Bí ẩn sụt tần số lưới điện toàn cầu đã có lời giải

Trong nhiều năm, các nhà quản lý lưới điện trên khắp thế giới đau đầu với một hiện tượng kỳ lạ: cứ đúng 60 giây, tần số lưới lại sụt xuống một chút. Điều đáng ngờ hơn là những lần sụt này diễn ra vào đúng cùng thời điểm trên lưới điện của nhiều quốc gia và châu lục. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Forschungszentrum Jülich (Đức) đã tìm ra nguyên nhân.

Bài toán cân bằng lưới điện

Vận hành lưới điện phụ thuộc vào việc giữ tần số trong một dải nhất định. Nếu dao động (oscillation) quá lớn, hoặc nếu nhà vận hành không biết nguyên nhân và phản ứng sai, có thể dẫn tới mất điện. Ngay cả khi không gây mất điện, những đợt sụt tần số kéo dài cũng có thể làm hỏng thiết bị trong nhà máy điện, đặc biệt là tuabin thủy điện.

Nhà máy thủy điện từ trước tới nay vốn là nguồn gây ra cái gọi là dao động tần số siêu thấp (ultra-low frequency oscillations – UFLO). Mỗi tuabin đều rung, và nếu rung động lặp lại theo một chu kỳ nhất định gọi là tần số cộng hưởng (resonant frequency), biên độ có thể bị khuếch đại tới mức nguy hiểm — giống như chiếc ly thủy tinh vỡ trước giọng ca sĩ opera.

Dirk Witthaut, nhà nghiên cứu tại Forschungszentrum Jülich, đã nhận bài toán này từ Tennet Germany, nhà vận hành hệ thống truyền tải lớn nhất nước Đức. Nhóm của ông dựng mô hình máy tính cho hệ thống điều khiển nhà máy thủy điện trên lưới điện Scandinavia để kiểm chứng giả thuyết. Họ tìm được những điều kiện tạo ra cộng hưởng đỉnh mỗi phút một lần, nhưng không giải thích được vì sao hiện tượng kéo dài dai dẳng đến vậy. Thông thường cộng hưởng trong hệ cơ học sẽ đến rồi đi, và tín hiệu trên lưới điện cũng vậy. Nhưng ở đây, cứ mỗi 60 giây, không sai một nhịp.

Manh mối từ một chiếc đồng hồ

Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng bất cứ thứ gì hoạt động đều đặn như vậy đều cần một chiếc đồng hồ. Họ lắp hơn 80 đồng hồ đo chất lượng điện năng thông minh (smart power quality meter) quanh khuôn viên Jülich — nơi có đường dây phân phối trung và hạ thế, máy biến áp, tấm pin mặt trời, hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin đóng vai trò nguồn điện liên tục (UPS), cùng một hệ thống máy tính hiệu năng cao và các máy tính văn phòng dùng UPS nhỏ hơn. Các đồng hồ lấy mẫu tần số, điện áp, dòng điện và công suất mỗi 3 giây một lần.

Chẳng bao lâu sau, câu trả lời xuất hiện: số đo trên máy biến áp gắn với hệ thống lưu trữ pin đạt đỉnh mỗi phút, giống hệt trên lưới điện lớn.

Nguyên nhân là nhiều loại pin tĩnh — từ UPS trong trung tâm dữ liệu đến pin quy mô lưới điện — kiểm tra trạng thái sạc mỗi phút một lần. Vì các thiết bị này kết nối internet, đồng hồ của chúng gần như đồng bộ tuyệt đối. Mỗi lần một thiết bị kiểm tra sạc, nhiễu loạn trên lưới rộng là không đáng kể. Nhưng khi tất cả cùng làm một lúc, nhiễu loạn trở nên rõ ràng.

Bằng chứng từ Ireland

Để chứng minh UPS là thủ phạm chính, nhóm của Witthaut dùng dữ liệu do các nhà vận hành lưới cung cấp và tìm thấy câu trả lời tại Ireland. Tại đây, các trung tâm dữ liệu đã chiếm một phần lớn điện năng tiêu thụ: đến năm 2022, chúng chiếm 18% phụ tải lưới điện Ireland, và mỗi cơ sở đều có một đội UPS phục vụ.

Đúng như dự đoán, giai đoạn 2016–2021, mức sụt tần số mỗi phút trên lưới Ireland tăng gấp bốn lần, từ 3 milli-Hertz (mHz) năm 2016 lên 12 mHz năm 2021. Gần đây, một số đợt sụt đã vượt 20 mHz.

Lưới điện 50 Hz của Ireland được thiết kế chịu được dao động ±200 mHz, dù nhà vận hành muốn giới hạn ở 100 mHz. Trong dải đó, 20 mHz không phải con số lớn, nhưng trung tâm dữ liệu không phải phụ tải duy nhất trên lưới. Nếu các phụ tải khác cũng gây sụt tần số, phần cộng thêm từ mỗi UPS kiểm tra trạng thái sạc có thể đẩy lưới tới ngưỡng mất điện.

Cách khắc phục

Vấn đề hoàn toàn có thể phòng ngừa. Thay vì kiểm tra trạng thái sạc đúng vào phút tròn, nhóm nghiên cứu khuyến nghị các nhà sản xuất UPS và pin quy mô lưới thêm yếu tố ngẫu nhiên hóa (randomization) vào lịch kiểm tra.

Dù UPS là nguyên nhân hiện tại, nguy cơ vẫn còn. Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm các thiết bị IoT — từ lò nướng thông minh đến cụm Raspberry Pi — và phát hiện dao động điện năng có chu kỳ. Cách sửa cũng chỉ là một bản vá phần mềm đơn giản, nhưng nhiều thiết bị IoT không được cập nhật. Một nghiên cứu gần đây cho thấy chưa tới 3% thiết bị IoT chạy firmware mới nhất.

Các cơ quan quản lý có thể sẽ phải vào cuộc để yêu cầu thay đổi, nhưng họ chỉ xử lý được phần lưới điện của mình. Vì vấn đề mang tính toàn cầu, cuối cùng vẫn cần sự phối hợp ở quy mô quốc tế. Bí ẩn đã được giải, nhưng vấn đề có thể còn tồn tại nhiều năm.

Góc nhìn

Với các kỹ sư và doanh nghiệp Việt Nam, câu chuyện này là lời nhắc về cái giá của việc đồng bộ hóa quá mức. Khi mọi thiết bị đều lấy giờ từ cùng một nguồn internet và chạy tác vụ theo cùng một nhịp, hiệu ứng cộng dồn có thể xuất hiện ở quy mô hệ thống — dù mỗi thiết bị riêng lẻ gần như không gây ảnh hưởng. Những đội vận hành trung tâm dữ liệu, hệ thống UPS hay các cụm thiết bị IoT nên cân nhắc thêm độ trễ ngẫu nhiên vào các tác vụ định kỳ như kiểm tra sạc, đồng bộ dữ liệu hay gọi API.

Đây cũng là ví dụ cho thấy bài toán phần mềm và bài toán hạ tầng điện ngày càng gắn chặt. Một dòng code đặt lịch chạy mỗi phút, nhân lên hàng nghìn thiết bị, có thể trở thành vấn đề của cả lưới điện. Với các kỹ sư phần mềm, việc chủ động cập nhật firmware và thiết kế hệ thống chịu được sai lệch thời gian không còn là chi tiết nhỏ.