(2)

式中，i＝0，1，2，3，…，n。n为经济寿命年数，r为现值折现率。
　　变电站经济技术优化准则：可靠性优化情况下，寿命周期成本最小。

　　　　　　　　　　　(3)

　　变电站的经济技术优化与主结线结构和变电站各个元件密切相关，低的一次投资成本，不能总会导致寿命周期成本最小，考虑整个寿命周期内成本最小才能在竞争环境中产生最大的经济效益。
1.2　可靠性优化
　　中断供电成本指的是用户被迫停电，包括事故停电和计划停电所造成的经济损失，是电力系统可靠性的经济计算。它决定电力企业为达到和保持系统足够的可靠性所要的投资水平。电力企业的成本(UC)是可靠性的递增函数，因为增加供电可靠性需要较高投资和维修成本。对于用户来说，中断供电损失成本(FC)随系统可靠性的提高而减少，因为较高的可靠性将减少停电的频率和停电持续的时间。社会为可靠性支付的直接经济成本(SC)是上述两个成本之和，即

SC(R)＝UC(R)＋FC(R)　　　　　(4)

式中：R为可靠性。可靠性优化的目标函数是SC(R)最小，令SC的导数为0，即

则可求出优化条件为

　　　　　　　　　(5)

　　由式(5)可知：最优可靠性指的是电力企业为此可靠性付出的边际成本等于用户在此可靠性下减少中断供电损失的边际成本。最优可靠性直接与停电的经济损失相关，停电造成经济损失大的地区，最优可靠性指标要高，反之则可以低一点。如果在停电造成经济损失较低地区采用高的可靠性指标，对社会来说，经济上是一种浪费。在电力市场环境下，最优可靠性指标应以社会平均停电经济损失考虑，电力企业应采取措施达到和维持这样的可靠性。如果特定用户要求更高的可靠性，电力企业必须采取更多保证措施，因此用户应支付更高的电价水平。

2　新技术开发和应用的目标

　　变电站寿命周期成本概念的显著特点是把整个经济运行寿命期限内的总成本与变电站的性能、相关的电网和用户对变电站的要求、可靠性和新技术开发及应用的目标联系起来。寿命周期成本最小是变电站新技术开发和应用的目标。在电力市场环境下，电力企业将会更注重经济效益，新技术应用于变电站应能促进变电站寿命周期成本的减少。
　　常规的户外空气绝缘变电站的重要特点是一次设备投资成本低，但占用土地多、结构复杂、运行维护成本高、可靠性相对低、视觉效果差。因此，简化结构、降低成本，同时提高可靠性、减少占用土地量日益受到关注。按照变电站技术经济优化的目标——寿命周期成本最小的要求，变电站需向现代紧凑型方向发展。
　　现代紧凑型变电站不是现有设备和元件的简单组合，而是建立在新的技术平台上。紧凑型变电站的新技术主要有：新型电压和电流变换器及其构成的数字量测系统、开关设备集成技术，包括智能断路器和集成开关设备系统、数字控制保护集成技术——变电站集成自动化系统、智能电子接口装置和光纤网络通信技术在变电站的应用。这些新技术的系统集成将构成现代型紧凑型变电站。

3　新型电气量测技术[1]

　　数字控制、保护装置已广泛用于变电站，它的输入仅需要±5V范围内的毫瓦功率。因此，开发微型电压和电流变换器，直接将高压侧的高电压和大电流一次变换为数字控制和保护装置需要的输入信号是数字装置发展的必然要求。
3.1　新型电压和电流变换器(EVT＆ECT)
　　按电压和电流变换原理可分为半常规电压、电流变换器和电—光变换器。基本原理分类如表1所示。

表1　电压和电流变换基本原理分类
 

技术类别 电压变换 电流变换   半常规   电阻分压
  电容分压   带铁心微型TA
罗柯夫斯基线圈(Rogowski Coil)   电-光效应   普克尔斯效应(Pockels Effect)
  逆压电效应(Inverse Piezo Effect)   法拉第效应(Faraday Effect)
  塞格奈克效应(Sagnac Ef－fect)

