專利名稱：表征電氣部件線性性能的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及表征多端口電氣部件線性性能的方法和設備。本發明 還涉及對至少包含一個具有此種特性部件的電氣系統進行模擬的方法。
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導 納矩陣進4亍表征。這些矩陣可l吏用適當的電路加以測量。
通常，特征矩陣的所有矩陣元是與頻率有關的，因此必須對不同 的頻率進行測量。
已經發現，常規的測量方法由于測量設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，其可能給出的結果很差。在這些情況下，信息可能被丟失。反過 來說，只有充分地了解了特征矩陣的特性才能夠準確地說明系統中不 同電氣部件或子系統之間的相互影響。
發明內容
因此，本發明所要解決的問題就是給出表征多端口電氣部件線性 性能的一種改進方法和設備。使用根據各獨立權利要求的方法和設備 解決了這個問題。
相應地，表征含有n>l個端口的部件特性的方法包含有"估算過 程，，，在此過程中，通過把電壓加到部件端口并測量部件的響應來確 定出所估算的導納矩陣Y，。估算過程例如可包括通過把電壓加到一個 端口，將所有其他端口接地，測量每個端口的電流，以及對所有端口 重復這一過程來進行導納矩陣Y，的常規測量。
所述方法還包括"測量過程，，，在測量過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納矩陣Y，的本征向量Vk相 對應。在這里"對應"是用來表示起伏圖Uk基本上(但不一定是嚴格
地)與(歸一化的)本征向量Vk及其相應本征值Xk相平行。對每個外
加電壓起伏圖Uk，測量出部件的響應。
如已發現的那樣，外加上對應于導納矩陣本征向量的電壓起伏圖 Uk，即使在導納矩陣的本征值彼此差別很大時也能夠得到更為準確的
部件說明。
通過針對每個外加電壓起伏圖Uk來測量端口處的電流起伏圖ik可
方侵j也測出i殳備的響應。
根據本發明的設備能夠對具有n>l端口的設備自動進行這種測量。
另一方面，本發明還以這樣一種設備為目標，該設備通過4吏用常 規方法或此處所述的方法，借助為每個端口產生電壓的n個電壓發生 器和檢測每個端口電流的n個電流傳感器能夠自動地確定出具有n>2 端口的部件的線性響應。
注意遍及本文，使用黑體大寫字母如Y等來表示矩陣，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等來表示標量
或矩陣分量或向量。
在論及部件的"線性性能"時，這一術語要理解為包括呈嚴格線 性或接近線性的任何性能，只要該性能在關注的電流和電壓范圍內以 足夠的精度滿足下文中概述的數學關系式。
附圖簡述
本發明的另外的實施方案，優點及應用在相關的權利要求以及對 于附圖的下述詳細說明中給出。
圖l是要表示其特性的部件的示意性圖解說明， 圖2是表示部件特性的測量設備的方框電路圖， 圖3是測量設備的第一實施方案，及 圖4是測量設備的第一實施方案。
詳細i兌明 一般測量原理
圖1示出了具有n>l個端口 Pi到pn的多端口部件1
Ui到Un加到端口 Pi到Pn上時，將流過電流il到in。部件
應特性用其導納矩陣Y或者等同地用其阻抗矩陣來表示
。將線性電壓 1的線性電響
。在導納符號
表示法中，在端口 Pi到Pn加上電壓其電壓向量U- (U卜.Un)時產生出
的電流向量i- (ii…in)如下
i - Y.u. (1)
根據本發明的一般測量原理是基于估算過程和測量過程。在估算
過程中，確定所估算的導納矩陣Y，，在測量過程中進行更確精的測量。 在估算過程中，所估算導納矩陣Y，的矩陣元例如可使用常規方法 直接進行測量。對角陣元Y，ii可例如通過將電壓Ui加到端口 pi并在同 一端口測量電流ii而將所有其他端口短路至零伏來進行測量，即 Y，i尸ii/iii而在bj時Uj-O。矩陣的其他矩陣元Y，ij可通過將電壓叫加到 端口 Pi而將所有其他端口置在零伏并測量端口 pj的電流ij來進4亍測 量，即Y，ij-ij/Ui而在i#j時Uj=0。
測量在估算過程中所估算導納矩陣Y，的其他常規方法也可以使用。
通常，所估算的導納矩陣Y，有n個本征值M…;^以及n個相應的 (歸一化的)本征向量V卜.Vn，對它們來說
Y' , = (2)
一旦知道所估算導納矩陣，就能夠計算出其本征向量Vk。
在估算過程后的測量過程中，將若干(通常為n)個電壓起伏圖uk
(U仏…Unk)加到部件1的端口 Pl…Pn上。每個電壓起伏圖Uk對應于 本征向量Vk中之一。對每個外加電壓起伏圖Uk，測量出部件的響應，
特別是通過測量感應電流起伏圖ik來測量其響應。
如上所述，電壓起伏圖Uk對應于(歸一化的)本征向量vk (它是 導納矩陣n個歸一化本征向量其中之一)，即在電壓起伏圖Uk基本上
