شبکه های برق در 5 قاره هر 60 ثانیه پالس یا ضربانی دارند؛ دانشمندان پایان دلیل را کشف کردند
به گزارش مجله آراد، شبکه های برق در 5 قاره هر 60 ثانیه پالس می زنند و دانشمندان خاتمه پس از سال ها پژوهش توانستند پرده از این راز بردارند. ثبت نوسان های ریز و منظم در فرکانس خطوط انتقال نیرو که بیش از یک دهه مهندسان سیستم های قدرت را سردرگم نموده بود، پیوندی با خطای انسانی یا نقص فنی ژنراتورها ندارد.
شبکه برق جهانی به تعادل دائمی و بسیار ظریف میان فراوری و مصرف انرژی متکی است. هر زمان بار مصرفی در یک لحظه از توان خروجی توربین ها فراتر رود، فرکانس برق متناوب افت می نماید و با سبک شدن بار شبکه این فرکانس بالا می رود. نوسان های عادی فرکانس در طول شبانه روز روندی کاملاً تصادفی دارند؛ با این حال، تکرار مو به موی یک افت در راس هر 60 ثانیه آن هم در شبکه هایی مستقل که هزاران کیلومتر دور از هم قرار دارند، یک معمای علمی غریب پدید آورده بود.
مختصر و مفید: علت تپش منظم 60 ثانیه ای شبکه برق در 5 قاره چیست؟
علت این پالس دوره ای، همگام سازی ناخواسته ساعت های دیجیتال در دستگاه های برق اضطراری یا یو پی اس است. این تجهیزات در دیتاسنترها و بیمارستان ها زمان داخلی خود را با سرورهای اینترنتی هماهنگ می نمایند. نرم افزار پایش آن ها در ثانیه صفر هر دقیقه، آزمایشی اتوماتیک برای سنجش سلامت باتری انجام می دهد. همزمانی این تقاضای کوچک در هزاران سامانه مجزا، ضربه ای انباشته به خطوط توزیع وارد می نماید و سبب افت دوره ای بسامد شبکه می گردد.
نشانه های آغازین این رفتار عجیب سال 2014 در کشورهای حوزه اسکاندیناوی دیده شد؛ حسگرهای حساس فرکانس متوجه امواج خفیف اما فوق العاده منظمی شدند که هر یک دقیقه یک بار پدیدار می شدند. متخصصان در آغاز تصور می کردند کنترل نماینده های هیدرولیکی در نیروگاه های برق آبی عامل این تپش ها هستند. اما آنالیز های گسترده تر نشان داد خطوط برق در بریتانیا، اروپای قاره ای، آمریکا و استرالیا نیز دقیقاً با همین ضرب آهنگ 60 ثانیه ای نوسان می نمایند. سیستم هایی کاملاً جدا از یکدیگر که هیچ کابل یا هاب مشترکی نداشتند، رفتاری هماهنگ از خود نشان می دادند.
گروهی از دانشمندان فیزیک به سرپرستی درک ویتهاوت (Dirk Witthaut) در دانشگاه کلن آلمان، با ابزارهای داده برداری پرسرعت به پایش ساختمان های مرکز تحقیقات یولیش (Forschungszentrum Jülich) پرداختند. نتیجه آنالیز بسیار معنادار بود؛ ضربان 60 ثانیه ای تنها در چهار ساختمانی دیده شد که از سامانه های تغذیه بدون وقفه (UPS) استفاده می کردند و در سایر ساختمان ها هیچ موجی ثبت نشد. ردیابی مسیر موج ها ثابت کرد نرم افزار این دستگاه ها در ثانیه صفر هر دقیقه، آزمایشی روی باتری انجام می دهد و جهش بار الکتریکی حاصل از آن، راهی شبکه برق سراسری می گردد.
پدیده هجوم به کتری های برقی در بریتانیا چگونه توازن شبکه را برهم می زند؟
تغییر ناگهانی مصرف برق اتفاق تازه ای در مهندسی شبکه نیست؛ بریتانیا از دهه ها قبل با چالشی به نام پیک تلویزیونی (TV pickup) آشنایی دارد. با به سرانجام رسیدن یک مسابقه فوتبال سرنوشت ساز یا پخش آگهی بازرگانی در سریال های پربیننده، ناگهان میلیون ها بریتانیایی هم زمان کتری های برقی پرمصرف خود را روشن می نمایند تا چای درست نمایند.
