Синхронные UPS вызывают минутные колебания частоты в энергосетях
Исследователи Forschungszentrum Jülich выяснили причину кратковременных падений частоты, которые каждую минуту одновременно фиксировались в энергосетях разных стран. Эффект создают синхронные проверки состояния заряда у источников бесперебойного питания и стационарных батарей. В Ирландии амплитуда таких провалов выросла с 3 мГц в 2016 году до 12 мГц в 2021-м, а в последние годы отдельные значения превысили 20 мГц.
Почему минутный ритм оказался важной уликой
Стабильная частота необходима для нормальной работы энергосистемы. Сильные колебания или неверная реакция диспетчеров могут привести к отключениям, а продолжительные возмущения способны вредить оборудованию электростанций, в особенности гидротурбинам.
Первоначально команда под руководством Дирка Виттаута проверяла версию о резонансе в гидроэнергетике. С помощью модели системы управления гидроэлектростанцией в скандинавской сети исследователи получили режим с пиком раз в минуту. Но модель не объясняла, почему сигнал повторяется непрерывно и строго по расписанию.
Именно эта регулярность навела учёных на мысль о синхронизированных часах. На территории кампуса Jülich они установили свыше 80 интеллектуальных измерителей качества электроэнергии. Приборы раз в три секунды регистрировали частоту, напряжение, ток и мощность в сетях среднего и низкого напряжения, у трансформаторов, солнечных панелей и батарейных систем.
Батареи действуют одновременно
Измерения показали ежеминутный пик на трансформаторе, подключённом к накопителю энергии. Многие стационарные батареи — от UPS в дата-центрах до крупных сетевых систем хранения — раз в минуту оценивают состояние заряда. Поскольку устройства подключены к интернету, их часы почти синхронны.
Проверка отдельной батареи практически незаметна для большой сети. Однако одновременные действия множества устройств складываются в измеримое возмущение. Подтверждение исследователи нашли в Ирландии, где дата-центры в 2022 году потребляли 18% нагрузки энергосистемы и используют большие парки UPS.
Ирландская сеть с номинальной частотой 50 Гц рассчитана на отклонения до плюс-минус 200 мГц, хотя оператор стремится удерживать их в пределах 100 мГц. Провал в 20 мГц сам по себе не достигает этого порога, но он добавляется к другим изменениям нагрузки и может усложнить балансировку.
Исправление сводится к изменению ПО
Команда рекомендует производителям UPS и сетевых накопителей рандомизировать расписание проверки заряда, чтобы устройства не создавали общий импульс одновременно. Такой подход можно реализовать программным обновлением.
Учёные также обнаружили периодические колебания потребления у разных IoT-устройств, включая умную духовку и кластеры Raspberry Pi. При этом многие устройства не получают обновления: упомянутое в исследовании наблюдение показывает, что актуальную прошивку использует менее 3% IoT-устройств.
Для бизнеса вывод практический: владельцам дата-центров, крупных UPS-парков и систем накопления энергии стоит уточнить у поставщиков алгоритм проверки состояния заряда и возможность случайного сдвига расписания. Локально простая настройка способна снизить синхронную нагрузку, но масштаб проблемы требует согласованных действий производителей, операторов сетей и регуляторов.