从数据中心到电网：UPS同步荷电检查引发的频率下陷

数据中心的不间断电源（UPS）和大型电网级电池，每分钟同步检查荷电状态的动作，成了跨国电网周期性频率下陷的主要原因。德国Forschungszentrum Jülich研究员Dirk Witthaut及其团队经过多年调查与计算机建模，找到了这些固定式电池与电网异常之间的联系。

这些电池通过互联网连接，内部时钟几乎完全同步。单台设备检查电量时，造成的扰动在广阔电网上难以察觉；大量设备同时检查，叠加起来的干扰就会显现。

爱尔兰电网提供了验证数据

为了验证UPS是否是主要原因，团队分析了电网运营商提供的数据，在爱尔兰发现了相应证据。当地数据中心耗电已占全国用电的很大一部分，每处设施都配有一批UPS；到2022年，数据中心占爱尔兰电网负荷的18%。

2016年至2021年，爱尔兰电网逐分钟出现的频率下降幅度，从3毫赫兹增至12毫赫兹，增加至原来的4倍；最近，一些下降幅度已超过20毫赫兹。这张50赫兹电网按承受正负200毫赫兹波动设计，运营商更希望将波动限制在100毫赫兹以内。

在这一允许范围内，20毫赫兹本身并不算大，但数据中心不是电网上唯一的负荷。如果其他负荷也使频率下陷，UPS检查荷电状态带来的额外扰动，就可能把电网推向停电条件。

从水轮机共振查到联网时钟

把难题交给Witthaut的是德国最大的输电系统运营商Tennet Germany。多年来，全球电网管理者面对同一种异常：频率每60秒轻微下降，而且跨越国家和大陆，在欧洲、澳大利亚、美国、马来西亚的电网上，下降发生在完全相同的时刻。

频率下降并不罕见，但这种持续而规整的节奏令人不安。电网正常运行需要将频率保持在一定范围，振荡过大，或者运营者因不清楚原因而应对不当，都可能引发停电；即使没有停电，失控的下陷也可能损坏电厂设备，尤其是水轮机。

团队起初怀疑水力发电，因为水电站历来是超低频振荡的主要来源之一。每台水轮机都会振动，振动按谐振频率出现时，可能放大到危险程度，就像歌剧演唱者用嗓音震碎酒杯。

研究人员用斯堪的纳维亚电网的水电站控制系统计算机模型检验假设，确实找到了每分钟出现共振峰值的条件，却解释不了信号为何长期持续。机械共振通常时有时无，电网中的相应信号也应如此，眼前的下降却始终准时出现。

这种钟表般精确的时间规律，使团队转而寻找时钟。他们在Jülich园区安装80多台智能电能质量监测仪，每3秒采样频率、电压、电流和功率，发现连接电池储能系统的变压器，测量值每分钟都会出现峰值，与大电网的节奏相符。

园区的设施包括中压和低压配电线路、变压器、太阳能电池板，以及充当UPS的电池储能系统；高性能计算机系统之外，还有使用小型UPS供电的普通办公电脑。

修改检查时间，设备更新仍是难题

Witthaut及其团队建议，UPS与电网级电池制造商应在检查时间安排中加入随机性，避免所有设备恰在每个整分钟检查荷电状态。这类同步扰动完全可以预防，但存在让现象持续下去的其他设备。

团队在智能烤箱和Raspberry Pi集群中，也检测到了周期性功率波动。修复同样只需软件补丁，现实中却有许多物联网设备没有更新；近期一项研究发现，运行最新固件的物联网设备不到3%。

监管机构可能需要介入要求调整，但只能处理各自管辖的电网，这个全球性问题最终需要全球协调。即使原因已查明，设备引发的问题仍可能持续多年。