撰文 馬蘇德?阿明(Massoud Amin)、菲利普.F.舍韋(Phillip F.Schewe) 翻譯 趙學慶

一根輸電線發生斷路，就可能引發連鎖反應，讓一大片地區陷入黑暗。新一代智能電網能夠扭轉這一現狀。它能實時監測電網的運行狀況，及時發現隱患并提出有預防措施。就算故障無法避免，智能電網也能化整為零，切分出若干獨立運轉的子網，把故障電路隔離開來，將大停電事故扼殺在萌芽狀態。

2003年8月14日，原本是個普普通通的夏日，卻讓北美的居民刻骨銘心。那天下午兩點剛過，美國俄亥俄州北部地區的幾條輸電線就因電流負荷過大而下垂，擦到了一些大樹的樹梢，發生了斷路。通常，這種電力故障一旦出現，當地電力企業調度室就會發出報警信號，調度員便與相鄰地區的調度員聯系，重新規劃電力傳輸路線，繞過故障地點。
然而，在那一天，報警軟件也出現了故障，致使當地調度員未能發現這一問題。與故障線路相連的整個電力系統綿延數百英里，為美國俄亥俄州、密歇根州、美國東北部各州以及加拿大安大略省提供大量電力，而系統中的其他調度員對此故障渾然不覺。故障點周圍的輸電線原本已處于滿負荷運行狀態，現在則被迫超負荷運轉。
雪上加霜的是，由于電力企業沒有產生出足夠的“無功功率”(reactive power，電磁場推動電流沿著電線流動的那部分特性)支持突然變化的電流，俄亥俄州超負荷運轉的輸電線在那天下午4:05停止供電。緊接著，一座發電廠也停止發電，破壞了整個電力系統的平衡。越來越多的輸電線和發電廠相繼脫離系統。連鎖反應持續發生，讓使用有著數十年歷史的老舊設備監控北美大部分電網的調度員措手不及。短短8分鐘，美國8個州和加拿大兩個省，總共5，000萬人失去了電力供應。這是北美歷史上發生過的最大的停電事故。

北美洲的這場停電事故只是一個開頭。在隨后的兩個月內，英國、丹麥、瑞典和意大利相繼發生大面積停電。2003年9月，從法國到瑞士、再到意大利的電力輸送功率出現紊亂，導致5，700多萬意大利人陷入黑暗。
除了給生活帶來不便，大面積停電還會造成嚴重的經濟損失。如果不對從發電廠到各級變電站的整套輸電系統進行徹底檢修，問題還將進一步惡化。為了滿足越來越多的空調、電腦和充電設備日益高漲的用電需求，我們還必須架設更多的高壓輸電線。
不過，要解決停電問題，讓電網變得更加智能也許更為重要。目前用于監控電流的設備大部分制造于20世紀70年代。這種控制系統的性能不足以實時跟蹤電網中出現的異常情況，無法搶在故障大規模擴散之前，采取相應措施將故障線路隔離開來。這種電網的每一個節點都必須保持警惕，做好應急準備，并與其他所有節點保持聯系—— 一旦某一節點的監控設備失靈，便會埋下隱患。此外，調度員在中央調度室接收的信息至少要延遲30秒，這使得他們不可能作出快速反應，阻止已經開始發生的大規模停電連鎖反應。如果有一種自動恢復的智能電網，能夠在故障發生初期察覺到異常，并重新分配輸電線路來解決問題，就可以大幅減少大面積停電事故的發生，還能遏止可能由恐怖分子的破壞活動引起的混亂。智能電網還能更有效地輸送電力，在日常運轉中為電力企業和用戶節省數百萬美元。建造這種智能電網的技術目前基本上都已具備，最近的一些示范項目也展現了這種電網的價值。
陳舊的輸電系統
現有電網仍在依靠幾十年前的監控系統。這套系統設備陳舊，反應速度遲緩，而日益增加的負荷已經使電力系統的運行瀕臨崩潰。
現有的輸電系統在停電事故面前不堪一擊，是100年來電力企業努力減少功率損耗的結果。電能是通過導線傳輸的，一部分電能會以熱量的形式損耗掉，而損耗的功率與導線傳輸的電流量成正比。因此，電力企業總是想方設法提高電壓，以減小電流。為了將電能更高效地從發電廠輸送給遠方的用戶，電力企業還建造了越來越長的輸電線路，電壓也變得越來越高。這些高壓輸電線路還允許周邊地區的電力設施連入電網，彼此扶持，在發電供應和用戶需求之間維持一種岌岌可危的平衡。