與對應本征值Xk的本征向量Vk相平行的意義上呈對應。在理論上，佳_ 用UkCXVk可能是最好的解決辦法，但是產生電壓起伏圖Uk的設備由于
離散化誤差的影響其通常不能夠產生出與本征向量嚴格匹配的電壓起 伏圖。以有限分辨率產生電壓起伏圖的設備其使用方法將在下文中說明。
測量過程一旦完成，電壓起伏圖Uk和相應的電流起伏圖ik就會充
分地表示出部件1的線性響應特性。
通常，導納矩陣Y是與頻率有關的。為了充分模擬在網絡中部件 的特性，應當了解在廣泛頻率范圍，例如50Hz-幾MHz范圍內部件1
的線性響應。另外，估算過程在給定范圍內的多個頻率COi下進行。
對每個估算過程，有利地計算出在給定頻率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比值為最大值或超過給定閾值時的那 些頻率。這些臨界頻率是人們特別關注的，或是因為它們表示出了部 件1的諧振或是因為它們表示出某些估算本征值可能精度很差并要求 所述測量過程提高精度。
大體上可以把所需頻率范圍分成若干個頻率窗口并計算出每個頻 率窗口內的臨界頻率。
對每個或至少某些臨界頻率，進行上述的測量過程以改進測量。 此外或換個地方也可以在關注的頻率范圍內的其他點上進行測量過 程。
頻率COi(在這些頻率下進行測量)在關注的頻率范圍可能呈線性分
布或對數分布。但是，在有利的實施方案中，接近上述臨界頻率的測
量頻率Q)i的密度要大于遠離臨界頻率的頻譜區中的測量頻率①i的密 度。這就能夠得到部件的更為可靠的特性展示。
測量i殳備
圖2中公示了為實現本發明的一種通常的測量設備2。在通常情況 下，測量i殳備2包括產生電壓qh到qv的n個可調電壓源，這些電壓通
過阻抗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 已知的相位關系。阻抗Zi到Zn實際上可以為零，或者是如下文所述，
它們是可調節的且在電位上是非零的。設置控制單元3用來自動地調 節電壓源并在適用時調節阻抗Zt到zn。 對圖2的設備，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是含有對角陣元ZrZn的對角矩陣。
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應當與所估算導納矩陣Y，的本征值Vk相對 應。不過，通常將不可能嚴格地匹配這種情況，因為電壓源不能夠產 生除了一組離散數值外的任何任意的電壓數值。如果能夠產生的電壓 值的數量小，阻抗Zi到Zn也能夠設計成是可調的以便得到數量更大的 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個本征值與其他本征值相比對輸入電流向量i 的影響成為最大，必須使下述誤差函數成為最小
換句話說，對每個本征值xk，必須(在可能系數的集合中，該集
合由于測量設備2所固有的離散化而是一個有限集合)求出系數Od… ocn，在該系數下方程(6)的項為最小。
如果測量設備2具有如圖2中所示的可調電壓源和阻抗，我們得
到<formula>formula see original document page 9</formula> (7)
實現上述方法的測量設備通常應包括n個可編程電壓發生器，以 把電壓起伏圖u加到部件1的n個端口上。此外，它還應包括n個測 量電流i的電流傳感器。應當使測量設備適合于把至少n個合適的電壓 起伏圖依次地加到端口上來自動地測量部件的線性響應。這對擁有多 于兩個端口的部件1來說尤其有利，因為對含n>2端口的部件使用這 種自動測量在降低成本的同時還得到了速度和準確度的顯著增加。
有利的是，測量設備應當包括使用上述估算和測量過程進行測量 的控制單元。
測量設備2的一種可能實施方案示于圖3。在此設備中，為每個輸 入端口都配置了產生幅度和相位可調的各電壓(Pi的電壓發生器10。它 還包括n個電流傳感器11， 一個用來測量至/自每個端口的電源。控制 單元3通過控制電壓發生器10能夠直接地設定外加輸入電壓。如果由 每個電壓發生器所能夠產生的電壓值的數量小，通過使方程(6)的項 達到最小就能夠計算出對給定本征向量的最佳電壓。對每個外加電壓 起伏圖，控制單元3借助電流傳感器11測量出通過端口的電流i。
測量設備的另一可能實施方案示于圖4。此設備只包括一個單個電 壓源4。將發自電壓源的電壓(p饋送至由控制單元3控制的n個電壓轉 換器5，使用電壓源4和電壓轉換器5取代了前一實施方案的電壓發生 器10。每個電壓轉換器5有選擇地將一個端口或直接接電壓cp，通過阻 尼電路6接電壓(p、通過阻抗7接地、直接接地、或使端口開路(阻抗 無限大)。這種測量電路的好處是，它只需要一個單個的電壓源。依 據方程(6)和(7)能夠算出電壓轉換器每個值的合適設定值。
結果的進一步處理
如上所述，所說明的測量過程對一給定頻率給出了一組電壓起伏 圖Uk和相應的電流起伏圖ik,它們充分地表示出在此給定頻率下部件1 的線性響應特性。
