Ми звикли до багатьох речей у сучасному житті, але, напевно, жодна з них не є такою важливою, як електричні мережі, які живлять наше життя.

Однак протягом багатьох років ці мережі робили щось дивне.

Кожні 60 секунд вони пульсують – невелика зміна частоти, яка зникає, а потім знову з'являється через 60 секунд.

І це не лише одна електрична мережа. По всьому світу кілька електричних мереж, які фізично ізольовані одна від одної, виявили таку ж поведінку.

Це точно, і це триває, рік за роком, протягом більше десяти років. Ця точність свідчить про те, що це не випадковість, але залишається загадкою.

Тепер вчені вважають, що знайшли відповідь – і вона виявилася досить звичайною.

Кожну хвилину деякі системи безперебійного живлення – резервні системи, які використовуються в лікарнях, дата-центрах та дослідницьких установах – виконують рутинні перевірки акумуляторів, створюючи невеликі, але вимірювальні сплески в електричному попиті. І це відбувається як годинник.

"Навіть безневинні контрольні процедури можуть стати системно важливими, коли багато пристроїв діють узгоджено", – пише команда на чолі з фізиком Дірком Віттаута з Університету Кельна, Німеччина, у статті, опублікованій в Nature Energy.

"Ненавмисна синхронізація може генерувати повторювальну і потенційно посилену коливальну поведінку в масштабних кібер-фізичних енергетичних системах".

Електрична мережа завжди виконує делікатний баланс. У будь-який момент кількість електричної енергії, що виробляється, повинна точно відповідати кількості, що споживається.

У Великій Британії є термін для одного з найяскравіших прикладів цієї проблеми: TV pickup.

Це описує сплеск попиту на електроенергію, коли велика кількість людей одночасно вмикає електричні чайники під час рекламних пауз у телевізійних програмах.

Це стало меншою проблемою, оскільки оператори мережі навчилися передбачати це, але все ще може викликати величезний попит під час національно популярних програм, таких як королівські події та футбольні матчі.

Ці коливання впливають на частоту змінного струму, що протікає через мережу – зазвичай 50 або 60 герц, залежно від того, де ви живете. Коли попит перевищує пропозицію, частота знижується; коли пропозиція перевищує попит, вона підвищується.

Зазвичай ці коливання невеликі та нерегулярні, і оператори мережі постійно працюють, щоб тримати їх під контролем.

Але коливання, яке повторюється з надзвичайною точністю кожні 60 секунд? По всіх електричних мережах на п'яти континентах, які навіть не пов'язані між собою?

Це зовсім інша справа.

Перші натяки на це явище з'явилися ще в 2014 році, коли дослідники в Скандинавії зафіксували незвичайні коливання частоти в електричній мережі.

Такі коливання були пов'язані з гідроелектричними системами, але подібні патерни також можна було знайти в електричних мережах в інших місцях – включаючи континентальну Європу, Великобританію, Австралію та Сполучені Штати.

Коливання були невеликими, але надзвичайно стійкими, повторюючись з надзвичайною точністю в мережах різного розміру та конфігурації, включаючи системи, які фізично ізольовані одна від одної.

Що б не викликало цей загадковий пульс, гідроелектрика не могла пояснити це.

Щоб розібратися, Віттаута та його колеги проаналізували високоякісні вимірювання електрики з будівель на дослідницькому кампусі Фраунгофера в Німеччині.

І тут почалася справжня інтрига – тому що 60-секундний патерн з'явився в чотирьох будівлях, всі з яких містили системи безперебійного живлення. Жодна з будівель, які вони вимірювали без цих систем, не показала такого ж патерну.

Дослідники виявили маленькі сплески струму з акумуляторів з точною періодичністю в одну хвилину. Вони змогли простежити результуючі коливання через електричну систему одного з будівель до з'єднання з публічною високовольтною мережею.

Виробник підтвердив, що винуватцем є рутинні самоперевірки акумуляторів, які проводяться автоматично програмним забезпеченням системи.

Але чому обладнання в різних будівлях, не кажучи вже про різні країни, робить це одночасно?

Відповідь, здається, полягає в годинах. Цифрові пристрої можуть синхронізувати свої внутрішні години за допомогою зовнішніх часових сигналів, що означає, що незалежно працюючі системи можуть виконувати свої заплановані завдання разом.

Окремо ці маленькі перевірки незначні. Але коли достатня кількість пристроїв діє синхронно, їх комбінований електричний попит може створити вимірювальний ефект по всій електричній мережі.

Це пояснення потрібно буде перевірити в інших місцях, щоб підтвердити, що той же механізм працює, але це все ще досить задовільне рішення для дуже дивної загадки – і одне, яке може допомогти інженерам розробити більш стійкі електричні мережі.

На даний момент коливання не становлять негайної загрози для стабільності мережі; за словами дослідників, вони є відносно незначними, зазвичай вимірюючи лише кілька мілігерц в амплітуді.

Але оскільки електричні мережі стають все більш залежними від цифрово контрольованого обладнання, Віттаута та його колеги попереджають, що проблема може зростати.

Системи зберігання акумуляторів, дата-центри та пристрої, підключені до Інтернету, proliferують, потенційно додаючи більше синхронізованих електричних вимог до мережі.

І хоча коливання невеликі, вони можуть бути посилені динамікою самої мережі, що сприяє зносу обладнання, такого як гідроелектричні турбіни.

На щастя, рішення може бути відносно простим, принаймні для великих акумуляторів і резервних систем. Замість того, щоб тисячі пристроїв виконували одне й те саме завдання в один і той же момент, виробники можуть ввести невеликі варіації в свої програмні графіки, запобігаючи накопиченню.

"Наші результати вказують на те, що когерентні кібер-фізичні коливання можуть бути зменшені безпосередньо на їх джерелі шляхом покращення дизайну управління", – пишуть дослідники.

Вони вже зв'язалися з виробником однієї з систем, які вони ідентифікували, і компанія випустила оновлення програмного забезпечення, яке зменшило строгість періодичності перевірок системи.

Отже, загадка вирішена. Тепер ми всі можемо розслабитися і випити чашку чаю. Просто давайте по черзі кип'ятити чайники.