Каждые 60 секунд в электрических сетях по всему миру происходит нечто странное: частота тока слегка изменяется, затем возвращается к норме, и ровно через минуту всё повторяется. Такие колебания обнаружили на пяти континентах, причём даже в энергосистемах, которые физически никак не связаны друг с другом. Загадочный ритм сохраняется уже более десяти лет, и только теперь учёные, похоже, нашли его источник.
Чтобы понять необычность явления, нужно разобраться, как работают электросети. В каждый момент количество вырабатываемой электроэнергии должно соответствовать её потреблению. Если потребление превышает выработку, частота переменного тока немного снижается. Если электроэнергии производится больше, чем расходуется, частота повышается. В нормальных условиях она составляет 50 или 60 герц в зависимости от страны, а небольшие отклонения постоянно возникают из-за изменений нагрузки.
Например, в Великобритании энергетикам хорошо знакомы резкие скачки потребления, когда миллионы телезрителей одновременно включают электрические чайники во время рекламных пауз или после футбольных матчей. Однако подобные колебания нерегулярны и имеют понятную причину. А вот изменения частоты, повторяющиеся с исключительной точностью каждую минуту, долгое время оставались загадкой.
Первые сообщения о необычном явлении появились как минимум в 2014 году, когда исследователи обнаружили минутные колебания частоты в скандинавских электросетях. Сначала их связывали с работой гидроэлектростанций, но вскоре похожие сигналы нашли в континентальной Европе, Великобритании, Австралии, США и других регионах. Стало очевидно, что одними гидроэлектростанциями объяснить происходящее нельзя.
Разобраться в проблеме решила группа исследователей под руководством физика Дирка Виттхаута из Кёльнского университета. Учёные проанализировали подробные измерения электрических параметров в зданиях немецкого исследовательского центра Юлих и обнаружили любопытную закономерность.
Характерные колебания с периодом ровно 60 секунд присутствовали в четырёх зданиях, оборудованных источниками бесперебойного питания. В зданиях без таких устройств аналогичного сигнала не было.
Источники бесперебойного питания используются в больницах, центрах обработки данных, научных учреждениях и других местах, где даже кратковременное отключение электричества может привести к серьёзным последствиям. Они оснащены аккумуляторами, которые позволяют оборудованию продолжать работу при перебоях с электроснабжением.
Исследователи проследили распространение необычного сигнала внутри одного из зданий и обнаружили, что каждые 60 секунд в аккумуляторной системе возникают короткие импульсы тока. Связанные с ними колебания проходили через внутреннюю электросеть здания вплоть до подключения к общей высоковольтной сети.
Производитель оборудования подтвердил догадку учёных: причиной оказались автоматические проверки состояния аккумуляторов. Программное обеспечение источников бесперебойного питания запускало их строго раз в минуту, вызывая небольшие изменения электрической нагрузки.
Но оставался другой вопрос: почему одинаковые колебания наблюдаются в совершенно независимых энергосистемах?
Вероятное объяснение связано с синхронизацией часов. Многие современные электронные устройства автоматически сверяют внутреннее время с внешними источниками точного времени. Поэтому даже не связанные между собой системы могут выполнять запланированные операции в одни и те же моменты.
Отдельная проверка аккумулятора практически не влияет на электросеть. Но если множество устройств одновременно запускает одинаковую процедуру, их суммарное воздействие становится заметным. Так обычная служебная функция электроники потенциально способна создавать колебания частоты в масштабах огромной энергосистемы.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Energy, подчёркивают, что эту гипотезу ещё необходимо проверить в других местах, чтобы подтвердить универсальность найденного механизма. Тем не менее результаты хорошо объясняют происхождение загадочного минутного ритма.
Пока обнаруженные колебания не представляют непосредственной угрозы стабильности электросетей. Их амплитуда обычно составляет всего несколько миллигерц — тысячных долей герца. Однако исследователи предупреждают, что в будущем эффект может усилиться.
Количество аккумуляторных накопителей, центров обработки данных и подключённого к интернету оборудования постоянно увеличивается. Вместе с ним растёт и число устройств, способных одновременно изменять потребление электроэнергии. Кроме того, особенности работы самих электросетей могут усиливать такие колебания, способствуя дополнительному износу оборудования, например турбин гидроэлектростанций.
При этом возможное решение оказалось довольно простым. Вместо того чтобы заставлять тысячи устройств проверять аккумуляторы строго в один момент, производители могут предусмотреть небольшие случайные отклонения во времени запуска проверок. Тогда нагрузка будет распределяться более равномерно.
Исследователи уже связались с производителем одного из изученных устройств. Компания выпустила обновление программного обеспечения, которое устраняет чрезмерно строгую периодичность проверок.
Таким образом, явление, которое больше десяти лет ставило учёных в тупик, может оказаться следствием совершенно обычной функции резервного электропитания. Исследование показывает, как незаметные действия отдельных электронных устройств при массовой синхронизации способны влиять на работу целых энергосистем.
