Phát hiện dao động 1 phút bí ẩn trên lưới điện toàn cầu: Lỗi đến từ phần mềm đồng bộ đồng hồ

Lưới điện thế giới đang âm thầm "nhịp theo" một chu kỳ đều đặn đến khó tin: cứ mỗi phút, tần số lại dao động theo cùng một kiểu. Điều đáng nói là nguyên nhân không nằm ở turbine hay máy phát, mà ở phần mềm.

Một nhóm nghiên cứu tại Forschungszentrum Jülich (Đức) đã phân tích dữ liệu tần số lưới điện từ 12 hệ thống trên khắp năm châu lục, và phát hiện một đỉnh phổ cực hẹp xuất hiện ở chu kỳ chính xác 1 phút. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature Energy, hé lộ một loại rủi ro hệ thống mới của kỷ nguyên số hóa năng lượng.

Một tín hiệu lạ xuất hiện ở mọi nơi

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích Fourier trên chuỗi thời gian tần số lưới điện của các hệ thống trải dài từ Iceland – nơi chỉ có khoảng 400.000 khách hàng – cho đến khu vực đồng bộ châu Âu lục địa với hơn 400 triệu khách hàng.

Phổ Fourier của tần số lưới điện tại 12 hệ thống trên các châu lục khác nhau

Kết quả cho thấy tín hiệu 1 phút xuất hiện rõ nét ở các lưới điện lớn như châu Âu lục địa, Anh, Scandinavia, Bắc Mỹ và Australia. Thậm chí, nó vẫn hiện diện – dù yếu hơn – tại các hệ thống nhỏ hơn như Malaysia, Hàn Quốc, Nam Phi, hay các đảo như Mallorca, Ireland và Iceland.

Điều khiến giới nghiên cứu bối rối là độ hẹp của đỉnh phổ. Một tín hiệu có phổ hẹp đến vậy chỉ có thể đến từ một quá trình được định thời chính xác và giữ pha ổn định trong nhiều năm. Điều này khó có thể giải thích bằng các chế độ dao động nội tại của hệ thống điện – vốn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố ngẫu nhiên – mà thay vào đó, nó chỉ ra một nguồn đồng bộ bên ngoài ổn định: đồng hồ thời gian thực.

Thủ phạm: tự kiểm tra định kỳ trong UPS

Nhóm nghiên cứu đã truy ngược tín hiệu bằng cách đo đạc tại lưới phân phối trong khuôn viên Forschungszentrum Jülich, nơi có hơn 80 đồng hồ đo chất lượng điện năng thông minh được triển khai.

Kết quả rất rõ ràng: chỉ những tòa nhà có lắp đặt UPS dùng pin mới xuất hiện mô hình 1 phút trong phụ tải điện. Những tòa nhà không có UPS hoàn toàn không cho thấy dấu hiệu này.

Phổ Fourier của chuỗi thời gian công suất tác dụng tại một số đồng hồ đo trong tòa nhà

Truy sâu hơn vào một hệ thống UPS cụ thể, nhóm nghiên cứu ghi nhận các xung dòng điện hẹp lặp lại mỗi phút một lần ở phía DC của pin. Chính nhà sản xuất sau đó đã xác nhận: đây là các quy trình tự kiểm tra định kỳ (self-test) do hệ thống quản lý pin (EMS) thực thi theo lịch.

Điều đáng chú ý là các xung này không chỉ khu trú trong tòa nhà. Chúng lan truyền qua nhiều máy biến áp, qua thanh cái, và cuối cùng tới tận điểm kết nối với lưới cao thế 110 kV. Nói cách khác, một dòng lệnh phần mềm trong phòng máy chủ có thể tạo ra dấu vết trên lưới điện quốc gia.

Vai trò của giao thức đồng bộ thời gian NTP

Khi đo đạc với NTP được bật và tắt, nhóm nghiên cứu phát hiện một chi tiết quan trọng: khi NTP bị vô hiệu hóa, các dấu hiệu tự kiểm tra của UPS trôi dần so với giờ UTC. Khi bật NTP, chúng được "khóa pha" rất mạnh – lệch tới khoảng 6 giây mỗi ngày, nhưng không trôi liên tục mà bị dịch đột ngột vào lúc 00:00 UTC mỗi đêm.

Đây chính là cơ chế khiến hàng nghìn thiết bị trên khắp thế giới cùng "hành động" vào một thời điểm: đồng hồ hệ thống được đồng bộ qua NTP, và các quy trình phần mềm định kỳ chạy theo đồng hồ đó.

Hệ quả vận hành đã thành hiện thực

Dao động 1 phút chưa ở mức nguy hiểm, nhưng đã gây ra những tác động vận hành thực tế.

