编者注：本文最初发表于《大众科学》杂志2007年5月刊，在此重刊以纪念2003年美国东北部大停电十四周年。
2003年8月14日是美国中西部地区一个典型的温暖日子。但在下午2:00刚过，俄亥俄州北部的多条输电线路因承受过高电流而下垂，与一些过度生长的树木接触并关闭。这种干扰通常会在当地电力公司的控制室中引发警报，在那里，人工操作员与邻近地区的控制器协同工作，以绕过故障点重新分配电力流。
然而，在这一天，警报软件发生故障，导致当地操作员没有意识到问题。其他正在俄亥俄州、密歇根州、美国东北部和加拿大安大略省数百英里范围内中继或“输送”大量电力的控制器也浑然不觉。故障点周围的输电线路已经满负荷运转，被迫承担超过其安全配额的电力。
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更糟糕的是，公用事业公司产生的“无功功率”不足——无功功率是沿导线移动电流的磁场和电场的属性。由于没有足够的无功功率来支持突然转移的电流，俄亥俄州超负荷的线路在下午4:05切断。作为回应，一家发电厂关闭，破坏了系统的平衡。更多的线路和更多的电厂掉线。级联效应持续下去，速度之快超过了操作员使用北美电网大部分地区配备的几十年历史的监控设备进行跟踪的速度，当然也远远快于他们可以控制的速度。在八分钟内，横跨八个州和加拿大两个省的5000万人陷入停电。该事件是北美历史上规模最大的电力损失。
2003年的灾难也是一个先兆。在两个月内，英国、丹麦、瑞典和意大利也发生了重大停电事故。2003年9月，约有5700万意大利人因从法国向瑞士输电，然后再向意大利输电的过程中出现问题而陷入黑暗。在美国，影响5万或更多用户的年度停电次数已经上升了十多年。
除了不便之外，停电还造成重大的经济损失。在从发电厂到社区变电站的整个输电系统得到彻底改造之前，这些问题将会变得更糟。必须建造更多的高压线路，以赶上越来越多的空调、计算机和可充电设备带来的不断增长的需求。
但也许更重要的是，必须使电网变得更智能。大多数用于管理电力流动的设备可以追溯到20世纪70年代。这种控制系统不足以实时跟踪干扰——在干扰发生时——或自动响应以在问题蔓延之前隔离问题。电网中的每个节点都应该处于唤醒状态、响应状态，并与其他每个节点进行通信。此外，操作员在中央控制站收到的信息是稀疏的，并且至少有30秒的延迟，这使得他们不可能足够快地做出反应以阻止开始的大规模级联故障。一个自愈的智能电网——一个能够意识到潜在问题并可以重新配置自身以解决问题的电网——可以大幅减少停电，并控制可能由恐怖分子破坏引发的混乱。它还可以实现更高效的电力输送，在日常运行中为公用事业公司及其客户节省数百万美元。构建这种智能电网的技术在很大程度上已经存在，最近的示范项目正在证明其价值。
被进步淹没
输电系统之所以容易发生停电，是因为一个世纪以来为减少电力损耗所做的努力。当电力通过导线时，一部分电力会以热量的形式浪费掉。损耗与所携带的电流大小成正比，因此公用事业公司保持低电流，并通过提高电压来补偿。他们还建造了越来越长、电压越来越高的线路，以便更有效地将电力从发电厂输送到远方的客户。这些高压线路还允许邻近的公用事业公司连接其电网，从而帮助彼此维持发电供应和客户需求之间的关键平衡。
然而，这种互联互通也带来了一些危险，包括一个部门的停机会迅速蔓延到其他部门的可能性。1965年美国东北部的一次大停电促使公用事业公司成立了北美电力可靠性委员会——现在称为北美电力可靠性公司 (NERC)——以协调提高系统可靠性的工作。世界各地也存在类似的机构，例如欧洲输电系统运营商联盟。
