Maggie Koerth-Baker是《停电前：在能源危机吞噬我们之前征服它》的作者。她也是
BoingBoing.net的科学编辑，本文最初发表于此。
一切始于一些小小的失误。2003年8月14日下午12点15分左右，一个帮助监测美国中西部电网运行状况的软件程序，在收到错误输入数据后自行关闭。问题很快得到修复。但没人重新开启这个程序。一个多小时后，俄亥俄州一家发电厂的六台燃煤发电机中的一台关闭了。又过了一个小时，美国最大的电力集团之一控制室里的警报和监控系统失灵了。它也处于关闭状态。这三件不相关的事情——两个故障的监控程序和一次发电机故障——本身并不算灾难性的。但它们最终会引发历史上最广泛的停电事件之一。到下午4点15分，256个发电厂离线，导致美国八个州和加拿大5500万人陷入黑暗。2003年的东北大停电
最终给我们造成了40亿至100亿美元的损失。这是“十亿”，后面跟个“B”。但这不仅仅是运气不好。2003年停电的真正原因是可修复的问题，好消息是，从那以后，我们在解决这些问题方面取得了巨大进步。坏消息是，一些电网专家表示，我们仍然没有很好地为未来的基础设施做好准备。让我们先澄清一点：北美电网离像本周印度那样的灾难性故障只有一天之遥。我听到很多人对此猜测，但熟悉电网的人说，虽然如此大规模的停电理论上是可能的，但实际上极其罕见。正如电力研究学会的研究员Clark Gellings所说：“工程师永远不会说‘绝不’，但你绝对不应该认为存在那种规模的迫在眉睫的威胁。请记住，本周的停电事件影响了印度一半的电力用户。即使是2003年的停电——北美历史上最大规模的停电——也只影响了大约15%的美国人。我们还不知道印度停电的确切原因，但他们的电网和我们的电网存在几个关键差异。Gellings告诉我，印度的电力与用户之间的联系很弱。大部分发电厂位于北部，而大部分人口位于南部。连接两者的输电线路既不坚固也不多。这不是我们在北美面临的问题。同样，印度的电力需求也远大于供应。太平洋西北国家实验室先进能源与系统研究小组的工程师Jeff Dagle说，即使在好日子里，也无法满足所有人的电力需求。“他们正在竭尽全力地 pushing 他们的系统，”他说。“如果他们出现问题，就没有多少缓冲空间来吸收。我们的系统有规定，不允许我们日常使用备用电力。所以我们有备用电力用于紧急情况。”这并不意味着北美电网是完美无缺的，甚至不是理想的系统。当今的电网是演变而来的，不是由任何人设计的。地球上所有的电网都有缺陷，但它们的缺陷方式各不相同。所以我们可以讨论北美电网的严重问题——但这并不意味着你应该囤积家用发电机和罐装豌豆，为应对类似印度的事件做准备。规模不同，问题也不同。所有的小事 那么，2003年的停电是怎么回事呢？有几个关键问题，但至少有一个可能会让你惊讶。First Energy，这家拥有故障发电机和失灵警报系统的公司，一直在疏忽修剪其输电线路附近的树木。这是一个惊人地简单、低技术的问题——为什么它会如此重要？我喜欢说，电网就像游乐场里的漂流河。它不是一条线，而是一个循环：发电厂连接到客户，再回到发电厂。就像漂流河一样，它必须在特定参数内运行。电力必须以恒定的速度（类似于工程师所说的频率）流动，并且必须以恒定的深度（类似于电压）流动。为了维持这种恒定的速度和深度，你必须在任何时候，在任何地方，几乎完美地平衡供应和需求。因此，当一台发电机发生故障时，它提供的电力必须从别处获取。就像一条溪流流入新的河道一样，负荷会从一组输电线路转移到另一组。但是，电力在线路中流动得越多，线路就会越热。越热，它就会越下垂，就像在热浪中的巴吉度犬一样。如果附近的树木没有修剪，线路可能会垂到树枝太近——这可能导致短路。发生这种情况时，负荷必须再次转移。这一切都会扰乱电子河流的速度和深度。线路损失越多，剩余线路自身发生下垂的可能性就越大。短路线路越多，越多的发电厂需要关闭以保护自身免受频率和电压波动的影响。你需要转移负荷的次数越多，电网就越容易失控。2003年，六条输电线路接连中断，其中几条是电力流的主要通道。这些损失将一系列小错误变成了灾难。沟通不畅 然而，比未修剪的树木更重要的是缺乏沟通。北美电网不是一个单一实体，而是一个拼凑而成的集合体。它由不同、且常常是竞争性的公用事业公司控制的各个区块组成。这些区块被整合到管理区域中。就北美大陆东部而言，所有管理区域都被整合到一个更大的联合区域
中。有许多人致力于确保电网正常运行。但这些人并不总是知道其他人正在做什么，至少知道得不够快。这个问题是电网专家称之为“态势感知”——基本上，就是大局观。2003年，试图阻止停电的人们对此没有清晰的认识。部分原因在于未重新开启的故障软件程序和似乎未被注意到的警报系统故障。但这也是电网的工作方式。用于告知电网控制器电子设备运行情况的系统比电子设备本身移动得慢得多。2003年，需要大约30秒来收集、编译、分析并以电网控制器可以使用的形式显示电网发生的情况。这听起来很快，但考虑到电网上的变化发生得要快得多。如果一台发电厂在亚利桑那州离线，它可以在大约一秒钟内对加拿大的情况产生可衡量的影响。如果你的电网视图每30秒才更新一次，你就会错过重要的细节。2003年停电后，电网专家回过头来，在计算机建模程序中重放了整个过程。目的是试图更好地了解哪里出了问题，以及如何防止类似事件在未来发生。他们发现，在停电前大约一小时，电网就显示出了控制器当时没有看到的压力迹象，PNNL能源与环境部门经理Carl Imhoff说。这不是控制器的错。他们根本没有看到大局的技术。修复电网 今天，这项技术已经存在。相量测量单元