Tại lưới điện Scandinavia, biên độ tín hiệu thường xuyên vượt 10 mHz trong giai đoạn 2015–2023, gây mài mòn turbine thủy điện – vốn đảm nhận vai trò điều tần sơ cấp. Hệ quả là các nhà vận hành truyền tải đã phải sửa đổi yêu cầu dự phòng điều tần vào năm 2023, bổ sung bài kiểm tra sóng sin trong dải 10–300 giây cùng yêu cầu giảm chấn nghiêm ngặt hơn. Sau đó, các biên độ trên 10 mHz không còn được ghi nhận vào năm 2025.

Tại Ireland – nơi các trung tâm dữ liệu chiếm khoảng 18% nhu cầu điện quốc gia vào năm 2022 – biên độ mức sụt tần số theo phút đã tăng từ khoảng 3 mHz lên 12 mHz trong giai đoạn 2016–2021, có thời điểm vượt 20 mHz.

"Điều này cho thấy các dao động không–vật lý phối hợp có thể xuất hiện qua cả tương tác trong lưới vật lý lẫn các kết nối số." – nhóm tác giả nhận định.

Xu hướng tương lai càng làm trầm trọng thêm

Nghiên cứu chỉ ra hai xu hướng đang đẩy vấn đề đi xa hơn:

• Sự bùng nổ thiết bị điều khiển số: dung lượng pin lưu trữ tại châu Âu tăng mạnh, các trung tâm dữ liệu với hệ thống UPS quy mô lớn chiếm tỷ trọng điện năng ngày càng cao, và thiết bị IoT lan rộng khắp các hộ gia đình.
• Suy giảm quán tính hệ thống: khi các nhà máy nhiệt điện đồng bộ truyền thống được thay bằng nguồn tái tạo qua bộ biến đổi, lưới điện trở nên "nhạy" hơn với mọi mất cân bằng công suất. Tại Mallorca, việc một nhà máy than lớn ngừng vận hành thường xuyên vào cuối năm 2019 đi kèm với mức tăng biên độ tín hiệu 1 phút khoảng 50%.

Nhóm nghiên cứu thậm chí đã quan sát thấy các dấu vết công suất định kỳ tương tự trên lò nướng thông minh và các cụm Raspberry Pi đồng bộ.

Giải pháp: sửa từ gốc, không chỉ chặn phần ngọn

Có hai hướng xử lý được đề xuất:

Biện pháp cấp hệ thống như siết chặt yêu cầu điều tần sơ cấp đã phát huy hiệu quả, thể hiện rõ tại Scandinavia và Australia. Tuy nhiên, cách này chỉ giảm phản ứng tần số chứ không xử lý nguồn gốc của dao động.

Biện pháp can thiệp vào thiết kế điều khiển mới là hướng giải quyết tận gốc. Các quy trình nội bộ nên tránh việc nhiều thiết bị cùng điều chỉnh công suất một lúc, bằng cách áp dụng lập lịch ngẫu nhiên hóa, độ lệch thích ứng, hoặc thực thi theo sự kiện thay vì theo thời gian cứng. Điều này hoàn toàn khả thi với pin quy mô lớn và UPS, nơi phần mềm có thể cập nhật tập trung.

Thực tế, sau khi nhóm nghiên cứu liên hệ, nhà sản xuất UPS đã phát hành bản cập nhật phần mềm loại bỏ tính chu kỳ tuyệt đối của các xung dòng điện – dù quy trình tự kiểm tra vẫn diễn ra vào các thời điểm rời rạc, nên nguyên nhân gốc mới chỉ được xử lý một phần.

Góc nhìn cho Việt Nam

Câu chuyện này mang hàm ý trực tiếp với các hệ thống điện đang chuyển dịch nhanh như Việt Nam. Khi tỷ trọng điện mặt trời và điện gió tăng, quán tính hệ thống giảm, đồng nghĩa lưới điện sẽ nhạy cảm hơn với các dao động công suất phối hợp – dù nhỏ.

Đồng thời, sự phát triển của các trung tâm dữ liệu tại TP.HCM, Hà Nội và các khu công nghiệp công nghệ cao sẽ mang theo hàng loạt hệ thống UPS và pin lưu trữ được đồng bộ thời gian qua NTP. Việc tính đến các rủi ro không–vật lý (cyber–physical) trong quy hoạch và tiêu chuẩn kỹ thuật ngay từ đầu sẽ giúp tránh phải xử lý hậu quả về sau.

Nghiên cứu cũng là lời nhắc rằng trong lưới điện hiện đại, độ ổn định không còn chỉ phụ thuộc vào hạ tầng vật lý mà còn vào logic phần mềm, thời điểm thực thi và sự đồng bộ thời gian – những yếu tố kỹ thuật số tưởng chừng vô hại nhưng có thể tạo ra hiệu ứng tập thể ở quy mô toàn hệ thống.