如何拯救电网

爆炸照亮了曼哈顿的天际线。突然的一声巨响，一道黄光闪过——然后一切都变黑了。10 月，飓风桑迪将水冲进联合爱迪生公司 14 街变电站，导致电容器之间产生电弧，约 25 万用户陷入黑暗。高压电奇观的视频迅速在网上传播：它成为这场巨大风暴系统最普遍、最不可避免的灾难的早期鲜明象征——全面而持久的断电。在美国各地，从印第安纳州西部，从缅因州到北卡罗来纳州，桑迪造成了数百起其他大规模停电。一棵树被吹倒，电线被风吹断，一座发电厂被淹——每一件事都波及到远离故障点的家庭。停电持续了数周，阻碍了该地区的恢复。

虽然桑迪停电持续时间不寻常，但停电范围——21 个州的 800 多万户家庭最终停电——却已变得令人不安地普遍。2011 年，飓风艾琳导致约 550 万户家庭断电。龙卷风、冰暴、野火和干旱现在经常压垮美国老化的电力基础设施，造成大面积停电。20 世纪 90 年代初，美国每年经历约 20 次大规模停电；如今，这一数字已超过 100 次。2012 年国会研究服务处报告将停电次数增加的主要原因归咎于极端天气事件的增加。报告还指出，风暴引发的停电每年给美国经济造成 200 亿至 550 亿美元的损失。

一个世纪前，当今天的配电系统的基础奠定时，电器才刚刚开始进入家庭。随着时间的推移，全国的用电量猛增，人口也随之增长。现在的需求以每年 1% 的速度增长，更多的电力通过从未设计用于处理如此高负荷的线路。“我们有时会开玩笑说，如果亚历山大·格雷厄姆·贝尔明天醒来看到我的手机，他会大吃一惊，”纽约州智能电网联盟执行董事戴维·曼宁说。“如果托马斯·爱迪生明天醒来看到电网，他不仅能认出它，而且很可能能修好它。”

一个能够在灾难中创造和提供高效、可靠电力的现代化电网早就应该建成了。这样的基础设施将更能抵御风暴和恐怖袭击，而美国国家研究委员会在 11 月警告称，风暴和恐怖袭击可能会使全国整个地区陷入数月的瘫痪。许多必要的升级已经存在：它们已经在实验室中开发出来，并在全国各地的智能电网项目中得到演示。其他步骤只需要常识。

停止连锁故障

像桑迪这样的风暴一倒下，就能切断数千家电力供应。美国现有的电网是线性结构。大型发电厂通常远离其服务的客户，生产大部分电力。发电厂的变压器会提高电压，以便更有效地将电压输送到当地变电站，然后降低电压并将其输送到社区和个人家庭。当线路上任何地方发生故障电流或浪涌时，自动断路器会打开以阻止它。这就是为什么一棵倒下的树就能切断数千家客户的电力供应。这也是为什么 2003 年俄亥俄州的高压电线上长满树木，导致东海岸 5000 万人停电。

减少单个故障影响的一种方法是将线性结构替换为环状结构。想象一下一条电力线，上面布满了五个智能开关，两端都连接到变电站。一棵树撞到了电线上。在旧的线性系统中，故障点以外的所有客户都会断电；公用事业公司会派出工作队寻找原因。在新系统中，故障两侧的开关都可以隔离问题，只有两个开关之间的客户才会断电。然后，“这些开关会进行通信并说，‘它就在这里，快来修我吧’，”非营利组织完美电力研究所的执行董事约翰·凯利说。

伊利诺伊州内珀维尔和田纳西州查塔努加等社区是美国智能电网改造方面最先进的社区之一，它们已经安装了环路系统并展示了其优势。“可靠性将提高 50% 到 80%”，凯利说。此外，“问题已经得到控制。你知道该去哪里，所以现在你可以更快地让那几个客户恢复供电。”

阻止故障连锁的另一种方法是安装故障电流限制器，或者阿肯色大学工程师艾伦·曼图斯所说的“电网减震器”。他正在该大学的国家可靠电力传输中心开发这种冰箱大小的设备。“当坏事发生时，断路器就会开始打开，灯就会熄灭，”曼图斯说。他的机器不仅可以完全阻止电涌，还可以吸收过剩电流并向线路输送一定量的电流。

尽管智能开关早在 20 世纪 90 年代就已开发出来，但公用事业公司在采用环路系统方面进展缓慢。佛罗里达电力和照明公司是首批采用环路系统的公司之一，该公司的客户在 21 世纪初经历了多次飓风。“大多数公用事业公司都非常不愿意改变，”凯利说。“部分原因是垄断结构阻碍了创新和改进。”

当大规模变革真的发生时，它很可能会首先出现在高需求地区。“在纽约市和洛杉矶等城市中心，它们的故障电流越来越高，以至于它们不得不开始更换所有断路器，”曼图斯说。故障电流限制器将是一个实用的解决方案。“我们会将它插入电网，”他说，“保留现有的断路器，并限制电流，这样断路器就不会不堪重负。”新设备可以帮助旧设备延长使用寿命，这是一种比更换所有断路器更具成本效益的方法。

制定更好的备份计划

飓风桑迪袭击的那个晚上，约翰·布拉德利正在百老汇的办公室里，突然大楼断电了。布拉德利是纽约大学可持续发展、能源和技术服务副总裁，当时他正在与当地公用事业公司康尼迪电力公司通电话。“他们告诉我，他们正在系统性地关闭低洼地区，因为他们知道风暴潮和满月高潮将在晚上 9 点左右到来，”他说。

