协调扰动困扰着全世界的电网。以下是研究人员如何解开这个谜团的。

多年来，神秘的电力异常一直困扰着世界各地的电网管理者。每60秒，电网的频率就会下降一点点。更奇怪的是：各个国家和各大洲的电网几乎同时发生了电压骤降。这是德国于利希研究中心的研究员 Dirk Witthaut 无法忽视的一个谜。德国最大的传输系统运营商 Tennet 德国将这个难题带到了 Witthaut，经过多年的调查和建模工作才确定了原因。从欧洲到澳大利亚，从美国到马来西亚，数据中也出现了同样的模式。这种频率下降并非闻所未闻，但令人不安。而且它们发生的规律性会让这种现象感觉更加不祥。平衡电网 电网的有序运行依赖于频率保持在一定范围内。如果振荡变得太大，或者如果电网运营商不知道原因并且响应不当，则可能导致停电。即使电压骤降不会导致停电，如果不加以控制，也会损坏发电厂的设备，尤其是水力发电涡轮机。水力发电厂历来是所谓超低频振荡（UFLO）的主要驱动因素。每个涡轮机都会振动，如果这些振动以一定的规律性（称为共振频率）发生，它们就会放大，有时会放大到危险的水平。想象一下酒杯在歌剧歌手强大的笛子前破碎——这就是共鸣。因此，Witthaut 和他的团队开始调查水力发电，这是最明显的潜在罪魁祸首。他们使用斯堪的纳维亚电网上的水电站控制系统的计算机模型来检验这一假设。虽然他们设法找到了可以产生每分钟达到峰值一次的共振的条件，但他们无法解释为什么它会持续这么长时间。通常，机械系统中的共振会出现和消失，电网上的伴随信号也会出现和消失。但这种频率下降一分钟又一分钟地持续发生。每 60 秒一次，无间断。然后团队意识到，任何使用这种发条装置运行的东西都需要一个时钟。他们还能如何解释这个离奇的时机呢？寻找线索 为了实现这一假设，研究人员从家附近开始，在于利希园区周围安装了 80 多个智能电能质量表。该研究基地配备了中低压配电线路、变压器、太阳能电池板和用作不间断电源（UPS）的电池储能系统。它还拥有高性能计算机系统以及由小型 UPS 设备供电的普通办公计算机。电能质量计每三秒采样一次一系列属性，包括频率、电压、电流和功率。不久之后，研究小组就得到了答案。连接到电池储能系统的变压器上记录的测量结果每分钟达到峰值，就像在更大的电网上一样。事实证明，从数据中心 UPS 到大型电网规模的电池，许多固定电池每分钟都会检查其充电状态。由于这些设备已连接互联网，因此它们的时钟近乎完美同步。每次检查其电量时，宽电网上的干扰是难以察觉的。但当他们一起做时，这种破坏就变得显而易见。为了找到 UPS 是电网罪魁祸首的证据，Witthaut 和他的团队求助于电网运营商提供的数据。他们在爱尔兰找到了答案。在那里，数据中心的发展消耗了该国大部分电力。到 2022 年，数据中心将占爱尔兰电网负载的 18%，每个设施都由一组 UPS 提供服务。果然，在 2016 年至 2021 年间，爱尔兰电网的每分钟频率降幅从 2016 年的 3 毫赫兹 (mHz) 翻了两番，到 2021 年的 12 mHz。最近，一些降幅已超过 20 mHz。爱尔兰的 50 Hz 电网能够承受正负 200 mHz 的波动，但电网运营商宁愿将波动限制在 100 mHz。在这个范围内，20 mHz 并不是很多，但数据中心并不是电网上的唯一负载。如果其他负载也导致频率下降，则每个 UPS 检查其充电状态的额外冲击可能会将电网推向停电状况。解决方案 这个问题是完全可以预防的。 Witthaus 和团队建议 UPS 和电网规模的电池制造商在时间表中添加一些随机性，而不是精确地每分钟检查充电状态。虽然目前 UPS 正在解决这个问题，但这种现象可能会持续存在。研究人员还测试了物联网设备。在智能烤箱和 Raspberry Pi 集群等各种设备中，他们能够检测周期性的功率波动。该修复也是一个简单的软件补丁，但许多物联网设备都没有打补丁。最近的一项研究发现，较少