假如黑暗再次来袭 美2003年大断电十年回眸
2013年08月21日
作者：张章
来源：中国科学报
假如黑暗再次来袭 美2003年大断电十年回眸
10年前，在东北部地区数千万民众经历了一次史无前例的大规模断电后，美国的电力系统进行了一系列改造，但问题依然存在。
图片来源：MIKE ALBANS/NY DAILY NEWS ARCHIVE/GETTY IMAGES
2003年8月14日，至少5000万美国居民无法在家使用制冷设备、冷藏食品、照明、使用计算机、通勤，以及享受现代社会其他无数必须使用电力的必需品。俄亥俄州一条输电线路的损坏引发了一系列级联事件，造成了北美历史上最大规模的全面停电，使得东北部地区瘫痪了2天，波及美国8个州和加拿大安大略省大部。
灾难发生后的第一年，美国—加拿大电力系统中断任务小组举行了会议，以找出事件的诱因。
在大停电10周年之际，《科学美国人》杂志采访了电气工程师Jeff Dagle，希望了解现在人们知道了哪些当初不知道的事情，以及相似的灾祸是否还会发生。Dagle是该任务小组成员之一、美国西北太平洋国家实验室电网恢复专家。
2003年8月14日到底发生了什么？
电灯自动熄灭，波及5000万居民，估计经济影响100亿美元。它开始自8月14日下午3时5分，俄亥俄州北部的一条电线倾翻。这条电线的实际输电量低于其输电能力，原本不会出现问题，但是电线下方的树木离电线太近。通电的铝悬浮在电线里，它依靠空气提供绝缘。如果有东西离得太近，将会形成电弧和短路。
因此，俄亥俄州北部损失了345千伏特输入电。通常输电网会被设计成有足够的恢复力，失去单一线路不会产生任何影响。但是，那一天，控制中心的软件也出现了问题。拥有那条线路的第一能源公司按理应该采取预防措施，但他们甚至不知道这条线路出现了故障。
30分钟后，一条邻近的电线也因为相同的原因发生故障。就像任何重负荷转移的线路一样，电流的热量加热了金属，使其膨胀。线路下垂，更接近下方的物体。又过了15分钟，第三条线瘫痪了。
此时此刻，电能仍在试着流动。因此，事件进程加速。当天下午4时，事件范围超出俄亥俄州北部。它使得亚克朗市和克利夫兰市全面停电，之后波及到底特律，再到伊利湖附近。然后范围进一步扩展，最终影响了数千万人。
树是主要的问题吗？
另一个根本原因是，态势感知的缺失，这要比仅仅软件故障更深一层。调查委员会十分好奇，为何指挥中心没有把线索放在一起。事实上，直到控制室的灯熄灭以后，他们才知道电网出现了问题。
他们接到许多电话，并且行动也显示出现了问题，但是他们无法理解其中的关联。他们使系统故障在一个小时里持续扩展。
还有其他的问题吗？
还有就是由可靠性协调者组成的公用事业之上的组织层。那是从1996年西海岸断电事故中学到的教训。你需要一个组织来审查所有的公用事业。在这一事件中，涉及两个大的公用事业机构——第一能源公司和美国电力公司，以及两个电力系统可靠性协调者——中西部独立系统运营商（MISO）和宾夕法尼亚州、新泽西、马里兰州电力库。MISO出现了软件故障，阻碍了他们的计算机工具评估系统的总体风险。
第四个主要原因是，对系统的了解不充分。上世纪80年代，有研究预测了这样的停电。预测显示，如果像8月14日那样，电流从南向北，电压低于某一数值时，将失去主要线路，然后引发一连串事件，影响伊利湖和新英格兰地区。因此，该报告建议电压不应低于某一数值，但在一些主要站点的电压仍然较低。
为什么他们在低电压下进行操作？
当我们向第一能源公司询问该问题时，他们的回答是：“什么研究？”随着时光流逝和合并收购，该研究报告已经流失。现在人们并未意识到该系统的这一局限性。
紧随大停电后，对输电网进行了什么大范围修理？
最有意义的事情是可靠的有效性要求和植被管理新标准。技术方面我们也取得了很大进展。我记得最近参观一间控制室时，负责运营工作的高级副总裁展示了他们的电力系统数字显示投影墙。公用事业机构投入大量的钱装修了控制室。他们看到了缺乏态势感知的教训。
还有一个我亲自参与的技术，名为同步相量。它能更好地测量输电网，以便真正了解发生了什么。装备有全球定位系统，该技术能将整个系统的时间精确到微秒级。相关测量结果将给予人们有关输电网压力的直接指示。
但是，输电网自身没有大的变化吗？
2009年的《美国复苏与再投资法案》为智能输电网技术提供了一些拨款。但是对于输电网自身而言，没有太多变化。在输电网操作上也没有发生根本性变化。仍然有输电线和变压器，以及中枢发生器（发电厂）。在传输水平上，这与我们10年前的技术相当类似。
是输电网变得太大难以管理，还是建一个更大的输电网？
输电网越大，越可靠。想一想2003年大断电是如何发展的。东部的输电网有80万兆瓦的峰值，但是它只有6万兆瓦被打破。它只是输电网的一小部分。方法是划分输电网。
我们建设一个穿越北美洲的统一输电网会使系统更加安全吗？而这将面临基础设施附加补偿的经济学问题。我们需要在达科他州和怀俄明州扩建风力发电，继续连接东西部电网，建设传送装置从而传输风力发电到城市中吗？或许有一天连接东西部电网有意义，但是没有强迫性理由马上建设一束输电线路，因为成本效益不在这里。
但是像人们屋顶上的太阳能电池板那样的分布式发电，似乎对此类集中电网概念提出了挑战？
这种基础设施本身就是非常复杂的机器。并且我们整合了许多变量生成情况，例如风能和太阳能。我们也更关注天然气，这是因为它的价格和煤炭发电厂的退役。还有许多新形式的负荷我们之前没有见到过，例如电动汽车在夜间充电等。我们将面临更多的变化，并且我们已经看到其中一些。变化带来了风险。
如果光伏电价下跌，没有人从公共事业公司购买电能，转而仅仅自己进行生产——我们是否正处在这样一些重大转变的开端呢？那时，电网将看起来像什么呢？
就我个人而言，我相信我们需要一个有能力储蓄资源的大型输电网络。我不认为应该对其放任，但是该模型将面临一些商业上的挑战。公用事业公司操作的系统持续做这些也将面临一些基本挑战。从调节者到顾客再到供应商，应该采取各种努力，解决问题。
大停电何时再发生？
这些停电事故有一定的周期性。一定的时间过去后，人们可能会忘记，并变得更自满。在2003年前，1996年8月也曾发生西海岸断电事故。2011年圣地亚哥（亚利桑那州—加利福尼亚州）也发生了停电。
我不能说我们不会再遭遇另一次大规模停电。我们致力于发展技术，将这种断电风险降低到最小化。目标是增加可靠性。我只希望能将正确的技术落实到位，尽量降低影响。（张章）
《中国科学报》 (2013-08-21 第3版 国际)