电网络电网络理论理论（电网络分析理论）（电网络分析理论）电网络理论是建立在电网络理论是建立在电路模型电路模型基础基础上的工程学科。既是上的工程学科。既是电力电力类类各专业各专业硕士硕士研究研究生生的的一门一门专专业基础课业基础课，也是，也是理论电工理论电工专业专业的一个的一个重要研究方向重要研究方向。1. 1. 电路电路、网络网络与与系统系统由电路由电路元件元件( (发、变、输、配（控）发、变、输、配（控）、用、用) )与与导线导线构成的构成的电流电流的的通路通路( (广广义性义性) )。简单的如手电筒；复杂的。简单的如手电筒；复杂的如如大规模集成电路大规模集成电路、东北、华北、东北、华北、华东、华中电网等。华东、华中电网等。电路（电路（circuit）网络（网络（network）是指）是指电路电路或或电电路的一部分路的一部分；作为；作为一个整体看待一个整体看待的、由相互连接的电路元件的、由相互连接的电路元件所构所构成的成的集集；可用；可用支路和结点支路和结点表示的，表示的，由由节点和连线节点和连线构成的构成的图图。网络（网络（network）网络是网络是从某种相同类型的实际问从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型题中抽象出来的模型，习惯上就，习惯上就称其为某某类型网络，如称其为某某类型网络，如电力网电力网络络、开关网络、运输网络、通信、开关网络、运输网络、通信网络等。网络等。“三网三网”：电信电信网络、网络、有线有线电视电视网络、网络、计算机计算机网络。网络。网络（续）网络（续）主要指对信号进行主要指对信号进行加工处理加工处理的某的某个个具体结构具体结构，如滤波器，积分器，如滤波器，积分器等，实际就是一个等，实际就是一个具有具有某种特定某种特定功能功能的电路（复杂的如计算机网的电路（复杂的如计算机网络，络，网络电路网络电路可可通用通用）。网络（续）网络（续）网络是指把若干元件网络是指把若干元件有目的地有目的地，按按一定的形式联接一定的形式联接起来，完成起来，完成特特定任务定任务的总体。的总体。一群有一群有相互关联的个体组成的集合相互关联的个体组成的集合称为称为系统系统。系统是由。系统是由若干要素（部若干要素（部分）组成分）组成的；系统的；系统有一定的结构有一定的结构；系统系统有一定的功能有一定的功能。可以分为。可以分为自然自然系统、系统、人工人工系统、系统、复合复合系统。例如系统。例如交通系统、交通系统、电力系统电力系统、计算机系统、计算机系统等都是人工系统。等都是人工系统。系统（系统（system）电力系统电力系统 electric power system，power system 由由发电、变电、输电、配电发电、变电、输电、配电和和用用电电等环节组成的电能等环节组成的电能生产、传输、生产、传输、分配分配和和消费消费的的系统系统。它把自然界。它把自然界的的一次能源一次能源通过发电动力装置通过发电动力装置转转化成电能，化成电能，再经再经输电、变电输电、变电和和配配电电将电能供应到各用户。将电能供应到各用户。由若干由若干互有关联的单元互有关联的单元（元件，器（元件，器件）组成的，用来件）组成的，用来表达（实现）表达（实现）某某些特定目的（功能）的些特定目的（功能）的整体整体。如。如通通信系统信系统，电力系统电力系统，计算机，计算机网络系网络系统统等。最简单的等。最简单的RCRC电路也可以构成电路也可以构成一个一个初级初级的的信号处理系统信号处理系统（有积分（有积分和微分的运算功能）。和微分的运算功能）。 系统（续）系统（续） 随着大规模集成技术的发展，随着大规模集成技术的发展，三者之间三者之间的的界限越来越模糊界限越来越模糊，它，它们的们的差别差别主要在主要在处理问题处理问题的的角度角度不同（不同（看待问题看待问题的的观点不同观点不同）。l电路的观点：确定电路中各支路或电路的观点：确定电路中各支路或网络的网络的电流电流，电压电压；分析和综合。；分析和综合。l网络的观点：确定一定结构和参网络的观点：确定一定结构和参数的网络数的网络具有的特性具有的特性；l系统的观点：着重在系统的观点：着重在输入、输出输入、输出的的关系关系（整体功能！整体功能！）。一般系统关）。一般系统关心的是心的是“全局问题全局问题”，网络关注，网络关注“局部问题局部问题”，但没有，但没有严格的界限严格的界限。国际上顶级专业国际上顶级专业学刊学刊称为称为CAS ,IEEE ransactions on CAS （Circuit and system)华北电力大学附近华北电力大学附近北清路北清路两侧的输电线路两侧的输电线路北京北清路附近北京北清路附近北京马齿口附近北京马齿口附近北京海淀驾校后山北京海淀驾校后山6分裂分裂导线导线500kV平武线长江长江大军山大军山跨越，跨越，建于建于1981年，塔高塔高108m，跨江跨江距距1166m，导线标号，导线标号LHGJT-440，跨江采用三分裂三分裂方式，方式，架空地线标号为架空地线标号为LHGJT-150， 最大风舞振幅最大风舞振幅可达可达13m，频率，频率0.13Hz。2 2古典古典网络理论与网络理论与现代现代网络理论网络理论l古典古典网络理论（网络理论（2020世纪世纪3030年代）年代）(2) (2) 电路元件：电路元件：线性时不变线性时不变，两端，两端（一端口）元件（一端口）元件R R， C C，L L，M M。(1)(1)围绕围绕强电强电系统（电力系统）及简系统（电力系统）及简单控制系统（单输入，单输出）单控制系统（单输入，单输出）发展起来的，解决电能的发展起来的，解决电能的生产，生产，传输，分配，使用及控制。传输，分配，使用及控制。(3) 激励：独立电源，直流或正弦交流激励：独立电源，直流或正弦交流(4) 线性时不变线性时不变连续时间系统连续时间系统(5) 数学方法：稳态分析：数学方法：稳态分析：线性代数线性代数方程组方程组；瞬态分析：线性微分方；瞬态分析：线性微分方程组；变换域：程组；变换域：相量相量变换，拉氏变换，拉氏变换等变换等l现代网络理论（现代网络理论（2020世纪世纪60607070年代）年代）(1)(1)围绕围绕弱电系统弱电系统（如（如通通讯系统，讯系统，复复杂杂控控制系统，制系统，计计算机系统）解决算机系统）解决电信电信号传输，转换，处理，控制号传输，转换，处理，控制等。等。(2) (2) 元件：元件：非线非线性，性，时变时变元件，元件，多口多口元元件：件：受控源受控源（非独立（非独立源源）(3)(3)激励：各种激励：各种不规则信号源不规则信号源(4)(4)非线性非线性或或时变系统时变系统，发展了离散系统，发展了离散系统（数字通信，计算机）（数字通信，计算机）多多输输入入，多输多输出出系统系统(5)(5)数学方法：稳态分析：数学方法：稳态分析：矩阵矩阵方法，方法，网网络图论络图论；瞬态方法：发展了；瞬态方法：发展了卷卷积法，积法，状态方程状态方程，差分差分方程；方程；变换变换域：发展域：发展了拉氏变换，了拉氏变换，离散富氏离散富氏变换；计算机变换；计算机方法（稳，瞬变）：方法（稳，瞬变）：CAD，ATLAB，LABVIEW 等。等。现代现代网络理论不能完全代网络理论不能完全代替替古典古典( (例如例如波特图波特图、网、网络函数的络函数的零极点图零极点图等）。等）。二者为二者为继承发展继承发展关系。关系。800 kV特高压特高压直流和1000 kV特高特高压压交流输电工程。随着随着四川复龙至上海南汇四川复龙至上海南汇 800 kV特高压直特高压直流示范工程、流示范工程、晋东南晋东南 南阳南阳 荆门荆门1000 kV特特高压交流试验示范工程相继由国家发展改革高压交流试验示范工程相继由国家发展改革委员会委员会核准建设核准建设，我国的，我国的特高压交、直流输特高压交、直流输电技术研究及其基础实验设施亟待完善电技术研究及其基础实验设施亟待完善（2007.11）。国家电网公司特高压交流试验）。国家电网公司特高压交流试验基地和直流试验基地的建设和逐步投付使用，基地和直流试验基地的建设和逐步投付使用，将使将使我国具备可靠的试验和测试平台，我国具备可靠的试验和测试平台，同时同时可以为我国特高压交、直流输电技术在工程可以为我国特高压交、直流输电技术在工程设计和建设方面设计和建设方面起到重大的支撑作用起到重大的支撑作用。 我国特高压输电技术研究始于我国特高压输电技术研究始于1986年年，在过，在过去的去的20多年里，我国的科研机构在特高压交、多年里，我国的科研机构在特高压交、直流输电领域相继开展了直流输电领域相继开展了“远距离输电方式远距离输电方式和电压等级论证和电压等级论证”、“特高压输电前期论证特高压输电前期论证”和和“采用交流百万伏特高压输电的可行性采用交流百万伏特高压输电的可行性”等研究，在特高压输电系统等研究，在特高压输电系统过电压过电压水平水平、绝缘配合绝缘配合、输电线路对、输电线路对环境影响环境影响以及设备、以及设备、线路、铁塔、典型变电站线路、铁塔、典型变电站(换流站换流站)的选择与的选择与论证方面，取得了初步成果。论证方面，取得了初步成果。 我国我国特高压特高压输电技术实验基地输电技术实验基地图图1 1 直流直流 试验基地（北京中关村科技园区昌平试验基地（北京中关村科技园区昌平园东区）园东区）直流试验基地 图3 3 特高压直流试验基地户外场图图2 2 交流交流1000kV1000kV试验基地（武汉试验基地（武汉500kV500kV凤凰山变电站西侧）凤凰山变电站西侧）目前我国在特高压输电工程中的目前我国在特高压输电工程中的过过电压与绝缘配合、外绝缘特性、电电压与绝缘配合、外绝缘特性、电磁环境磁环境以及以及特高压设备的长期带电特高压设备的长期带电考核、检验考核、检验与与运行检测运行检测技术研究等技术研究等方面方面已取得一定进展已取得一定进展，所得的部分，所得的部分试验和数据分析结果可直接用于我试验和数据分析结果可直接用于我国国特高压交、直流输电特高压交、直流输电工程建设。工程建设。12.5期间三纵三横输电项目，直流期间三纵三横输电项目，直流1100kV示范试验工程示范试验工程已经开工！已经开工！ 皖电东送皖电东送淮南至上海青浦淮南至上海青浦特高压交流输特高压交流输电示范工程于电示范工程于2011年年9月月27日日获得核准并获得核准并正式开工。为同塔并架正式开工。为同塔并架双回线双回线，全长，全长656km共共1421铁塔铁塔，计划，计划2013年底完成年底完成。其中其中世界上最高特高压跨越塔世界上最高特高压跨越塔（跨长江）（跨长江）高高277.5m(一个横担重一个横担重20T)预计于预计于2012年年10月月28日封顶日封顶，智能智能电网（电网（Smart grid）2009.3智能电网智能电网随着奥巴马能源新政策开随着奥巴马能源新政策开始进入公众视野。所谓始进入公众视野。所谓智能电网就是把智能电网就是把最最新的新的信息化、通讯、计算机控制技术和原信息化、通讯、计算机控制技术和原有的输、配电基础设施高度结合，形成一有的输、配电基础设施高度结合，形成一个新型电网，实现电力系统的智能化个新型电网，实现电力系统的智能化。智。智能电网可以能电网可以提高能源效率提高能源效率、减少对环境减少对环境的的影响影响、提高提高供电的供电的安全性安全性和和可靠性可靠性、减少减少输电网的电能输电网的电能损耗损耗。 智能智能电网（电网（Smart grid）复杂的电力系统要求电网向智能化方向发展复杂的电力系统要求电网向智能化方向发展。从发电、输电到配电和用电是个环环相扣的系从发电、输电到配电和用电是个环环相扣的系统（发、变、输、配、用、调），因此对各个统（发、变、输、配、用、调），因此对各个环节环境压力的不断增大，电力市场化进程的环节环境压力的不断增大，电力市场化进程的不断深入，以及用户对不断深入，以及用户对电能可靠性和质量要求电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇和机遇，建设更加，建设更加安全、可靠、环保、经济安全、可靠、环保、经济的的电力系统，已经成为全球电力行业的共同目标。