然而，這樣的互相連接必然帶來某些危險。比如說，某個節點發生故障，就有可能迅速擴散到其他線路。1965年，美國東北地區發生大面積停電事故，促使電力行業創立了北美電力可靠性委員會，來協調各方的行動，共同提高供電系統的可靠性。現在，該委員會已更名為北美電力可靠性協會(NERC)。類似的團體分布在世界各地，比如歐洲的輸電協作聯盟(UCTE)。
那么，為什么美國的電網如此脆弱，導致了2003年那場大面積停電事故的發生呢?一個重要的原因就是，在輸電系統的升級改造方面一直缺乏資金投入。20世紀70年代，燃料價格的迅速上漲和核電站魅力的日益減少，促使美國國會通過立法，意欲引入市場競爭來提高效率。隨之推出的法律使電力行業開始全面變革。電力供應的三大主要任務包括:用大型電廠發電(發電)，用高壓輸電線將電力輸送給變電站(輸電)，再用低壓輸電線將電力分配給終端用戶(配電)。在20世紀90年代變革之前，這三項任務大都由各個地區的電力企業獨力承擔。如今，許多獨立發電廠卻通過其他公司的輸電線路，將電力銷售給或遠或近的客戶。與此同時，在美國聯邦能源監管委員會(FERC)的鼓勵下，許多電力企業也在出售它們的部分子公司，以進一步促進市場競爭。電力傳輸行業已經逐漸變成管制服務和非管制服務的復雜混合體，不同的公司各自掌控著其中的一部分業務。
目前，發電行業基本上已經解除了管制，投資者覺得該行業頗具潛力，值得關注。而輸電系統只有一部分解除管制，因此該行業并不明朗的前景令投資者謹小慎微。(配電系統的管制解除工作仍處在初期階段。)與此同時，盡管接力送電(Wheeling，即通過各地的輸電線路接力將電能送往遠方)早已存在，但20世紀90年代以來，越來越多的電力采用了這種遠程輸送方式。電力企業在幾十年前建造的、供當地使用的輸電線路，至今仍在輸送大量電力。
即便輸電能力得到提升，停電事故仍然無法避免。由于現有的監控技術(即快速監測小規模線路故障或大規模不穩定狀態發生風險的關鍵技術)已經陳舊過時，整個電網都必須重新改造。為了保持穩定可靠的運行狀態，未來的電網不得不像一架戰斗機那樣，大多數時間由自動控制系統操作運行，必要時則可由調度員接管，以阻止事故的發生。
現代戰斗機配備著大量的尖端傳動裝置，因此飛行員必須依靠一個由傳感器和自動控制裝置組成的網絡，才能迅速收集信息并采取相應的行動。幸運的是，能夠像駕駛戰斗機一樣控制電網，實時調整輸電路線，及時關閉發電廠的一整套軟硬件新技術，我們已經掌握了。
可是，改造一個相互聯系得如此廣泛的系統，是一項極為嚴峻的挑戰。大部分發電廠和輸電線都由一個監視控制和數據獲取系統(SCADA)監管。這個系統由一些簡單的傳感器和控制裝置構成，提供了三個極為重要的功能:獲取數據、控制電廠和發出警報。系統還允許中央調度室的調度員執行某些任務，例如斷開或閉合斷路器。SCADA會監控安裝在發電廠、變電站和輸配電線路交叉點的開關、變壓器、可編程邏輯控制器(programmable logic controller)和遠程終端。該系統還會通過通信信道將信息或報警信號反饋給調度人員。
然而，SCADA技術已有40年的歷史，系統中的許多部件速度緩慢，無法應對目前的挑戰，系統也無法對整個電網的各個部分實施足夠的監控。雖然這項技術可使不同電力企業之間的輸電作業得到某種程度的協調，但這一協調過程極其緩慢，很大程度上仍然依靠各公司調度中心調度員之間的電話聯系來實現，遇到意外事故，反應遲緩的弱點就暴露無遺。更麻煩的是，系統中大部分可編程邏輯控制器及遠程終端裝置出現時，整個電力行業的互通性標準尚未出臺，因此相鄰電力企業所用的控制協議往往互不兼容。目前電力系統的運轉方式已經接近20世紀60年代控制系統的安全承受極限。
自動恢復的智能電網
正在研發的智能電網可以實時監控電力系統的運行狀況，在故障發生之前消滅可疑隱患。就算事故不可避免，智能電網也可以隔離故障線路，阻止事故擴散。

相互連接的復雜電網意味著，任何一位調度員或任何一家電力企業，都無法單槍匹馬地解決或隔離一起輸電故障。實時管理一個現代電網，需要使用更多的自動監測裝備，調度員、計算機系統、通訊網絡和數據采集傳感器之間的相互配合也必須更加默契。此外，每家發電廠和變電站的每一個重要部件都必須配備數據采集傳感器。電網的安全運轉還依賴于每個節點之間的多路、大容量雙向通信信道(這在今天還無法實現)，調控中心也必須配備性能強大的計算機設備。整個電網的各個節點還必須安裝智能處理器，它們能夠在發現停電故障苗頭時，對輸電路線自動進行重新配置。
