避免世纪大停电

在2011年9月一个炎热的星期四下午，一名技术人员在亚利桑那州尤马附近的一个电气开关站重新配置电路时，过早地打开了一个手动开关。这个微小的失误导致西南电力连接短路——这是该地区主要的电气动脉，也是整个西部电网的关键组成部分——并引发了北美有史以来最大的停电之一。

随着电流在网络中寻找新的路径，其他线路过载，导致更多设备下线。亚利桑那州西部、南加州和墨西哥下加利福尼亚州的发电厂、变压器和输电线路自动关闭以保护自身。高潮发生在下午3点38分，当时向圣地亚哥供电的五条线路同时关闭，从而决定了该地区的电力命运。700万人瞬间断电。

在12个小时内，西南大片地区断电。由于电子交易和收银机失灵，商业停滞。没有信号灯引导交通，街道堵塞。食物变质。数百万加仑的未经处理的污水溢出，污染了沿海河口和海滩。医院、911呼叫中心和其他应急人员在有限的备用电力下努力满足需求。

总而言之，仅圣地亚哥的经济损失就至少达到1亿美元。但大停电的价格标签可能更高。“当纽约发生停电时，会有人死亡，每天的成本大约是60亿到100亿美元，”纽约独立系统运营商首席执行官斯蒂芬·惠特利在2015年的一次会议上说。（NYISO管理着该州的电网。）在如此高的风险下，该行业高度重视可靠性。

理论上，自发性停电永远不应该发生。根据设计和操作电网的基本规则，系统应始终拥有足够的备用容量来承受任何单个元件的损失，即使是像西南电力连接这样大的元件。电网运营商创建电网的计算机模拟，并系统地重新运行模型，依次移除每个元件，并确认流量稳定。

以这种方式操作电网，相当于后备箱里备着备胎开车。然而，大停电却不断发生。它们是一个难以解决的难题，因为电网（通常被称为世界上最大的机器）是极其复杂的系统。大停电通常是多个组件出现故障的结果。

在2011年西南大停电的人为错误之后，系统中的许多元件并未按照电网运营商的模型运行。加州帝国谷的变压器超载速度超出预期，一个自动化方案关闭了通往圣地亚哥的五条线路，尽管这些线路都没有立即过热的风险。

预测像西南大停电这样有六个或更多组件发生故障的事件，在计算上根本不可能。“你说的运行模型的时间比宇宙的年龄还要长，”爱荷华州立大学电力工程教授兼停电专家伊恩·多布森说。因此，很难理解电网面临的风险。如果没有能力模拟最大的停电，电网运营商就无法预见哪些条件——人类和组件故障的哪些组合——最有可能导致停电。

经过20年试图突破这一计算障碍，多布森和两位物理学家本·卡雷拉斯（Ben Carreras）和大卫·纽曼（David Newman）找到了解决方案。三人从其他复杂系统的行为中汲取灵感，创建了一个新颖的模拟器，可以模拟电网可能经历的最大停电。

专家表示，将此类工具投入使用刻不容缓。三人组的见解表明，电网容易遭受比我们以前见过的更大规模的停电。而且，随着气候变化带来的更恶劣天气、日益增长的恐怖主义担忧以及可再生能源不稳定的电力输出，老化的电网面临着新的挑战，潜在的触发因素正在增加。“行业需要这些工具，我们需要尽快提供它们，”美国能源部太平洋西北国家实验室的停电研究员尤里·马卡罗夫说。

多布森、卡雷拉斯和纽曼只需要说服电力行业听取这一警告。

临界点

这三人组对大停电成因的探索源于两位物理学家在美国能源部田纳西州橡树岭国家实验室进行的核聚变能源研究。纽曼在青少年时期作为科罗拉多州的漂流向导，对湍流产生了浓厚兴趣，于1993年抵达橡树岭，探索另一种湍流：实验性核聚变反应堆内聚变氢原子的等离子体。这位认真、刚获得博士学位的年轻人与等离子体物理学家卡雷拉斯搭档，卡雷拉斯是一位口才犀利的西班牙人，也是该实验室最杰出的科学家之一。