电力系统，已经成为全球电力行业的共同目标。除了这些驱动力，除了这些驱动力，电力系统首先电力系统首先应该应该满足经济满足经济发展发展的的需求需求。有关专家指出，中国发展智能电网也与其他国家有关专家指出，中国发展智能电网也与其他国家有所差别。有所差别。“外国智能电网更多地关注配电领域外国智能电网更多地关注配电领域。目前，我们目前，我们需要更多地关注智能输电网领域，把需要更多地关注智能输电网领域，把特高压电网的发展融入其中特高压电网的发展融入其中，保证电网的，保证电网的安全可安全可靠和稳定靠和稳定，提升，提升驾驭大电网安全运行的能力驾驭大电网安全运行的能力。”而在灾害天气来临时而在灾害天气来临时,智能电网将预期输电线路是智能电网将预期输电线路是否会发生故障否会发生故障,并采取补救措施并采取补救措施。这是智能电网的。这是智能电网的特征之一特征之一自愈自愈。智能电网通过实时掌控电网。智能电网通过实时掌控电网运行状态，及时发现、运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患快速诊断和消除故障隐患，提升电网运行的可靠性。提升电网运行的可靠性。智能电网的智能电网的“核心技术核心技术”是是数字化电网数字化电网、分布式分布式能源系统能源系统、信息化家电信息化家电和蓄能式混合动力交通工和蓄能式混合动力交通工具。具。智能电网主要包括数据采集、数据传输、信智能电网主要包括数据采集、数据传输、信息集成、分析优化和信息展现五大方面息集成、分析优化和信息展现五大方面。高级分高级分析和优化是智能电网应用的核心析和优化是智能电网应用的核心。有效地解决电。有效地解决电网企业普遍存在的数据收集体系残缺、通信体系网企业普遍存在的数据收集体系残缺、通信体系兼容性差、应用系统相互割裂、兼容性差、应用系统相互割裂、数据缺乏深度利数据缺乏深度利用等问题用等问题，在调度信息与生产管理信息有效集成，在调度信息与生产管理信息有效集成的基础上，实现从的基础上，实现从不同维度不同维度和和层次层次对数据进行分对数据进行分析，是析，是智能电网智能电网建设建设必须解决必须解决的问题。的问题。智能电网概念，从提出到形成只有智能电网概念，从提出到形成只有10年的时间年的时间。发展发展超导输电超导输电和和智能电网智能电网，大力改善需求侧用，大力改善需求侧用电波动影响，电波动影响，提高提高电网电网调度调配调度调配能力，能力，减减少少输输配配环节环节损耗损耗，无论是，无论是经济经济价值、价值、社会社会价值，还价值，还是环境价值都具有深远意义。美国还计划使用是环境价值都具有深远意义。美国还计划使用超导输电技术而并非特高压输电技术超导输电技术而并非特高压输电技术，超越四，超越四个时区将全国主要电网连接起来，以提高电网个时区将全国主要电网连接起来，以提高电网的安全性和电力调配能力。目前，的安全性和电力调配能力。目前，智能电网智能电网在在国外先进电网企业的实施和应用国外先进电网企业的实施和应用已经为企业带已经为企业带来了卓著的价值回报来了卓著的价值回报。从从20012001年意大利电力公司安装和改造了年意大利电力公司安装和改造了30003000万台智能电表至今，智能电网的发展万台智能电表至今，智能电网的发展只有只有1010年的时间年的时间，在世界范围内，智能电，在世界范围内，智能电网正在带动上下游产业形成网正在带动上下游产业形成庞大的庞大的“智网智网产业链产业链” 。 20112011年年4 4月月7 7日日，美国电力科学研究院美国电力科学研究院发布发布报告报告, ,对美国现代化电力系统以及部署智能对美国现代化电力系统以及部署智能电网技术的电网技术的成本和收益进行了评估成本和收益进行了评估。 该报告估计，全面落实现代化电力系统和智能该报告估计，全面落实现代化电力系统和智能电网将花费电网将花费3380亿亿4760亿亿美元美元，而，而收益将达收益将达到到13000亿亿20000亿美元亿美元。该报告还分析了各。该报告还分析了各方面的成本和收益，包括改善智能电网对可再方面的成本和收益，包括改善智能电网对可再生能源更有效的支持，更可靠的电力传输及质生能源更有效的支持，更可靠的电力传输及质量保证，到加强电网安全和保障。同时，报告量保证，到加强电网安全和保障。同时，报告指出，做出这些改变将带来指出，做出这些改变将带来更高的电源利用率更高的电源利用率和和更有效的高峰负荷管理更有效的高峰负荷管理。预计到预计到20302030 年美国整个智能电网建年美国整个智能电网建设需要的资金投入高设需要的资金投入高达达1.51.5万亿美元万亿美元。这种国家层面的这种国家层面的“自觉行为自觉行为”，不仅，不仅为美国智能电网的发展提供了必要的为美国智能电网的发展提供了必要的资金和政策保证，而且为美国智能电资金和政策保证，而且为美国智能电网的发展注入了网的发展注入了强大的驱动力强大的驱动力。 智能电网的核心技术是智能电网的核心技术是数字化电网数字化电网、分布式能源、分布式能源系统、信息化家电和蓄能式混合动力交通工具。系统、信息化家电和蓄能式混合动力交通工具。智能电网主要包括数据采集、数据传输、信息集智能电网主要包括数据采集、数据传输、信息集成、分析优化和信息展现五大方面成、分析优化和信息展现五大方面。高级分析和高级分析和优化是智能电网应用的核心优化是智能电网应用的核心。有效地解决电网企。有效地解决电网企业普遍存在的数据收集体系残缺、通信体系兼容业普遍存在的数据收集体系残缺、通信体系兼容性差、应用系统相互割裂、性差、应用系统相互割裂、数据缺乏深度利用等数据缺乏深度利用等问题问题，在调度信息与生产管理信息有效集成的基，在调度信息与生产管理信息有效集成的基础上，实现从础上，实现从不同维度不同维度和和层次层次对数据进行分析，对数据进行分析，是是智能电网智能电网建设建设必须解决必须解决的问题。的问题。有关专家指出，中国发展智能电网也与其他国家有关专家指出，中国发展智能电网也与其他国家有所差别。有所差别。“外国智能电网更多地关注配电领域外国智能电网更多地关注配电领域。目前，我们目前，我们需要更多地关注智能输电网领域，把需要更多地关注智能输电网领域，把特高压电网的发展融入其中特高压电网的发展融入其中，保证电网的，保证电网的安全可安全可靠和稳定靠和稳定，提升，提升驾驭大电网安全运行的能力驾驭大电网安全运行的能力。”而在灾害天气来临时而在灾害天气来临时,智能电网将预期输电线路是智能电网将预期输电线路是否会发生故障否会发生故障,并采取补救措施并采取补救措施。这是智能电网的。这是智能电网的特征之一特征之一自愈自愈。智能电网通过实时掌控电网。智能电网通过实时掌控电网运行状态，及时发现、运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患快速诊断和消除故障隐患，提升电网运行的可靠性。提升电网运行的可靠性。在在“20092009年特高压输电技术国际会议年特高压输电技术国际会议”上上, ,国国务院副总理张德江表示，中国将从实际出发，务院副总理张德江表示，中国将从实际出发，积极探索积极探索符合中国国情的智能电网发展道路符合中国国情的智能电网发展道路。在最近连续两次的政府工作报告中，在最近连续两次的政府工作报告中，国务院总国务院总理温家宝理温家宝都讲到了积极发展新能源、可再生能都讲到了积极发展新能源、可再生能源和加强智能电网建设。一次是在源和加强智能电网建设。一次是在20102010年年3 3月月5 5日日的第十一届全国人民代表大会第三次会议上，的第十一届全国人民代表大会第三次会议上，一次是在一次是在20112011年年3 3月月5 5日日的第十一届全国人民代的第十一届全国人民代表大会第四次会议上。这说明智能电网建设已表大会第四次会议上。这说明智能电网建设已经受到我国经受到我国政府最高层的重视政府最高层的重视。未来未来1010年年，我国，我国智能电网预计年均智能电网预计年均投资约投资约30003000亿元。亿元。从产业链层面看，从产业链层面看，智能电网依次分为智能电网依次分为发发电、电、输输电、电、变变电、电、配配电、电、用用电、电、调调度等环节，其度等环节，其所涉及的技术极为庞杂，所涉及的技术极为庞杂，每个环节每个环节都将应用大量的新技术都将应用大量的新技术。 到目前为止，到目前为止，国际上也尚未出现关于智能国际上也尚未出现关于智能电网的国家标准或国际标准电网的国家标准或国际标准，我国的智能，我国的智能电网标准研究与国际上基本处于同一起跑电网标准研究与国际上基本处于同一起跑线。国网正在制定中的智能电网建设规划线。国网正在制定中的智能电网建设规划将于近期出台，但国家层面的智能电网建将于近期出台，但国家层面的智能电网建设规划可能在能源和电力的设规划可能在能源和电力的“十二五十二五”规规划制定完毕之后再着手制定。目前南方电划制定完毕之后再着手制定。目前南方电网也在制定网也在制定智能电网的相关标准智能电网的相关标准。20112011年年5 5月月2729日国家自然科学基日国家自然科学基金委主办了金委主办了“双清论坛双清论坛”，论坛针，论坛针对我国未来智能电网的对我国未来智能电网的内涵、发展内涵、发展方略、关键的科学问题方略、关键的科学问题、重点发展、重点发展方向等方向等迫在眉睫迫在眉睫的问题进行了探讨，的问题进行了探讨，研讨了智能电网领域的发展动态、研讨了智能电网领域的发展动态、前沿科学和前沿科学和关键技术问题关键技术问题。 20112011年年6 6月月810日日，科技部主持在北，科技部主持在北京香山饭店召开了京香山饭店召开了“中国的智能电中国的智能电网关键技术问题和发展战略网关键技术问题和发展战略”学术学术讨论会，对我国讨论会，对我国智能电网的内涵、智能电网的内涵、发展方略、关键的技术领域和突破发展方略、关键的技术领域和突破点点，以及目前的合理可行的发展重，以及目前的合理可行的发展重点发展方向点发展方向等迫在眉睫等迫在眉睫的问题进行的问题进行了探讨，了探讨，并对我国智能电网总并对我国智能电网总体发展战略思路和国家政策提出了体发展战略思路和国家政策提出了建议。建议。 在短短在短短十几天十几天的时间内，自然的时间内，自然科学基金委、发改委、科技部科学基金委、发改委、科技部纷纷纷纷聚焦智能电网聚焦智能电网，足见，足见国家国家对智能电网建设的对智能电网建设的关注程度关注程度。微电网微电网(micro-grid，micro grid) 与智能小区与智能小区l微电网微电网(micro-grid，micro grid) 微电网已成为一些发达国家微电网已成为一些发达国家解决解决电力系电力系统统众多问题众多问题的一个的一个重要辅助手段重要辅助手段。 随着电网规模的不断扩大随着电网规模的不断扩大, 超大规模电力超大规模电力系统的弊端也日益凸现系统的弊端也日益凸现, 成本高成本高, 运行难运行难度大度大, 难以适应用户越来越高的安全和可难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤其靠性要求以及多样化的供电需求。尤其在近年来在近年来世界范围内接连发生几次大面世界范围内接连发生几次大面积停电事故积停电事故之后之后, 电网的脆弱性充分暴露电网的脆弱性充分暴露了出来。了出来。 “自然灾害也是人类大电网的自然灾害也是人类大电网的天敌天敌”。作为大电网的作为大电网的有效补充有效补充与分布式与分布式能源的能源的有效利用形式有效利用形式，微电网已微电网已引起各国科学家的广泛关注引起各国科学家的广泛关注。虽。虽然将其实用化还有许多问题尚待然将其实用化还有许多问题尚待解决，但毫无疑问，解决，但毫无疑问，微电网的发微电网的发展潜力十分巨大展潜力十分巨大。 