Минутные колебания частоты в энергосетях мира связали с ИБП и батареями

В статье в журнале Nature Energy описано необычное явление: во временных рядах частоты электросетей по всему миру есть устойчивая колебательная картина с периодом ровно 1 минута. Её происхождение до сих пор оставалось необъяснённым. Авторы исследовали сети на пяти континентах, от исландской, где около 400 тысяч потребителей, до континентально-европейской синхронной зоны, где их более 400 миллионов. Фурье-анализ показал очень узкий спектральный пик на периоде ровно 1 минута во всех исследованных сетях. Особенно заметен он в крупных объединённых системах Европы, Северной Америки и Австралии, но хорошо виден и в малых сетях (Малайзия, Южная Корея, Южная Африка) и на островах (Майорка, Ирландия, Исландия).

Для сравнения: на медленных масштабах в европейской сети есть выраженные пики на периодах 15 и 60 минут с гармониками. Их создаёт электроторговля: генерация меняется ступенчато на границах рыночных интервалов, а спрос растёт плавно. Минутная картина, отдельное явление. Чтобы выделить её, авторы делят ряд частоты на отрезки (обычно по 1 часу, чтобы убрать часовые рыночные эффекты) и усредняют профиль по всем минутам отрезка. Амплитуда сильнее днём и слабее ночью, а форма стабильна: частота обычно максимальна в начале минуты, затем снижается, на несколько секунд ночью и до половины минуты днём. Из уравнения качки (swing equation) авторы делают вывод, что в первой половине каждой минуты спрос превышает генерацию. Фаза сигнала остаётся когерентной годами во всех сетях. По мнению авторов, это плохо согласуется с собственными колебательными модами энергосистемы и указывает на источники, синхронизированные со стабильными внешними часами.

Раньше колебания с периодом около минуты объясняли резонансом в системах регулирования гидротурбин (ultralow-frequency oscillations, сверхнизкочастотные колебания). Авторы проверили эту версию механистической моделью скандинавских ГЭС и анализом на основе машинного обучения. Ни один из них не подтверждает, что одна лишь гидроэнергетика объясняет долговременную фазовую когерентность и повторяемость сигнала в разных системах: ГЭС скорее могут усиливать внешне заданные когерентные возмущения или порождать кратковременные некогерентные колебания с периодом около минуты. Авторы также отмечают минутную картину в уставке вторичного регулирования частоты в немецких зонах, а ранняя работа другого коллектива связывала такие колебания с периодическим обновлением уставок вторичного регулирования.

Главная гипотеза: управляющее программное обеспечение цифровых устройств, синхронизированное по часам, в первую очередь в источниках бесперебойного питания (ИБП) и батарейных накопителях энергии, создаёт периодические пики потребления мощности. Эти пики распространяются по уровням напряжения вплоть до границы с передающей сетью и могут порождать наблюдаемую картину. Авторы приводят эмпирические подтверждения для батарейных ИБП. По их словам, механизм не специфичен для ИБП: это общее свойство цифровых устройств, которые работают по внешним сигналам времени или периодическим программным процедурам.

Амплитуда минутной картины в нескольких сетях за последние годы заметно выросла: в британской и скандинавской, после 2015 года, с пиком в 2020-м. Среди факторов роста авторы называют снижение эффективной инерции системы (в доступном тексте фраза обрывается). Колебания вносят вклад в износ гидроэнергетического оборудования (особенно турбин) и стали одной из причин ужесточения требований к регулированию частоты. Быстрый рост батарейных накопителей, дата-центров и интернета вещей, как отмечают авторы, может ещё усилить такие кибер-физические колебания. Их вывод: когерентные колебания можно гасить прямо у источника, улучшением алгоритмов управления.

Ключевые факты

Частота электросетей на пяти континентах содержит узкий спектральный пик с периодом ровно 1 минута: от сети Исландии (около 400 тысяч потребителей) до континентальной Европы (более 400 миллионов).
Авторы показывают, что синхронизированное по часам ПО в ИБП и батарейных накопителях создаёт периодические пики потребления, которые доходят до границы с передающей сетью и могут вызывать эту картину.
Одна лишь гидроэнергетика, по анализу авторов, не объясняет долговременную фазовую когерентность и повторяемость сигнала в разных сетях, хотя ГЭС могут усиливать возмущение.
Амплитуда выросла в нескольких сетях: в британской и скандинавской, после 2015 года, с пиком в 2020-м; колебания связывают с износом гидротурбин и ужесточением требований к регулированию частоты.
Рост числа батарей, дата-центров и устройств интернета вещей может усилить эффект; авторы считают, что его можно гасить у источника улучшением алгоритмов управления.

Почему это важно

Электросеть держится на балансе генерации и потребления, а частота показывает, насколько он выдерживается. Статья описывает универсальную минутную закономерность в этом балансе, происхождение которой оставалось загадкой. Новизна в том, что причиной называется не физика турбин, а программное обеспечение: безобидные по отдельности процедуры управления, когда их запускают по общим часам множество устройств, складываются в когерентный сигнал. По мнению авторов, это класс кибер-физических колебаний, который будет только расти вместе с числом цифровых устройств в сети.

Кому это важно

Операторам энергосистем и регуляторам, которые задают требования к регулированию частоты. Эксплуатантам ГЭС, у которых колебания вносят вклад в износ турбин. Производителям ИБП, батарейных накопителей и систем управления энергопотреблением: именно ИБП и батарейные накопители названы возможным источником пиков. Операторам дата-центров: по мнению авторов, рост числа дата-центров может ещё усилить такие колебания. Исследователям энергосистем и разработчикам встроенного ПО, где решения о периодических задачах могут иметь системные последствия.

Как это применить

Практический вывод, который делают авторы: когерентные колебания можно ослаблять прямо в источнике через улучшенный дизайн управления. Из логики статьи следует, что периодические действия цифровых устройств не стоит привязывать к общим часам, например к началу каждой минуты. Какие именно изменения нужны и в какие сроки, в доступном тексте не сказано. Для читателя вне отрасли статья скорее объясняет природу явления, чем даёт готовый рецепт.

Можно ли доверять

Источник, рецензируемая статья в Nature Energy, и анализ охватывает много сетей на пяти континентах. Оговорки: авторы пишут, что синхронизированное ПО может вызывать картину, а не что оно доказанно единственная причина; они сами допускают вклад гидроэнергетики и вторичного регулирования. Это пересказ по доступному фрагменту: текст обрывается до раздела методов, измерения на ИБП в нём не видны, числовая амплитуда колебаний (в мГц или МВт) не приведена, конкретные производители и устройства не названы.

Риски и подводные камни

Версия про ИБП и батареи в доступном тексте подана как механизм, который может порождать картину, поэтому доля такого вклада остаётся открытой. У слабого пика около 100 секунд происхождение, по словам авторов, неясно. Рост амплитуды связан и с другими факторами, например со снижением системной инерции. Авторы предупреждают, что расширение батарейных накопителей, дата-центров и интернета вещей может усилить эффект, а значит, требования к управлению придётся пересматривать заранее. Количественных оценок ущерба в доступном тексте нет.

«Такая долговременная когерентность плохо согласуется с собственными колебательными модами энергосистемы и вместо этого указывает на источники, синхронизированные со стабильными внешними часами.»

— авторы статьи в Nature Energy