那么，为什么美国电网会变得如此脆弱，以至于在2003年发生大规模故障呢？一个重要原因是，对输电系统升级的投资不足。20世纪70年代燃料价格的急剧上涨以及对核电日益增长的不满促使国会通过立法，旨在允许市场竞争推动效率的提高。随后的法律引发了行业内的全面变革，这种变革被称为重组。在20世纪90年代重组开始认真进行之前，大多数公用事业公司在其区域内开展所有三项主要职能：使用大型电厂发电、通过高压线路将其输送到变电站，然后从那里通过低压线路将其分配给客户。如今，许多独立的生产商在他们不拥有的输电线路附近和远处销售电力。与此同时，公用事业公司一直在出售其公司的部分业务，联邦能源监管委员会鼓励进一步促进竞争。逐渐地，输电业务已成为受监管和不受监管服务的复杂混合体，各个公司控制着零散的部分。
投资者发现发电行业（现在基本上已放松管制）具有吸引力。但是，由于输电系统仅部分放松管制，对其命运的不确定性使投资者感到担忧。（配电的放松管制仍处于起步阶段。）与此同时，即使在过去发生过电力输送，但自20世纪90年代以来，已在远距离范围内输送了更大数量的电力。因此，大量的电力传输正在通过主要由公用事业公司为几十年前的本地使用而建造的输电线路进行。
拟议的联邦立法可能会鼓励更多的投资，但即使增加了输电能力，停电仍然会发生。整个电网都必须进行翻新，因为现有的控制技术——快速感知小型线路故障或大型不稳定性可能性的关键——已经过时。为了保持可靠性，电网必须像战斗机一样运行，主要由自主系统飞行，人类控制器可以在需要时接管以避免灾难。
对速度的需求
现代战机配备了非常精密的装备，飞行员依靠传感器和自动控制网络，这些网络可以快速收集信息并采取相应的行动。幸运的是，以类似的方式运行电网并立即重新路由电力流和关闭发电厂所需的软件和硬件创新已经触手可及。
然而，重新配置广泛互连的系统是一项艰巨的挑战。大多数发电厂和输电线路都由监控和数据采集 (SCADA) 系统进行监管。这种由简单传感器和控制器组成的系统提供三个关键功能——数据采集、发电厂控制和报警显示——并允许位于中央控制站的操作员执行某些任务，例如打开或关闭断路器。SCADA 监控安装在发电厂、变电站以及输电线路和配电线路交叉口处的开关、变压器和小型硬件（称为可编程逻辑控制器和远程终端单元）。该系统通过电信通道将信息或警报发送回操作员。
然而，SCADA 技术可以追溯到 40 年前。其中大部分对于当今的挑战来说速度太慢，并且无法感知或控制电网周围的足够多的组件。尽管它在公用事业公司之间实现了一些输电协调，但该过程极其缓慢，其中大部分仍然基于公用事业公司控制中心的人工操作员之间的电话通话，尤其是在紧急情况下。更重要的是，大多数可编程逻辑控制器和远程终端单元是在建立行业范围的互操作性标准之前开发的；因此，邻近的公用事业公司经常使用不兼容的控制协议。公用事业公司正在使用 20 世纪 60 年代的控制装置，在稳定性包络线的边缘越来越近地运行。
自愈智能电网
结果是，没有一个操作员或公用事业公司可以稳定或隔离输电故障。实时管理现代电网需要更多的自动监控以及人类操作员、计算机系统、通信网络和数据收集传感器之间更大的交互，这些传感器需要部署在发电厂和变电站的各个地方。可靠运行还需要所有这些节点之间存在多个、高数据速率、双向通信链路，而这些链路在今天并不存在，以及控制中心的强大计算设施。并且智能处理器——能够在感知到停电的先兆时自动重新配置电力流——必须分布在整个网络中。