要讓電網像戰斗機一樣運行，首先要對整個系統進行重新設計。目前，非線性動力系統、人工智能、博弈論和軟件工程等方面的研究，已經開發出一套通用理論，專門指導如何設計一些適應不斷變化情況的復雜系統。隨同這一新興學科發展起來的數學和計算技術，正為電網工程技術人員提供一些新的工具。電力行業的一些研究團隊，比如本文作者之一阿明在美國電力研究所(EPRI，位于美國加利福尼亞州帕洛阿爾托市)領導的一個研究小組，已經設計出一些可用于大型區域性電網的復雜自適應系統。好幾家電力企業已經開展了小規模試點，在電網中布置了一些聰明的遠程終端單元和可編程控制器。它們不需要調度員的介入，就能自動對一些故障進行簡單處理。操作人員還可以對它們進行遠程編程。當然這些系統還需要經受大規模試用的考驗。
能夠自動恢復的智能電網可以幫助設計師實現三大目標。首先是實時監測和快速反應。一系列傳感器將監測電壓、電流等電氣參數和重要部件的運行狀況。這些監測數據能夠讓系統不斷進行自我調節，達到最佳的運行狀態。
第二個目標是預測。該系統必須不斷尋找可能引發較大事故的隱患，比如變壓器過熱等。計算機將評估這些隱患及可能帶來的后果，確定若干種補救方案，并模擬每種方案的實施效果，將最有效的解決方案提供給調度人員。調度員則調配電網中的許多自動控制裝置，迅速采取相應的措施。電力行業把這種能力稱為快速超前模擬(look-ahead simulation)。
第三個目標是隔離。一旦故障發生，整個電網就將拆分為若干孤立的“島嶼”，每一部分都必須獨立運作。每座孤島都將盡最大的努力，重新調整發電廠的運轉狀態，重新規劃電力輸送路線。盡管這種調整可能導致電壓波動，甚至造成小范圍的電力中斷，但是卻能避免故障向外擴散的多米諾骨牌效應，防止大面積停電事故的發生。檢修人員修復故障線路之后，調度人員就可以將每座孤島平穩地重新連入整個電網之中。調度員和他們的計算機將構成一種分布式網絡，彼此通過微波、光纖或輸電線本身進行通信。一旦恢復供電，系統便會再次自動調整，優化自身的運行狀態。
要把現有的電力基礎設施改造為能夠自動恢復的智能電網，技術人員必須綜合應用若干種技術。先要在每個開關、斷路器、變壓器和匯流條(bus bar，從發電機中將電流傳輸出來的巨型導體)上安裝一個處理器，還要給每條輸電線配備一個能夠與其他處理器通信聯系的處理器。所有處理器都能通過內置的傳感器，監測各自“轄區”的運行狀況。
一旦設備的每一部件都置于監控之下，目前所使用的數百萬個電磁開關就可以被固體的電力電子電路(power-electronic circuit)取代。不過這種電路本身必須加以改進，以便能夠處理最高超過34.5萬伏的輸電電壓。從模擬設備升級到數字設備，將使整個網絡可以用數字方式加以調控，這是實現實時監測和自動恢復的唯一可行的方式。
要完成徹底改造，為每個家庭和企業供電的小型低壓配電線路也必須實現數字化。關鍵的一步，就是用數字電表替換已經使用了幾十年的電度表(power meter)。數字電表不僅能記錄流進某一建筑物的電流，還能監測從該建筑物流回電網的電流。這將使電力企業能夠很好地評估獨立生產企業反饋回電網的有功功率和無功功率的數量。數字電表還能讓電力企業監測每家每戶的電力波動，可以更早發現風險正在增加的隱患，從而改善超前模擬的效果。此外，它還讓電力企業能夠設置不同的分時電費，鼓勵家庭和企業將高耗電設備或機器安排在非高峰時段運轉，減少可能使電網運行不穩定的電力需求高峰的出現。這種數字電表還能根據用戶對電費定價變化作出的反應，智能化地調整電網中的電力配送路線。它還是一種重要的工具，可以將傳統的電力輸送業務擴展為全新的多元化能源服務業務，使電力輸送行業像今天的電信行業一樣生機勃勃。
