《IEEE Electrical Insulation Magazine》：News from Japan: TEPCO Power Grid Builds Japan's First Extra-High-Voltage Digital Substation
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为应对绿色转型（GX）与数字化转型（DX）带来的数据中心、半导体工厂等大规模电力需求激增挑战，东京电力旗下电网公司（TEPCO Power Grid）在千叶县印西市建设了日本首座特高压数字化变电站。该研究介绍了变电站的选址、隧道工程、基于IEC TR 61850标准的数字化网络架构、冗余系统设计及智能传感器应用，实现了远程监控、预测性维护和高效运营，为应对未来电力需求、确保供电稳定提供了关键基础设施解决方案。
长久以来，日本的电力总需求在节能措施的推动下，几乎保持稳定甚至略有下降。然而，平静的水面下正暗流涌动。一场由绿色转型（Green Transformation, GX）和数字化转型（Digital Transformation, DX）驱动的变革，正在彻底改变日本的电力需求格局。数据中心（Data Center, DC）、半导体工厂的迅猛扩张，以及包括钢铁生产电炉化在内的工厂脱碳进程，共同推高了对大规模电力的渴求。其中，人工智能（AI）的爆炸式增长，使得数据中心的建设尤为迫切。这些“电力巨兽”不仅需要庞大的电力，其选址也倾向于靠近AI应用广泛的城市、便于国际工程师往来的国际机场附近，以及易于接入海底光缆和特高压输电线路的区域。面对这一即将到来的需求海啸，日本的电力基础设施准备好了吗？
为了回答这个问题，并抢占未来能源输送的制高点，东京电力控股旗下负责输配电业务的TEPCO Power Grid（PG）做出了一项关键决策：在距离东京市中心约40公里、距东京国际机场（成田）约20公里的千叶县印西市，建设一座全新的变电站——千叶印西变电站。这座变电站非同寻常，它是日本首座特高压“数字化变电站”。这项工程不仅是一次基础设施的扩容，更是日本电网面向智能化、数字化未来的一次关键跃迁。相关研究成果发表在《IEEE Electrical Insulation Magazine》上。
研究人员为完成此项目，综合运用了多项关键技术。首先，在硬件建设层面，面对高度易坍塌的沙质地质条件，项目团队创新性地同时启用四台盾构掘进机进行隧道施工，将长达10.1公里的特高压电缆隧道建设周期缩短至4年9个月，约为常规工期的一半。其次，在核心数字化架构上，全站严格按照国际标准IEC技术报告（TR）61850构建网络，将站内所有监控与控制相关设备连接，实现了数据的全面共享与远程操作。为确保可靠性，网络采用双重冗余设计，包括两套站级总线（station-bus）系统（采用LAG协议）和两套过程总线（process-bus）系统（采用PRP协议）。最后，在设备层，广泛采用了内置智能传感器的气体绝缘变压器（Gas-Insulated Transformer）和气体绝缘开关设备（Gas-Insulated Switchgear, GIS），实现了设备状态的实时监测与诊断。
一、 创新选址与高效基建：应对未来需求的战略布局
为解决新兴电力负荷中心的供电问题，TEPCO PG选择了印西市这一战略要地。该选址兼顾了靠近东京都市圈、邻近国际交通枢纽（成田机场）以及便于接入现有电力与通信主干网络的多重优势。为将电力输送至此，工程团队建设了一条从现有500/275 kV变电站至新变电站的、长约10.1公里的隧道，用于敷设特高压电缆。通过同步运行四台盾构机的非常规方法，团队在极具挑战性的地质条件下大幅缩短了工期，该隧道工程也因此荣获了2023年度日本土木学会技术奖。
二、 数字化核心：基于IEC 61850标准的全站网络
千叶印西变电站的“数字化”核心在于其遵循IEC TR 61850标准构建的通信网络。该网络连接了站内所有监控与控制设备，使得工作人员能够从远程位置共享各类数据，从而远程检测操作错误并立即采取必要措施。为实现海量数字数据的快速交换，变电站通信网络从传统的金属线路升级为光纤电缆。不过，基于电流和电压信息（包括继电保护）发送故障清除命令的电路，仍采用传统的电气接线，这是为了确保时间同步性以及对故障清除时间的正确评估。
三、 架构革新：过程总线的数字化重构
研究通过对比数字化实施前后的过程总线（process bus）架构，清晰地揭示了技术演进。在传统架构中，设备控制指令首先由远程监控单元接收，再通过安装在各线路上的接口屏和控制单元控制现场设备。数字化后，代理网关（Proxy Gateway, PGW）扮演了远程监控单元的角色，间隔控制单元（Bay Control Unit, BCU）取代了接口屏，而现场设备的直接操作则经由一个全新的设备——过程接口单元（Process Interface Unit, PIU）完成。信息流（状态数据上传与控制信号下达）通过数字化网络实现了高效整合。
四、 冗余设计与多供应商策略：确保可靠性与经济性
为提高系统可靠性，变电站网络设计采用了全面的冗余配置。站内设有A、B两套站级总线系统（采用LAG协议）和两套过程总线系统（采用PRP协议），保护继电器、PGW、BCU等关键设备也均设置为双重系统。这样的设计确保了当一套系统因故障停运时，变电站仍可依靠另一套系统持续运行，保障稳定供电。此外，在采购设备和设施时，项目采用了多供应商策略，集成了来自A、B、C、D四家公司的产品。这种策略使得项目能够从广泛选项中挑选最合适的产品，同时有效控制了成本，并确保了工程按计划启动。
五、 智能设备与预测性维护：运维模式的根本转变
站内各种气体绝缘变压器和开关设备均配备了内置智能传感器，用于监测和诊断设备状态。实时数据传输使得先进的远程高效维护成为可能。基于这些智能升级，变电站得以全面实现利用各设备趋势数据进行预测性维护，从而降低更换成本、减少施工工时、抑制人为错误，并借助增加的信息量快速解决问题。
综上所述，东京电力电网公司在千叶印西建设的日本首座特高压数字化变电站，是针对GX/DX时代电力需求结构性增长的前瞻性应对方案。该研究得出结论，通过创新的快速隧道施工技术、基于IEC 61850标准的全站数字化网络架构、双重冗余系统设计、内置智能传感器的智能设备以及多供应商采购策略，成功构建了一个能够远程监控、支持预测性维护、高可靠且经济高效的新型变电站。这座变电站不仅能够满足数据中心等新兴负荷的用电需求，其数字化和智能化特性还从根本上改变了变电站的运维模式，提升了运营效率与供电可靠性。该项目的成功实施，为日本乃至全球电力行业在能源转型背景下，建设下一代电网基础设施提供了重要的技术范式和实践参考。变电站已于2024年6月以2台变压器和10条输电线路开始运行，并计划在2027财年前增至4台变压器和24条输电线路，以跟上持续增长的需求。下一步，TEPCO PG计划建设“全数字化变电站”，将电流、电压和故障清除命令的传输也全面数字化，标志着电网数字化进程的进一步深化。
