Las perturbaciones coordinadas acechan a las redes en todo el mundo. Así es como los investigadores resolvieron el misterio.

Durante años, misteriosas anomalías eléctricas han desconcertado a los administradores de redes en todo el mundo. Cada 60 segundos, la frecuencia en la red bajaría un poquito.

Aún más extraño: las caídas ocurrieron exactamente al mismo tiempo en las redes eléctricas de todos los países y continentes.

Era un misterio que Dirk Witthaut, investigador del Forschungszentrum Jülich en Alemania, no podía dejar pasar.

El mayor operador de sistemas de transmisión de Alemania, Tennet Alemania, llevó el enigma a Witthaut, y se necesitaron años de trabajo de investigación y modelización para determinar la causa. De Europa a Australia, de Estados Unidos a Malasia, el mismo patrón se muestra en los datos.

Estas caídas de frecuencia no son inauditas, pero son preocupantes. Y la regularidad con la que han estado ocurriendo puede hacer que el fenómeno parezca aún más siniestro.

Equilibrando la red

El funcionamiento ordenado de la red depende de que la frecuencia se mantenga dentro de un rango determinado. Si las oscilaciones son demasiado grandes o si los operadores de la red no conocen la causa y reaccionan de forma inadecuada, pueden provocar apagones. Incluso si las caídas no causan apagones, pueden dañar los equipos de las centrales eléctricas si no se controlan, especialmente en las turbinas hidroeléctricas.

Históricamente, las centrales hidroeléctricas han sido uno de los principales impulsores de las llamadas oscilaciones de frecuencia ultrabaja (UFLO). Cada turbina vibra, y si esas vibraciones ocurren con cierta regularidad, conocida como frecuencia de resonancia, pueden magnificarse, a veces hasta niveles peligrosos. Piense en una copa de vino que se rompe ante las poderosas flautas de un cantante de ópera: eso es resonancia.

Entonces Witthaut y su equipo comenzaron a investigar la energía hidroeléctrica, el culpable potencial más obvio. Utilizaron un modelo informático de un sistema de control de una central hidroeléctrica en la red escandinava para probar la hipótesis.

Si bien lograron encontrar condiciones que pudieran generar una resonancia que alcanzara su punto máximo una vez por minuto, no pudieron explicar por qué persistió durante tanto tiempo. Normalmente, las resonancias en los sistemas mecánicos van y vienen, al igual que la señal que las acompaña en la red eléctrica. Pero esta caída de frecuencia siguió ocurriendo minuto tras minuto tras minuto. Cada 60 segundos, sin falta.

Entonces el equipo se dio cuenta de que cualquier cosa que funcionara con semejante mecanismo de relojería requería, bueno, un reloj. ¿De qué otra manera podrían explicar el extraño momento?

Buscando pistas

Para llegar a esa hipótesis, los investigadores empezaron cerca de casa, instalando más de 80 medidores inteligentes de calidad de la energía en todo el campus de Jülich. El sitio de investigación está equipado con líneas de distribución de media y baja tensión, transformadores, paneles solares y sistemas de almacenamiento de energía en baterías que sirven como fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS). También cuenta con un sistema informático de alto rendimiento, además de los habituales ordenadores de oficina alimentados por dispositivos UPS mucho más pequeños. Los medidores de calidad de la energía tomaron muestras de una variedad de atributos, incluidos frecuencia, voltaje, corriente y potencia, una vez cada tres segundos.

En poco tiempo, el equipo de investigación tuvo su respuesta. Las mediciones registradas en el transformador conectado al sistema de almacenamiento de energía en batería alcanzaron su punto máximo cada minuto, al igual que en las redes eléctricas más grandes.

Resulta que muchas baterías estacionarias, desde UPS de centros de datos hasta baterías de gran escala de red, verifican su estado de carga cada minuto. Dado que estos dispositivos están conectados a Internet, sus relojes están en una sincronía casi perfecta. Cada vez que se controla su carga, la perturbación es imperceptible en la amplia red. Pero cuando todos lo hacen juntos, esa alteración se hace evidente.

Para encontrar pruebas de que los UPS eran los principales culpables de la red, Witthaut y su equipo recurrieron a datos proporcionados por los operadores de la red. Encontraron la respuesta en Irlanda.

Allí, los centros de datos han crecido hasta consumir una gran fracción de la electricidad del país. Para 2022, los centros de datos representarán el 18% de la carga de la red irlandesa y cada instalación contará con una flota de UPS. Efectivamente, entre 2016 y 2021, la caída de frecuencia minuto a minuto en la red irlandesa se cuadruplicó de 3 milihercios (mHz) en 2016 a 12 mHz en 2021. Más recientemente, algunas caídas han superado los 20 mHz.

La red de 50 Hz de Irlanda está construida para soportar oscilaciones de más o menos 200 mHz, aunque el operador de la red preferiría limitar las oscilaciones a 100 mHz. En ese rango, 20 mHz no es mucho, pero los centros de datos no son las únicas cargas en la red. Si otras cargas también hacen que la frecuencia disminuya, el impacto adicional de cada UPS que verifica su estado de carga podría empujar la red hacia condiciones de apagón.

la solución

El problema es totalmente evitable. En lugar de verificar el estado de carga exactamente cada minuto, Witthaus y su equipo recomiendan que los fabricantes de UPS y baterías a escala de red agreguen cierta aleatorización al cronograma.

Si bien los UPS son los causantes del problema hoy en día, existe el riesgo de que el fenómeno persista. Los investigadores también probaron dispositivos IoT. En dispositivos tan diversos como un horno inteligente y grupos de Raspberry Pi, pudieron detectar fluctuaciones periódicas de energía. La solución también es un simple parche de software, pero muchos dispositivos IoT no están parcheados. Un estudio reciente encontró que menos del 3% de los dispositivos IoT ejecutan el firmware más reciente.

Es posible que los reguladores pronto tengan que intervenir para exigir cambios, pero sólo pueden abordar su rincón de la red. Dada la naturaleza global del problema, en última instancia requerirá una coordinación global. El misterio puede resolverse, pero el problema podría persistir durante años.