數值Uk和ik，其中k-l…n，在原則上可以轉換成導納矩陣Y或相 應阻抗矩陣的更為準確的估算。不過，如果導納矩陣Y的最小與最大 本征值相差幾個數量級的話，由于數字算法的舍入誤差和有限精度， 這種矩陣很難在數字上用浮點計算結果進行處理。因此，在本發明有
利的實施方案中，將數值Uk和ik直接地用于進一步的處理，而無需事
先轉換成導納矩陣Y或阻抗矩陣。
例如，測量過程的結果可用于例如對部件1或部件1為其組成部 分的網絡進行模擬。這種模型可以例如用于對網絡的穩定性進行一般 的分析或者對其對給定事件的響應進行具體的分析。
這里所說明的方法可以用來表征如電動機、變壓器、開關裝置、 傳輸線等各種部件的特性。
附圖標記列表
1 測試部件
2 測量設備
3 控制單元
4 單個電壓源
5 電壓轉換器
6 阻尼電路
7 阻抗
10 電壓發生器
11 電流傳感器
權利要求
1.表征具有n＞1個端口的電氣部件線性性能的方法，所述方法包括估算過程，其包括通過將電壓加到部件的端口上并測量部件響應來確定該部件估算導納矩陣Y’的步驟，所述方法的特征還在于包括測量過程，其包括將若干個電壓起伏圖uk加到所說部件的端口并對每個外加電壓起伏圖uk確定出部件響應的步驟，其中每個電壓起壓圖uk與所估算導納矩陣Y’的本征向量vk相對應。
2. 權利要求l的方法，其中所述測量過程包括對加到端口上的每 個電壓起伏圖Uk測量出所述端口處電流起伏圖ik的步驟。
3. 前述權利要求中任一權利要求的方法，其中導納矩陣Y，有n個本征向量并且其中每個電壓起伏圖Uk與一個不同的本征向量相對應。
4. 前述權利要求中任一權利要求的方法，其中借助能夠將一組離 散的不同電壓起伏圖加到部件端口的測試設備來產生電壓起伏圖uk,其中每個電壓起伏圖Uk與該離散組中具有下述項》一)2 — 為最小之特性的那個組元相對應，而其中OCi為系數。
5. 權利要求4的方法，其中測試設備有n個電壓發生器，這些電 壓發生器產生n個不同的電壓cpk，將這些電壓通過n個可選的阻抗Zk 加到端口上，其中a = [v工'.vj1 '(工+ z .- cp 式中a是系數od-an的向量，Z是含對角陣元Zk的對角矩陣，而cp是含 纟且元cpi-(pk的向量。
6. 前述權利要求中任一權利要求的方法，該方法包括以下步驟 在關注的頻率范圍的多個頻率下重復進行估算過程以及 至少對某些頻率進行測量過程。
7. 權利要求6的方法，其中對下述頻率進行測量過程，在這些頻 率下，所估算導納矩陣Y，的最大與最小本征值之間的絕對比值為局部 最大值或超過給定的閾值。
8. 權利要求6或7的方法，其包括確定臨界頻率的步驟，其中接 近臨界頻率的測量密度要大于遠離臨界頻率的一些測量的密度。
9. 模擬含至少一個部件的電氣系統的方法， 所述方法包括以下步驟使用前述權利要求中任一權利要求的方法通過確定外加電壓起伏 圖uk以及對每個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對所說的系統進行模擬而不計 算所說部件的導納或阻抗矩陣。
10. 表示含n>l個端口的電氣部件線性性能特性的設備，所述設 備包括n個電壓發生器(10)，其對各個端口產生出電壓， n個電流傳感器(11)，其對各端口的電流進行檢測，及 控制單元(3)，其自動地實施前述權利要求中任一權利要求的方法。
11. 表征電氣部件、特別是權利要求10的部件在有11>2個端口時 的線性性能的設備，該設備包括n個電壓發生器(10)，其對各個端口產生出電壓， n個電流傳感器(11)，其對各端口的電流進行檢測，及 控制單元(3)，其自動地在端口產生若干電壓起伏圖(Uk)并測量端口處的相應電流(ik)以及依據電壓起伏圖和相應電流得出部件的線性響應。
12. 權利要求10或11中任一權利要求的設備，其中控制單元(3) 適合于將至少n個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)的線性響應的方法和設備具有一個“估算過程”，在此過程中，通過把電壓加到部件端口上并測量部件的響應來確定出所估算的導納矩陣。估算過程例如可包括該導納矩陣的常規測量。方法還有一個“測量過程”，在測量過程中將若干個電壓起伏圖加到端口上。電壓起伏圖與所估算導納矩陣的本征向量相對應。對每個外加電壓起伏圖，測量出部件的響應。這樣即使導納矩陣的本征值相差幾個數量級也能夠測量出部件的線性響應。
文檔編號G01R27/00GK101107533SQ200680002818
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月17日 優先權日2005年1月21日
發明者A·達爾奎斯特, C·黑茨, K·尼阿耶什, M·伯思, M·蒂伯格 申請人:Abb研究有限公司
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