1 引言 变电站是电力系统的重要组成部分，面对竞争的电力市场和信息经济的发展，变电站的建设和更新改造面临降低成本、提高可靠性、改善电能质量和减少占用土地的新挑战。“西电东送”是我国西部大开发发展战略的重要组成部分，提高西部电力送往东部的市场竞争力，必须降低输变电成本，因此，变电站的建设在“西电东送”战略中还面临降低投资的紧迫挑战和新的发展机遇。变电站由众多的一次和二次设备组成，其技术是一项综合的系统工程技术。新材料和现代电力电子、计算机、通信、光电子、人工智能等技术的发展给变电站技术发展提供了新的发展机遇，利用高新技术，研究变电站未来的技术发展，建立新的变电站技术体系已成为世界电力几大重要技术的研究内容。 目前，变电站新技术的开发和应用主要集中在以下几方面：① 新材料制成的节能型变压器；② 新型电子电压/电流变换器及由其构成的数字光电量测系统；③ 开关设备集成技术，包括智能断路器和智能开关设备系统；④ 数字控制和保护集成技术——变电站集成自动化系统；⑤ 人工智能和光纤网络通信技术在变电站的应用；⑥ 基于以上技术的现代紧凑型变电站以及新的变电站设计理念。 本文将讨论基于现代微机、光电和通信技术的变电站一次和二次设备集成技术，及由其构成的现代紧凑型变电站，并用寿命周期成本分析其经济性和可靠性。 2 数字光电电气量测系统[1] 数字控制和保护装置已广泛用于电力系统，它的输入仅需要±5V电压和mW级功率。常规的电压互感器（PT）和电流互感器（CT）输出分别为100V和5A（1A）。为适应数字装置的输入要求，在PT、CT和数字装置之间需接入二次PT和CT。这样就增加了装置的复杂性。因此，开发新的量测系统，直接将高压侧的高电压和电流直接变换为数字型控制、保护、量测和计量所需的输入信号是电力系统自动化和信息化面临的紧迫任务。 2.1 新型电压和电流变换器（EVT & ECT） 数字光电电气量测系统由毫瓦级输出功率的电压/电流互感器或光电电压/电流变换器和数字信息处理装置及其相互连接的光缆组成。电压/电流变换器按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。 2.1.1 电阻/电容型电压变换器 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，如图1所示： 原理与常规的电容式电压互感器相同，不同的是其额定容量在毫瓦级，输出电压不超过±5V。因此，R1（或ZC1）应达到数百兆欧以上，而R2（或ZC2）在数十千欧数量级，为使电压变比K2接近K02=R2/(R1+R2)或C1/(C1+C2)，要求负载阻抗Z>>R2（或ZC2）。同时分压所用电阻和电容在－40℃-+80℃的环境温度中应阻值稳定，并有屏蔽措施，避免外界电磁干扰。 2.1.2 微型CT和罗柯夫斯基电流变换器 微型CT是带铁芯的小信号电流互感器，罗柯夫斯基电流变换器是非磁性材料小截面芯子的电流互感器，它们的工作原理与常规CT一样都是电磁感应原理，其等效电路图如图2所示。 图中 微型CT的电阻Rb≈1W，m >1000m 0；罗柯夫斯基线圈的电阻Rb≈a，m ≈m0。 微型CT的输出电压U2=i2·Rb，与一次电流il成正比，而罗柯夫斯基电流变换器的输出电压U2与一次电流的微分成正比，根据输出的积分才能算出一次电流。与常规电流互感器不同的是输出仅为电压信号，功率为毫瓦级。这样，经过适当的结构设计，可以实现从静态到暂态的线性量测。 2.1.3 电光电压变换器 光电电压量测的基本原理是将高电压变换成光信号，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是线对地空间电场强度的积分： 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进行量测。电－光电压变换原理如图3所示。 如图3所示，波长为λ、强度为P0的光束穿过偏振片产生偏振光，在电场作用下，由于晶体的普克尔斯效应其输出光强度P随加在晶体上的电场强度即加在其上的电压而变化 式中 U0=λ/2γn30称为半波电压，γ为晶体的线性电光系数，n0为无外加电场时的折射率。为确保测量精度和线性度，U应在5%U0范围内变化，并选用环境温度在－40℃- +80℃范围内变化时性能稳定的晶体材料。 2.1.4 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时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=VeHL (3) 式中 Ve为磁光晶体费尔德常数（Verdet），H为磁场强度；L为光束通过磁场长度。磁光电流变换原理如图4所示。 磁光电流变换器的输出光强度P为： 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。为确保量测精度和线性度，在一次量测电流最大（短路电流）的情况下，θ应在±5°范围内，应选用在环境温度－40℃-+80℃情况下性能稳定的晶体材料，并采用振荡补偿措施。 2.2 数字光电量测系统 新型电压/电流变换器与常规的CT和PT不同，其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。数字光电电气量测系统由新型电压/电流变换器和数字信号处理及其相应连接装置组成，按结构可分两类： （1）以电阻/电容电压变换器、微型CT和罗柯夫斯基线圈构成的数字量测系统，如图5所示。 （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6所示。 电压/电流变换器无论是电变电还是电变光，在实际应用时一般都按相组合为一体，形成组合电压／电流变换器。为适应目前保护和量测分别输入的要求，量测系统除输出数字信号外还可有一路专供保护用的模拟量输出。 2.3 数字光电量测系统的特点 新型电压/电流变换器为基础构成的数字光电量测系统与常规的PT和CT相比，具有明显的优越性，主要是：① 对静态和暂态量测具有几乎同样的量测精度，满足IEC 标准中0.2的精度要求；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 结构紧凑、体积小、重量轻、成本低；⑤ 抗电磁干扰能力强。 3 集成开关设备系统 GIS组合电器将断路器、隔离和接地开关、常规PT和CT以及母线组合在一个SF6绝缘的密封壳体内，实现了变电站布置的紧凑化，因其制造成本高，目前多用于土地价格昂贵或空间有限的变电站。但以SF6为绝缘介质的断路器目前已基本取代了少油和空气断路器。在其广泛应用的近30年中，其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降到0.0067次/每百开关年，降低了60%。其主要故障分布如图7所示。从图中可看出，常规的操作机构、二次和辅助系统引起的故障占70%以上，采用新的技术可使这部分故障率降低，SF6断路器的可靠性将进一步提高。本文所指开关设备的集成是基于SF6绝缘的开关设备系统集成。 3.1 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绝缘的开关模块和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有不同的组合模式，能够大幅度减少土地占用、减少寿命周期成本的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内每相的断路器、隔离开关和接地开关、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。图8所示为一种双母线集成开关设备系统和常规开关设备系统的单线图，图9为集成开关设备系统示意图。