Zagadka tajemniczego impulsu w sieci energetycznej rozwiązana. Winni są zasilacze UPS

Specjaliści zajmujący się europejskimi sieciami przesyłowymi od dawna zwracali uwagę na pewną osobliwość. Niemal co 60 sekund częstotliwość prądu lekko się obniżała, jak gdyby w tym samym momencie na całym kontynencie ktoś włączał mnóstwo urządzeń naraz. Przez długi czas nikt nie potrafił wskazać źródła tego rytmicznego impulsu. Dopiero teraz zespół badawczy z Niemiec dotarł do wyjaśnienia - za zjawisko odpowiadają między innymi zasilacze awaryjne oraz magazyny energii, które niemal jednocześnie przechodzą automatyczne procedury testowe. Co istotne, zjawisko nie ogranicza się do Europy, lecz pojawia się też w sieciach energetycznych na innych kontynentach.

Co 60 sekund sieć energetyczna dostawała tajemniczy impuls

Niemiecki operator przesyłowy TenneT od kilku lat notował bardzo regularne obniżki częstotliwości prądu. Zjawisko wracało dokładnie co minutę, bez względu na porę doby czy aktualną pogodę. Same odchylenia były niewielkie i nie stwarzały zagrożenia dla ciągłości dostaw, jednak ich matematyczna powtarzalność wzbudzała zaciekawienie specjalistów.

Europejska sieć elektroenergetyczna działa przy nominalnej częstotliwości 50 Hz. Gdy wytwarzanie energii przewyższa jej zużycie, wartość ta rośnie, a gdy zapotrzebowanie jest większe od produkcji - maleje. To właśnie częstotliwość stanowi jeden z kluczowych wskaźników, dzięki którym operatorzy mogą pilnować stabilności całej infrastruktury.

Przykład z 2018 roku, kiedy doszło do spowolnienia europejskich zegarów, pokazuje, że nawet niewielkie wahania częstotliwości potrafią wywołać odczuwalne skutki. Wtedy to konflikt energetyczny między Serbią a Kosowem doprowadził do niedoborów mocy, przez co urządzenia odmierzające czas na podstawie częstotliwości sieci zaczęły się opóźniać.

Tym razem skala zmian jest znacznie skromniejsza. Według szacunków badaczy wahanie częstotliwości rzędu około 3 mHz odpowiada skoordynowanemu skokowi zapotrzebowania na moc wynoszącemu mniej więcej 80 MW. W praktyce przypomina to sytuację, w której co minutę do systemu podłącza się dodatkowy odbiorca porównywalny z niewielką elektrownią.

Naukowcy znaleźli winowajców. Zasilacze działały jak jeden organizm

Zagadkę rozwiązał zespół pod kierunkiem Dirka Witthauta z Forschungszentrum Jülich, pracujący wspólnie z Uniwersytetem Kolońskim oraz Instytutem Technologicznym w Karlsruhe. Wyniki ich analizy, opublikowane w czasopiśmie Nature Energy, wykazały, że decydującą rolę odgrywają cyfrowe systemy sterujące urządzeniami energetycznymi.

Zespół przeanalizował dane z ponad 80 punktów pomiarowych rozmieszczonych na terenie kampusu Forschungszentrum Jülich. Okazało się, że charakterystyczne impulsy pojawiały się głównie w budynkach wyposażonych w duże zasilacze UPS. Tam, gdzie takich instalacji nie było, sygnał nie był widoczny w podobnej postaci.

Kolejne pomiary ujawniły, że systemy zarządzania akumulatorami cyklicznie przeprowadzają testy sprawdzające ich kondycję, co chwilowo zwiększa pobór mocy. Co szczególnie istotne, znaczna część urządzeń uruchamia tę procedurę dokładnie w momencie rozpoczęcia każdej minuty.