l国外微电网研发现状国外微电网研发现状美国美国CERTS（美国电力可靠性技术解决方案（美国电力可靠性技术解决方案协会）协会）最早提出了微电网的概念最早提出了微电网的概念,美国美国CERTS提出的微电网主要由基于电力电子技术且容量提出的微电网主要由基于电力电子技术且容量小于等于小于等于500KW的小型微电源与负荷构成的小型微电源与负荷构成,并并引人了基于电力电子技术的控制方法。电力电引人了基于电力电子技术的控制方法。电力电子技术是美国子技术是美国CERTS微电网实现智能、灵活微电网实现智能、灵活控制控制的重要支撑。目前的重要支撑。目前, 美国美国CERTS微电网的微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功检验。到了成功检验。日本立足于国内日本立足于国内能源日益紧缺能源日益紧缺、负荷日益增长的现实、负荷日益增长的现实背景背景, 也展开了微电网研究也展开了微电网研究, 但其发展目标主要定位于但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求需求。欧洲提出要充分利用欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合结合, 并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场, 共同推共同推进电网发展。进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等微电网以其智能性、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电网的重要组成特点也成为欧洲未来电网的重要组成。目前。目前, 欧洲已初欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论理论, 并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。除除美美国、国、日日本、本、欧欧洲外洲外, 加加拿大、拿大、澳澳大利亚大利亚等国也展开了等国也展开了微网微网研究。从各国对未来电研究。从各国对未来电网的发展战略和对微电网技术的研究与应网的发展战略和对微电网技术的研究与应用中可清楚看出用中可清楚看出,微电网微电网的形成与发展的形成与发展绝不绝不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战（？！）战（？！）, 而是代表着电力行业服务意识、而是代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。变。微电网是未来电网实现高效、环保、微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段优质供电的一个重要手段, 是对大电网的有是对大电网的有益补充。益补充。l微电网在微电网在中国中国的发展前景的发展前景（1）微电网是中国发展可再生能源的有效形微电网是中国发展可再生能源的有效形式式。若能将负荷点附近的分布式能源发电技。若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网起来构成微电网, 则可再生能源将充分发挥其则可再生能源将充分发挥其重要潜力。例如重要潜力。例如, 对于对于中国未通电的偏远地区中国未通电的偏远地区, 充分利用当地风能、太阳能等新能源充分利用当地风能、太阳能等新能源, 设计合设计合理的微电网结构理的微电网结构, 实现微电网供电实现微电网供电, 将是发挥将是发挥中国资源优势、加快电力建设的重要举措。中国资源优势、加快电力建设的重要举措。 （2）微电网在提高中国电网的）微电网在提高中国电网的供电供电可靠性、改善电能质量方面具有重可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。要作用。中国的经济已进人数字化中国的经济已进人数字化时代时代, 优质、优质、可靠的电力供应可靠的电力供应是经济是经济高速发展的重要保障。高速发展的重要保障。（4）微电网与大电网间灵活的并列运行）微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使方式可使微电网起到削峰填谷微电网起到削峰填谷的作用，的作用，从而使整个电网的发电设备得以充分利从而使整个电网的发电设备得以充分利用，实现经济运行。在系统中加入基于用，实现经济运行。在系统中加入基于电力电子技术的新能源并配以智能、电力电子技术的新能源并配以智能、灵灵活的控制方式，一方面可提高系统的智活的控制方式，一方面可提高系统的智能化与自动化水平能化与自动化水平，另一方面也可为企，另一方面也可为企业带来业带来可观的经济效益可观的经济效益。（3）微电网对于在中国发展）微电网对于在中国发展热电联热电联供供有极大的指导意义。如何就近选有极大的指导意义。如何就近选择合适容量的择合适容量的热力用户与电力用户热力用户与电力用户组成微电网组成微电网，并进行最佳的电力技，并进行最佳的电力技术组合，对于中国提高能源利用效术组合，对于中国提高能源利用效率、率、优化能源结构、减少环境污染优化能源结构、减少环境污染等具有重要意义。等具有重要意义。l智能小区（智能小区（2011）智能电网涉及智能电网涉及发发电、电、输输电、电、变变电、电、配配电、电、用用电和电和调调电等环节，电等环节，智能智能用电用电小区小区建设建设是是智能电网智能电网的的重要组成重要组成部分。部分。智能小区不仅是一次智能小区不仅是一次技术上技术上的更新，更的更新，更是是生活方式生活方式的的“革命革命”。智能智能小区小区，通过用电，通过用电信息采集信息采集、双向互动双向互动服服务、小区务、小区配电自动化配电自动化、分布分布式式电源电源及及储能储能、电动电动汽汽车车充电、充电、智能家居监控智能家居监控等，综合等，综合计计算算机机技术、技术、通信通信技术、技术、控制控制技术等多种技术应技术等多种技术应用，实现小区用，实现小区供用电供用电服务的服务的智能化智能化。“电力光纤电力光纤入户入户”是指在低压通信接入网中是指在低压通信接入网中采用光纤复合低压电缆采用光纤复合低压电缆，将光纤随低压电力，将光纤随低压电力线敷设，实现到表到户，配合无源光网络技线敷设，实现到表到户，配合无源光网络技术，承载用电信息采集、术，承载用电信息采集、智能用电双向交互智能用电双向交互、“三网融合三网融合”等业务。等业务。 电力光纤入户是电力光纤入户是智能智能电网的标志性技术电网的标志性技术之一。之一。电力电力光纤入户光纤入户是一项涉及是一项涉及多领域多领域、跨行业跨行业乃乃至至生活理念转变生活理念转变的的系统工程系统工程，涵盖，涵盖通信通信设备、设备、新能源新能源发电、发电、智能家电智能家电等多个产业的创新发等多个产业的创新发展，还将于展，还将于智能生活智能生活、智能家居智能家居、智能城市智能城市等更广阔领域的建设发展等更广阔领域的建设发展相适应相适应。清洁环保清洁环保。一方面，用户通过用电终端优先选择清。一方面，用户通过用电终端优先选择清洁能源供电；另一方面，让用户便捷地使用清洁能洁能源供电；另一方面，让用户便捷地使用清洁能源。电动汽车充电功能，也使用户源。电动汽车充电功能，也使用户绿色出行绿色出行。 节能降耗节能降耗。根据实际需求及时调整用电行为。根据实际需求及时调整用电行为。减少减少不必要不必要的耗电，的耗电，新新能源能源发电系统，为用户供应清洁发电系统，为用户供应清洁电力，并将电力，并将剩余剩余能源能源卖给电网卖给电网企业，企业，增加增加家庭家庭收入收入。智能高效智能高效。智能电网的。智能电网的双向互动双向互动功能，功能，智能家电智能家电进进行统一集中管理，行统一集中管理，本地和远程本地和远程的多种家电控制的多种家电控制方式；方式；便捷的便捷的社区社区管理、管理、市政市政管理、电子管理、电子医疗医疗、远程教育、远程教育等服务等服务-智能家居智能家居服务服务。安全可靠安全可靠。居住安全居住安全，智能交互终端可对家庭的安全，智能交互终端可对家庭的安全布防；布防；用电安全用电安全。分布式电源分布式电源的的并网并网和运行管理，互和运行管理，互为备用为备用，大大大大提提高高了了供电可靠供电可靠性性。u光伏发电系统光伏发电系统photovoltaic system，PV system 利用利用太阳能太阳能电池电池直接直接将将太阳能转换成电太阳能转换成电能能的发电系统。其特点是的发电系统。其特点是可靠可靠性高、使性高、使用用寿命长寿命长、不污染不污染环境、能环境、能独立发电独立发电又又能能并网并网运行，具有广阔发展前景。运行，具有广阔发展前景。太阳能光伏发电系统由太阳能光伏发电系统由太阳能电池组太阳能电池组、太阳能太阳能控制器控制器、蓄、蓄电池电池（组）和太阳（组）和太阳跟跟踪控制系统踪控制系统组成。可以与其它发电系统组成。可以与其它发电系统构成构成混合发电混合发电系统。系统。u风光风光互补路灯互补路灯风光互补路灯系统主要由风光互补路灯系统主要由风风力发电力发电机机、太太阳能电池阳能电池组件、风光互补组件、风光互补控制控制器、器、蓄电蓄电池池和光源组成。和光源组成。白天白天，路灯通过蓄电池，路灯通过蓄电池储存储存电能电能，晚上则利用，晚上则利用智能系统智能系统实现路灯照明。实现路灯照明。每充满一次电每充满一次电，路灯可满足，路灯可满足40至至48小时小时的的照明照明，相当于，相当于4个夜晚的连续供电；而在个夜晚的连续供电；而在气气候极端恶劣候极端恶劣的地区，路灯被设定为的地区，路灯被设定为可支持可支持72小时小时的的不间断不间断照明。照明。风光互补路灯虽然风光互补路灯虽然一个灯杆一个灯杆的的价格价格是传统是传统路灯的路灯的2至至3倍倍，但却，但却省省去去了了铺设铺设电线和电电线和电费费等费用。等费用。u冷热电冷热电“三联供三联供”冷热电联产简称冷热电联产简称“三联供三联供”，是集制，是集制冷冷、制制热热及及发电发电过程于一体化的总能系统。过程于一体化的总能系统。 “三联供三联供”装置，系统采用装置，系统采用天然气天然气燃烧燃烧做功发电，然后对发电后的烟气进行做功发电，然后对发电后的烟气进行余余热回收热回收；夏天余热为用户供冷及提供；夏天余热为用户供冷及提供生生活热水活热水，冬天余热可全部用于，冬天余热可全部用于供暖供暖。“经过余热回收后，经过余热回收后，三联供三联供的能源的能源利用率高达利用率高达80%至至90%，而，而传统传统的的发电发电设备设备，这一数值仅为，这一数值仅为40%左右左右”。u纯纯电动电动汽车汽车在在国家电网试点国家电网试点（左安门（左安门2011.3）的智）的智能小区内为电动汽车提供了能小区内为电动汽车提供了3个充电桩，个充电桩，可满足电动汽车车主的充电需求。可满足电动汽车车主的充电需求。充充电电8小时小时可可跑跑160公里公里。一台电动汽车一次充电量约为一台电动汽车一次充电量约为30千瓦时，千瓦时，每次续航每次续航160公里公里，按，按年行驶年行驶2万公里万公里测测算，年用电量为算，年用电量为3750千瓦时，每年千瓦时，每年节节约约用用油油量量2000升，升，减排减排二氧化碳二氧化碳4.6吨吨，可，可节省节省使用支出使用支出上万元上万元。u电网电网角色角色的的扩展扩展（重新定位）（重新定位）电力光纤入户是国家电网为实现电力光纤入户是国家电网为实现智智能电网功能电网功能，开展能，开展电信电信网、网、广播广播网、网、互联网互联网内容传输内容传输“三网融合三网融合”等业务而提出的等业务而提出的新型电力通信新型电力通信手段。光纤信号在手段。光纤信号在光缆中的传输互不干扰光缆中的传输互不干扰，可可有效阻止有效阻止来自互联网和电网对生产控制的来自互联网和电网对生产控制的攻击，不会产生安全隐患，降低近攻击，不会产生安全隐患，降低近40%的运的运营商光纤入户成本。营商光纤入户成本。