数字化变电站发展路径：巴西输电公司的技术演进与实践挑战分析

《IEEE Latin America Transactions》：Pathways to digital substations: a comparative case study

本文针对电力系统数字化转型背景下变电站现代化改造的挑战，通过对巴西三家不同技术代际的高压变电站开展比较案例研究，系统分析了IEC 61850标准实施、过程总线应用和技术升级路径。研究发现，尽管数字化变电站自动化系统具有显著优势，但过程总线的实际应用仍不广泛，且设备互操作性存在挑战。研究为输电系统运营商(TSO)在资产更新周期中的技术决策提供了重要参考，尤其对面临大规模基础设施投资的拉丁美洲能源市场具有实践指导意义。

　　

随着全球能源系统向低碳经济转型，智能电网建设已成为电力行业发展的核心方向。在这一背景下，电力变电站作为电网的关键节点，正经历着深刻的数字化转型。然而，输电系统运营商(TSO)在推进变电站数字化过程中面临着多重挑战：既要保证电网安全可靠运行，又要有效管理技术升级过程，同时还需应对不同技术代际设备共存的复杂局面。特别是在巴西等新兴经济体，大量建于20世纪七八十年代的变电站资产即将达到监管寿命终点，如何在这些资产更新周期中科学选择技术路径，成为行业亟待解决的问题。

发表于《IEEE Latin America Transactions》的这项研究，通过比较分析巴西三家不同技术代际的高压变电站，系统探索了数字化变电站的发展路径。研究人员采用理论分类框架与实地调研相结合的方法，深入考察了从早期数字化到最新智能变电站的技术特征、升级经验和未来发展方向。

研究团队主要运用了三种关键技术方法：首先基于文献综述建立了变电站分类理论框架，将变电站划分为常规变电站、早期数字化变电站、先进数字化变电站和未来智能变电站四个技术代际；其次通过目的性抽样选取了三家具有代表性的巴西高压变电站作为案例研究对象；最后采用混合研究方法，包括对四位资深工程师的半结构化访谈、现场技术考察以及技术文档分析，确保数据的全面性和可靠性。

变电站自动化系统比较分析

研究发现，不同变电站的自动化系统技术特征明显反映了其设计时期的行业技术范式。SE ANH变电站作为早期数字化变电站的代表，仅在站控层应用了IEC 61850标准，过程层仍大量使用硬接线铜缆连接，导致控制室内电缆密布。

相比之下，SE LOR变电站作为先进数字化变电站的典范，通过合并单元(Merging Units)实现了过程层信号的数字化，采用光纤传输采样值(SV)报文，显著减少了铜缆使用量。而SE JAN变电站作为未来智能变电站的试验平台，探索了集中式保护与控制(CPC)架构，为变电站虚拟化发展提供了实践参考。

技术升级路径与挑战

案例分析表明，变电站数字化是一个渐进过程。SE ANH和SE JAN变电站均经历了技术升级，特别是SE JAN通过研发项目实现了从1980年代设备向数字化系统的跨越。研究发现，巴西电力监管机构(ANEEL)的研发项目在推动技术创新方面发挥了关键作用，为 utilities 积累了宝贵的实践经验。然而，设备互操作性挑战依然存在，三家变电站均采用单一制造商解决方案，尚未实现多厂商设备的互联互通。

运维模式转变与数据应用

研究指出，数字化变电站为实现预测性维护创造了条件，但实际应用中仍面临挑战。目前，三家变电站主要依靠计划性维护和事故后维修，尚未充分发挥数字化带来的数据价值。输电公司正在建设资产监控中心，旨在通过持续收集设备状态数据，逐步向状态基维护转变。这种转变不仅需要技术投入，更需要组织架构和人员技能的配套升级。

巴西及拉丁美洲语境下的讨论

研究特别强调了巴西电力部门的特殊性。根据十年能源计划(PDE)，2025-2034年间巴西变电站投资预计达到403亿雷亚尔(约72亿美元)，同时约390亿雷亚尔(约70亿美元)的变电站资产将在2034年前达到监管寿命终点。这一背景为变电站数字化提供了重要机遇，但也对技术选择和经济性提出了更高要求。与发达经济体相比，拉丁美洲国家在推进电网数字化时需要充分考虑本地监管框架、投资激励措施和人才储备等特定条件。

研究结论部分指出，变电站数字化是一个技术演进与运营实践相互适应的过程。从早期数字化变电站到先进数字化变电站的演进过程中，铜缆使用量显著减少，物理空间占用优化，调试时间缩短。然而，过程总线的全面应用、低功率互感器(LPIT)的使用以及预测性维护的实现仍需进一步推进。对于面临大规模基础设施更新的巴西电力部门而言，理解数字化变电站的技术路径和效益评估方法，对行业规划者和运营商的决策制定具有重要参考价值。

该研究的实践意义在于为输电系统运营商提供了可借鉴的技术升级框架，特别是在设备更新周期规划、技术标准选择和人才培养方面提供了具体指导。同时，研究也指出了未来需要重点关注的方向，包括虚拟化保护与控制(VPAC)系统的实际应用、网络安全挑战的应对以及数字化投资的经济性评估方法等。这些发现不仅适用于巴西语境，对全球范围内特别是新兴经济体的电力基础设施现代化都具有启发意义。