Jeden zasilacz nie byłby w stanie wywrzeć zauważalnego wpływu na sieć obejmującą cały kontynent. Problem pojawia się jednak wtedy, gdy tysiące podobnych instalacji wykonują tę samą czynność niemal w tej samej chwili - ich pojedynczo nieznaczne impulsy się sumują, tworząc efekt zauważalny nawet w sieci wysokiego napięcia.

Centra danych mogą pogłębiać problem. W Irlandii widać to szczególnie

Analogiczny schemat badacze odnaleźli w sieciach energetycznych na pięciu kontynentach. Regularne, minutowe wahania częstotliwości zarejestrowano między innymi w Europie, Ameryce Północnej, Australii, Korei Południowej oraz Afryce Południowej, co dowodzi, że zjawisko nie jest związane z działaniem jednego konkretnego operatora czy jednego kraju.

Wyjątkowo wymowny okazał się przykład Irlandii. Między 2016 a 2021 rokiem amplituda minutowych spadków częstotliwości zwiększyła się tam czterokrotnie - z około 3 do 12 mHz. Równolegle w tym kraju gwałtownie przybywało centrów danych wyposażonych w rozbudowane systemy zasilania awaryjnego.

W 2022 roku serwerownie odpowiadały za około 18 proc. całkowitego zużycia energii elektrycznej w Irlandii. Ich zasilacze UPS muszą gwarantować nieprzerwaną pracę nawet w razie awarii sieci, dlatego nieustannie kontrolują stan baterii i przeprowadzają procedury diagnostyczne.

Naukowcy zaznaczają, że podobny mechanizm może dotyczyć również innych urządzeń sterowanych elektronicznie, takich jak pompy ciepła, klimatyzatory czy inteligentny sprzęt AGD. Na razie jednak nie ma dowodów, że wpływają one na obserwowane wahania w takim samym stopniu, jak duże instalacje UPS.

Problem może dotyczyć także Polski. Nie oznacza to na szczęście blackoutu

Odkrycie ma znaczenie również dla Polski, ponieważ nasz system elektroenergetyczny pracuje synchronicznie z siecią Europy kontynentalnej. Wahania częstotliwości obejmujące ten wspólny obszar dotyczą więc i naszego kraju, choć naukowcy nie wskazali żadnej konkretnej polskiej instalacji jako źródła tych zakłóceń.

Nie ma jednak podstaw do obaw przed nagłymi przerwami w dostawie prądu wywołanymi samym minutowym impulsem. Zarejestrowane odchylenia są zbyt niewielkie, by realnie zagrażać stabilności całego systemu. Problem ma za to znaczenie dla urządzeń, których zadaniem jest utrzymywanie równowagi między produkcją a zużyciem energii.

Szczególnie mocno odczuwają go elektrownie wodne. Gdy zapotrzebowanie chwilowo rośnie, turbiny nieznacznie zwalniają obroty, a potem znów je przyspieszają. Takie powtarzające się zmiany obciążenia mogą przyspieszać mechaniczne zużycie urządzeń.

Polska także rozwija wielkoskalowe magazynowanie energii, w tym elektrownie szczytowo-pompowe, które pomagają stabilizować pracę systemu. Nowe badanie pokazuje, że wraz z rosnącą liczbą urządzeń sterowanych programowo konieczna staje się lepsza koordynacja ich działania.

Rozwiązanie zagadki okazało się zaskakująco proste

Zdaniem autorów badania nie ma potrzeby wymieniania tysięcy zasilaczy ani przebudowy infrastruktury energetycznej. Wystarczy zmienić logikę działania oprogramowania tak, by urządzenia wykonywały testy w różnych, rozproszonych momentach, zamiast uruchamiać je wszystkie równo na początku minuty.

Można to zrealizować poprzez losowe rozłożenie procedur kontrolnych w czasie lub wprowadzenie niewielkich przesunięć czasowych. Badacze przekazali już swoje wnioski jednemu z producentów, a wdrożona przez niego aktualizacja oprogramowania zlikwidowała sztywną cykliczność impulsów w jednej z badanych instalacji - nie wyeliminowała jednak całkowicie samego mechanizmu skokowego poboru energii.