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(fā)生斷路，就可能引發(fā)連鎖反應，讓一大片地區(qū)陷入黑暗。新一代智能電網(wǎng)能夠扭轉這一現(xiàn)狀。它能實時監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)隱患并提出有預防措施。就算故障無法避免，智能電網(wǎng)也能化整為零，切分出若干獨立運轉的子網(wǎng)，把故障電路隔離開來，將大停電事故扼殺在萌芽狀態(tài)。

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(qū)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(fā)生了斷路。通常，這種電力故障一旦出現(xiàn)，當?shù)仉娏ζ髽I(yè)調度室就會發(fā)出報警信號，調度員便與相鄰地區(qū)的調度員聯(lián)系，重新規(guī)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(xiàn)了故障，致使當?shù)卣{度員未能發(fā)現(xiàn)這一問題。與故障線路相連的整個電力系統(tǒng)綿延數(shù)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(tǒng)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(tài)，現(xiàn)在則被迫超負荷運轉。
雪上加霜的是，由于電力企業(yè)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(fā)電廠也停止發(fā)電，破壞了整個電力系統(tǒng)的平衡。越來越多的輸電線和發(fā)電廠相繼脫離系統(tǒng)。連鎖反應持續(xù)發(fā)生，讓使用有著數(shù)十年歷史的老舊設備監(jiān)控北美大部分電網(wǎng)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)電廠到各級變電站的整套輸電系統(tǒng)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(wǎng)變得更加智能也許更為重要。目前用于監(jiān)控電流的設備大部分制造于20世紀70年代。這種控制系統(tǒng)的性能不足以實時跟蹤電網(wǎng)中出現(xiàn)的異常情況，無法搶在故障大規(guī)模擴散之前，采取相應措施將故障線路隔離開來。這種電網(wǎng)的每一個節(jié)點都必須保持警惕，做好應急準備，并與其他所有節(jié)點保持聯(lián)系—— 一旦某一節(jié)點的監(jiān)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(fā)生的大規(guī)模停電連鎖反應。如果有一種自動恢復的智能電網(wǎng)，能夠在故障發(fā)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(fā)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(wǎng)還能更有效地輸送電力，在日常運轉中為電力企業(yè)和用戶節(jié)省數(shù)百萬美元。建造這種智能電網(wǎng)的技術目前基本上都已具備，最近的一些示范項目也展現(xiàn)了這種電網(wǎng)的價值。
陳舊的輸電系統(tǒng)
現(xiàn)有電網(wǎng)仍在依靠幾十年前的監(jiān)控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)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(tǒng)的運行瀕臨崩潰。
現(xiàn)有的輸電系統(tǒng)在停電事故面前不堪一擊，是100年來電力企業(yè)努力減少功率損耗的結果。電能是通過導線傳輸?shù)?，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?shù)碾娏髁砍烧取Ｒ虼?，電力企業(yè)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(fā)電廠輸送給遠方的用戶，電力企業(yè)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(qū)的電力設施連入電網(wǎng)，彼此扶持，在發(fā)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(jié)點發(fā)生故障，就有可能迅速擴散到其他線路。1965年，美國東北地區(qū)發(fā)生大面積停電事故，促使電力行業(yè)創(chuàng)立了北美電力可靠性委員會，來協(xié)調各方的行動，共同提高供電系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)在，該委員會已更名為北美電力可靠性協(xié)會(NERC)。類似的團體分布在世界各地，比如歐洲的輸電協(xié)作聯(lián)盟(UCTE)。
那么，為什么美國的電網(wǎng)如此脆弱，導致了2003年那場大面積停電事故的發(fā)生呢?一個重要的原因就是，在輸電系統(tǒng)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(yè)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(fā)電(發(fā)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(qū)的電力企業(yè)獨力承擔。如今，許多獨立發(fā)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(lián)邦能源監(jiān)管委員會(FERC)的鼓勵下，許多電力企業(yè)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(yè)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(yè)務。
目前，發(fā)電行業(yè)基本上已經解除了管制，投資者覺得該行業(yè)頗具潛力，值得關注。而輸電系統(tǒng)只有一部分解除管制，因此該行業(yè)并不明朗的前景令投資者謹小慎微。(配電系統(tǒng)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(yè)在幾十年前建造的、供當?shù)厥褂玫妮旊娋€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(xiàn)有的監(jiān)控技術(即快速監(jiān)測小規(guī)模線路故障或大規(guī)模不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生風險的關鍵技術)已經陳舊過時，整個電網(wǎng)都必須重新改造。為了保持穩(wěn)定可靠的運行狀態(tài)，未來的電網(wǎng)不得不像一架戰(zhàn)斗機那樣，大多數(shù)時間由自動控制系統(tǒng)操作運行，必要時則可由調度員接管，以阻止事故的發(fā)生。
