Elektrik Şebekelerinde Her 60 Saniyede Bir Yaşanan Gizemli Dalgalanmanın Nedeni Bulundu

Dünya genelindeki elektrik şebekelerinde her 60 saniyede bir meydana gelen frekans düşüşlerinin kaynağı, yıllar süren araştırmaların ardından belirlendi. Almanya’daki Forschungszentrum Jülich araştırmacıları, veri merkezlerinde kullanılan kesintisiz güç kaynaklarının eş zamanlı batarya kontrollerinin elektrik şebekelerinde düzenli dalgalanmalar oluşturduğunu tespit etti. Bilim insanları, küresel ölçekte gözlemlenen sorunun yazılım değişiklikleriyle giderilebileceğini ancak yaygın çözüm için uluslararası koordinasyon gerektiğini açıkladı.

Elektrik Şebekelerindeki Frekans Düşüşleri Yıllarca Açıklanamadı

Almanya’nın büyük elektrik iletim sistemi operatörlerinden Tennet Germany, farklı ülkelerdeki elektrik şebekelerinde gözlemlenen olağan dışı frekans değişimlerini araştırması için fizikçi Dirk Witthaut’a başvurdu. Şebeke verilerinde her dakika aynı anda ortaya çıkan küçük düşüşler, başlangıçta bilinen elektrik üretim ve tüketim davranışlarıyla açıklanamadı.

Araştırmacılar, Avrupa, Avustralya, ABD ve Malezya’daki elektrik sistemlerinde benzer örüntüler bulunduğunu belirledi. Birbirinden bağımsız çalışan şebekelerde aynı zaman aralığında tekrarlanan dalgalanmalar, sorunun belirli bir ülkenin enerji altyapısından kaynaklanmadığını gösterdi.

Elektrik şebekelerinin kararlı çalışması, sistem frekansının belirli sınırlar içinde tutulmasına bağlı bulunuyor. Frekansın aşırı düşmesi veya yükselmesi, elektrik üretimi ile tüketimi arasındaki dengenin bozulduğunu gösterebiliyor. Kontrol edilemeyen salınımlar, bazı koşullarda elektrik kesintilerine neden olabildiği gibi santrallerdeki ekipmanların zarar görmesine de yol açabiliyor.

Forschungszentrum Jülich ekibi, ilk aşamada hidroelektrik santrallerinin şebeke frekansı üzerindeki etkilerine odaklandı. Hidroelektrik türbinlerinde oluşan mekanik titreşimler, belirli koşullarda rezonansa girerek elektrik sistemine yansıyabiliyor. Ultra düşük frekanslı salınımlar olarak tanımlanan bu durum, özellikle titreşimlerin büyümesi hâlinde türbinler açısından risk oluşturabiliyor.

Bilim insanları, İskandinav elektrik şebekesindeki bir hidroelektrik santralinin kontrol sistemini bilgisayar ortamında modelledi. Simülasyonlar, belirli koşullarda dakikada bir kez tekrarlanan rezonans oluşturulabildiğini gösterdi. Ancak model, gerçek şebekelerde gözlemlenen frekans düşüşlerinin neden uzun süre boyunca kesintisiz devam ettiğini açıklayamadı.

Mekanik sistemlerdeki rezonans olayları genellikle belirli koşullar altında ortaya çıkıyor ve zaman içinde ortadan kalkıyor. İncelenen elektrik şebekelerinde ise dalgalanmaların her 60 saniyede bir aynı düzenle tekrarlanması, araştırmacıları zamanlayıcı kullanan elektronik cihazlara yönlendirdi.

Veri Merkezlerindeki UPS Sistemleri Sorunun Kaynağı Çıktı

Araştırma ekibi, Jülich yerleşkesinin farklı noktalarına 80’den fazla akıllı elektrik kalitesi ölçüm cihazı yerleştirdi. Yerleşkede orta ve alçak gerilim dağıtım hatları, transformatörler, güneş panelleri, batarya enerji depolama sistemleri ve yüksek performanslı bilgisayar altyapısı bulunuyordu. Ölçüm cihazları, elektrik frekansı, gerilim, akım ve güç değerlerini üç saniyelik aralıklarla kaydetti.

Toplanan veriler, batarya enerji depolama sistemine bağlı transformatörde her dakika düzenli bir değişim yaşandığını ortaya koydu. Araştırmacılar, aynı örüntünün geniş elektrik şebekelerinde görülen frekans dalgalanmalarıyla örtüştüğünü belirledi.

