編者注：本文最初發表於《大眾科學》雜誌2007年5月刊，在此重刊以紀念2003年美國東北部大停電十四週年。
2003年8月14日是美國中西部地區一個典型的溫暖日子。但在下午2:00剛過，俄亥俄州北部的多條輸電線路因承受過高電流而下垂，與一些過度生長的樹木接觸並關閉。這種干擾通常會在當地電力公司的控制室中引發警報，在那裡，人工操作員與鄰近地區的控制器協同工作，以繞過故障點重新分配電力流。
然而，在這一天，警報軟體發生故障，導致當地操作員沒有意識到問題。其他正在俄亥俄州、密歇根州、美國東北部和加拿大安大略省數百英里範圍內中繼或“輸送”大量電力的控制器也渾然不覺。故障點周圍的輸電線路已經滿負荷運轉，被迫承擔超過其安全配額的電力。
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更糟糕的是，公用事業公司產生的“無功功率”不足——無功功率是沿導線移動電流的磁場和電場的屬性。由於沒有足夠的無功功率來支援突然轉移的電流，俄亥俄州超負荷的線路在下午4:05切斷。作為回應，一家發電廠關閉，破壞了系統的平衡。更多的線路和更多的電廠掉線。級聯效應持續下去，速度之快超過了操作員使用北美電網大部分地區配備的幾十年歷史的監控裝置進行跟蹤的速度，當然也遠遠快於他們可以控制的速度。在八分鐘內，橫跨八個州和加拿大兩個省的5000萬人陷入停電。該事件是北美歷史上規模最大的電力損失。
2003年的災難也是一個先兆。在兩個月內，英國、丹麥、瑞典和義大利也發生了重大停電事故。2003年9月，約有5700萬義大利人因從法國向瑞士輸電，然後再向義大利輸電的過程中出現問題而陷入黑暗。在美國，影響5萬或更多使用者的年度停電次數已經上升了十多年。
除了不便之外，停電還造成重大的經濟損失。在從發電廠到社群變電站的整個輸電系統得到徹底改造之前，這些問題將會變得更糟。必須建造更多的高壓線路，以趕上越來越多的空調、計算機和可充電裝置帶來的不斷增長的需求。
但也許更重要的是，必須使電網變得更智慧。大多數用於管理電力流動的裝置可以追溯到20世紀70年代。這種控制系統不足以即時跟蹤干擾——在干擾發生時——或自動響應以在問題蔓延之前隔離問題。電網中的每個節點都應該處於喚醒狀態、響應狀態，並與其他每個節點進行通訊。此外，操作員在中央控制站收到的資訊是稀疏的，並且至少有30秒的延遲，這使得他們不可能足夠快地做出反應以阻止開始的大規模級聯故障。一個自愈的智慧電網——一個能夠意識到潛在問題並可以重新配置自身以解決問題的電網——可以大幅減少停電，並控制可能由恐怖分子破壞引發的混亂。它還可以實現更高效的電力輸送，在日常執行中為公用事業公司及其客戶節省數百萬美元。構建這種智慧電網的技術在很大程度上已經存在，最近的示範專案正在證明其價值。
被進步淹沒
輸電系統之所以容易發生停電，是因為一個世紀以來為減少電力損耗所做的努力。當電力透過導線時，一部分電力會以熱量的形式浪費掉。損耗與所攜帶的電流大小成正比，因此公用事業公司保持低電流，並透過提高電壓來補償。他們還建造了越來越長、電壓越來越高的線路，以便更有效地將電力從發電廠輸送到遠方的客戶。這些高壓線路還允許鄰近的公用事業公司連線其電網，從而幫助彼此維持發電供應和客戶需求之間的關鍵平衡。
然而，這種互聯互通也帶來了一些危險，包括一個部門的停機會迅速蔓延到其他部門的可能性。1965年美國東北部的一次大停電促使公用事業公司成立了北美電力可靠性委員會——現在稱為北美電力可靠性公司 (NERC)——以協調提高系統可靠性的工作。世界各地也存在類似的機構，例如歐洲輸電系統運營商聯盟。