电网企业将有多种电网企业将有多种新的角色新的角色定位，如不仅可定位，如不仅可以为以为“三网融合三网融合”提供通道，还可以作为提供通道，还可以作为智智能能电网电网服务商服务商、宽带宽带资源资源批发商批发商、为、为智能智能家家居提供居提供服务服务等。等。u智能用电小区智能用电小区“全国开花全国开花”（ 2011-9-7）上海浦东联洋社区上海浦东联洋社区“第九城市第九城市”，是上海首，是上海首个光纤入户示范小区。根据规划，浦东联洋个光纤入户示范小区。根据规划，浦东联洋“第九城市第九城市”涉及涉及电力电力业务，包括业务，包括配电自动配电自动化化和和智能抄表智能抄表，及，及外网外网业务，包括宽带、业务，包括宽带、IPTV、语音电话等。、语音电话等。2011年，上海将电力年，上海将电力光纤入户、智能电表集抄、配网自动化等建光纤入户、智能电表集抄、配网自动化等建设项目进行了统筹规划、优化设计和同步建设项目进行了统筹规划、优化设计和同步建设，计划全年完成设，计划全年完成20万户。其中，一期涉及万户。其中，一期涉及6.5万户，二期涉及万户，二期涉及13.5万户。万户。北京左安门智能公寓项目是经北京左安门智能公寓项目是经3个月的原公寓个月的原公寓改造完成的（改造完成的（2011年年03月月12日），是北京首日），是北京首个个智能用电试点小区智能用电试点小区。造价较高。仅电力光。造价较高。仅电力光纤入户的改造成本，每户约增加纤入户的改造成本，每户约增加5%-10%的的资金投入。资金投入。该智能小区，主体是该智能小区，主体是左安门公寓左安门公寓，地下两层，地下两层和地上八层，共和地上八层，共68个房间。具有电网与客户个房间。具有电网与客户双向互动双向互动及及智能家居智能家居控制等智能用电的功能。控制等智能用电的功能。小区还配置了小区还配置了3座座电动汽车电动汽车充电桩充电桩和和2盏风和盏风和光发电互补路灯，公寓屋顶安装有光发电互补路灯，公寓屋顶安装有太阳能太阳能光光伏发电设备。伏发电设备。公寓公寓供电整体供电整体由智能由智能微电网微电网管理系统管理系统控制，包括控制，包括微型冷热电微型冷热电联产系统、联产系统、大大容量储能容量储能系统、系统、能量管理能量管理及及配电自动配电自动化化系统，可实现系统，可实现多多种种电源电源方式方式优化分优化分配配和和经济运行经济运行。“智智能能小区小区试点工程，集中展示了试点工程，集中展示了智能智能电电网网、智智能能用电用电的先进理念，是对北的先进理念，是对北京建设京建设世界城市世界城市打造打造坚强智能电坚强智能电网网的有益尝试。的有益尝试。”重庆市加重庆市加新新沁园沁园是国内第一家规是国内第一家规模超千户并正式投入运营的模超千户并正式投入运营的智能智能用用电电小区小区，于，于2010年年6月月28日建成。日建成。智智能交互能交互终端终端，操控着家里，操控着家里所有所有的的智能家电智能家电，能够通过，能够通过智能插座智能插座收集收集所有家电的所有家电的用电信息用电信息。智能交互终端具有智能交互终端具有外出外出、就寝就寝、舒舒适适、经济经济这四种用电模式，并能这四种用电模式，并能显显示低碳指数示低碳指数。楼顶上有一套黑色的。楼顶上有一套黑色的电池板电池板(光伏发电系统光伏发电系统)。利用太阳。利用太阳能发电，平均每户每天可能发电，平均每户每天可发电发电8千千瓦时瓦时，最高时可达，最高时可达12千瓦时千瓦时。“这这种种高清洁高清洁、可循环能源可循环能源的利用，让的利用，让低碳低碳成为可能成为可能 。目前目前(到到2011.11为止为止)，我国智能小区，我国智能小区的建设及改造工作正的建设及改造工作正不断推进不断推进。除。除上海外，北京市上海外，北京市丰台区莲香园丰台区莲香园小区小区完成智能电网系统功能改造，成为完成智能电网系统功能改造，成为全国全国首个首个面向普通居民实现运营的面向普通居民实现运营的智能电网小区智能电网小区;黑龙江黑龙江首个智能用电首个智能用电小区试点项目建设接近尾声小区试点项目建设接近尾声“智能之家智能之家”距离普通百姓家已距离普通百姓家已不不再再遥远遥远。国网的国网的智能小区智能小区试点建设项目取试点建设项目取得得阶段性成果阶段性成果，预计，预计2050年智能年智能小区将作为小区将作为城市社区建设城市社区建设的的标准标准，全面进入人们的生活。也许全面进入人们的生活。也许2020年年的某一天，这些的某一天，这些美好美好的生活的生活场场景景就已经就已经提前到来提前到来？！？！20122012年年1010月月2626日日国家电网公司国家电网公司今天向社会发布今天向社会发布关于做好关于做好分分布式光伏发电并网布式光伏发电并网服务工作的服务工作的意见意见，从，从1111月月1 1日开始日开始，国，国家电网公司开始家电网公司开始按照新的工作按照新的工作标准接受分布式光伏发电并网标准接受分布式光伏发电并网。国家电网公司确定了分布式光伏的界国家电网公司确定了分布式光伏的界定标准。该范围能涵盖所有的定标准。该范围能涵盖所有的屋顶和屋顶和光电建筑一体化项目光电建筑一体化项目。对于分布式光。对于分布式光伏发电并网，国家电网公司做出了一伏发电并网，国家电网公司做出了一系列免费承诺。系列免费承诺。除分布式光伏发电项除分布式光伏发电项目免收系统备用费外，目免收系统备用费外，电网企业电网企业为分为分布式光伏发电项目业主提供接入系统布式光伏发电项目业主提供接入系统方案制定、并网检测、调试等全过程方案制定、并网检测、调试等全过程服务，均不收取费用服务，均不收取费用。为支持为支持分布式光伏发电分布式光伏发电分分散接入低压配电网，国家散接入低压配电网，国家电网公司还允许富余电力电网公司还允许富余电力上网，电网企业按国家政上网，电网企业按国家政策策全额收购富余电力全额收购富余电力，上、，上、下网电量分开结算。下网电量分开结算。掌握掌握基本概念基本概念和基本和基本分析计算分析计算方方法。使对电网络的分析在法。使对电网络的分析在“观念观念”和和“方法方法”上上有所有所提高。提高。3.本课程的本课程的主要内容主要内容教材的第一章第七章的大部分教材的第一章第七章的大部分内容，计划内容，计划4040学时，学时，2222周考周考，详，详见后面的见后面的教学安排教学安排。4.要求要求5.参考书参考书肖达川：线性与肖达川：线性与非线非线性电路性电路邱关源：电网络分析邱关源：电网络分析 网络网络理论分析（新书，罗先觉）理论分析（新书，罗先觉）跳过！跳过！传统的网络理论有传统的网络理论有“分析分析”和和“综综合合”两大类问题。所谓分析，是在两大类问题。所谓分析，是在特定的激励下求一个给定网络的响特定的激励下求一个给定网络的响应应;所谓所谓综合综合则是分析的反问题，则是分析的反问题，是是在特定的激励下为了要达到预期的在特定的激励下为了要达到预期的响应响应，而来构成，而来构成(设计设计)一个一个网络网络。分析分析的问题是的问题是网络拓扑和参数全已网络拓扑和参数全已知知，而网络的，而网络的响应全未知响应全未知; ;综合综合的间的间题题是网络的响应全已知是网络的响应全已知，而，而网络的网络的拓扑和参数全未知拓扑和参数全未知。研究表明，在进入研究表明，在进入VLSI（Very Large scale integration）阶段以后，阶段以后，有相当一类实际网络问题，可以在理有相当一类实际网络问题，可以在理论上归结为论上归结为网络拓扑网络拓扑和和参数有一部分参数有一部分已知已知，另，另一部分未知一部分未知，而，而网络的响应网络的响应亦有一部分已知亦有一部分已知，另，另一部分未知一部分未知。这类间题的典型例子是复杂电子系统这类间题的典型例子是复杂电子系统的故障诊断和元件参数可解性问题。的故障诊断和元件参数可解性问题。于是，称于是，称分析分析为第一类问题，为第一类问题，综合综合为为第二类间题；其他归入了第二类间题；其他归入了第三类第三类间题，间题，这是这是林爭辉林爭辉教授在教授在19801980年提出的一个年提出的一个新观点。新观点。第一章第一章 网络理论基础网络理论基础1- 1 网络网络及其及其元件元件的的基本概念基本概念1-2 基本二端基本二端代数元件代数元件1-3高阶二端高阶二端代数元件代数元件1-4代数多口代数多口元件元件1-5动态元件（简介）动态元件（简介）1-8 图论的图论的基础知识基础知识1-10网络的网络的互联互联规律性规律性1-11网络及元件的网络及元件的基本性质基本性质第三章第三章 多口网络多口网络3-1非含源非含源多口网络多口网络的常见矩阵表示法的常见矩阵表示法3-2含源含源多口网络（的常见矩阵表示法）多口网络（的常见矩阵表示法）3-3多口网络多口网络的等效电路（的等效电路（星网变换星网变换）3-6不定导纳阵不定导纳阵（归入第四章讲）（归入第四章讲）第四章第四章 电路的代数方程电路的代数方程 4- 1概述概述4- 2支路方程的矩阵形式支路方程的矩阵形式4- 3电路电路代数方程的矩阵代数方程的矩阵形式形式4- 4混合分析法混合分析法（重点）（重点） 4- 5约束网络法（简介）约束网络法（简介）4- 6稀疏表格法稀疏表格法4- 7改进节点法改进节点法（重点）（重点） 4- 9端口分析法端口分析法（重点）（重点） 第六章第六章 网络函数与稳定性网络函数与稳定性6-3信号流图信号流图（Mason公式）第七章网络的灵敏度分析（重点）第七章网络的灵敏度分析（重点）7-1灵敏度分析的意义灵敏度分析的意义7-2灵敏度灵敏度分析的分析的基本概念基本概念7-3伴随网络法伴随网络法（重点）（重点）7-3导数网络法导数网络法第五章第五章 动态电路（网络）的动态电路（网络）的时域时域分析分析5-1状态变量状态变量分析的基本概念分析的基本概念5-2状态方程状态方程的建立的建立5-3线性线性状态方程状态方程的的解析解解析解5-5稀疏表格法（简介，一般为稀疏表格法（简介，一般为代数代数微分微分混合方程）混合方程）5-6改进节点法（带改进节点法（带微分算子微分算子）5-7端口分析法端口分析法（储能元件、高阶元件和独（储能元件、高阶元件和独立源抽出跨接在端口上立源抽出跨接在端口上与本科介绍与本科介绍的储能元件的的储能元件的抽出替代法抽出替代法类似）类似）第二章第二章 简单电路（简单电路（非线性非线性电路分析）电路分析）2-1 非线性非线性电阻电路的电阻电路的图解法图解法（DP、TC、假定状态假定状态法）法）2-2 小信号和小信号和分段线性化法分段线性化法2-3 简单简单非线性动态非线性动态电路的分析（一电路的分析（一阶阶非线非线性性动态动态电路电路分析分析）2-4 二阶二阶非线性动态电路非线性动态电路的定性分析的定性分析（重点）（重点）课程内容开始！课程内容开始！ 重重 点点第一章第一章 网络理论基础网络理论基础l网络及其元件的网络及其元件的基本概念基本概念基本代数基本代数二端元件二端元件，高阶，高阶二二端代数元件端代数元件，代数多口代数多口元件元件和和动态动态元件。元件。l网络及其元件的网络及其元件的基本基本性质性质集中集中性与性与分布分布性性、线、线性、性、非线非线性；性；时时变、变、非时变非时变 ；因果、非因果；因果、非因果；互易、反互易、非互易；互易、反互易、非互易；有有源、源、无无源源 ；有损、无损，非能；有损、无损，非能 。 l网络网络图论基础图论基础知识知识G G，A A，T T ，P P， ， ; ; KCLKCL、KVLKVL的的矩阵矩阵形式；形式；特特勒根勒根定理和定理和互易互易定理等。定理等。1-1 1-1 网网络及其元件的基本概念及其元件的基本概念1. 1. 网络的网络的基本表征量基本表征量基本变量基本变量高阶高阶基本变量基本变量基本基本复合复合变量变量令则则基本基本变量与变量与高阶高阶基本变量可统基本变量可统一表示为一表示为基本变量（基本变量（表征量表征量）之间）之间存在存在的的与与“网络元件网络元件”无关无关的的普遍关系普遍关系: :2 2多端多端元件元件和和多口多口元件元件元件都是由元件都是由端子端子与外电路联接与外电路联接的，的，多端多端元件就是有多个元件就是有多个端子端子的元件。