纽曼和卡雷拉斯是一对奇特的搭档，但却很有效率。他们着手理解科学家在引发和试图遏制核聚变（为恒星提供燃料的过程）时出现的意外不稳定性。他们建立了一个数学模型，表明聚变等离子体中的湍流，与普遍的观点相反，与纽曼年轻时咆哮的河流几乎没有相似之处。

湍急的河流是根据溪流内的局部条件而翻腾的，而他们两人则表明，核聚变反应堆中过热等离子体中的湍流更多地与系统中能量的总量有关。当总热量超过一个临界点后，崩溃的可能性呈指数增长。用系统理论的术语来说，这是一个经典的复杂系统，具有“自组织临界点”——这是理论物理学家佩尔·巴克在20世纪80年代阐述的一个概念。它描述了当沙粒上的应变过大时，不断增长的沙堆如何以雪崩的形式坍塌。当沙堆中有一定量的沙子时，坍塌的可能性就迫在眉睫。

到20世纪90年代中期，科学家们在从森林火灾到地震等各种自然系统中发现了相似的增长和崩溃模式。纽曼和卡雷拉斯发现，同样的理论解释了为什么迄今为止等离子体在核聚变反应堆测试中持续时间不超过几秒钟。这项工作为纽曼赢得了总统早期职业奖——授予年轻科学家的最高联邦荣誉。

1995年，纽曼看到一篇关于停电的新闻报道，并想知道这种“临界点”理论是否也适用于大规模停电——以及它是否能帮助预防停电。卡雷拉斯渴望解决新问题，建议他们请一位电网专家。他们找到了多布森，多布森因运用高等数学揭示电压骤降与停电之间不为人知的关系，赢得了创新电力系统工程师的声誉。三人首先查看了大规模停电的历史记录，看他们是否能检测到临界点的独特印记。他们挖掘了北美停电数据库，并按规模进行绘制。如果大规模停电只是许多小故障随机、不幸的巧合，正如电网规划者和运营商所认为的那样，那么一次大的电网崩溃只会大约每千年发生一次，呈现为钟形曲线的细长尾部。相反，图表向右凸出，显示停电发生的频率是数百倍。

对于这三人来说，这强烈暗示停电确实是电网版的沙堆雪崩。“这就像那里存在一条物理定律，”卡雷拉斯说。

不断发展的电网

2000年1月，卡雷拉斯、多布森和纽曼在夏威夷国际系统科学大会（HICSS）上报告了大规模停电的过剩现象，HICSS是系统科学家最大、历史最悠久的年度聚会之一。他们推测，当电网中的电力流量超过某个阈值时，停电风险可能会飙升，这是系统理论中熟悉的临界点。但究竟是什么将电网推向了临界点？他们知道电力消耗正在上升，而财务压力限制了新线路的建设。这些影响能否结合起来，给电网的输电线路带来额外的压力，足以达到一个临界点？

为了验证这一理论，三人意识到他们必须重新思考电网模拟。由于电网的复杂性，现有模拟器无法直接模拟大型停电。但是，如果他们能创建一个更简单的模拟器，可以像巴克不断增长的沙堆一样，随着时间的推移电力水平的增加而被启动和观察呢？

在橡树岭一位才华横溢的计算科学家维姬·林奇的帮助下，他们设计了一个电网模拟器，该模拟器省略了传统电网模拟器所代表的许多物理细微之处，并将其应用于一个比美国西部电网小百分之一的人工电网。模拟器的每次运行都代表了一个模拟电网的一天生活，并且每天，其任何组件都可能随机发生故障。模拟器记录由此导致的任何停电情况。然后，它在下一次运行之前进行演变，加强受影响的线路以应对未来运行中的额外电力。“它从设计上来说就是最简单的电力系统模型，”多布森说。