那麼，為什麼美國電網會變得如此脆弱，以至於在2003年發生大規模故障呢？一個重要原因是，對輸電系統升級的投資不足。20世紀70年代燃料價格的急劇上漲以及對核電日益增長的不滿促使國會透過立法，旨在允許市場競爭推動效率的提高。隨後的法律引發了行業內的全面變革，這種變革被稱為重組。在20世紀90年代重組開始認真進行之前，大多數公用事業公司在其區域內開展所有三項主要職能：使用大型電廠發電、透過高壓線路將其輸送到變電站，然後從那裡透過低壓線路將其分配給客戶。如今，許多獨立的生產商在他們不擁有的輸電線路附近和遠處銷售電力。與此同時，公用事業公司一直在出售其公司的部分業務，聯邦能源監管委員會鼓勵進一步促進競爭。逐漸地，輸電業務已成為受監管和不受監管服務的複雜混合體，各個公司控制著零散的部分。
投資者發現發電行業（現在基本上已放松管制）具有吸引力。但是，由於輸電系統僅部分放松管制，對其命運的不確定性使投資者感到擔憂。（配電的放松管制仍處於起步階段。）與此同時，即使在過去發生過電力輸送，但自20世紀90年代以來，已在遠距離範圍內輸送了更大數量的電力。因此，大量的電力傳輸正在透過主要由公用事業公司為幾十年前的本地使用而建造的輸電線路進行。
擬議的聯邦立法可能會鼓勵更多的投資，但即使增加了輸電能力，停電仍然會發生。整個電網都必須進行翻新，因為現有的控制技術——快速感知小型線路故障或大型不穩定性可能性的關鍵——已經過時。為了保持可靠性，電網必須像戰鬥機一樣執行，主要由自主系統飛行，人類控制器可以在需要時接管以避免災難。
對速度的需求
現代戰機配備了非常精密的裝備，飛行員依靠感測器和自動控制網路，這些網路可以快速收集資訊並採取相應的行動。幸運的是，以類似的方式執行電網並立即重新路由電力流和關閉發電廠所需的軟體和硬體創新已經觸手可及。
然而，重新配置廣泛互連的系統是一項艱鉅的挑戰。大多數發電廠和輸電線路都由監控和資料採集 (SCADA) 系統進行監管。這種由簡單感測器和控制器組成的系統提供三個關鍵功能——資料採集、發電廠控制和報警顯示——並允許位於中央控制站的操作員執行某些任務，例如開啟或關閉斷路器。SCADA 監控安裝在發電廠、變電站以及輸電線路和配電線路交叉口處的開關、變壓器和小型硬體（稱為可程式設計邏輯控制器和遠端終端單元）。該系統透過電信通道將資訊或警報傳送回操作員。
然而，SCADA 技術可以追溯到 40 年前。其中大部分對於當今的挑戰來說速度太慢，並且無法感知或控制電網周圍的足夠多的元件。儘管它在公用事業公司之間實現了一些輸電協調，但該過程極其緩慢，其中大部分仍然基於公用事業公司控制中心的人工操作員之間的電話通話，尤其是在緊急情況下。更重要的是，大多數可程式設計邏輯控制器和遠端終端單元是在建立行業範圍的互操作性標準之前開發的；因此，鄰近的公用事業公司經常使用不相容的控制協議。公用事業公司正在使用 20 世紀 60 年代的控制裝置，在穩定性包絡線的邊緣越來越近地執行。
自愈智慧電網
結果是，沒有一個操作員或公用事業公司可以穩定或隔離輸電故障。即時管理現代電網需要更多的自動監控以及人類操作員、計算機系統、通訊網路和資料收集感測器之間更大的互動，這些感測器需要部署在發電廠和變電站的各個地方。可靠執行還需要所有這些節點之間存在多個、高資料速率、雙向通訊鏈路，而這些鏈路在今天並不存在，以及控制中心的強大計算設施。並且智慧處理器——能夠在感知到停電的先兆時自動重新配置電力流——必須分佈在整個網路中。