运行电网始于一种不同的系统设计。来自非线性动力系统、人工智能、博弈论和软件工程等多个领域的最新研究导致了一种关于如何设计适应不断变化条件 的复杂系统 的通用理论。为这门新兴学科开发的数学和计算技术正在为电网工程师提供新的工具。行业工作组，包括我们其中一位（阿明）在加利福尼亚州帕洛阿尔托的电力研究院 (EPRI) 工作期间运行的一个小组，已经为大型区域电网提出了复杂自适应系统。一些公用事业公司现在已经以示范规模部署了智能远程终端单元和可编程控制器，这些单元和控制器可以自主执行简单的流程，而无需首先与人工控制器核对，或者可以由操作员远程重新编程。需要更广泛的实施。
如果要最好地构建自愈智能电网，其架构师应努力实现三个主要目标。最基本的是实时监控和反应。传感器阵列将监控电压和电流等电气参数，以及关键组件的状况。这些测量将使系统能够不断地将自身调整到最佳状态。
第二个目标是预测。系统必须不断寻找可能引发更大干扰的潜在问题，例如变压器过热。计算机将评估故障迹象和可能的后果。然后，它们将确定纠正措施，模拟每项措施的有效性，并将最有用的响应呈现给人工操作员，然后人工操作员可以快速实施纠正措施，从而调度电网的许多自动化控制功能。该行业将此功能称为快速前瞻模拟。
第三个目标是隔离。如果发生故障，整个网络将分解为孤立的“岛屿”，每个岛屿都必须自力更生。每个岛屿都将尽最大努力重新组织其发电厂和输电流量。尽管这可能会导致电压波动甚至小的停电，但它可以防止导致重大停电的级联故障。随着线路维修人员修复故障，人工控制器将准备好每个岛屿，以便平稳地重新加入更大的电网。控制器及其计算机将充当分布式网络，通过微波、光纤或电力线本身进行通信。一旦电力流恢复，系统将再次开始自我优化。
为了将我们当前的 инфраструктура 改造为这种自愈智能电网，必须部署和集成多种技术。第一步是在每个开关、断路器、变压器和母线（将电力从发电机传输出去的巨大导体）中构建一个处理器。然后，每条输电线路都应配备一个处理器，该处理器可以与其他处理器通信，所有处理器都将通过监控内置于其系统中的传感器来跟踪其特定部分的活动。
一旦每个设备都受到监控，目前使用的数百万个机电开关应更换为固态、电力电子电路，这些电路本身必须加强以处理最高的输电电压：345 千伏及以上。从模拟设备升级到数字设备将允许对整个网络进行数字控制，这是实现实时自我监控和自愈的唯一方法。
完全过渡还需要小型低压配电线路的数字化，这些配电线路为每个家庭和企业供电。一个关键要素是用数字电表取代几十年历史的功率表（功率表依靠转动齿轮），数字电表不仅可以跟踪进入建筑物的电流，还可以跟踪送回的电流。这将使公用事业公司能够更好地评估有多少电力和无功功率从独立生产商流回电网。它还将使公用事业公司能够感知非常局部的干扰，这可以为可能正在酝酿的问题提供更早的警告，从而改进前瞻模拟。并且它将允许公用事业公司为客户提供按小时计费的价格，包括在可能每天变化的非高峰时段运行电器和机器的激励措施，从而减少可能破坏电网稳定的需求高峰。与电表不同，这种数字能源门户将允许网络智能来回流动，消费者可以对价格变化做出响应。该门户是一种工具，用于将电力输送从商品模式转变为能源服务的新时代，其多样性堪比当今充满活力的电信市场。
电力研究院 (EPRI) 设计智能电网原型（称为复杂交互网络/系统倡议）的项目于 1998 年至 2002 年进行，涉及六个大学研究联盟、两家电力公司和美国国防部。它启动了美国能源部、国家科学基金会、国防部和 EPRI 本身随后正在进行的几项工作，以开发电网的中央神经系统。总体而言，这项工作表明，只要操作员始终掌握各地发生的详细知识，电网就可以在接近稳定性极限的情况下运行。操作员将监控系统的变化方式以及天气如何影响系统，并对如何在负载（需求）和发电之间最好地维持每秒平衡有一个可靠的认识。