現(xiàn)代戰(zhàn)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(wǎng)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(zhàn)斗機一樣控制電網(wǎng)，實時調整輸電路線，及時關閉發(fā)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(lián)系得如此廣泛的系統(tǒng)，是一項極為嚴峻的挑戰(zhàn)。大部分發(fā)電廠和輸電線都由一個監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(SCADA)監(jiān)管。這個系統(tǒng)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(shù)據(jù)、控制電廠和發(fā)出警報。系統(tǒng)還允許中央調度室的調度員執(zhí)行某些任務，例如斷開或閉合斷路器。SCADA會監(jiān)控安裝在發(fā)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(tǒng)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(tǒng)中的許多部件速度緩慢，無法應對目前的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)也無法對整個電網(wǎng)的各個部分實施足夠的監(jiān)控。雖然這項技術可使不同電力企業(yè)之間的輸電作業(yè)得到某種程度的協(xié)調，但這一協(xié)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(lián)系來實現(xiàn)，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(tǒng)中大部分可編程邏輯控制器及遠程終端裝置出現(xiàn)時，整個電力行業(yè)的互通性標準尚未出臺，因此相鄰電力企業(yè)所用的控制協(xié)議往往互不兼容。目前電力系統(tǒng)的運轉方式已經接近20世紀60年代控制系統(tǒng)的安全承受極限。
自動恢復的智能電網(wǎng)
正在研發(fā)的智能電網(wǎng)可以實時監(jiān)控電力系統(tǒng)的運行狀況，在故障發(fā)生之前消滅可疑隱患。就算事故不可避免，智能電網(wǎng)也可以隔離故障線路，阻止事故擴散。

相互連接的復雜電網(wǎng)意味著，任何一位調度員或任何一家電力企業(yè)，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(xiàn)代電網(wǎng)，需要使用更多的自動監(jiān)測裝備，調度員、計算機系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集傳感器之間的相互配合也必須更加默契。此外，每家發(fā)電廠和變電站的每一個重要部件都必須配備數(shù)據(jù)采集傳感器。電網(wǎng)的安全運轉還依賴于每個節(jié)點之間的多路、大容量雙向通信信道(這在今天還無法實現(xiàn))，調控中心也必須配備性能強大的計算機設備。整個電網(wǎng)的各個節(jié)點還必須安裝智能處理器，它們能夠在發(fā)現(xiàn)停電故障苗頭時，對輸電路線自動進行重新配置。
要讓電網(wǎng)像戰(zhàn)斗機一樣運行，首先要對整個系統(tǒng)進行重新設計。目前，非線性動力系統(tǒng)、人工智能、博弈論和軟件工程等方面的研究，已經開發(fā)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(tǒng)。隨同這一新興學科發(fā)展起來的數(shù)學和計算技術，正為電網(wǎng)工程技術人員提供一些新的工具。電力行業(yè)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(qū)域性電網(wǎng)的復雜自適應系統(tǒng)。好幾家電力企業(yè)已經開展了小規(guī)模試點，在電網(wǎng)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(tǒng)還需要經受大規(guī)模試用的考驗。
能夠自動恢復的智能電網(wǎng)可以幫助設計師實現(xiàn)三大目標。首先是實時監(jiān)測和快速反應。一系列傳感器將監(jiān)測電壓、電流等電氣參數(shù)和重要部件的運行狀況。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠讓系統(tǒng)不斷進行自我調節(jié)，達到最佳的運行狀態(tài)。
第二個目標是預測。該系統(tǒng)必須不斷尋找可能引發(fā)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(wǎng)中的許多自動控制裝置，迅速采取相應的措施。電力行業(yè)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(fā)生，整個電網(wǎng)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(fā)電廠的運轉狀態(tài)，重新規(guī)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(fā)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(wěn)地重新連入整個電網(wǎng)之中。調度員和他們的計算機將構成一種分布式網(wǎng)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(tǒng)便會再次自動調整，優(yōu)化自身的運行狀態(tài)。
要把現(xiàn)有的電力基礎設施改造為能夠自動恢復的智能電網(wǎng)，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(fā)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(lián)系的處理器。所有處理器都能通過內置的傳感器，監(jiān)測各自“轄區(qū)”的運行狀況。
