(10)，其對(duì)各個(gè)端口產(chǎn)生出電壓， n個(gè)電流傳感器(11)，其對(duì)各端口的電流進(jìn)行檢測(cè)，及 控制單元(3)，其自動(dòng)地在端口產(chǎn)生若干電壓起伏圖(Uk)并測(cè)量端口處的相應(yīng)電流(ik)以及依據(jù)電壓起伏圖和相應(yīng)電流得出部件的線性響應(yīng)。
12. 權(quán)利要求10或11中任一權(quán)利要求的設(shè)備，其中控制單元(3) 適合于將至少n個(gè)不同的電壓起伏圖依次地加到端口上。
全文摘要
確定多端口電氣部件(1)的線性響應(yīng)的方法和設(shè)備具有一個(gè)“估算過(guò)程”，在此過(guò)程中，通過(guò)把電壓加到部件端口上并測(cè)量部件的響應(yīng)來(lái)確定出所估算的導(dǎo)納矩陣。估算過(guò)程例如可包括該導(dǎo)納矩陣的常規(guī)測(cè)量。方法還有一個(gè)“測(cè)量過(guò)程”，在測(cè)量過(guò)程中將若干個(gè)電壓起伏圖加到端口上。電壓起伏圖與所估算導(dǎo)納矩陣的本征向量相對(duì)應(yīng)。對(duì)每個(gè)外加電壓起伏圖，測(cè)量出部件的響應(yīng)。這樣即使導(dǎo)納矩陣的本征值相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)也能夠測(cè)量出部件的線性響應(yīng)。
文檔編號(hào)G01R27/00GK101107533SQ200680002818
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者A·達(dá)爾奎斯特, C·黑茨, K·尼阿耶什, M·伯思, M·蒂伯格 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司