在近年来的极端天气和变电站攻击导致的大规模停电事件中，美国电网的脆弱性暴露无遗。对于依赖公共电网的军事基地而言，做好停电准备关乎国家安全。有什么比直接切断电源更好的测试方法呢？
MIT林肯实验室正是通过其能源韧性准备演习(ERRE)做到了这一点。在演习期间，基地会与电网断开连接，测试备用电力系统和服务人员在断电情况下的应对能力。每次演习持续长达15小时，模拟真实停电事件，且基地收到的预警时间有限。
"没人认为这种真实世界的测试会被接受，但我们现在已经完成了33个基地的演习，影响了超过80万人," 领导该项目的林肯实验室能源系统组让·萨克(Jean Sack)表示。她与克里斯托弗·拉什韦(Christopher Lashway)和安妮·韦瑟斯(Annie Weathers)共同负责这一项目。
老化电网与能源韧性挑战
根据美国能源部的一份报告，美国70%的输电线路已接近使用寿命终点。这种老化基础设施，加上日益增长的电力需求和相互依赖性，威胁着连锁故障的发生。作为回应，美国国防部(DoD)已将重点放在能源韧性上，即预测、抵御和从停电中恢复的能力。在军事基地，停电可能破坏关键任务，为物理或网络攻击打开大门，并切断供水。
"对这个已经脆弱的系统的威胁正在增加，这就是为什么这项工作如此重要," 萨克说。
安全切断电源
在演习前，实验室团队与基地领导层和基础设施人员密切合作，仔细规划如何安全地与公用电网断开连接。通过多次实地考察，他们研究每栋建筑和任务，了解电力能力，确保健康和安全，并制定应急计划。
"我们将那些可能从未交谈过但彼此依赖的人聚集在一起。我们喜欢说'将任务所有者与其公用事业提供商联系起来,'" 曾是电工后转行为能源系统研究员的拉什韦说。"规划过程是一个巨大的学习机会，也是提前解决问题的一次机会。"
在断电当天，实验室工作人员在场确保过程顺利进行，但基地负责运行演习。自2018年开始以来，ERRE活动已覆盖大型基地，包括北卡罗来纳州布拉格堡(Fort Bragg)——这个美国陆军基地每天有近15万人活动，以及远至英国和日本的基地。
关键在于不限制其范围。所有设施和任务，特别是那些关键任务，都应包括在内，服务人员被要求解决问题。为了使演习作为准备评估更有用，一些演习经过修改，模拟真实事件的脚本场景。这些场景可能挑战人员处理控制系统的网络攻击、备用发电厂关闭或停电期间的火箭发射。
"我们可以进行世界上所有的桌面演习，但当你真正拔掉插头时，问题是，实际发生了什么?" 前国防部负责维持事务的助理部长罗伯特·麦克马洪在关于初期演习的众议院武装力量委员会小组联合听证会上说。"也许我看到的最重要教训是，从基地级别到我的级别，我们各级高级领导对我们认为会发生的事情与实际发生的事情缺乏欣赏和理解，然后能够应用这些学到的教训。"
揭示问题
ERRE演习揭示了基地间的常见问题。其中之一是对脆弱或有故障的备用系统的依赖。例如，如果电子设备没有备用电池支持以 bridging 电力转换，它就会经历硬关闭。在某些情况下，这些电池系统因老化或发电机问题而故障或意外耗尽。"我们看到一个大型通信室宕机，然后电话和电脑都不工作了。这强调了冗余的必要性," 拉什韦说。
发电机也存在问题。有些因未在长期停电期间定期维护或加油而故障。有时，人员错误地假设发电机将支持整栋建筑，事后需要重新配置。空调系统通常被排除在发电机支持的紧急电路之外，但装有大量计算机的房间会产生大量热量，过热设备会迅速关闭。
演习还揭示了相互依赖性和连锁反应。在一个案例中，灭火系统意外触发，用泡沫淹没了一个机库。原因是开关重置的同一时刻压力下降。
"执行这种规模的行动强调了这些因素中的每一个都需要和谐高效地工作，以确保基地，最终是任务，保持功能," 拉什韦说。
除了解决技术问题外，演习对于练习协调和遵循指挥链也很有价值。它们还揭示了在停电期间运营的社会挑战。例如，一些国防部指导限制在日托中心使用发电机，因此父母需要在维持任务的同时协调照顾。
演习后的改进
演习后，实验室为基地汇编所有发现，编写报告。报告提供按建筑划分的重大事件时间戳，确定问题之间的联系，并总结全站常见问题。然后提供解决漏洞的建议。"我们的目标是为基地提供尽可能多的理由，以获得他们解决问题所需的资源," 萨克说。
研究人员还希望帮助基地预防问题并避免昂贵的维修。最近，他们一直在使用功率计在演习前、中、后捕获电气数据。这些监控工具揭示了其他方面隐藏的电能质量问题。
"并非所有电能都相同，必须遵循标准以确保设备，特别是专业军事设备，长期正常运行且不会损坏。功率计量提供了这方面的视角," 拉什韦说。
推动韧性发展
林肯实验室的ERRE活动已促成立法。2021年，国会通过法律，要求每个军事部门每年至少进行五次ERRE，或"黑启动演习"，直到2027年。该法律最近被重新授权至2032年。该团队已将ERRE流程转移给两家私营公司以及空军和陆军，以便在未来几年进行演习。
"这项工作引起了国会的注意并在国防部范围内推广，这非常令人兴奋," 领导能源系统组内能源、水和自然灾害韧性工作组合的尼克·贾德森说。"这个想法最初是作为一种改变国防部基地的方式，包括许多关于关闭关键任务电源的艰难对话，现在我们正在看到基地及其准备状态的显著改善。"
拉什韦说，这甚至可能正在鼓励各军种之间的一些良性竞争。最近在科罗拉多州的一次区域活动中，三个美国太空部队基地互相竞争，试图扩大其演习的范围和持续时间。
拓展研究领域
该团队现在正将重点转向相关分析，如水韧性。水和废水系统容易受到停电以外的中断影响，包括设备故障、破坏或水源枯竭。
"我们正在进行桌面演习和研讨会，将利益相关者团结起来，围绕水和废水系统对任务的重要性开展工作," 领导这项工作的阿米莉亚·塞尔维(Amelia Servi)说。"到目前为止，我们看到管理水系统的群体参与度很高，他们一直在寻求资金修复这些老化系统，以及那些以前认为水理所当然的任务群体。"
他们还在研究长期能源规划，包括减少基地对电网依赖的方法。一种方法是安装微电网，这是可以接入储存能量的自给自足系统。根据萨克的说法，微电网高度定制且操作复杂，因此一个目标是设计标准化系统。团队最近的功率计量数据为此类设计提供了有用的初始输入。
研究人员还在考虑这项工作如何改善平民的能源韧性。大规模演习对公众可能不可行，但可以在对公共安全重要的地区或依赖军事资源的地方进行。在佐治亚州的一次演习中，城市居民部分依赖基地的发电厂，因此该演习包括与城市合作，确保其对停电的韧性。
"在测试准备状态而不造成伤害之间取得平衡是这个领域的巨大挑战，也是我们巨大的动力," 萨克说。"我们对结果感到鼓舞。我们的工作正在影响最高级别的军种，改写基础设施政策，并确保人们能够在电网中断期间更好地维持运营。"
林肯实验室研究人员Jean Sack（左）和Christopher Lashway已在国内外多个军事基地进行了数十次能源韧性准备演习。
演习前，林肯实验室研究人员会彻底研究基地的能源基础设施。
Christopher Lashway在电力恢复后收集电能质量计进行后期处理。