其的元件。其端子端子满足满足什么条件什么条件才能构成才能构成端口端口呢？呢？u网络（或网络（或元元件）端件）端口定义口定义如果如果流入流入一个端子的电流一个端子的电流恒恒等于等于流出流出另一个端子电流，则这另一个端子电流，则这对端对端子子称为称为一个端口一个端口；如果元件（或；如果元件（或网络）的所有端子均能网络）的所有端子均能两两构成两两构成端口端口，则称为，则称为多口多口元件（或元件（或多口多口网络）。网络）。l二端元件二端元件单口单口元件元件+ui1按端口定义，二端网络一定是按端口定义，二端网络一定是一一端口（单口）端口（单口）网络，四端网络，四端网络网络不不一定是二端口（一般不是）。一定是二端口（一般不是）。多多端口端口网络网络如果四端网络如果四端网络两对端子两对端子都都满足端口条满足端口条件件，称为双口（二端口）网络，是最，称为双口（二端口）网络，是最简单的多口网络。如简单的多口网络。如理变理变，运放运放，回回转器转器等都是典型的等都是典型的双口双口网络。网络。N+- -+- -i1i2u2u1l（n n1 1）端元件）端元件共地共地n端口端口元件元件12n对图示对图示（n1）端元件（网络），把（）端元件（网络），把（n+1）端）端子改接成如下图形式，使子改接成如下图形式，使k与与 端子分别构成端子分别构成端口，称为端口，称为共地共地n端口端口元件（网络）。元件（网络）。为分析简单以后只分析为分析简单以后只分析 n端口元件端口元件约定一般约定一般端口电压与电流端口电压与电流采用采用关联关联参考方向，分别表示为参考方向，分别表示为例例1-11-1对图示三极管对图示三极管任选一端任选一端为为参考点则为二端口元件参考点则为二端口元件bce3 容（允）许信号容（允）许信号偶偶和和赋定赋定关系关系把把可能满足可能满足元件两端电压和电流元件两端电压和电流关系的关系的电压电压和和电流，电流，称为电压、称为电压、电流容（电流容（允允）许信号偶许信号偶，简称，简称容容许偶许偶。记做记做l容（容（允）允）许信号偶许信号偶容容（允）（允）信号偶信号偶的的全体全体称为赋定关系称为赋定关系。自变量自变量定义域定义域和和函数值域函数值域构成的构成的集合。集合。l赋定赋定关系关系容容（允）信号偶（允）信号偶相当于相当于我们熟知的我们熟知的自变量的自变量的定义域定义域和和函数值域函数值域的组合的组合构成的构成的集合集合（中的任（中的任一对一对）。）。4 网络及其元件的性质(一)（分类依据）1）集中集中性与性与分布分布性性如果在如果在任何时刻任何时刻 t ，流入任一端子流入任一端子的的电流电流恒恒等于其它端子等于其它端子流出流出的电流的的电流的代代数和数和，则该元件称为，则该元件称为集中参数元件集中参数元件（简称（简称集中元件集中元件），否则称为），否则称为分布参分布参数元件数元件（简称（简称分布元件分布元件）。l这是一种这是一种形象、直观形象、直观的描述，的描述，实际上实际上与与我们我们大大学学本本科的定科的定义是义是一样一样的。（的。（元件元件或网络或网络的的几尺寸远远小于几尺寸远远小于其传播的其传播的电磁波的电磁波的波长波长）。）。l描述描述集中元件集中元件电路（网络）方电路（网络）方程的一般形式是程的一般形式是常微分方程。常微分方程。l描述描述分布元件分布元件电路（网络）方电路（网络）方程的一般形式是程的一般形式是偏微分方程。偏微分方程。如如均匀均匀传输线传输线的电报方程等。的电报方程等。2）时变时变性与性与时不变时不变性性l设为某元件的任意客许偶，T为任意常数，如果也是该元件的容许偶，则称该元件为元件为时不变时不变的，否则称为的，否则称为时变时变的。的。l设为n端口网络的任意客许偶，T为任意常数，如果也是该n端口网络的容许偶，则称n端口网络为时不变时不变的，否则称为时变时变的。(端口型端口型定义)由时不变元件构成的由时不变元件构成的n端口端口是是时不时不变变n端口端口，但时不变，但时不变n端口端口不必由不必由时不变元件时不变元件构成。构成。时变电路时变电路和时不变电路：由独立和时不变电路：由独立源（源（作为作为激励可以是时变的激励可以是时变的）和）和时不变元件时不变元件构成的构成的电路称为电路称为时不时不变变电路电路，否则称为时变电路。，否则称为时变电路。证：设令：例1-2 试证明（时变电感）为时变一端口元件。不随 u，i 变化。其中为其任意容允许偶,T为任意实常数则有：与对应的电压分别为：显然：所以不是容许偶设为其任意容允许偶为其任意容允许偶,T为任一实常数为任一实常数则有：对应的电压分别为：所以所以 是容许偶。是容许偶。所以该元件为所以该元件为时变时变一端口元件一端口元件若该元件为该元件为非时变非时变一端口元件一端口元件令l一般一般R，C，L非时变非时变时，时，它们是它们是非时变元件，非时变元件，若其若其参数参数是时间函数是时间函数，则是，则是时时变变元件。元件。由以上算例可以看出例例1-3 试证明图示电路为试证明图示电路为时变一端口时变一端口网网路但为路但为非时变非时变(时不变时不变)电路。电路。iu+_证:(1) 由KVL得T为任一实常数令设为任意容允许偶,所以不是不是容许偶容许偶，该网路是，该网路是时变时变一端口。一端口。例例1-3可以不讲！可以不讲！证证: (2) 由电路分析由电路分析支、回、节支、回、节等任一方法均可得等任一方法均可得 电路中任何一个电路中任何一个电压电压或或电流电流均可表为均可表为对图示电路对图示电路激励激励有一个延迟有一个延迟响应响应也有一个也有一个延迟延迟，所以电路是所以电路是时不变时不变电路电路令t1=t-T代入上式得3）线性线性与与非非线性线性也是该元件的容许偶，则称该元件是线性的，否则称为非线性的。l设为某元件的任意两组容许偶，和是任意两个实常数，如果也是该网络的也是该网络的容许偶容许偶，则称该，则称该n端口网络是端口网络是线性线性的，否则称为的，否则称为非线性非线性的（端口型）的（端口型） 。l设为n端口的任意两组容许偶，和是任意两个实常数，如果l线性线性和和非线性非线性可表述为可表述为齐次性齐次性可加性可加性如果为容许偶也为容许偶。如果为容许偶也为也为容许偶容许偶。齐次齐次性和性和可加可加性性由线性元件构成的由线性元件构成的n端口是线性端口是线性n端端口，但线性口，但线性n端口端口不必不必由线性元件由线性元件构成（构成（端口端口型）型） 。线性线性和和非线性非线性（电路）（电路）网络：网络：由线由线性元件和独立源（作为性元件和独立源（作为激励它不必激励它不必是线性是线性元件）组成的元件）组成的网络（网络（电路电路）称为称为线性（电路）线性（电路）网络网络，否则称为，否则称为非线性（电路）非线性（电路）网络。网络。它与它与线性线性n端口端口网络的概念是不同的。网络的概念是不同的。例1-4 验证（线性时变时变电容器）为为线性线性元件元件。证明：设任意两组容许偶，则和例1-4可以不讲！ 所以也是客许偶。所以所以该元件该元件为线性（时变）元件为线性（时变）元件设则有例例1-5 试验证图示电路为试验证图示电路为非线性一端口非线性一端口网路但为网路但为线性线性电路。电路。iu+_证:(1) 由KVL得设是任意是任意两组客许偶，则两组客许偶，则和例例1-5 可以不讲！可以不讲！设设则则有有所以不是不是客许偶。客许偶。所以所以该元件该元件为为非线非线性性一端口一端口元件。元件。证: (2) 由电路分析的支、回、节等任一方法均可得电路中任任何一个电压压或电流电流任任何一一个电压压或电流流均可表示为对图示电路显然，对电路中的任何一个电压或电流均有 成立。则有 即任何一个即任何一个响应响应对所有对所有激励激励满足线性可加满足线性可加性，所以电路是性，所以电路是线性线性电路。电路。该该一端口一端口网络为网络为线性一端口线性一端口网络网络+ +_ _uii1i2RR例例1-6 试验证图示电路为试验证图示电路为线性一端口线性一端口网路。网路。解：列出相应的KCL和KVL方程设二极管D的模型为正向电阻 和反向电阻 ，它们都是常数。l目前在利用目前在利用低压电力网低压电力网（配网）（配网）来解决高速信息网络来解决高速信息网络“最后一公最后一公里里”问题，前几年已成为高速信问题，前几年已成为高速信息接入网的一个息接入网的一个研究热点研究热点。电话、电话、电脑、电视与电力网电脑、电视与电力网“四网合一四网合一”几年前已经有几年前已经有一些一些应用。应用。l网络网络（电路）（电路）线性线性和和非时变性非时变性的的工程实际意义工程实际意义在信息通信中，必须解决在信息通信中，必须解决信道特性、传信道特性、传输技术和网络交换输技术和网络交换三大问题。而这些问三大问题。而这些问题都与低压电网（配网）题都与低压电网（配网）非时变非时变和和线性线性特性有关，甚至特性有关，甚至准线性准线性和和准时变性准时变性的确的确定也是很有意义的。定也是很有意义的。在发送端耦合器和接收端耦合器之间的在发送端耦合器和接收端耦合器之间的低压电力网低压电力网（配网）是信息（电磁波）（配网）是信息（电磁波）传播的传播的物理媒质物理媒质（信道），（信道），一般假定一般假定它它是线性的和可逆（双向）的。但由于低是线性的和可逆（双向）的。但由于低压配网存在压配网存在大量随机性大量随机性开关操作，使传开关操作，使传输信道具有输信道具有随机随机时变性时变性和和非线性非线性。在在双向工频通信双向工频通信技术中，技术中，低压电力网低压电力网（配网）是其（配网）是其物理媒质物理媒质（信道）。由（信道）。由于低压配网存在于低压配网存在大量的随机性大量的随机性开关操开关操作，使得传输信道具有作，使得传输信道具有随机随机时变性时变性和和非线性非线性。我国我国配网作为双向工频通信的配网作为双向工频通信的物理媒物理媒质质，其，其调制回路调制回路和和传输通道传输通道的的物理物理和和数学模型数学模型、频率频率特性，是该技术应用特性，是该技术应用的关键。的关键。2011.11最新查阅资料：最新查阅资料：OPLC（光纤复合低光纤复合低压电缆压电缆Optical Fiber Composite Low-Voltage Cable）（）（OPGW（电力地线复合光缆，（电力地线复合光缆，OPPC (光纤复合相导线），其中光纤复合相导线），其中 OPLC已已经在重庆、上海、北京、黑龙江、宁夏经在重庆、上海、北京、黑龙江、宁夏等等智能小区智能小区应用。应用。在在智能小区，智能小区，电话、电脑（电话、电脑（Net）、电视与电）、电视与电力网力网“四网合一四网合一”已经实现。显然已经实现。显然OPLC的的“四网合一四网合一”各行其道，互不干扰各行其道，互不干扰。预计。预计2050年年智能小区智能小区将遍布全世界！将遍布全世界！“科技发展科技发展”日新月异日新月异，机不可失，机不可失，时不我待时不我待！OPGW光缆，光缆，Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire（也称光纤复合架空地线）。（也称光纤复合架空地线）。 把光纤放置在把光纤放置在架空高压输电线的地线中架空高压输电线的地线中，用以构成输，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通信双重功能，一般称作信双重功能，一般称作OPGW光缆。光缆。 由于由于光纤具有抗电磁干扰光纤具有抗电磁干扰、自重轻自重轻等特点，它可以安等特点，它可以安装在输电线路杆塔顶部而不必考虑最佳架挂位置和电装在输电线路杆塔顶部而不必考虑最佳架挂位置和电磁腐蚀等问题。因而，磁腐蚀等问题。因而，OPGW具有较高的可靠性、优具有较高的可靠性、优越的机械性能、成本也较低越的机械性能、成本也较低等显著特点。这种技术在等显著特点。这种技术在新敷设或新敷设或更换现有地线更换现有地线时尤其合适和经济。时尤其合适和经济。