例如，EPRI 的 Intelligrid 计划的一个方面是让操作员更强地预测大规模不稳定性。当前的 SCADA 系统在评估它们可以检测到的孤立的系统行为片段时，有 30 秒或更长的延迟——类似于通过看模糊的后视镜而不是前方清晰的空域来驾驶飞机。在 EPRI，快速模拟和建模项目正在开发比实时更快的、前瞻性模拟，以预测问题——类似于国际象棋大师评估他或她的选项的未来几步棋。这种电网自我建模或自我意识将通过执行假设分析来避免干扰。它还将帮助电网自我修复——在停电或受到攻击后适应新条件，就像战斗机在受损后重新配置其系统以保持飞行一样。
谁应该付费
从技术上讲，自愈智能电网不再是遥远的梦想。然而，找到建造它的资金是另一回事。
电网将是昂贵的，尽管考虑到历史投资，但并非令人望而却步。EPRI 估计，在美国整个输配电系统中进行测试和安装每年可能需要 130 亿美元，持续 10 年——比该行业目前的年度投资高出 65%。其他研究预测，每年 100 亿美元，持续十年或更长时间。还需要花钱培训人工操作员。这些成本听起来很高，但估计美国所有停电造成的经济损失每年为 700 亿至 1200 亿美元。虽然大约每十年发生一次大停电，但在任何一天，美国都有 50 万客户停电两小时或更长时间。
不幸的是，电力公用事业行业的研发资金处于历史最低水平，是除纸浆和造纸行业外任何主要工业部门中最低的。资金是一个巨大的挑战，因为公用事业公司必须满足来自客户和监管机构的相互竞争的需求，同时还要对他们的利益相关者做出响应，而这些利益相关者往往将投资限制在短期回报上。
必须考虑其他因素：该行业负责应对的恐怖主义威胁级别是什么？政府应该承担什么责任？如果提高费率不受欢迎，那么公用事业公司将如何筹集资金？改善能源基础设施需要来自耐心投资者的长期承诺，所有相关的公共和私营部门必须共同努力。
政府可能正在认识到采取行动的必要性。白宫科技政策办公室和美国国土安全部最近宣布“自愈基础设施”是其《国家关键基础设施保护研发计划》中的三大战略重点之一。可能非常需要国家层面的监督，因为目前缺乏协调的决策是一个主要障碍。各州的权利和州级公用事业委员会的法规基本上扼杀了任何公用事业公司或公用事业公司集团领导全国性努力的动力。除非能够在所有州之间建立合作，否则该行业的强制国有化是实现智能电网的唯一途径。
关键在于国家的重要基础设施是否能够继续可靠和安全地运行。至少，自愈输电系统将最大限度地减少任何形式的恐怖分子企图“摧毁”电网的影响。停电可以避免或最大限度地减少，破坏活动可以得到控制，停电时间可以缩短，电力可以更有效地输送到每个人手中。
如果当 2003 年 8 月俄亥俄州的本地线路发生故障时，自愈智能电网已经到位，那么事件的演变可能会非常不同。位于下垂输电线路一端的故障预测器会检测到异常信号，并在线路发生故障前几个小时重新定向流经和绕过该线路的电力，以隔离干扰。前瞻模拟器会识别出该线路发生故障的概率高于正常水平，而电网和控制中心的自我意识软件会运行故障场景，以确定理想的纠正响应。操作员会批准并实施建议的更改。如果线路无论如何还是在稍后发生故障，传感器网络将检测到电压波动并将其传达给附近变电站的处理器。处理器会将电力重新路由到电网的其他部分。更广泛区域的客户最多只会看到灯光短暂闪烁。许多人根本不会意识到任何问题。