当时是 8:30。“我向窗外望去，所有的灯都灭了，”布拉德利回忆道。“他们说，‘我们遇到了一些问题’，然后就挂了电话。”曼哈顿下城几乎全部停电——除了纽约大学的大部分校园。

2010 年，该大学完成了一项项目，用天然气涡轮机（地下发动机，发电量为 11 兆瓦）取代了 20 世纪 70 年代的锅炉。发动机产生的废热产生蒸汽，可产生额外的 2.4 兆瓦电力和热水，这一过程称为热电联产。当管理层批准该项目时，自然灾害并不是该大学最关心的问题。“首要问题是经济高效的发电，”布拉德利说。“其次是减少温室气体排放。”（该系统为 22 座建筑供电，为 37 座建筑供暖，每年为该大学节省数百万美元；它还帮助减少了校园 20% 的碳足迹。）

纽约大学是黑暗社区中的电力孤岛。当飓风桑迪摧毁了 ConEdison 变电站时，纽约大学自给自足的第三个好处就显现出来了。“我的设备感应到电压损失，断路器打开，将纽约大学电网与更大的公用电网隔离开来，”布拉德利说。接下来的一周，纽约大学是黑暗社区中的电力孤岛。工作人员在图书馆的长桌上安装了电源板，并打开了户外插座供任何人使用。“你会看到社区里的人们在校园各处插入笔记本电脑、iPad 和手机，”布拉德利说。

天然气系统还使普林斯顿大学的大部分校园和布朗克斯区庞大的公寓大楼（称为合作城）保持正常运转。凯利说，医院、酒店和消防站等关键服务设施都应该拥有自给自足的发电能力。他说，依赖天然气是合理的，因为它已经通过地下管道输送。柴油必须用卡车运来以保持发电机正常运行，而在桑迪这样的风暴期间，这种燃料可能会很稀缺。

建筑物在停电期间也可以依靠可再生能源系统。新泽西州贝永市的 Midtown 社区学校的太阳能电池板在飓风桑迪期间为其作为疏散中心提供电力。但如果此类系统无法自动与电网断开，公用事业公司就会要求它们关闭。试图修复线路的工人可能会被回流到电网的电流杀死。“就好像他们一生都在单行道上，现在突然有一辆汽车朝他们驶来，”曼图斯说。

连接电池的特殊逆变器可以使建筑物独立运行，即与电网隔离，同时继续生产和储存电力。但现有技术对房主来说成本过高。曼图斯的实验室正在开发一种经济实惠的替代方案：一种微波炉大小的“绿色电源节点”，可以安装在车库墙上。他希望找到一家制造商，以 500 美元左右的价格在家居用品店出售它。

投资于效率

电力在老化的基础设施中流动得越多，电网就越容易受到干扰——即使没有自然灾害也是如此。在过去的三十年里，美国家庭用电量增长了两倍，从 1980 年的每户 3030 万英热单位增加到 2009 年的 8960 万英热单位。与此同时，变压器的平均使用年限现在已超过 40 年，70% 的输电线至少有 25 年的历史。为了具有弹性，电网——以及依赖电网的人——也必须更加高效。

许多公用事业公司已经开始更换一种无处不在的过时设备：电表，它通常是一个旋转的表盘，安装在房子后​​面的荆棘丛附近，每月人工抄表一次。目前，美国约有 4000 万户家庭拥有智能电表，这种设备每小时可多次以数字方式监控和通报家庭用电情况。这些信息使公用事业公司能够更准确地跟踪和计费，并立即识别断电情况。

在德克萨斯州奥斯汀，智能电网项目的志愿者们正在测试一些工具，这些工具将使电网的工作方式更像互联网，实现双向能源和信息流动。到目前为止，工程师们已经为 480 栋房屋配备了先进的能源监测系统。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员使用超级计算机分析数据。负责该项目的财团 Pecan Street 总裁 Brewster McCracken 表示：“我们对人们如何使用电力和天然气进行了全国最深入的研究，研究时间精确到秒。”

英特尔、百思买和 LG 等公司也与 Pecan Street 合作，在现实环境中测试和开发产品。例如，索尼安装了一套家庭能源管理系统，该系统可以通过一个插座测量各种电器的耗电量，并可以通过电视机顶盒进行管理。房主可以使用实时数据来最大限度地减少电网负荷，将电动汽车充电等活动转移到电力过剩的时段。

2009 年美国复苏与再投资法案拨款 160 亿美元用于安装新的输电线路和实施 Pecan Street 等智能电网项目。这只是一个小小的开始。根据美国土木工程师学会最近的一项研究，真正实现美国电网的现代化需要投资 6730 亿美元。与此同时，不作为的代价还在不断增加：飓风桑迪给纽约和新泽西造成了价值 697 亿美元的损失。飓风过后仅几周，州长安德鲁·库莫就请求联邦政府拨款帮助纽约安装智能电网技术。“这将是一项重大投资，”纽约州智能电网联盟的曼宁说。“但桑迪重写了实现这一目标的机会。”

Kalee Thompson 是洛杉矶的一名自由撰稿人。她计划在房屋可以独立使用后再安装太阳能电池板。本文最初发表于 2013 年 2 月的《大众科学》杂志。