3.1.1　电阻、电容分压电压变换器
　　电阻、电容型电压变换器采用电阻、电容直接分压的工作原理，其原理图如图1和图2所示。

 
图1  电阻型电压变换器原理图 图2  电容型电压变换器原理图

　　它与常规的电压互感器和电容互感器不同之处是额定容量在毫瓦级，其最大输出不超过±5V。因此，要求R1(或ZC1)应达到数百兆欧以上，而R2(或ZC2)应在千欧数量级。其空载变比K₂＝R₂/(R₁＋R₂)或C₁/(C₁＋C₂)，只有负载阻抗Z>>R2(或ZC2)时才能满足精度要求，并需要进行屏蔽。
3.1.2　微型TA和罗柯夫斯基电流变换器
　　微型TA是带铁芯的小信号电流互感器。罗柯夫斯基电流变换器是缠绕在非磁性材料小截面芯子的线圈。它们的工作原理都是电磁感应原理，等效电路图如图3所示。

 
图3  微型TA和罗柯夫斯基电流变换器等效电路图
 

　　在微型TA电路中，R_b≈1Ω、μ＞1000μ₀，其输出电压U₂＝i₂·R_b与一次电流i1成正比；而在罗柯夫斯基电流变换器情况下，R_b≈α、μ≈μ₀ ，U₂与一次电流微分成正比，输出的积分才能算出一次电流。电流变换器与常规的电流互感器不同之处是输出仅为电压信号。在小量程范围内能高精度量测正常运行电流，用于电能计量；在故障情况下其输出可重现短路电流，从静态到暂态能实现线性量测。
3.1.3　电光电压变换器
　　光电电压量测的基本原理是将高压电压变换成光信号，此信号通过光纤从高压侧传至低压侧，然后将光信号还原为低压电信号实现电压测量。
　　高压线路对地电压U是线对地的空间电场强度的积分：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　U_ф=∫E·d_l　　　　　　　　　　　　(6)
　　普克尔斯光电效应是一类晶体的物理特性。利用普克尔斯效应可将电场强度的积分转换成光的强度的量测。电光电压变换原理如图4所示。

 
图4  电光电压变换器原理图
(a)光电压变换原理图；(b)数字光电压测量
 

　　当波长为λ，强度为P0的光束穿过偏振片时产生偏振光，在电场作用下，通过晶体的普克尔斯效应，其输出光强度P随电场强度的积分即加在其上电压的变化而变化，

　　　　　　　　　　(7)

式中，U₀称为半波电压，U₀＝λ/2γn₀³；γ为晶体的线性电光系数；n₀为无外加电场的折射率。为了确保精度，U应保持在U₀的5%之内变化。
3.1.4　磁光电流变换器
　　磁光电流变换器的原理是法拉第磁光效应，即线性偏振光通过磁光晶体材料在外界磁场作用下产生偏振面旋转，其旋转角度θ与磁场强度成正比，即
                                θ=V_eHL                    (8)
式中，Ve为磁光晶体费尔德常数(Verdet)；H为磁场强度；L为光束磁场交链长度。磁光电流变换原理如图5所示。

图5  磁光电流变换原理

(a)光电流变换器；(b)光电流量测示意

　　磁光电流变换器输出光强度P为：
                              P=P₀cos²(45º-θ)                    (9)
                            θ=V_eNI                        (10)
式中，N为一次电流线圈匝数；I为一次电流；P0为输入光强度。为了确保量测的线性度，在一次量测的最大电流(短路电流)情况下，应保持θ角度在±5°范围变化。
3.2　数字光电量测系统
新型电压和电流变换器，与常规的TA和TV不一样，它的输出不直接用于控制和保护装置，需经过数字信息处理后才能作为二次系统各装置的输入信号。新型电压和电流变换器和数字光电接口装置(DOIU)构成数字光电量测系统。
　　(1)以电阻、电容电压变换器、微型TA和罗柯夫斯基线圈构成的数字量测系统，如图6所示。

