2869
Електромережі на п’яти континентах уже понад десятиліття поводяться дивно: кожні 60 секунд у них фіксується чіткий, повторюваний «пульс» – крихітна зміна частоти струму, яка зникає й рівно за хвилину з’являється знову. Цей ефект помічали в різних, фізично не з’єднаних мережах, і він залишався загадкою. Тепер дослідники, описані в матеріалі ScienceAlert, пропонують доволі буденне, але добре обґрунтоване пояснення.
За їхньою версією, хвилинні коливання частоти виникають через регулярні самотести акумуляторів у системах безперебійного живлення, які встановлені в лікарнях, дата-центрах, наукових установах та інших критичних об’єктах. Такі системи щохвилини роблять короткі перевірки стану батарей, створюючи невеликі, але вимірювані стрибки споживання електроенергії.
Як працює баланс у електромережі
Будь-яка велика електромережа постійно балансує між виробництвом і споживанням. Якщо попит зростає, частота змінного струму (50 або 60 герц, залежно від регіону) падає; якщо генерація перевищує попит – частота зростає. Оператори мережі безперервно коригують роботу електростанцій, щоб тримати ці відхилення в допустимих межах.
Типовий приклад – британське явище, відоме як «TV pickup»: коли під час рекламної паузи масово вмикають електрочайники, попит на електроенергію різко зростає. З розвитком потокових сервісів ефект послабився, але під час дуже популярних телеподій він усе ще може бути відчутним.
Зазвичай такі коливання випадкові та нерегулярні. Тому поява надточного, повторюваного щохвилинного сигналу, ще й синхронно в мережах різних країн і континентів, виглядала як нетипова, системна аномалія.
Загадковий 60-секундний «пульс»
Про хвилинні коливання частоти вперше докладно повідомили ще близько 2014 року у Скандинавії. Їх частково пов’язували з роботою гідроелектростанцій, але подібні хвилі виявили й в інших регіонах – у континентальній Європі, Британії, Австралії, США. Коливання були невеликими, однак напрочуд стійкими і повторювалися з високою регулярністю в мережах різного масштабу та конфігурації.
Оскільки деякі з цих систем фізично ізольовані одна від одної, одного лише гідроенергетичного пояснення виявилося замало. Потрібен був спільний механізм, здатний одночасно впливати на різні мережі.
Сліди ведуть до систем безперебійного живлення
Щоб розв’язати загадку, команда під керівництвом фізика Дірка Віттаута (Dirk Witthaut) з Університету Кельна проаналізувала високоточні вимірювання споживання електроенергії в будівлях на дослідницькому кампусі Forschungszentrum Jülich у Німеччині.
У чотирьох будівлях вони побачили такий самий чіткий 60-секундний шаблон. Спільною рисою всіх цих об’єктів була наявність систем безперебійного живлення (UPS). Натомість у будівлях без UPS хвилинних пульсацій не спостерігали.
Дослідники відстежили електричний сигнал від UPS: за їхніми даними, акумулятори генерували крихітні імпульси струму з періодом рівно одна хвилина. Ці імпульси поширювалися через внутрішню мережу будівлі аж до точки підключення до публічної високовольтної мережі.
Виробник обладнання підтвердив, що причина – <strongавтоматичні самотести батарей, які програмне забезпечення виконує щохвилини, щоб контролювати стан резервного живлення.
Чому це відбувається одночасно у всьому світі
Залишалося головне запитання: чому різні системи в різних будівлях і навіть країнах роблять тести синхронно? Пояснення дослідники пов’язують із роботою годинників у цифрових пристроях.
Багато електронних систем синхронізують свій внутрішній час за зовнішніми сигналами – наприклад, службами точного часу. У результаті незалежні одна від одної установки можуть починати заплановані операції одночасно. Окремо взятий тест батареї майже не впливає на мережу, але коли тисячі чи десятки тисяч пристроїв діють в унісон, сумарний стрибок потужності стає помітним навіть на рівні континентальної електросистеми.
Автори роботи наголошують, що цю гіпотезу ще потрібно перевіряти в інших регіонах, але вже зараз вона дає узгоджене пояснення спостережуваному явищу й збігається з вимірюваннями.
Наслідки для стійкості енергосистем
Наразі ці хвилинні пульсації не загрожують стабільності мережі. Дослідники оцінюють їхню амплітуду лише в кілька мілігерц. Однак, за їхнім застереженням, у міру того як енергосистеми насичуються цифровими пристроями та накопичувачами енергії, масштаб синхронних навантажень може зрости.
Мережі отримують дедалі більше батарейних систем, дата-центрів і «розумних» пристроїв, під’єднаних до інтернету. Кожен із них має власні алгоритми, що працюють за розкладами. Навіть малі коливання можуть підсилюватися внутрішніми процесами в мережі й додавати зношування обладнанню – наприклад, турбінам гідроелектростанцій.
Втім, пропоноване рішення виглядає простим: виробники можуть внести в програмне забезпечення невеликі випадкові зсуви часу для планових операцій, щоб уникнути одночасного запуску однакових процедур у тисячах пристроїв. Команда Віттаута повідомляє, що вже звернулася до одного з виробників UPS, і компанія випустила оновлення ПЗ, яке послабило жорстку періодичність перевірок.
Дослідження, опубліковане в журналі Nature Energy, демонструє, що навіть «доброзичливі» алгоритми керування можуть ставати системно значущими, коли величезна кількість пристроїв працює синхронно. Розумніше проєктування таких алгоритмів може зробити майбутні електромережі помітно стійкішими.
Резервні батареї спричиняють хвилі в електромережах щохвилини з’явилася спочатку на Цікавості.
