、量测与计量、运行监视、运行操作、自动控制包括紧急控制与当地后备控制、故障事件记录和故障录波、RTU功能、统计分析；(2)继电保护系统。线路保护与自动化重合闸、母线保护、变压器保护，当电力系统和变电站本身发生故障时，继电保护应准确判断故障、跳开相应的断路器迅速切除故障；(3)设备运行与维护系统。设备状态数据收集，在线诊断、设备状态和可靠性维修指导，自动故障恢复。
这里需要强调的是，随着变电站无人值守和设备远方诊断、状态维修和以可靠性为中心的维修技术的发展，设备运行与维护系统将成为变电站自动化系统的重要组成部分。
5.2 自动化集成的分类
自动化系统集成可分为2个层次，间隔级和变电站站级。间隔级的集成是构筑一个通用的硬件和软件平台，面向间隔内的控制、保护、监视、操作闭锁、诊断和计量等功能集成在这个通用平台上，通用的硬件平台系由一组元件组成的多功能装置，通用的软件平台指的是在多功能硬件装置内建立统一的数据输入及数据库和功能软件，从而实现数据共享，功能协调优化，这样，原来间隔内必须执行的功能将不再配置专用的硬件装置；站级的集成是自动化需要在站级处理的各个功能通过站内通信网络组合在统一的系统中，这样，原来面向不同任务的分隔系统和多个通信网络不再需要，从而简化了网络结构和通信规约。
间隔级和站级功能集成的划分原则应是：凡间隔级能执行的功能不应由站级来执行，凡过程级能执行的功能不应由间隔处理，实现功能分层分布优化处理。例如，故障录波功能可以集成到DOIU中。在智能集成开关系统中，其二次系统已实现了智能化，这样，自动重合闸、间隔内闭锁等功能便可集成到其二次系统中。
根据自动化在间隔级和站级功能的集成程度，变电站自动化系统分为协调型自动化系统和全集成自动化系统。协调型自动化系统指的是间隔内仍然保留各自独立的控制、保护装置，通过统一的通信网络与站级相连，由站级的统一的计算机系统对各功能进行协调；全集成自动化系统指的是间隔内执行的功能和数据处理集成在一个统一的多功能数字装置内，在间隔内部、间隔间以及间隔同站级间用少量光纤总线进行通信的自动化系统。
5.3 协调自动化系统
协调自动化系统结构如图11所示。其主要特点是：用微机数字处理和光纤数字通信，优化站级与间隔级的功能配置，控制、保护和设备运行与维护系统通过过程总线相互连结，共享数据。这样，简化了各个独立系统的结构，各个功能又保持相对独立，同时简化了整个自动化系统的结构。
图11 协调型自动化系统基本结构
SCU—站级控制；OSU—站级运行与维护；GTW—通信控制；DAP—间隔运行维护；DAC—间隔控制；
Prot—间隔继电保护；LED1—隔离接地开关控制；LED2—断路器控制；DOIU—数字光电量测
5.4 集成自动化系统
协调型自动化系统的进一步发展将是全集成自动化系统。全集成自动化系统基本结构如图12所示。它与协调型自动化系统相比，间隔级的DAP、DAC和Prot由多功能装置所代替，结构更简单，经济性更好，但可靠性设计要求更严格。
图12 全集成自动化系统基本结构
在整体设计方面，要对站级、间隔级和过程级的功能进行优化，将功能尽可能分布在过程级。多功能装置集成了较多的功能，应按各功能响应时间和对电力系统的影响程度，确定功能优先级别。显然，继电保护、紧急控制及与保护相关的功能要响应快，处于最优级别。间隔级与过程级的通信速率要达100Mb／s以上，各种不同的数据传送要优化排序。按系统可靠性要求，要充分利用冗余技术，主保护等应有不同动作原理的双重保护模块，对于重要变电站应有双重通信系统。多功能装置应建立双数据库。
6 紧凑型变电站的可靠性和经济性
变电站的设计应满足电力系统和用户的可靠性要求，以避免不必要的停电损失。随着电力市场的发展，可靠性将更多地用经济来度量。变电站的可靠性取决于各个元件的可靠性和全站主结线及二次系统的可靠性。而元件的可靠性又极大地影响着主结线和二次系统结构，因此，提高变电站可靠性的关键是元件的质量。
6.1 可靠性指标
变电站可靠性的指标是指停电概率(次/年)和停电持续时间(h/次)，两者均包括强迫(概率)停电和计划停电。它的经济描述就是停电的经济损失，称为中断供电损失成本(FC)。
 (11)
式中，λj、Tj为j设备平均故障停电概率和持续时间；MTTRj为j设备的平均修复时间；RCj为j设备的平均修复成本；Wj为j设备故障的停电功率；a，b分别为用户停电的功率和电量价值。
6.2 具有自我监视和诊断的可靠性
如前所述，数字光电量测系统、智能集成开关设备系统、控制保护系统都是基于微机的数字装置或系统，这些装置和系统应该而且可能配备自检系统，实时监视和诊断运行状况，出现缺陷和故障隐患时即时报警，这样可大大减少变电站故障的概率。
具有自我监视和诊断功能的设备及其组成的变电站，从理论上讲，具有比常规系统更高的可靠性和可用率。图13给出了具有自我监视和诊断的变电站(或设备)与常规变电站(或设备)可靠性和可用率的基本差别。
图13 具有和没有自我监视和诊断变电站可用率的差别
(a)没有自我诊断和监视的变电站；(b)具有自我诊断监视的变电站