روشن شدن هم زمان این المنت های پرمصرف، تقاضای توان را در عرض چند ده ثانیه چند هزار مگاوات بالا می برد. اپراتورهای کنترل برای مهار این هجوم مصرفی ناچارند واحدهای برق آبی تلمبه ذخیره ای را به خط بیاورند تا با رهاسازی پرشتاب آب، ژنراتورها فوراً افت بسامد را خنثی نمایند. تفاوت شاخص اینجاست که مصرف کتری های برقی از رفتار نامنظم انسان ریشه می گیرد و الگوی تکرارشونده و میلی ثانیه ای ندارد، در حالی که پالس های 60 ثانیه ای با دقتی کاملاً ماشینی در راس هر دقیقه ثبت می شوند.
| شاخص مقایسه | پیک تلویزیونی بریتانیا (TV Pickup) | تپش 60 ثانیه ای دستگاه های یو پی اس |
|---|---|---|
| منشأ ایجاد بار | رفتار جمعی انسان ها (روشن کردن کتری) | اجرای کد نرم افزاری پایش اتوماتیک باتری |
| دقت و الگوی زمانی | پدیده ای مقطعی و تابع رخدادهای تلویزیونی | کاملاً متناوب در ثانیه صفر هر دقیقه |
| دامنه جهش توان | بسیار بزرگ (صدها تا هزاران مگاوات) | در سطح هر دستگاه ناچیز، اما دارای اثر تجمعی |
| گستره جغرافیایی | منطقه ای و درون مرزهای یک کشور | جهانی در شبکه های جداگانه 5 قاره |
همگام سازی ساعت های دیجیتال چگونه نوسان انفرادی را به ضربان جمعی تبدیل می نماید؟
علت همزمانی این رفتار میان تجهیزاتی در قاره های دوردست، اتصال ساعت های دیجیتال به استانداردهای زمان جهانی است. سامانه های برق بدون وقفه در بیمارستان ها، سرورها و آزمایشگاه ها، ساعت درونی خود را بر اساس زمان هماهنگ جهانی به وسیله سرورهای پروتکل زمان شبکه (NTP) یا موقعیت یاب های جهانی تنظیم می نمایند.
وقتی توسعه دهنده یک سامانه، کد آنالیز اتوماتیک باتری را روی آغاز هر دقیقه تنظیم می نماید، همه دستگاه های آن کارخانه در سرتاسر زمین این دستور را درست در همان صدم ثانیه اجرا می نمایند. جریان برداشتی یک باتری به تنهایی ناچیز است و تغییری در خطوط فشار قوی ایجاد نمی نماید.
تجمع این تقاضاهای کوچک اما هم زمان، به شکل شوکی واحد به شبکه وارد می گردد. اثر جمعی هزاران دستگاه یو پی اس سبب می گردد افت فرکانسی در ابعاد چند میلی هرتز در کل شبکه توزیع به راه بیفتد و مانند یک موج لرزه ای در سرتاسر قاره حرکت کند.
خطرات پنهان همزمانی سایبری در تجهیزات نوین الکتریکی چیست؟
افت فرکانس چند میلی هرتزی حاصل از این تجهیزات در حال حاضر شبکه برق را تهدید به خاموشی کامل نمی نماید. اما نگرانی کارشناسان به توسعه پرسرعت فناوری های نو مربوط است؛ جایی که شبکه های هوشمند، باتری های بزرگ صنعتی و ایستگاه های شارژ خودروهای برقی به سرعت وارد مدار می شوند.
اگر کدهای نرم افزاری میلیون ها خودروی برقی به شکلی نوشته شده باشند که با تغییر تعرفه در یک ثانیه تعیین شارژ را آغاز نمایند، بار عظیمی وارد خطوط خواهد شد. این تلاقی هماهنگ دنیای دیجیتال و دنیای فیزیکی می تواند رله های محافظتی را به اشتباه بیندازد و پایداری شبکه را مختل کند.
این نوسان های مکانیکی و مداوم فرکانس، تنش های چرخشی در تجهیزات دوار نیروگاه ها به بار می آورند. وقتی ژنراتورهای سنگین یا توربین های چند تنی بخار و آب ناچار شوند پیوسته در برابر امواج ضربانی واکنش نشان دهند، یاتاقان ها و شفت های متحرک با استهلاک زودرس و آسیب ساختاری روبه رو می شوند.
راه حل شرکت های صنعتی برای حذف ضربان اتوماتیک باتری ها چیست؟
رفع کردن این لرزش منظم به هیچ وجه نیازمند صرف هزینه های سنگین یا دستکاری سخت افزارها نیست. کارشناسان نشان دادند تنها راهکار، تغییر شیوه زمان بندی در نرم افزارهای کنترل است تا مانع از همپوشانی فرمان ها در یک لحظه شوند.