但它奏效了。大停电的典型模式在那里。在他们的人工电网中，就像在档案中一样，停电看起来像不断增长的沙堆或核聚变反应堆：复杂系统。正如预期的那样，当模拟电流流量超过临界阈值时，大停电激增。2001年1月，三人组再次回到HICSS，展示他们的模拟结果。

百年大停电

电网模拟完全改变了人们对大停电的看法，并为电网设计和运行提出了引人深思的新问题。最令人不安的推论来自佛蒙特大学电网研究员保罗·海因斯。他遵循三人组的逻辑，得出结论，比我们以前见过的任何一次停电都大的停电很可能会在未来发生。

海因斯利用城市规划师和保险公司用于根据先前的模式预测地震和百年一遇洪水等灾害的相同统计工具，预测了一场百年一遇的停电，将导致186,000兆瓦的电力中断。这比2011年西南大停电大了23倍多，是北美最大电力故障——2003年8月东北大停电（导致5000万人断电）的两倍多。

三人组阐述了一个同样令人不安的停电预防教训：传统的停电预防措施（包括试图阻止最小的故障）实际上可能会增加发生大停电的可能性。在调整模拟器设置以减少随机线路故障的可能性后，人工电网经历了更多的大停电。保护电网免受小停电的影响，使其能够以越来越高的功率水平运行，最终导致电网发生重大崩溃。

这看起来可能与直觉相悖，但它与系统研究一致，后者表明仅仅预防故障实际上会增加系统崩溃的可能性。考虑森林火灾：研究（和历史）表明，抑制小型森林火灾会使火绒堆积，为大型、真正具有毁灭性的火灾埋下伏笔。三人组的模拟表明，电网也容易受到这种悖论的影响。

一个不便的观点

2003年的东北大停电，对这个三人组来说，发生在了一个绝佳的时机，使他们的理论一举成为媒体焦点。各大报纸和新闻广播纷纷向他们求助，以解释电网为何可能自发崩溃。《自然》杂志上的一篇文章简洁地捕捉了他们的信息：“电网本质上容易发生大规模停电……试图使其更坚固反而会使问题恶化。”

这种认为预防故障可能会在不知不觉中加速大规模停电的观点，在电力公司和工程师中极不受欢迎，他们在电网信任危机中努力安抚紧张的公众。卡雷拉斯认为这场争议使三人组的研究陷入危机；他说，2003年秋天，橡树岭国家实验室主任告诉他，华盛顿的官员对三人组的信息感到非常愤怒。卡雷拉斯怀疑这就是美国能源部的研究资金很快枯竭的原因。“我们被切断了，”他说。

他们找到了新的资助，但过程很艰难。审查电网研究提案的电气工程师质疑三人组的简化、低分辨率电力模型，并对他们的跨学科努力持悲观态度。纽曼回忆道，拨款审查中常见的一句抱怨是：“一个物理学家，尤其是一个在不知名学校的物理学家，能对电网了解多少？”

极端事件

几年后，最终让这三人组走出困境的是加州加速的能源革命。2002年，该州强制要求公用事业公司使用越来越多的风能和太阳能等可再生能源。公用事业高管和州能源专家担心，这些更清洁但更不可预测的能源将增加停电风险，为了保持电力供应，他们愿意尝试非传统的想法，包括这三人组的想法。

默温·布朗（Merwin Brown）——他的加州能源与环境研究所电网研发项目在2009年至2011年资助了三人组的工作——将其描述为研究领域的“孤注一掷”。“人们一直说，你真的无法分析这些级联停电，因为它计算量太大了，”布朗说。“我的团队认为研究项目应该有一些长期、高风险、高回报的努力。我们说，‘让我们验证这个假设。’”

2006年，布朗邀请多布森协助制定该项目。由此产生的116万美元的“极端事件”倡议将检验三人组的方法，并与当时最先进的电网模拟器进行对比，该模拟器由太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家操作，旨在预测大规模停电的发生地点和频率。