 
图6　混合式数字量测系统

　　(2)以电光电压和电流变换器构成的数字光电量测系统，如图7所示。

图7　数字光电量测系统

　　以新型电压和电流变换器为基础构成的数字光电量测系统与常规的TV和TA相比具有明显的优越性，主要优点是：(1)从静态至暂态量测具有几乎同样的量测精度，满足IEC0.2的精度，一套量测系统可同时用于量测、计量、控制、保护和故障录波；(2)频带宽、动态响应快；(3)无磁饱和及剩磁引起的二次输出畸变问题，在故障情况下真实再现高压一次电压和电流特性；(4)紧凑结构、体积小、重量轻、成本低；(5)抗电磁干扰能力强。

4　新型开关设备集成

　　在常规的户外变电站，断路器、隔离开关、常规TV和TA等设备单个体积大、数量多、占用土地和空间大。变电站紧凑化的实现必须发展一次设备及其相关二次设备的系统集成。目前，户外变电站多采用SF6断路器。这种断路器被广泛应用近30年来，可靠性和可用率呈明显上升趋势，主要故障次数已从20年前的0.0158次/百台年降到0.0067次/百台年，降低了60%。主要故障原因分布如图8所示。从图8看出，由常规的操作机构，二次和辅助系统引起的故障占70%以上。采用新的技术后可使这部分故障率降低，SF6断路器的可靠性将进一步提高。这儿所谓的开关设备的集成是指基于SF6绝缘的开关设备系统集成。

图8  SF6断路器故障分布

4.1　集成开关设备系统(IASS)[2]
　　用于户外变电站的集成开关设备指的是金属壳内、SF6绝缘的开关模块与空气绝缘元件的组合体。目前，世界各国正在研究和试验的集成开关的组合模式有很多种。能够大幅度减少土地占用面积，减少寿命周期成本的组合模式是：在一个封闭的充满SF6绝缘气体的金属壳内将一个间隔的断路器、隔离和接地开关、新型电压和电流变换器组合成一个整体，出线由支持绝缘子引出的集成开关设备系统。这种模式，国外有的称为PASS(Plug and Switch System)，有的称为HIS(Highly Integrated Switchgear)。图9所示为集成开关设备系统和常规开关设备系统的单线图，图10为集成开关设备系统示意图。

图9  集成和常规开关设备系统单线图
(a)集成开关设备系统；(b)常规开关设备系统
  
 
图10  集成开关设备系统示意图

　　在这种集成系统中，SF6绝缘性能好，高压对地绝缘距离短，宜选用电阻、电容电压变换器和微型TA和罗柯夫斯基线圈电流变换器作为电压和电流量测。从目前研制情况看，这种选择实现容易，技术难度小。
4.2　集成智能开关设备系统
　　目前，SF6断路器的操作能量已减少到最初的20%，并可期望进一步减少到10%。操作能量的大幅度减少为将断路器的断开与闭合操作由电力电子和微机组成的控制装置执行，来替代由常规的辅助开关、继电器等组成的有触点的控制器及辅助系统执行及开关的智能化提供了可能。
　　集成开关设备系统的智能主要表现为：(1)按电压波形控制合闸角，按最佳灭弧时间控制跳闸，以减少操作过电压，延长开关设备寿命；(2)实现间隔内自动闭锁和“五防”功能，保证设备和人身安全；(3)就地实现重合闸，执行当地可以执行功能，而不依赖站级的控制系统；(4)实现设备在线自动监视和诊断，当设备出现缺陷时，在演变为故障前发出报警信号，为状态维修提供指导意见。
　　集成开关设备系统的智能性可由微机控制的二次系统、人工智能接口装置(IED)和相应的智能软件来实现。

5　变电站集成自动化[3～4]

　　目前，变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等虽然实现了微机数字化，但几乎都是功能单一的相互独立的装置和系统。这种按功能划分的变电站自动化，硬件重复配置、信息不共享、TV和TA负载重、二次结线复杂、整体可靠性差，投资成本大。面向对象，实现各二次装置和系统的合理集成是变电站紧凑化的必然要求。新型量测技术和智能集成开关系统的开发和应用为集成自动化提供了技术支持，也是它们发展的必然结果。
5.1　集成自动化的功能
　　变电站自动化的功能主要决定于变电站在电力系统中的地位、作用、规模、电压等级和一次设备的情况。对于高压、超高压变电站来说，主要功能可概括为3个方面：(1)监视与控制系统。运行数据和信息的收集

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