[科普系列之七]

北美电网崩溃与网络级联故障效应

——兼谈我国智能电网问题

大家知道，无标度网络可以抵御一般外部攻击，但要想使其崩溃，需要外部同时协同进行攻击，需要击溃或移除掉好几个网络的“中心”节点。这往往意味着需要同时移除57%的“中心”节点。因此，网络黑客必须同时攻击破坏数百个互联网上的路由器才能达到目的，而这并非易事，是非常耗费时间耗力的事情。这样一来，虽然互联网有自己的弱点，但其拓扑结构中依然蕴涵了能够抵御随机故障和恶意攻击而不至于瘫痪的机制。然而，科学家经过仔细分析后，事实并非如此。接下来会发现，面对攻击，把宝押在拓扑稳定性上，是一种错误的天真做法。而必须考虑网络级联故障效应问题。

1996年北美的大停电事故发生后，起初有人天方夜谭，怀疑是外星飞船引起的，有人则怀疑是恐怖袭击，但最后事实表明，这并不是一次有组织的攻击。来自电线受热会膨胀，这种热量可能来自过热引起；但是如果线路负荷过重，电线也会发热，使其膨胀变长。1996年8月10日15点42分37秒，北美的气温达到了创纪录的温度，超过37度。一道闪电过后，这条1300兆瓦的线路就瘫痪了，因此这股巨大的电流必然立即传到附近的线路上。转移是自动进行的，电流被传到了附近一条115千伏和230千伏低压线路上。然而，由于这两条线路没法长时间承载这么强大的电流。两条线路的发热率达到了1157瓦，因此立即瘫痪了。115千伏电路发生了连锁故障，过量的电流使罗斯-莱克星顿线路出现了过热现象，电线竿垂落到一棵树上。事情发展到了这一步，局面就无法挽回了。该发电厂的13个发电机组出现了故障，造成了电流和电压扰动，立即将加利福尼亚-俄勒冈州边界处南北太平洋电网分割开了。这样，西部电网就分割成了相互隔绝的孤岛，造成了美国11个州和2个加拿大省份的大停电。因此，1996年大停电事故就是一场典型的电力网络的“级联故障效应”。作为电力传输网络，本地的故障会将故障效应级联地传递给其他节点。如果额外的载荷小得可以忽略不计，那么系统的其他部分则可很容易不留痕迹地吸纳它，几乎使人察觉不到发生了故障。但是如果额外的载荷过大，相邻的节点无法承载，它们或者自身出现故障，或是重新把载荷传递给相邻的节点。不论发生哪种情况，都会出现上述那样的级联故障，而故障的规模和影响力取决于首先出问题的节点在系统中所占的位置的重要性及其能力。

类似地，另一个典型实际例子是，2003年发生在意大利南部电网大崩溃，请看图1，就是一个相互依存网络之间通过耦合发生的连锁效应导致电网的崩溃的结果。

 停电前卫星图        停电后卫星图

       图1. 2003 年在意大利南部电网发生大崩溃(停电前后卫星图比较）

难道上述如此的级联故障是电网所独有吗？绝非如此！在互联网上同样发生类似的现象，如果某个路由器出了问题，会自动提示传输协议跳过故障节点，将信息包发送到其他的路由器。如果出现故障的路由器承担的流量非常巨大，那么就会给相邻的节点带来巨大的压力。路由器不会由于单纯的流量过大而瘫痪，它们仅仅会造成排队现象，把多的信息包剩下的抛开。因此，路由器如果流量太大，就会造成拒绝服务攻击，只有少量的信息包可以通过。由于信息包出现丢失使得发送者无法接到信息送达的. 就会重新发送信息，这将进一步加剧网络的拥堵现象。这样，只要删除互联网上几个大的节点，就能很容易地造成类似北美俄州电力传输系统出现的那种灾难性故障。

实际上，网络级联故障在复杂网络中无处不在。经济网络也不例外，经常出现类似的级联故障。比如，很多专家将1997年亚洲经济危机国际货币基金的诱因，归结到国际货币基金组织给亚太国家的中央银行施加压力。这些商业银行转而向公司企业寻求贷款，遏制国际货币基金组织作为最大中心节点成为决定变成了一连串的银行和企业崩溃案例。

生物体系统也经常出现级联故障，这种现象往大处说，能影响到生物栖息地；往小处说，能影响到细胞。正如我们通过海獭的例子所看到的，失去某些物种，会引发一连串的反应，导致生态系统的重组。以此类推，细胞内分子聚集如果出现了巨大的变化，也会导致级联反应，最终致使细胞死亡。

显然，删除的节点连通性越高，就越有可能使整个系统瘫痪。哥伦比亚大学的邓肯-瓦茨的研究发现证明了这一点，他研究了一个专门为弄清级联故障的遗传特点而设计的模型。这个模型既能描述大停电这样的现象，也能描述相反的现象，比如书籍、电影、唱片等的级联走红现象。他的仿真实验表明，大多数级联反应并不是瞬间发生的：故障往往存在了很长时间而无人注意，最终导致了整体的瘫痪。然而，试图降低这种级联反频率则会带来不可避免的后果，即一旦发生了级联反应，则该级联反应的破坏性会更大。

将任意这种系统中高等级的中心节点移除，就会使系统崩溃。 对于互联网，这是个坏消息，因为这意味着黑客侵略者可以设计出相应的战略，危害整个互联网的基础设施。这对全球经济体系同样是个坏消息，因为这意味着针对经济网络的特点，也可以设计出战略来使其崩溃。上述所描述的研究结果，迫使我们不得不承认，拓扑结构、稳健性和脆弱性三者是共存的。任何复杂系统都有自身的弱点。我们了解到网络结构的重要性，使我们能充分认识中心节点的作用。这是我们设法保护复杂网络的第一步。

迄今我们对级联故障实际上是由于复杂网络之间错综复杂的子网络之间关联和交叉造成的。迄今我们对于复杂网络的级联故障的理论研究和理解还远远不够，需要进一步从单一网络向多层网络推进理论探索和应用。目前的一些结果只是有助于认识和了解在实际网络中发生级联故障所造成的严重影响。

最后，值得关注的是我国智能电网的研究和建设问题，即电网的智能化(智电电力)问题，也被称为"电网2.0"，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

为了使智能电网具备强大的资源优化配置能力和更加稳定的运行水平，并能适应和促进新能源的发展，我国面临的严峻挑战。目前我国电力输送能力不足，新能源的并网难度较高，包括核能源的并网问题，这些问题都是发展智能电网需要解决的问题。

由于我国的智能电网研究起步相对较晚，国家电网计划分三个阶段推动智能电网的建设工作。第一阶段(2009~2010年)，已经完成规划试点阶段；第二阶段(2011~2015年)，今年正在处在收关时刻，需要加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，实现重大科研、关键技术和装备的重大突破和广泛应用;第三阶段(2016~2020年)，引领提升阶段，全面建成统一的坚强电网，以达到或赶超国际领先水平。

可喜的是，我国能源革命的序幕已经开启了。电网的功能定位受到重新审视和重视，电网更是资源优化配置的载体，是现代综合运输体系和网络经济的重要组成部分，是国家宏观调控的重要手段。在当今世界新一轮能源革命中，电力居于中心位置，电网的发展面临着前所未有的机遇与挑战。这里涉及很多问题，交叉面特别大，例如，对网络科学与技术提出非常高标准的要求，更要关注探索和解决“网络的网络”中可能遇到的级联故障效应的机制及其控制等难题。因此，进一步探索搞清智能电力网络系统的深层次的“庐山真面目”，任重道远！