可以说是很不性感的东西。也称为PMU，它们只是放置在变电站服务器架上的匿名小盒子。但相量连接到输电线路。它们会看到线路上发生的情况——供需平衡的状况，电压和频率是否稳定并在正常范围内。这只是一个数据点，记录在一个地方。但一个相量网络可以告诉你很多。例如，它可以告诉你，当电力从克利夫兰流向哥伦布时，电网的稳定性是否在变化。而且相量处理信息的速度要快得多。如今，我们的电网可以在10秒内为控制器提供有关大局的信息。Massoud Amin等研究人员正在努力将响应时间缩短到3秒以下。（参见DISCOVER对Amin想法的早期报道
）。如果我们在2003年拥有一个相量网络，电网控制器就会提前一小时收到问题的警告。很有可能他们能够修复它，或者至少使由此造成的停电范围更小、更局部化。就PMU而言，2003年确实是一个警钟。它促使公用事业公司和政府合作，在美国各地安装一个真正的相量网络。这项工作目前正在进行中。2009年，大约有200个相量投入运行。到2013年底，全国将安装1000多个。Massoud Amin表示，在过去五年中，联邦复苏法案资金与私人行业资金的合作，已投资78亿美元用于升级电网。但他补充说，问题是这远远不够。我们的电网很老。平均变电站变压器的使用年限是42年——比变电站变压器的设计寿命长两年。Clark Gellings说，总的来说，我们的电网没有现代化——它主要是机械设备在操作数字世界。也许最重要的是，电网没有为未来做好准备。“Amin说，‘从1995-2000年，电力行业投入的净销售额研究和开发不足1/3%’。‘在接下来的六年里，这个数字下降到2/10%以下。我们正在利用现有基础设施，而对未来的投资却越来越少。’”相量网络是一个正在取得成功的例子。Gellings告诉我，新的国家法规也是如此，这些法规对不修剪树木的公用事业公司处以更高的罚款。一棵未修剪的树可能导致100万美元的罚款。所有这些都将有助于防止2003年那样规模的停电。但它无助于应对未来20-30年将要发生的事情。不仅基础设施本身最终会老化。我们获取电力的方式、使用它的人以及使用量都在发生变化。未来，我们将有更多的电力生产发生在农村中西部地区，那里的风力资源最丰富，但人们仍然居住在远处。我们总体上使用的电力越来越多，而且我们现在对它的依赖程度也越来越高。将来，我们将更加依赖它。Jeff Dagle告诉我，改进正在进行中，但如果能源使用发生重大变化——例如，如果美国人开始以比今天更高的速度购买电动汽车——那么这些改进可能不够快。令人沮丧的是，这不仅仅是一个技术问题。它也是社会和政治问题。就像国家电网实际上是各个电网的拼凑一样，它也是各种监管体系的拼凑。这种缺乏协调的监管与放松管制相结合，往往无法激励电网真正需要的投资。例如，建造输电线路是一项跨越多个州的工作。其中许多州不会从该线路中获得直接利益，即使这对整体来说是最好的。地方监管机构可能明白这一点，但当他们必须以其州或县的最佳利益行事时，他们仍然可能会质疑该线路，Gellings说。这就是为什么建造一条新的输电线路可能需要长达12年的时间。另一方面，许多州的放松管制造成了一个混乱的系统，现在电网有很多利益相关者，但没有人有动力去考虑或投资于长期。如果我们希望电网在三十年后仍然像今天一样运行，我们就需要投入一些资金。Massoud Amin估计了电网改进的成本。他表示，要使电网更强大——增加更多高压线路并升级现有线路——我们需要在10年内每年花费约80亿美元。要使电网更智能——数字化、集中化、自动化，并具备有助于我们在停电发生前阻止停电的大局沟通能力——这将需要20年内每年投资170-20亿美元。这听起来是一笔巨款。这听起来完全不可行。也许确实如此。但Amin说，你必须考虑你节省了什么。还记得2003年的停电花了我们多少钱吗？大多数停电事件都不会那么大；它们是局部的，发生在你的社区、你的城镇或你的县。但它们发生得很多。根据你居住在美国的哪个地区，平均每位客户每年有90-214分钟的停电时间*。这还不包括因极端天气或其他灾害（如火灾）造成的停电。所有这些停机时间累加起来。Amin说，平均成本每年超过1000亿美元。这就是费用和投资的区别。随着时间的推移，投资会自行弥补。** *相比之下，日本每位客户每年的服务中断时间平均为4分钟。 **Massoud Amin估计，这些投资每年将节省490亿美元，否则这些钱将因停电而损失。改进还将使我们的电网更节能，他说这每年可以额外节省200亿美元的能源成本。你可以在他关于自己研究的报告中阅读更多相关内容
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阅读更多通过阅读我书中的免费章节，了解电网如何工作以及电网控制器做什么。
《停电前》。 阅读关于2003年停电的完整报告
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