他们首次有机会将模拟器应用于真实的电网：强大的西部互联电网，这是美国三大主电网之一，从墨西哥延伸到不列颠哥伦比亚，向东延伸到落基山脉。袭击加州的停电可以在西部互联电网的任何地方开始，并在没有政治障碍的情况下传播开来。

布朗希望三人组和PNNL团队能很好地合作，但蜜月期很短暂。布朗回忆说，PNNL团队的一些成员带着三人组在拨款评审中遇到的同样批判性观点到来，认为三人组的方法不可信。项目2009年启动时的交流异常激烈，有人担心可能会发生肢体冲突。纽曼回忆说那是一个新低谷：“我在其他领域也有疯狂的同事，但我以前从未见过那样的情况。”

然而，该项目作为两项独立工作向前推进，三人组在2011年3月报告的结果证实了他们的方法是正确的。他们的模拟器产生的停电模式与西部电网的停电记录非常吻合。相比之下，多布森和他的一个学生计算得出，他们的对手强大但不进化的模拟器低估了大型停电的发生频率大约10倍。（PNNL团队没有提供其对停电频率的比较分析。）

这些模拟还验证了功率水平与风险之间的关联：当模拟功率流超过电网容量限制约50%的临界点时，最大规模停电的概率急剧上升。

同年晚些时候，西南地区停电袭击西部电网，带来了更多现实世界的验证。在《极端事件》最终报告中，三人组预测了西部互联电网内的脆弱区域——在他们的模拟中，有八个区域反复发生大规模停电。他们确定的八个脆弱电网片段之一就是圣地亚哥以北的五条线路，它们的关闭将决定该地区的命运。“这非常令人惊叹，”纽曼说，“实际停电发生在九月。我们的预测是在二月。”

智能与安全

在加州的验证帮助三人组及其停电方法赢得了电力工程界的尊重。他们的思想激励研究人员利用模拟来寻找从斯堪的纳维亚半岛到新西兰再到中国的电网上大规模停电的标志性过剩现象。但是，基于三人组的基本结论——即大规模停电是可预测的，并且以较低功率运行电网将指数级减少其发生率——来改变电网运行才刚刚开始。

大多数电力系统分析仍在使用无法预测最大停电的模拟器。但如今，电力系统运营商更公开地讨论电力水平与风险之间的关系。纽约独立系统运营商首席执行官惠特利在2015年HICSS会议上告诉与会者，纽约的系统运营商已经开发出一种新的电力削减程序，以在电力消耗特别高时降低风险。

在所谓的“雷暴警报”下，额外的发电机组被开启，以减少流经该州输电线路的长距离电力。惠特利表示，考虑到停电会造成更高的成本，额外的成本是合理的：“如果你不得不让几台燃气轮机运行几个小时，谁会在乎呢！”他告诉与会的系统科学家。

三人组的下一步是完善工具，为像惠特利这样的电网运营商提供何时以及如何采取行动以降低停电风险的建议。米洛拉德·帕皮奇（Milorad Papic）是一位高级电网规划师，负责一项关于停电分析的工程学会倡议，他说，鉴于电网正在进行重新设计，现在正是时候。

帕皮奇指出，电力系统正在采用所谓的智能电网技术，例如先进的电力传感器和自动化开关，这可能会对可靠性产生意想不到的影响。例如，先进的传感器提供了前所未有的实时电力流量信息，电网运营商正在利用这些信息来监控系统稳定性。惠特利的团队正在利用这些传感器的稳定性警报来指导其雷暴警报的使用。但这种实时智能也可能诱使电网运营商允许更多的电力流过现有输电线路。

“你正越来越接近极限，过载会传播得更快，产生更多问题，”帕皮奇说。如果不仔细研究，一个更智能的电网实际上可能会变得不那么安全。

也许这是不可避免的——基于三人组自身的研究——他们的见解在下一次灾难性停电发生之前将得不到重视。如果他们是正确的，我们应该不必等待太久：下一次大停电总是近在咫尺。