從1998年到2002年，美國6所大學的研究機構、兩家電力企業和美國國防部參與實施了EPRI計劃，旨在設計一種名為“創新型復雜交互網絡/系統”的智能電網原型。這項計劃的實施，促使美國能源部、美國國家科學基金會、美國國防部和EPRI本身開展了一系列后續研究工作，試圖為電網開發一個中央神經系統。研究表明，只要調度人員都能對各地正在發生的情況了如指掌，電網就能以接近理想的穩定狀態運行。調度員需要監測系統正在發生的變化情況以及氣候會給系統帶來的影響，還要全面了解如何最好地維持電力負荷與發電量之間瞬息萬變的平衡狀態。
EPRI計劃的目標之一，就是要進一步提高調度員預判大規模電網不穩定性的能力。現有的SCADA系統需要延遲至少30秒，才能評估系統的某一部分是否運轉正常，這就如同依靠一個模糊不清的后視鏡來駕駛一架飛機。在EPRI計劃中，快速模擬及建模項目組正在開發超前模擬系統來預測故障，這比實時監控還要迅速，就像一位大師級棋手提前若干步計算出對手的棋招一樣。電網的這種自建模(self-modeling)能力，可以通過假定推測分析來避免故障的發生。它還有助于電網的自動修復，在停電或突發故障發生之后，迅速適應新的情況，就像戰斗機受損之后立即重組系統繼續飛行一樣。
誰來埋單
從技術上說，能夠自動恢復的智能電網已不是遙不可及的夢想。然而，籌集巨額資金建造智能電網卻是另一回事。
建造智能電網的花費極大，不過投資成本并非空前絕后。EPRI估計，整個美國輸配電系統的測試安裝可能要花10年左右的時間，每年的費用支出高達130億美元，占美國電力行業年投資總額的65%以上。其他一些研究預計，建造智能電網每年需花費100億美元，用時長達10年以上。此外，調度人員的培訓也需要花錢。這個花費看起來很高，但是根據相關機構的估計，停電事故每年給美國帶來的經濟損失就高達700億到1，200億美元——盡管大面積停電事故大約每10年才發生一次，但每天都有50萬美國用戶需要忍受兩小時以上的停電之苦。
令人遺憾的是，電力行業的研發融資正處于歷史上的最低水平，在各大主要工業行業中，僅排在造紙業之前。電力企業必須滿足來自用戶和管理機構的需要，還要對他們的投資者負責，而股東往往著眼于短期回報，因此智能電網的資金籌集是個巨大的挑戰。
此外，一些其他的因素也必須考慮。比如面對恐怖威脅時，電力行業和政府應該各自承擔哪些職責;如果電費不允許漲價，電力企業又該以何種方式籌集資金等等。只有對耐心的投資者作出長期承諾，相關的公營和私營企業聯手協作起來，才能真正改善電力行業的基礎設施。
美國政府也許已經意識到，他們該出面采取行動了。美國白宮科技政策辦公室和國土安全部最近宣布，將“能夠自動恢復的基礎設施”定為美國支持關鍵性基礎設施保護的國家研發計劃的三大戰略目標之一。目前，協調性決策的缺乏已經成為該計劃實施的一個主要障礙，因此國家的統一監管必不可少。美國各州對電力系統的監管規定基本上各自為政，足以扼殺任何一家電力企業推動全國性計劃的努力。除非美國所有的州都能通力合作，否則對電力行業強制實施全國化將是實現智能電網戰略目標的唯一選擇。
關鍵性基礎設施能否繼續安全可靠地運行，已經成為美國社會的一個重大問題。有了能夠自動恢復的輸電系統，起碼能夠將切斷電網這類恐怖行動帶來的影響減至最小。有了智能電網，大面積停電事故將不再發生，電網將擁有承受破壞的能力，斷電次數將明顯減少，電力也將更加高效地輸送給每一個用戶。
如果2003年8月，美國俄亥俄州地區性輸電線發生故障時，能夠自動恢復的智能電網已經安裝到位，接下來的情況就會迥然不同。在那根下垂的輸電線出現故障的幾小時之前，位于輸電線一端的故障預測裝置就會檢測到一些異常信號，進行自我調整，讓電流改道繞過這條輸電線，將這一隱患隔離開來。超前模擬系統將確定該輸電線發生故障的可能性較高，電網沿線和調度中心具有自我建模能力的軟件會預判出事故最終的發展態勢，提出最合理的補救應對措施。調度員將批準并實施這一應變方案。如果最終輸電線的故障無法排除，傳感器網絡便會檢測出電壓波動，并將情況通知附近變電站中的處理器。這些處理器會重新規劃路線，通過電網的其他部分傳輸電力。在這種情況下，普通人最多會看到燈光稍稍閃爍了一下，大部分人根本察覺不到任何異常。