مهندسان به جای اینکه تمام سیستم ها را موظف به آغاز آنالیز باتری در ثانیه صفر نمایند، می توانند یک بازه زمانی تصادفی به الگوریتم بیفزایند. با ایجاد این چند ثانیه تاخیر پراکنده، تقاضای الکتریکی سیستم ها در طول زمان پخش می گردد و بار ضربانی به کلی از بین می رود.
پژوهشگران پس از ردیابی ریشه مسئله در مرکز یولیش، اطلاعات را در اختیار شرکت سازنده سامانه های برق اضطراری قرار دادند. این شرکت با فرستادن یک به روزرسانی نرم افزاری، ریتم صلب آنالیز ها را تغییر داد تا خطوط برق از این شوک دوره ای رها شوند.
ماجرای کابل اقیانوس اطلس و اشتباه مهندسی که مسافت را با قدرت اشتباه گرفت
در تاریخ زیرساخت های مهندسی، این نخستین بار نیست که هماهنگی کورکورانه کدهای فنی، شبکه های بزرگ را در هاله ای از معما فرو می برد. در میانه های قرن نوزدهم، هنگامی که بشر برای نخستین بار در سال 1858 تصمیم گرفت با کابل تلگراف را از بستر اقیانوس اطلس بگذارند و لندن را به نیویورک پیوند بزند، فاجعه ای مشابه رخ داد؛ نه به خاطر قطع شدن فیزیکی سیم ها، بلکه به علت نافرمانی پدیده ای ناشناخته در فیزیک الکتریسیته. وایت هاوس (Wildman Whitehouse)، پزشک انگلیسی که شیفته برق شده بود و سمت سرسرپرست الکتریکی پروژه را برعهده داشت، تصوری مکانیکی و خام دستانه از جریان الکتریکی داشت. او می پنداشت سیگنال تلگراف برای پیمودن چهار هزار کیلومتر در کف اقیانوس، نیازمند ولتاژهای مهیب است؛ بنابراین ژنراتورهای عظیمی به خط کرد و هزاران ولت برق به کابل تزریق نمود.
اما کابل تلگراف در اعماق اقیانوس، دیگر یک تکه سیم مسی ساده روی هوا نبود. در زیر آب، آرایشی ناخواسته شکل گرفت که سازوکار مدار را به کلی دگرگون کرد: سیم رسانای داخل کابل، لایه صمغی عایق (گوتاپرکا) روی آن و آب شور دریا در نقش رسانای دوم، روی هم رفته یک خازن بسیار بزرگ به طول 4 هزار کیلومتر پدید آورده بودند.
در فیزیک برق، خازن بار الکتریکی را در خود ذخیره می نماید و این یعنی سیگنال تلگراف نمی توانست آزادانه با سرعت از سیم بگذرد. بخشی از بار الکتریکی به جای پیش روی، در بدنه کابل گیر می افتاد و با تأخیر رها می شد؛ درست مثل شلنگ بسیار بلندی که ابتدا باید از آب پر و متورم گردد تا جریان از انتهای آن بیرون بریزد. نتیجه فاجعه بار بود: ضربه های دقیق و شنماینده کد مورس در طول مسیر کش می آمدند، امواج متوالی روی همدیگر می افتادند و پیغام ها در مقصد به خطوطی مبهم، درهم رفته و ناخوانا بدل می شدند.
وایت هاوس به جای فهمیدن این رفتار خازنی و اثر مقاومتِ محیط بر زمانِ تخلیه بار، تصور می کرد ضعف سیگنال ناشی از کمبود قدرت است؛ بنابراین با لجاجت ولتاژ را باز هم بالاتر برد-تا جایی که کابل را به ژنراتورهایی با ولتاژ دو هزار ولت متصل کرد. عایق ضعیف کابل تاب این فشار مهیب الکتریکی را نیاورد؛ صمغ محافظ سوراخ شد، جرقه زد و پس از رد و بدل شدن تنها چند صد پیغام نامفهوم، کل پروژه میلیاردی آن موقع در خاموشی مطلق فرو رفت.
تاریخ مهندسی پر از همین غافلگیری هاست؛ لحظاتی که یادمان می رود مقیاس های بسیار بزرگ، منطق مدارهای ساده آزمایشگاهی را به هم می ریزند و اتصالِ زنجیره ای هزاران قطعه ریز و آرام، ناگهان سامانه ای سرکش و پیش بینی ناپذیر پدید می آورد.
منبع: Nature Energy
منبع: یک پزشک