執行電網始於一種不同的系統設計。來自非線性動力系統、人工智慧、博弈論和軟體工程等多個領域的最新研究導致了一種關於如何設計適應不斷變化條件 的複雜系統 的通用理論。為這門新興學科開發的數學和計算技術正在為電網工程師提供新的工具。行業工作組，包括我們其中一位（阿明）在加利福尼亞州帕洛阿爾託的電力研究院 (EPRI) 工作期間執行的一個小組，已經為大型區域電網提出了複雜自適應系統。一些公用事業公司現在已經以示範規模部署了智慧遠端終端單元和可程式設計控制器，這些單元和控制器可以自主執行簡單的流程，而無需首先與人工控制器核對，或者可以由操作員遠端重新程式設計。需要更廣泛的實施。
如果要最好地構建自愈智慧電網，其架構師應努力實現三個主要目標。最基本的是即時監控和反應。感測器陣列將監控電壓和電流等電氣引數，以及關鍵元件的狀況。這些測量將使系統能夠不斷地將自身調整到最佳狀態。
第二個目標是預測。系統必須不斷尋找可能引發更大幹擾的潛在問題，例如變壓器過熱。計算機將評估故障跡象和可能的後果。然後，它們將確定糾正措施，模擬每項措施的有效性，並將最有用的響應呈現給人工操作員，然後人工操作員可以快速實施糾正措施，從而排程電網的許多自動化控制功能。該行業將此功能稱為快速前瞻模擬。
第三個目標是隔離。如果發生故障，整個網路將分解為孤立的“島嶼”，每個島嶼都必須自力更生。每個島嶼都將盡最大努力重新組織其發電廠和輸電流量。儘管這可能會導致電壓波動甚至小的停電，但它可以防止導致重大停電的級聯故障。隨著線路維修人員修復故障，人工控制器將準備好每個島嶼，以便平穩地重新加入更大的電網。控制器及其計算機將充當分散式網路，透過微波、光纖或電力線本身進行通訊。一旦電力流恢復，系統將再次開始自我最佳化。
為了將我們當前的 инфраструктура 改造為這種自愈智慧電網，必須部署和整合多種技術。第一步是在每個開關、斷路器、變壓器和母線（將電力從發電機傳輸出去的巨大導體）中構建一個處理器。然後，每條輸電線路都應配備一個處理器，該處理器可以與其他處理器通訊，所有處理器都將透過監控內置於其系統中的感測器來跟蹤其特定部分的活動。
一旦每個裝置都受到監控，目前使用的數百萬個機電開關應更換為固態、電力電子電路，這些電路本身必須加強以處理最高的輸電電壓：345 千伏及以上。從模擬裝置升級到數字裝置將允許對整個網路進行數字控制，這是實現即時自我監控和自愈的唯一方法。
完全過渡還需要小型低壓配電線路的數字化，這些配電線路為每個家庭和企業供電。一個關鍵要素是用數字電錶取代幾十年歷史的功率表（功率表依靠轉動齒輪），數字電錶不僅可以跟蹤進入建築物的電流，還可以跟蹤送回的電流。這將使公用事業公司能夠更好地評估有多少電力和無功功率從獨立生產商流回電網。它還將使公用事業公司能夠感知非常區域性的干擾，這可以為可能正在醞釀的問題提供更早的警告，從而改進前瞻模擬。並且它將允許公用事業公司為客戶提供按小時計費的價格，包括在可能每天變化的非高峰時段執行電器和機器的激勵措施，從而減少可能破壞電網穩定的需求高峰。與電錶不同，這種數字能源門戶將允許網路智慧來回流動，消費者可以對價格變化做出響應。該門戶是一種工具，用於將電力輸送從商品模式轉變為能源服務的新時代，其多樣性堪比當今充滿活力的電信市場。
電力研究院 (EPRI) 設計智慧電網原型（稱為複雜互動網路/系統倡議）的專案於 1998 年至 2002 年進行，涉及六個大學研究聯盟、兩家電力公司和美國國防部。它啟動了美國能源部、國家科學基金會、國防部和 EPRI 本身隨後正在進行的幾項工作，以開發電網的中央神經系統。總體而言，這項工作表明，只要操作員始終掌握各地發生的詳細知識，電網就可以在接近穩定性極限的情況下執行。操作員將監控系統的變化方式以及天氣如何影響系統，並對如何在負載（需求）和發電之間最好地維持每秒平衡有一個可靠的認識。