一旦設備的每一部件都置于監(jiān)控之下，目前所使用的數(shù)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(shù)字設備，將使整個網(wǎng)絡可以用數(shù)字方式加以調控，這是實現(xiàn)實時監(jiān)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(yè)供電的小型低壓配電線路也必須實現(xiàn)數(shù)字化。關鍵的一步，就是用數(shù)字電表替換已經使用了幾十年的電度表(power meter)。數(shù)字電表不僅能記錄流進某一建筑物的電流，還能監(jiān)測從該建筑物流回電網(wǎng)的電流。這將使電力企業(yè)能夠很好地評估獨立生產企業(yè)反饋回電網(wǎng)的有功功率和無功功率的數(shù)量。數(shù)字電表還能讓電力企業(yè)監(jiān)測每家每戶的電力波動，可以更早發(fā)現(xiàn)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(yè)能夠設置不同的分時電費，鼓勵家庭和企業(yè)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(wǎng)運行不穩(wěn)定的電力需求高峰的出現(xiàn)。這種數(shù)字電表還能根據(jù)用戶對電費定價變化作出的反應，智能化地調整電網(wǎng)中的電力配送路線。它還是一種重要的工具，可以將傳統(tǒng)的電力輸送業(yè)務擴展為全新的多元化能源服務業(yè)務，使電力輸送行業(yè)像今天的電信行業(yè)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(yè)和美國國防部參與實施了EPRI計劃，旨在設計一種名為“創(chuàng)新型復雜交互網(wǎng)絡/系統(tǒng)”的智能電網(wǎng)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(xù)研究工作，試圖為電網(wǎng)開發(fā)一個中央神經系統(tǒng)。研究表明，只要調度人員都能對各地正在發(fā)生的情況了如指掌，電網(wǎng)就能以接近理想的穩(wěn)定狀態(tài)運行。調度員需要監(jiān)測系統(tǒng)正在發(fā)生的變化情況以及氣候會給系統(tǒng)帶來的影響，還要全面了解如何最好地維持電力負荷與發(fā)電量之間瞬息萬變的平衡狀態(tài)。
EPRI計劃的目標之一，就是要進一步提高調度員預判大規(guī)模電網(wǎng)不穩(wěn)定性的能力?，F(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)需要延遲至少30秒，才能評估系統(tǒng)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(fā)超前模擬系統(tǒng)來預測故障，這比實時監(jiān)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(wǎng)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(fā)生。它還有助于電網(wǎng)的自動修復，在停電或突發(fā)故障發(fā)生之后，迅速適應新的情況，就像戰(zhàn)斗機受損之后立即重組系統(tǒng)繼續(xù)飛行一樣。
誰來埋單
從技術上說，能夠自動恢復的智能電網(wǎng)已不是遙不可及的夢想。然而，籌集巨額資金建造智能電網(wǎng)卻是另一回事。
建造智能電網(wǎng)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(tǒng)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(yè)年投資總額的65%以上。其他一些研究預計，建造智能電網(wǎng)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(jù)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(fā)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(yè)的研發(fā)融資正處于歷史上的最低水平，在各大主要工業(yè)行業(yè)中，僅排在造紙業(yè)之前。電力企業(yè)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(wǎng)的資金籌集是個巨大的挑戰(zhàn)。
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(yè)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(yè)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(yè)聯(lián)手協(xié)作起來，才能真正改善電力行業(yè)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(fā)計劃的三大戰(zhàn)略目標之一。目前，協(xié)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(tǒng)一監(jiān)管必不可少。美國各州對電力系統(tǒng)的監(jiān)管規(guī)定基本上各自為政，足以扼殺任何一家電力企業(yè)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(yè)強制實施全國化將是實現(xiàn)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略目標的唯一選擇。
關鍵性基礎設施能否繼續(xù)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(tǒng)，起碼能夠將切斷電網(wǎng)這類恐怖行動帶來的影響減至最小。有了智能電網(wǎng)，大面積停電事故將不再發(fā)生，電網(wǎng)將擁有承受破壞的能力，斷電次數(shù)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(qū)性輸電線發(fā)生故障時，能夠自動恢復的智能電網(wǎng)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(xiàn)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(tǒng)將確定該輸電線發(fā)生故障的可能性較高，電網(wǎng)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(fā)展態(tài)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(wǎng)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(guī)劃路線，通過電網(wǎng)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。