OPPC（Opticalphase Conductor，简称，简称OPPC）是电力通信系统的一种）是电力通信系统的一种新型特种新型特种光缆光缆，是在传统的，是在传统的相线结构中相线结构中将将光纤光纤单单元复合在导线中的光缆，是充分利用电元复合在导线中的光缆，是充分利用电力系统自身的线路资源，特别是电力力系统自身的线路资源，特别是电力配配网网系统，系统，避免避免在在频率资源、路由协调、频率资源、路由协调、电磁兼容电磁兼容等方面与外界的等方面与外界的矛盾矛盾，使之具，使之具有有传输电能传输电能及及通信通信的双重功能。的双重功能。1-2 基本基本二端二端代数元件代数元件+ui图示二端（一端口）元件，有图示二端（一端口）元件，有两个两个端子端子基本变量共有基本变量共有4个个其组合共有其组合共有6种种，不同的组合对应，不同的组合对应不同性不同性质质的元件。的元件。电阻元件电阻元件忆阻元件忆阻元件电电感感元元件件电电容容元元件件若若二端元件二端元件的的赋定关系赋定关系（约束方程）可（约束方程）可表为表为和和之之间的间的代数代数关系（关系（方程方程）表示表示动态无关动态无关的的一对基本变量一对基本变量设设称为称为基本基本二端二端代数元件代数元件。l单调元件、 控控元件、控控元件和多值元件l几何意义：-平面上的一条确定的曲线。控控型元件控控型元件多值型元件元件的赋定关系可表为元件的赋定关系可表为单调型元件元件的赋定关系既可表为又可为元件的赋定关系既不是控控也不是控控的，则必为多值的。1.1.电阻元件电阻元件(resistor）如果如果元件元件的赋定关系为的赋定关系为u 和和i之之间的代数关系（方程），该元间的代数关系（方程），该元件称为件称为电阻元件电阻元件。记为：。记为：l线性电阻线性电阻元件元件R+uiu R i线性线性电阻元件的伏安特电阻元件的伏安特性为一条性为一条过原点过原点的直线的直线如果如果元件的伏安特性为元件的伏安特性为一条一条不过原点不过原点的直线，的直线，其其u 和和i之间的关系为：之间的关系为： ui0u R iUs或或 i G u Is该元件称为该元件称为仿射电阻仿射电阻。由前面的例由前面的例15可知这是一个可知这是一个非线性非线性一端口一端口电阻元件。电阻元件。+l非线性非线性电阻元件电阻元件非非线线性性电电阻阻元元件件的的伏伏安安特特性性为为ui平面的一条平面的一条确定确定的曲线。的曲线。可分为可分为流控流控型、型、压控压控型、型、单调单调型型和和多值多值型。型。其其赋定赋定关系仍为关系仍为如果如果非线性非线性电阻元件的伏安特电阻元件的伏安特性性可表为电流的单值函数可表为电流的单值函数，称，称为为 “流控型流控型”非线性电阻元件。非线性电阻元件。如果如果非线性电阻元件的伏安特非线性电阻元件的伏安特性性可表为电压的单值函数可表为电压的单值函数，称，称为为 “压控型压控型”非线性电阻元件非线性电阻元件。如果如果非线性电阻元件的伏安特性非线性电阻元件的伏安特性既可表既可表为电压为电压的的单值函数又可表为电流单值函数又可表为电流的的单值单值函数函数，称为，称为 “单调型单调型”非线性电阻元件。非线性电阻元件。如果如果非线性电阻元件的伏安特性既不是非线性电阻元件的伏安特性既不是压控型压控型也不是也不是流控型流控型，更不可能是，更不可能是 “单单调型调型”，称为，称为多值型多值型非线性电阻元件。非线性电阻元件。和和均可均可。(1)流控流控电阻电阻伏安关系r()为单值函数凸凸电阻电阻VAR(2)压控压控电阻电阻伏安关系伏安关系g()为为单值单值函数函数凹凹电阻电阻VAR(3)蔡氏蔡氏二极管（Chuas Diode）特性特性曲线曲线(4)单调单调电阻电阻单增电阻单增电阻单减电阻单减电阻严格单增电阻严格单增电阻严格单减电阻严格单减电阻伏安关系和和r()和g()都是单值函数单值函数对于对于任任意意两组两组不同不同容许信号偶容许信号偶恒有恒有和和(5)(5)符号符号电阻电阻伏安伏安关系关系教材教材p6p6p7的的凸凸电阻、电阻、凹凹电阻和电阻和符号电阻符号电阻都是都是“单调型单调型”非线性非线性电阻元件；而电阻元件；而绝对值电阻绝对值电阻和和菜氏菜氏二极管二极管为为压控型压控型非线性电阻元件。非线性电阻元件。 p8p9的的零口器零口器和和非口器非口器是两个是两个特殊特殊的电阻元件。的电阻元件。i = g(u) = a0u + a1u2 + a2u3 + + anun +1 , 式式中中 n 3的奇整数的奇整数,称称 “压控型压控型”或或 “ N型型”例例1. 隧道二极管隧道二极管+_uiiu下面看几个下面看几个非线性电阻非线性电阻的例子的例子19571957年初年初江崎江崎首先获得了掺有高首先获得了掺有高浓度杂质的锗精制单晶体做成了浓度杂质的锗精制单晶体做成了薄薄p-np-n结结。他发现这种。他发现这种薄薄p-n结结的正的正向电阻特性没有变化，但向电阻特性没有变化，但反向电反向电阻却呈直线下降阻却呈直线下降趋势。随后，江趋势。随后，江崎崎增大增大了了掺杂浓度掺杂浓度，使，使结宽结宽进一进一步步变窄变窄。当当浓度浓度达到达到10101818cmcm-3-3以上时，以上时，p pn n结的施主和受主浓度都高到使结结的施主和受主浓度都高到使结两侧呈两侧呈简并态简并态，费米能量完全占费米能量完全占据了整个导带据了整个导带或或价带内部价带内部。江崎。江崎发现，在这种发现，在这种隧穿隧穿路程极短的情路程极短的情况下，况下，所有温度所有温度条件条件下都可下都可以以观观察到负阻察到负阻现象现象。负阻现象负阻现象所对应的所对应的电压远低于电压远低于人人们熟知的们熟知的击穿电压击穿电压。江崎用。江崎用量子量子力学理论力学理论令人信服地令人信服地证明了证明了这正这正是人们是人们长期长期以来所以来所寻找寻找的的隧道效隧道效应应，这项研究确立了，这项研究确立了隧道效应在隧道效应在半导体半导体材料材料中中的的存在存在。 江崎江崎利用这种半导体利用这种半导体p pn n结中的结中的隧道效应研制出一种隧道效应研制出一种新型半导体新型半导体器件器件隧道二极管隧道二极管。这种这种二极管二极管具有独特而具有独特而优异的反优异的反向负阻特性向负阻特性，可在，可在开关电路开关电路、振、振荡电路、微波电路及各种荡电路、微波电路及各种高速电高速电路中获得广泛应用路中获得广泛应用，成为，成为现代电现代电子技术子技术中中最重要的器件之一最重要的器件之一。正是正是这这项项贡献贡献使使江崎江崎于于19731973年获年获得诺贝尔物理学奖。得诺贝尔物理学奖。u= f (i)称称 “流控型流控型”或或“ S 型型”u= f (i) = a0i + a1i2 + a2i3 + + ani n+1 , 式中式中 n 3的奇整数的奇整数例例2. 充气二极管充气二极管ui+_ui例例3.3.整流整流二极管二极管+_ui- -ISui单调增长或单调增长或单调下降单调下降非双向的非双向的(伏安特性伏安特性对原点不对称）对原点不对称）伏安特性伏安特性b0IS 0与电荷、温度有关与电荷、温度有关反反向向饱和饱和电流电流例例4 4+_uiui理想理想二极管二极管开关开关例例5 非线性电阻的非线性电阻的静态电阻静态电阻 Rs 和和动态电阻动态电阻 Rd的的负阻性。负阻性。iuPui0ui0 对对“S”型、型、“N”型非线性电阻，型非线性电阻，下倾段下倾段 Rd 为负，因此为负，因此动态电阻动态电阻具有具有“负电阻负电阻”性质。性质。“巨磁电阻巨磁电阻”效应及其效应及其重大意义重大意义 所谓所谓巨磁电阻巨磁电阻效应效应(Giant Magneto Resistance，GMR)即即物体在外加磁场物体在外加磁场作用下自身的电阻发生显著变化的现作用下自身的电阻发生显著变化的现象象，通俗来讲，就是一个，通俗来讲，就是一个微弱的磁场微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化的电阻变化。该系统非常有助于从硬。该系统非常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把用时必须把用磁磁记录的信息转换成记录的信息转换成电流电流。 1988年，年，费尔费尔和和格林贝格尔格林贝格尔各自各自独立发现了独立发现了“巨磁电阻巨磁电阻”效应。效应。 1986年年德国科学家德国科学家Grunberg小组小组、1988年年法国科学家法国科学家Fert小组小组首先首先发现了发现了巨磁电阻巨磁电阻效应的存在。效应的存在。 巨磁电阻效应巨磁电阻效应又与一般的又与一般的磁电阻效应有着磁电阻效应有着本质的区别本质的区别：由铁磁金属：由铁磁金属/非磁性金属非磁性金属/铁铁磁金属构成的磁金属构成的多层纳米薄膜多层纳米薄膜(即即巨磁电阻巨磁电阻材料材料，如，如Fe/Cr chromium n.铬铬)，在，在有有外外加磁场和加磁场和无外无外加加磁场磁场下下电阻率的变化电阻率的变化，在，在室温下可达室温下可达5%，在，在低温低温(42K)下可达到下可达到110%，远远大于远远大于一般铁磁金属一般铁磁金属1%3%的磁电阻变化。由于其磁电阻效应如此明的磁电阻变化。由于其磁电阻效应如此明显，因此把这种只显，因此把这种只在磁性多层膜中在磁性多层膜中才能发才能发生的生的量子力学效应量子力学效应称为称为巨磁电阻巨磁电阻效应。效应。1994年，年，IBM首先将首先将GMR应用在硬应用在硬磁盘中磁盘中，并在，并在1995年年宣布制成每平宣布制成每平方英寸方英寸3Gb硬盘面密度所用的硬盘面密度所用的读出读出头头，创世界记录。，创世界记录。 GMR对对计算机计算机存储领域存储领域的应用带来莫大的影响。的应用带来莫大的影响。借助借助“巨磁电阻巨磁电阻”效应，人们才得以效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使制造出更加灵敏的数据读出头，使越越来越弱的磁信号来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，依然能够被清晰读出，并且转并且转换成清晰换成清晰的的电流电流变化。变化。 。1997年，第一个年，第一个基于基于“巨磁电阻巨磁电阻”效应的效应的数据读出头问世数据读出头问世，并很快，并很快引引发发了硬盘的了硬盘的“大容量、小型化大容量、小型化”革革命命。如今，。如今， 播放器等播放器等各类各类数码电子数码电子产品中所装备的产品中所装备的硬盘硬盘，基本上都应，基本上都应用了用了“巨磁电阻巨磁电阻”效应，这一技术效应，这一技术已然成为已然成为新的标准新的标准。2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖授予授予法国法国科学家科学家阿阿尔贝尔贝费尔费尔和和德国德国科学家科学家彼得彼得格林贝格格林贝格尔尔，以表彰他们发现了，以表彰他们发现了“巨磁电阻巨磁电阻”效应。效应。他们将分享他们将分享1000万瑞典克朗（万瑞典克朗（1美元约合美元约合7瑞典克朗）的奖金。瑞典皇家科学院说：瑞典克朗）的奖金。瑞典皇家科学院说：“今年的物理学今年的物理学奖授予奖授予用于用于读取硬盘数据读取硬盘数据的的技术技术，得益于这项技术，得益于这项技术，硬盘硬盘在在近年来近年来迅速变得越来越小。迅速变得越来越小。” 瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一一项发明项发明于于上世纪上世纪70年代年代的技术的技术，即即制造制造不同材料的超薄层不同材料的超薄层的的技术技术，使得人们，使得人们有有望制造出只有几个原子厚度望制造出只有几个原子厚度的的薄层结构薄层结构。由于数据读出头是由由于数据读出头是由多层不同材料薄膜多层不同材料薄膜构成的结构构成的结构，因而只要在，因而只要在“巨磁电阻巨磁电阻”效应依然起作用的尺度范围内，科学家效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。硬盘容量。