为了达到高可靠性，过程级、间隔级和站级3个层次应有完善的自我监视和诊断功能，主要要求是：(1)连续对开关设备及变压器，特别是断路器进行自检，配置各类传感器，监视一次设备运行状态，发现设备的一、二次系统有故障隐患时即时报警；(2)对间隔级、站级的控制保护装置和系统连续进行自我监视和诊断，发现有导致可能不正确动作的缺陷时即时报警；(3)站控系统应周期查询过程级和间隔级的自检功能，以确保各级自检功能的可用性。
6.3 可靠性和经济性分析
集成开关设备系统(IASS)，集成自动化系统以及先进的设计理念将构筑现代紧凑型变电站。这种新型变电站的特点是：元件(设备)数量少，开关设备装在SF6绝缘壳体内，可靠性高，集成的一次和二次设备及系统结构紧凑，占用空间小，寿命周期成本低。
6.3.1 超高压、紧凑型枢纽变电站的经济性和可靠性[5]
计划兴建的420kV枢纽变电站原拟采用双母带旁路的主结线方案，常规的一、二次设备和系统，以将2个电厂与系统相连。常规变电站单线图如图14所示。
图14 常规变电站单线图
如采用集成开关设备系统和微机数字控制与保护装置构成的现代型紧凑变电站，主结线为环型母线，控制保护装置下放到开关现场，则其单线图如图15所示。
图15 紧凑型变电站单线图
对这2个方案，采用CIGRE调查的变电站元件可靠性数据(元件可靠性数据如表2所示)，进行可靠性和寿命周期成本分析计算，其计算结果分别如表3、表4所示。
表2 变电站计算用元件可靠性数据
元件
故障率
/次·千台年-1
平均修复时间
/h
维修频率
/次·年-1
维修保养时间
/h
断路器
隔离开关
接地开关
TA
TV
避雷器
母线变压器
IASS
12
8.4
0.6
1.6
0.70
3.0
4.7
1.3
8.3
24*
8*
8*
8
8
0
12
168
12**
0.167
0.5
0.5
0
0
0
0
0.25
0.1
12
4
4
0
0
0
0
8
18
注：*表示有现场备件的修复时间；**表示有一相现场备用的修复时间。
表3 可靠性计算结果
项 目
强迫停电
计划停电
OF
OD
OF
OD
常 规
变电站
配电网
企业电网
输电线(L)
电厂1(G1)
电厂2(G2)
0.381
0.381
0.381
0.381
0.381
1.82
1.82
1.72
1.62
1.62
1.25
1.25
2.00
1.00
1.00
6.00
6.00
7.99
4.00
4.00
紧凑型
变电站
配电网
企业电网
输电线(L)
电厂(G1)
电厂(G2)
0.026
0.026
0.050
0.024
0.024
0.497
0.497
0.560
0.279
0.279
0.450
0.450
0.200
0.200
0.200
5.60
5.60
7.20
3.60
3.60
表3中，OF为中断供电概率，次/年；OD为中断供电持续时间，h/n。
表4 寿命周期成本计算结果
成本
常规变电站
紧凑型变电站
IC/%
MC/%
FC/%
LCC/%
100
0.86
23
123.86
79
0.43
3
82.43
注：寿命周期年限为20年；设两方案运行成本相同，不作比较。
计算结果表明：现代紧凑型变电站无论是可靠性，还是寿命周期成本与常规变电站相比都具有明显的优越性。
6.3.2 110kV负荷端紧凑型变电站的经济性[6]
110kV变电站采用标准的H型接线方案，采用集成开关设备系统和目前广泛采用的微机数字保护装置构成紧凑型变电站。利用寿命周期成本的计算方法进行经济评价，其结果如表5所示。
表5 紧凑型和常规变电站的经济比较
评价
常规变电站
紧凑变电站
环境方面
占地面积/%
可视影响
100
高
30
中或低
经济方面
一次设备/%
二次设备/%
基建工程/%
安装、调试/%
LCC/%
100
100
100
100
100
110
100
60
50
70(最大)
注：寿命周期年限为10年。
这个紧凑型变电站系已投运的变电站，其计算是实际的分析比较。分析比较结果表明：采用紧凑型变电站虽初期一次设备投资费用稍贵一点，但在基建、安装、调试和维修方面成本可降低很多，这样，总成本仍能显著降低。
7 结论
(1)经济性和可靠性是电力市场环境下新建和更新改造变电站应主要考虑的问题，寿命周期成本概念和评价方法将技术和经济结合起来，是变电站技术经济优化分析的强有力工具；
(2)数字光电量测系统、智能集成开关设备系统、集成自动化系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、寿命周期成本低的特点。以这些新技术的开发和应用为基础构成的现代紧凑型变电站是未来技术经济优化的解决方案；
(3)变电站一次设备集成、二次系统集成以及一次和二次设备的集成技术，打破了一次设备和二次装置分别制造和分开设计的传统理念，现代紧凑型变电站的发展需要新的制造和设计理念与其技术发展相适应。
8 参考文献
1 曾庆禹.电力系统数字光电量测系统的原理与技术.电网技术，2001，25(4)
2 曾庆禹.电力系统数字光电量测系统的应用与效益分析.电网技术，2001，25(5)
3 曾庆禹.变电站自动化技术的未来发展(一).电力系统自动化，2000(8)
4 曾庆禹.变电站自动化技术的未来发展(二).电力系统自动化，2000(20)
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