Sorunun temelinde, kesintisiz güç kaynaklarının (UPS) ve büyük ölçekli batarya sistemlerinin şarj durumlarını belirli aralıklarla kontrol etmesi bulunuyor. Çok sayıda cihaz, bataryalarının doluluk seviyesini tam olarak her 60 saniyede bir ölçüyor. İnternet bağlantılı sistemlerin saatleri birbirleriyle yüksek doğrulukta eşitlendiği için kontroller aynı anda gerçekleşiyor.

Tek bir cihazın oluşturduğu elektriksel değişim şebeke üzerinde belirgin bir etki yaratmıyor. Ancak binlerce cihazın aynı saniyede kontrol gerçekleştirmesi, toplam elektrik tüketiminde ölçülebilir bir değişime neden oluyor. Bu eş zamanlı hareket, geniş ölçekli elektrik sistemlerinde düzenli frekans düşüşleri olarak kaydediliyor.

Araştırmacılar, bulgularını doğrulamak amacıyla elektrik şebekesi operatörlerinin geçmiş kayıtlarını inceledi. İrlanda, veri merkezlerinin ülkenin toplam elektrik tüketimindeki yüksek payı nedeniyle araştırmanın önemli örneklerinden biri oldu.

İrlanda’da veri merkezleri, 2022 yılı itibarıyla ülkenin elektrik yükünün yüzde 18’ini oluşturuyordu. Bu tesislerde kullanılan çok sayıdaki kesintisiz güç kaynağı, batarya kontrollerinin şebeke üzerindeki toplu etkisini incelemek için uygun bir veri ortamı sağladı.

Ölçümlere göre İrlanda elektrik şebekesinde her dakika yaşanan frekans düşüşü, 2016 yılında 3 milihertz seviyesindeyken 2021 yılında 12 milihertz düzeyine yükseldi. Daha yakın tarihli bazı ölçümlerde ise düşüşlerin 20 milihertz değerini aştığı belirlendi.

İrlanda’nın 50 hertz frekansında çalışan elektrik şebekesi, normal koşullarda artı veya eksi 200 milihertz seviyesindeki değişimlere dayanabilecek şekilde tasarlandı. Şebeke operatörü ise dalgalanmaların 100 milihertz sınırları içinde tutulmasını tercih ediyor.

Tek başına 20 milihertz seviyesindeki düşüş büyük bir tehdit oluşturmuyor. Ancak başka elektrik tüketimlerinin de aynı anda frekansı aşağı çekmesi, toplam sapmanın büyümesine neden olabiliyor. Araştırmacılar, UPS sistemlerinden kaynaklanan ek yük değişimlerinin olumsuz koşullarda elektrik şebekesinin kararlılığını zorlayabileceğini belirtiyor.

Araştırma ekibinin önerdiği çözüm, batarya kontrol işlemlerinin aynı saniyede gerçekleştirilmesini engellemeye dayanıyor. UPS ve büyük ölçekli enerji depolama sistemi üreticilerinin şarj durumu ölçümlerine rastgele zaman aralıkları eklemesi, cihazların elektrik şebekesinde eş zamanlı yük değişimi oluşturmasını önleyebilir.

Bilim insanları, benzer davranışların nesnelerin interneti (IoT) cihazlarında da bulunduğunu belirledi. Akıllı fırınlardan Raspberry Pi kümelerine kadar farklı cihazlarda düzenli elektrik tüketimi dalgalanmaları tespit edildi. Bu nedenle sorun yalnızca veri merkezleriyle sınırlı kalmayabilir.

Yazılım güncellemeleri, cihazların kontrol zamanlarını birbirinden ayırarak eş zamanlı yük değişimlerini azaltabilir. Ancak araştırmacıların aktardığı başka bir çalışmaya göre IoT cihazlarının yüzde 3’ünden daha azı en güncel aygıt yazılımını kullanıyor. Güncelleme oranlarının düşük olması, teknik açıdan basit bir çözümün geniş ölçekte uygulanmasını zorlaştırıyor.

Elektrik şebekelerinde yaşanan küresel frekans dalgalanmaları, farklı üreticilerin cihazlarında ortak zamanlama kuralları oluşturulmasını gerektirebilir. Ulusal düzenleyici kurumlar kendi bölgelerinde yeni standartlar getirebilse de cihazların dünya genelinde kullanılması, sorunun tamamen giderilmesi için uluslararası iş birliğini önemli hâle getiriyor.