巨磁电阻巨磁电阻效应在高技术领域应用的效应在高技术领域应用的另一个重要方面是另一个重要方面是微弱磁场探测器微弱磁场探测器。随着随着纳米电子学纳米电子学的飞速发展，电子的飞速发展，电子元件的元件的微型化和高度集成化微型化和高度集成化要求测要求测量系统也要量系统也要微型化微型化。在在21世纪世纪，超，超导量子相干器件、导量子相干器件、超微霍耳探测器超微霍耳探测器和超微磁场探测器和超微磁场探测器将将成为纳米电子成为纳米电子学学中的中的主要角色主要角色。以以巨磁电阻效应巨磁电阻效应为基础设计的为基础设计的超微超微磁场磁场传感器，传感器，要求能探测要求能探测10-2T至至10-6T的磁通密度的磁通密度。如此低的磁通。如此低的磁通密度密度在过去在过去是无法测量的，特别是是无法测量的，特别是在超微系统在超微系统测量如此微弱的磁测量如此微弱的磁通通密密度度十分困难十分困难，纳米纳米结构的结构的巨磁电阻巨磁电阻器件器件可以可以完成完成这个这个任务任务。2. 电容元件电容元件 (capacitor)如果如果元件元件的赋定关系为的赋定关系为u 和和q之之间的代数关系（方程），该元件间的代数关系（方程），该元件称为称为电电容容元件元件。记为。记为电容元件也有电容元件也有线性线性和和非线性非线性之分。之分。有有q =Cu l线性电容线性电容元件元件C 称为电容器的电容称为电容器的电容Ciu+qu0 库伏（库伏（qu） 特性特性单位：单位：l非线非线性性电容电容元件元件i+u非非线线性性电电容容元元件件可可分分为为压压控控型型、荷控荷控型、型、单调单调型和多值型。型和多值型。大多数实际的大多数实际的电容器电容器属于属于单调单调型。型。如如变变容容二二极极管管就就是是一一个个单单调调型型非非线线性性电容，在通信工程中有电容，在通信工程中有重要应用重要应用。变容二极管变容二极管q-u特性为特性为变容二极管变容二极管调频实例调频实例 变容管是利用变容管是利用PN结结来来实现实现的。的。 PN结结的的电容电容包括包括势垒势垒电容和电容和扩扩散散电容两部分。电容两部分。变容管变容管利用的是利用的是势垒势垒电容，所以电容，所以PN结是结是反向偏置反向偏置的。的。0uC V = 0时变容管的等效电容为时变容管的等效电容为 。 变容指数为变容指数为 ，它是一个取决于，它是一个取决于 PN结的结的结构和杂质分布结构和杂质分布情况的系数。情况的系数。缓变结变容管，缓变结变容管， 其其 = 1/3；突变结变容管，突变结变容管， 其其 = 1/2 ；超突变结变容管，其超突变结变容管，其 = 2。 接触电位差为接触电位差为 ，硅管约为，硅管约为0.7V， 锗管约为锗管约为0.2V。变容二极管变容二极管调频电路调频电路特点特点： 两个变容二极管，并且同极性对接，两个变容二极管，并且同极性对接，通常称为通常称为背靠背联接背靠背联接。 对振荡信号来说，两只变容管是串两只变容管是串联的联的，可以看出，在这种情况下，每个变容管上所加有的振荡电压仅为谐振回路两端电压的一半。 对从B-B端加入的直流偏置电压和调制电压来说，两只变容管相当于两只变容管相当于并联并联。所以。所以，两管所处的偏置点和受调状态是相同的。 当加于变容管两端振荡电压幅度较大时，变容管可能工作于导通状态，这将降低回路的Q值。（通信教材下册59）3 电感元件电感元件 (inductor)如果如果元件元件的赋定关系为的赋定关系为 和和i之间之间的代数关系（方程），该元件称的代数关系（方程），该元件称为为电电感感元件元件。记为。记为电感元件也可分为电感元件也可分为线性线性和和非线性非线性两大类。两大类。Li+u基本变量基本变量: 电流电流 i , 磁链磁链 l 线性电感线性电感元件元件 = N 为电感线圈的为电感线圈的磁链磁链L 称为自感系数称为自感系数 i0线性线性电感元件的伏安特电感元件的伏安特性为一条性为一条过原点过原点的直线的直线单位：单位：i , 右螺旋右螺旋e , 右螺旋右螺旋u , e 一致一致u , i 关联关联 i+u+e相应的相应的电压和电流电压和电流关系为关系为互感属双口元件互感属双口元件是是线性时变线性时变电感元件。电感元件。同步机同步机定子定子电感：电感：铁心线圈的韦安铁心线圈的韦安（ i ）特性）特性（磁滞回线）（磁滞回线） i0i+ul 非线性非线性电感元件电感元件非非线线性性电电感感元元件件可可分分为为流流控控型型、链链控控型型、单调单调型和型和多值多值型。型。从从图图示示铁铁心心线线圈圈磁磁滞滞回回线线可可看看出出，实实际际铁铁心心电电感感是是多多值值的的。工工程程上上取取平均磁化曲线平均磁化曲线并做并做线性化处理。线性化处理。l目目前前在在研研的的光光电电互互感感器器对对解解决决铁铁心心线线圈圈非非线线性性等等具具有有工工程程实实际际意意义义。据报道已经达到了据报道已经达到了实用化实用化阶段。阶段。2011.11查查到到的的最最新新资资料料:目目前前国国内内已已 经经 有有 100多多 家家 公公 司司 的的 光光 电电CT（TC（A）PT（TV）在在挂挂网网试运行，上限频率可达试运行，上限频率可达MHz.l铁磁质的铁磁质的磁特性磁特性两种两种基本基本的特性特性曲线曲线磁滞回线磁滞回线：铁磁质反复磁化时的 B-H 曲线。可确定剩磁Br，矫顽力HC，磁能积（BH）等重要参数。基本磁化曲线基本磁化曲线: 是许多是许多磁滞回线磁滞回线的的正顶点正顶点的连线的连线。图图2 2 基本磁化曲线基本磁化曲线图图1 1 磁滞曲线磁滞曲线 硬磁材料硬磁材料 磁滞回线较宽 ， 充磁后剩磁大。如铁氧体铁氧体 、钕铁硼钕铁硼 。用于永磁电机、电表、电扇，电脑存储器等器件中的永磁体。图图3 3 软磁材料磁滞曲线软磁材料磁滞曲线图图4 4 硬磁材料磁滞曲线硬磁材料磁滞曲线l铁磁质铁磁质的的分类分类 软磁材料软磁材料 磁滞回线较窄， 断电后能立即消磁断电后能立即消磁。 如硅钢、矽钢等 。用于电机、变压器、整流器、继电器等电磁设备的铁芯。大小，直直流流电电压压源源（理理想想）既既可可归归入入电阻电阻元件又可归入元件又可归入电容电容元件元件直流电压源直流电压源的元件赋定关系可表为的元件赋定关系可表为或或直直流流电电流流源源（理理想想）既既可可归归入入电电阻元件阻元件又可归入又可归入电感元件电感元件或直流电流源直流电流源的元件赋定关系可表为的元件赋定关系可表为fM（ q , ）=0 M（q）记忆电阻记忆电阻元件元件i+ u4 忆阻元件忆阻元件 (memoriter)如果如果元件元件的赋定关系为的赋定关系为 和和q之间的代数关系（方程）之间的代数关系（方程），该元件称为，该元件称为记忆电阻记忆电阻元元件。记为件。记为韦韦- -库特性库特性i+ u记忆电阻记忆电阻特性分析特性分析这是由这是由相应相应的对应关系的对应关系导出导出的的。韦-库特性i+ u电阻的量纲电阻的量纲，显然其，显然其电阻值电阻值随随q q变化与之变化与之历史有关，称为历史有关，称为记忆记忆( (电阻电阻) )元件。元件。若与一般与一般线性电阻线性电阻没有什么不同，没有什么不同，没有没有什么什么意义意义。当当有意义有意义！最新研究进展！最新研究进展! !Nature Vol 453| 1 May 2008| doi:10.1038/nature06932Letters The missing memristor found Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart & R. Stanley WilliamsThe most basic mathematical definition of a current-controlled memristor for circuit analysis is the differential formNevertheless, there was no direct connection between the mathematics and the physical properties of any practical system, and hence, almost forty years later, the concepts have not been widely adopted.where w can be a set of state variables and R and f can in general be explicit functions of time. Here, for simplicity, we restrict the discussion to current-controlled, time-invariant, one-port devices.Electrical switching in thin-film devices has recently attracted renewed attention, because such a technology may enable functional scaling of logic and memory circuits well beyond the limits of complementary metaloxidesemiconductors. The microscopic nature of resistance switching and charge transport in such devices is still under debate, but one is that the hysteresis requires some sort of atomic rearrangement that modulates the electronic current. On the basis of this proposition, we consider a thin semiconductor film of thickness D sandwiched between two metal contacts, as shown in the Fig.The coupled equations of motion for the charged dopants and the electrons in this system take the normal form for a current-controlled (or charge-controlled) memristor (equations). The fact that the magnetic field does not play an explicit role in the mechanism of memristance is one possible reason why the phenomenon has been hidden for so long; those interested in memristive devices were searching in the wrong places.In nanoscale devices, small voltages can yield enormous electric fields, which in turn can produce significant nonlinearities in ionic transport.The rich hysteretic iv characteristics detected in many thin-film, two-terminal devices can now be understood as memristive behaviour defined by coupled equations of motion: some for (ionized) atomic degrees of freedom that define the internal state of the device, and others for the electronic transport. This behaviour is increasingly relevant as the active region in many electronic devices continues to shrink to a width of only a few nanometres, so even a low applied voltage corresponds to a large electric field that can cause charged species to move. Such dopant or impurity motion through the active region can produce dramatic changes in the device resistance. Including memristors and memristive systems in integrated circuits has the potential to significantly extend circuit functionality as long as the dynamical nature of such devices is understood and properly used. Important applications include ultradense, semi-non-volatile memories and learning networks that require a synapse-like function.研制出研制出纳米尺度的新元件纳米尺度的新元件（实验样品）（实验样品）建立了建立了物理和数学模型物理和数学模型狭义狭义关系关系广义广义关系关系1-3 高阶高阶二端代数二端代数元件元件基本基本二端二端代数元件赋定关系又可表为代数元件赋定关系又可表为据此，我们可以统一表述据此，我们可以统一表述二端代数二端代数元件。元件。l如果二端元件的赋定关系可以表为该元件称为二端二端代数元件代数元件,或或至少至少有有一个为正一个为正时称为时称为高阶二端代数高阶二端代数元件。元件。+高阶二端代数高阶二端代数元元件的电路符号件的电路符号+l D元件元件若若高阶二端代数高阶二端代数元件的赋定关系为元件的赋定关系为称为称为D元件。元件。相当于相当于广义电容广义电容元件。元件。+l E元件元件若若高阶二端代数高阶二端代数元件的赋定关系为元件的赋定关系为称为称为E元件。元件。相当于相当于广义电感广义电感元件。元件。当当 为偶数时，高阶二端代数为偶数时，高阶二端代数元元件为件为频变电阻频变电阻，为奇数时，为奇数时高阶二端代数高阶二端代数元元件为件为频变电抗频变电抗。高阶二端代数高阶二端代数元件的元件的赋定关系赋定关系也可以写成也可以写成状态方程形式。本书要求会列写含有状态方程形式。本书要求会列写含有高阶高阶二端代数元件二端代数元件的状态方程。的状态方程。+线性双线性双口电阻元件口电阻元件元件可分为广义元件可分为广义阻抗阻抗变换器变换器和广义和广义阻抗逆转器阻抗逆转器。理想。理想变压器变压器、理想理想运放、回转器、受控原、负阻抗变运放、回转器、受控原、负阻抗变换器换器等，都是它的具体形式。见等，都是它的具体形式。见P18P19的分类。的分类。1. 线性多口线性多口电阻电阻元件元件线性双口线性双口电阻元件电阻元件+- -+- -i1i2u2u1端口电压电流可有端口电压电流可有六种六种不同的方程来表不同的方程来表示，即可用示，即可用六套六套参数描述二端口网络。参数描述二端口网络。线性双口线性双口电阻元件电阻元件+- -+- -i1i2u2u1用用Z、Y、T、T，H，H参数定量参数定量描述。对描述。对不含独立源不含独立源的线性双口网的线性双口网络络六套六套参数参数至少存在一种至少存在一种。下面先看几个线性双口下面先看几个线性双口电阻电阻元件元件（网络）的例子（网络）的例子变压器变压器n:1滤波器电路滤波器电路RCC传输线传输线晶体管放大电路晶体管放大电路常见常见电阻双口网络电阻双口网络的例子的例子(1)电电流控流控制电制电流流源源 ( Current Controlled Current Source ) : : 电流放大倍数电流放大倍数 u1=0 i2= i1CCCSb b i1+_u2i2+_u1i11）受控电源）受控电源 (非独立源非独立源)(controlled source or dependent source)电路符号电路符号+受控电压源受控电压源受控电流源受控电流源g: 转移电导转移电导 i1=0i2=gu1(3) 电电压控压控制电制电流流源源 ( Voltage Controlled Current Source )VCCSgu1+_u2i2+_u1i1r : 转移电阻转移电阻 u1=0u2=r i1(2) 电电流控流控制电制电压压源源 ( Current Controlled Voltage Source )i2i1CCVSr i1+_u2+_u1+_ :电压放大倍数电压放大倍数 i1=0u2= u1(4) 电电压控压控制电制电压压源源 ( Voltage Controlled Voltage Source )VCVS u1+_u2+_u1+_i2i1* ，g， ，r 为常数时，为常数时，被控制量被控制量与控制量与控制量满足线性关系，满足线性关系，称为称为线性线性受控源。受控源。(5) 受控源的受控源的有源性有源性和和无源性无源性p吸吸 = u1i1 + u2i2 = u2i2 =u2 (-u2/R) 0VCVS u1+_u2+_u1+_i2i1R受控源受控源是是有源元件有源元件则则即即n:1i1i2+ + u1u22) 理理想想变变压器（压器（T参数）参数）理理想想变压器的条件器的条件n:1i1i2+ + u1u2理变的理变的阻抗变换阻抗变换功能功能n:1+ZL3) 简单放大电路简单放大电路的的H参数描述参数描述+ + R1 R24) 回转器回转器电路符号电路符号+i1i2u2u1rr：回转电阻：回转电阻u1 = - r i2u2 = r i1i1 = g u2i2 = - g u1g = 1 / r性质性质1. 非互易元件非互易元件 ( Y、Z 不对称）。不对称）。2. 线性无源元件线性无源元件回转器回转器阻抗阻抗逆逆变例子变例子u1 = - r i2u2 = r i1i1 = g u2i2 = - g u1+i1i2u2u1rCu2 = r i1L=r2C回转器回转器能把一个端口的电流转换成能把一个端口的电流转换成另另一个端口一个端口的电压（或者相反），因此的电压（或者相反），因此利用此性质可以把一个利用此性质可以把一个电容元件电容元件回转回转成为成为一个电感元件一个电感元件。大电感（低阻）。大电感（低阻）的制造不容易。的制造不容易。新材料新材料，小体积，大小体积，大电容电容，有，有5V5V，1F1F（中：（中：1.5V1.5V，1F1F）的）的电容，该项新进展为电容，该项新进展为回转大电感回转大电感提供提供了广阔的用武之地。了广阔的用武之地。!?!? 回转器回转器实现电路例子实现电路例子i1A i =0R Ei2 DCRRRRRRBu1- -+ + +- -+u2 + i =0r+i1i2u2u1uB=(u1/R).(2R)=2 u1uD=u2(uE-u2)/R+ i2+ (u1-u2)/R=0uE=-2R(uB- uD)/ R+ uB(u2-u1)/R+ i1+ (uB-u1)/R=05) 负阻抗变换器负阻抗变换器z(1)电压反向型电压反向型负阻抗变换器负阻抗变换器电压反向型电压反向型T 参数矩阵参数矩阵UNICi1+u1 i2+u2 电流反向型电流反向型T 参数矩阵参数矩阵INICi1+u1 i2+u2 (2)电流反向型电流反向型负阻抗变换器负阻抗变换器(3) 阻抗变换器关系阻抗变换器关系 (以以INIC为例为例)ZLINIC+ + (3) 代入代入 (1) 得得(4) 除以除以 (2) 得得即入端阻抗即入端阻抗当当 k=1 时，时，Zi= ZLR11R120I2=0I2=1I1u1R220I1=0I1=1I2u2R21+_u1u2i2i1N+_6) )电阻双口阻双口网网络的的参数参数及其及其几何意几何意义2. 非线性多口非线性多口电阻电阻元件元件7）n口受控源（口受控源（P19 P20自学自学）下面介绍一种下面介绍一种非非线性性双口双口电阻阻元件元件运算放大器运算放大器（定义（定义P21表表1-4-1）1) 电路符号电路符号a： 反向输入端，输入电压反向输入端，输入电压 u-b：同向：同向输入端，输入电压输入端，输入电压 u+o： 输出端输出端, 输出电压输出电压 uo实实际际运运放放均均有有直直流流电电源源端端，在在电电路路符符号号图图中中一一般般不不画画出出，而而只有只有a,b,o三端和接地端。三端和接地端。(其其中中参参考考方方向向如如图图所所示示，每每一一点点均均为为对对地地的的电电压压 ，在在接接地地端端未未画画出时尤须注意。出时尤须注意。)A：开开环环电电压压放放大大倍倍数数，可达十几万倍可达十几万倍+_+u+u-+_uoao+_udud_+A+b+_ududu+u-uo_+A+abo: 公共端公共端(接地端接地端)l 运算放大器运算放大器(operational amplifier)设设在在 a,b 间间加加一一电电压压 ud =u+- -u- -，则则可可得得输输出出uo和和输输入入ud之之间间的的转移特性转移特性曲线如下：曲线如下：Usat- -UsatUds- -UdsuoudO分三个区域：分三个区域：线性工作区：线性工作区：|ud| Uds, 则则 uo= Usatud0反向饱和区反向饱和区 ud0+_ududu+u-uo_+ +i+i- -+_-+_u1u2i2i1工程处理方法：工程处理方法：虚短虚短：u u1 1=0=0虚断虚断：i1=0=05)理想运算放大器理想运算放大器另一种另一种表示表示+_-+_u1u2i2i1虚短虚短：u u1 1=0=0虚断虚断：i1=0=0零口器0ui非口器0ui全平面二二. 高高阶代数代数多口元件多口元件（P25-P28）端口指数之差端口指数之差大于大于1 1多端口元件的多端口元件的赋定关系定关系为1.高高阶代数代数n端口端口元件元件该多端口元件称多端口元件称为高高阶代数代数n n端口端口元件。元件。多端口元件的赋定关系为2.混合代数混合代数n口元件口元件(端口端口指数不同时指数不同时)该多端口元件称为混合代数n口元件。基本代数基本代数n n端口元件和端口元件和高阶代数高阶代数n n端口端口元件都是元件都是混合代数混合代数n口元件口元件的特例的特例。1-5 动态元件（动态元件（p28）1.定义：凡定义：凡赋定关系赋定关系不能写成不能写成代数元代数元件件的元件统称为动态元件。的元件统称为动态元件。2.基本动态元件：凡端口的赋定关系基本动态元件：凡端口的赋定关系可以写成下式的称为可以写成下式的称为基本动态基本动态元件元件状态方程：状态方程：dx/dt=f（x，），），x-内部变量内部变量（状态变量）（状态变量）端口方程：端口方程：=g（x，），），（，）(u，i）（）（u，q）（）（i，）（）（q，)接下部分！接下部分！l基本二端代数元件基本二端代数元件线性线性与与非线非线性、时变性、时变与与非时变性非时变性的说明的说明以以电容电容元件为元件为例例q=cuq=c（u）uq=c（t）u q=c（u，t）uC=constc（u）q=（2+5sint）uq=（2u+5t）u3线性，时不变非线性，时不变线性，时变非线性，时变