Скоординированные сбои в энергосистемах по всему миру. Вот как исследователи разгадали эту загадку.

В течение многих лет загадочные электрические аномалии ставили в тупик руководителей энергосистем по всему миру. Каждые 60 секунд частота в сети немного снижалась.

Ещё более странно: провалы напряжения произошли одновременно в электросетях разных стран и континентов.

Это была загадка, от которой Дирк Виттаут, исследователь из исследовательского центра Юлиха в Германии, не мог отказаться.

Крупнейший оператор системы передачи электроэнергии Германии, компания Tennet Germany, обратилась к Виттауту с этой загадкой, и потребовались годы исследований и моделирования, чтобы определить причину. От Европы до Австралии, от США до Малайзии — в данных прослеживается одна и та же закономерность.

Подобные падения частоты не являются чем-то неслыханным, но они вызывают беспокойство. А регулярность, с которой они происходят, может сделать это явление еще более зловещим.

Балансировка энергосистемы

Для упорядоченной работы энергосистемы необходимо поддерживать частоту в определенном диапазоне. Если колебания становятся слишком сильными или если операторы сети не знают причины и реагируют неправильно, это может привести к отключениям электроэнергии. Даже если провалы напряжения не вызывают отключений, они могут повредить оборудование на электростанциях, если их не контролировать, особенно на гидротурбинах.

Гидроэлектростанции исторически являлись основным источником так называемых сверхнизкочастотных колебаний (СНЧК). Каждая турбина вибрирует, и если эти колебания происходят с определенной регулярностью, известной как резонансная частота, они могут усиливаться, иногда до опасного уровня. Представьте себе, как разбивается бокал вина перед мощным голосом оперной певицы — это резонанс.

Поэтому Виттаут и его команда начали исследовать гидроэнергетику, наиболее очевидного потенциального виновника. Для проверки этой гипотезы они использовали компьютерную модель системы управления гидроэлектростанцией в скандинавской энергосистеме.

Хотя им удалось найти условия, которые могли бы генерировать резонанс, достигающий пика раз в минуту, они не смогли объяснить, почему он сохранялся так долго. Обычно резонансы в механических системах возникают и исчезают, как и соответствующий сигнал в электросети. Но это падение частоты происходило минуту за минутой, каждые 60 секунд, без исключения.

Тогда команде пришло в голову, что для работы с таким часовым механизмом необходимы, собственно, часы. Как иначе объяснить эту невероятную точность синхронизации?

В поисках улик

В соответствии с этой гипотезой исследователи начали с проверки оборудования, установленного неподалеку, — более 80 интеллектуальных измерителей качества электроэнергии на территории кампуса в Юлихе. Исследовательский центр оборудован линиями электропередачи среднего и низкого напряжения, трансформаторами, солнечными батареями и системами хранения энергии на основе батарей, которые служат источниками бесперебойного питания (ИБП). Здесь также имеется высокопроизводительная компьютерная система, а также обычные офисные компьютеры, работающие от гораздо меньших по размеру ИБП. Измерители качества электроэнергии регистрировали ряд параметров, включая частоту, напряжение, ток и мощность, каждые три секунды.

Вскоре исследовательская группа получила ответ. Измерения, регистрируемые трансформатором, подключенным к системе хранения энергии на основе аккумуляторов, достигали пиковых значений каждую минуту, как и в крупных энергосетях.

Оказывается, многие стационарные батареи, от ИБП центров обработки данных до крупных энергосистем, проверяют уровень заряда каждую минуту. Поскольку эти устройства подключены к интернету, их часы находятся в почти идеальной синхронности. Каждый раз, когда одно из них проверяет свой заряд, возмущение незаметно для всей энергосистемы. Но когда все они делают это одновременно, это смещение становится очевидным.

Чтобы найти доказательства того, что источниками бесперебойного питания (ИБП) были главные виновники проблем в энергосистеме, Виттаут и его команда обратились к данным, предоставленным операторами сети. Ответ они нашли в Ирландии.

Там центры обработки данных разрослись и стали потреблять значительную часть электроэнергии страны. К 2022 году на центры обработки данных приходилось 18% нагрузки на ирландскую энергосеть, и каждое такое учреждение обслуживается парком источников бесперебойного питания (ИБП). И действительно, в период с 2016 по 2021 год ежеминутное падение частоты в ирландской энергосети увеличилось в четыре раза: с 3 миллигерц (мГц) в 2016 году до 12 мГц в 2021 году. В последнее время некоторые падения превышали 20 мГц.

Ирландская энергосистема с частотой 50 Гц рассчитана на колебания в пределах плюс-минус 200 МГц, хотя оператор сети предпочел бы ограничить эти колебания до 100 МГц. В этом диапазоне 20 МГц — это немного, но центры обработки данных — не единственные нагрузки на сеть. Если другие нагрузки также вызывают просадку частоты, дополнительный скачок напряжения от каждого ИБП, проверяющего уровень заряда, может привести к отключению электроэнергии.

Решение

Эту проблему можно полностью предотвратить. Вместо того чтобы проверять уровень заряда ровно каждую минуту, Витхаус и его команда рекомендуют производителям ИБП и аккумуляторных батарей для электросетей добавить некоторую случайность в расписание.

Хотя сегодня проблему создают ИБП, существует риск, что это явление может сохраниться. Исследователи также протестировали устройства IoT. На таких разных устройствах, как «умная» духовка и кластеры Raspberry Pi, им удалось обнаружить периодические колебания напряжения. Решением также является простая программная патч-память, но многие устройства IoT остаются без обновлений. Недавнее исследование показало, что менее 3% устройств IoT работают под управлением последней версии прошивки.

Регуляторам, возможно, вскоре придётся вмешаться и потребовать изменений, но они могут решить только свою часть проблемы. Учитывая глобальный характер вопроса, в конечном итоге потребуется глобальная координация. Загадка может быть разгадана, но проблема может оставаться нерешённой ещё долгие годы.

Источник: techcrunch.com