例如，EPRI 的 Intelligrid 計劃的一個方面是讓操作員更強地預測大規模不穩定性。當前的 SCADA 系統在評估它們可以檢測到的孤立的系統行為片段時，有 30 秒或更長的延遲——類似於透過看模糊的後視鏡而不是前方清晰的空域來駕駛飛機。在 EPRI，快速模擬和建模專案正在開發比即時更快的、前瞻性模擬，以預測問題——類似於國際象棋大師評估他或她的選項的未來幾步棋。這種電網自我建模或自我意識將透過執行假設分析來避免干擾。它還將幫助電網自我修復——在停電或受到攻擊後適應新條件，就像戰鬥機在受損後重新配置其系統以保持飛行一樣。
誰應該付費
從技術上講，自愈智慧電網不再是遙遠的夢想。然而，找到建造它的資金是另一回事。
電網將是昂貴的，儘管考慮到歷史投資，但並非令人望而卻步。EPRI 估計，在美國整個輸配電系統中進行測試和安裝每年可能需要 130 億美元，持續 10 年——比該行業目前的年度投資高出 65%。其他研究預測，每年 100 億美元，持續十年或更長時間。還需要花錢培訓人工操作員。這些成本聽起來很高，但估計美國所有停電造成的經濟損失每年為 700 億至 1200 億美元。雖然大約每十年發生一次大停電，但在任何一天，美國都有 50 萬客戶停電兩小時或更長時間。
不幸的是，電力公用事業行業的研發資金處於歷史最低水平，是除紙漿和造紙行業外任何主要工業部門中最低的。資金是一個巨大的挑戰，因為公用事業公司必須滿足來自客戶和監管機構的相互競爭的需求，同時還要對他們的利益相關者做出響應，而這些利益相關者往往將投資限制在短期回報上。
必須考慮其他因素：該行業負責應對的恐怖主義威脅級別是什麼？政府應該承擔什麼責任？如果提高費率不受歡迎，那麼公用事業公司將如何籌集資金？改善能源基礎設施需要來自耐心投資者的長期承諾，所有相關的公共和私營部門必須共同努力。
政府可能正在認識到採取行動的必要性。白宮科技政策辦公室和美國國土安全部最近宣佈“自愈基礎設施”是其《國家關鍵基礎設施保護研發計劃》中的三大戰略重點之一。可能非常需要國家層面的監督，因為目前缺乏協調的決策是一個主要障礙。各州的權利和州級公用事業委員會的法規基本上扼殺了任何公用事業公司或公用事業公司集團領導全國性努力的動力。除非能夠在所有州之間建立合作，否則該行業的強制國有化是實現智慧電網的唯一途徑。
關鍵在於國家的重要基礎設施是否能夠繼續可靠和安全地執行。至少，自愈輸電系統將最大限度地減少任何形式的恐怖分子企圖“摧毀”電網的影響。停電可以避免或最大限度地減少，破壞活動可以得到控制，停電時間可以縮短，電力可以更有效地輸送到每個人手中。
如果當 2003 年 8 月俄亥俄州的本地線路發生故障時，自愈智慧電網已經到位，那麼事件的演變可能會非常不同。位於下垂輸電線路一端的故障預測器會檢測到異常訊號，並在線路發生故障前幾個小時重新定向流經和繞過該線路的電力，以隔離干擾。前瞻模擬器會識別出該線路發生故障的機率高於正常水平，而電網和控制中心的自我意識軟體會執行故障場景，以確定理想的糾正響應。操作員會批准並實施建議的更改。如果線路無論如何還是在稍後發生故障，感測器網路將檢測到電壓波動並將其傳達給附近變電站的處理器。處理器會將電力重新路由到電網的其他部分。更廣泛區域的客戶最多隻會看到燈光短暫閃爍。許多人根本不會意識到任何問題。