《Nature Energy》：One-minute frequency disturbances from unintended synchronization in cyber–physical power systems
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电力系统正演变为由电力电子与数字控制塑造的网络物理基础设施（cyber–physical infrastructures）。随着基于逆变器的发电（inverter-based generation）改变系统动态，数字化加剧了对错误与攻击的脆弱性，网络物理耦合也
电力系统正演变为由电力电子与数字控制塑造的网络物理基础设施（cyber–physical infrastructures）。随着基于逆变器的发电（inverter-based generation）改变系统动态，数字化加剧了对错误与攻击的脆弱性，网络物理耦合也可能引入微妙的系统级效应。研究人员表明，全球电网频率时间序列呈现出一种持续的一分钟振荡模式，其起源一直未获解释。研究人员表明，数字能源设备中的时钟同步控制软件——尤其是不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）和电池储能系统（battery energy storage system, BESS）——会产生周期性功率需求峰值，这些峰值跨电压等级传播，并可形成所观测的模式。近年来，该模式幅度已在若干电网中显著增加，加剧了水力发电系统的磨损，并促使制定更严格的频率控制要求。电池储能、数据中心和物联网（Internet-of-Things, IoT）的快速扩张可能进一步放大此类网络物理电力振荡，凸显改进控制设计的必要性。
【研究背景、问题与意义】
电力系统正演变为由电力电子与数字控制塑造的网络物理基础设施（cyber–physical power systems）。随着基于逆变器的发电（inverter-based generation，即通过逆变器并网的风电与光伏）替代常规同步发电，交通、供暖等领域电气化使数百万数字控制设备接入电网。数字化在带来效率的同时加剧了对错误与攻击的脆弱性；即使良性控制程序，当大量设备行为一致时，亦可通过无意同步（unintended synchronization）引发反复甚至放大的振荡。现有研究将周期约1分钟的振荡称为超低频振荡（ultralow-frequency oscillations, ULFOs），多联系于水电涡轮调速系统谐振，但经典谐振无法解释该模式为何能长期保持相位相干并跨多样电力系统重现。
研究人员对五大洲12个电网2015—2025年的频率时间序列进行傅里叶分析（Fourier analysis），发现所有电网均存在恰好1分钟的极窄谱峰；波形多年相位稳定，提示存在与稳定外部时钟同步的驱动源。利用德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）校园配电网80余台智能电能质量（power quality, PQ）仪表（PQI-DA，3秒分辨率）数据，研究人员发现四座装有电池型不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）的楼宇呈现明显周期信号，无UPS楼宇则无。对3号楼宇UPS的直流电池电流、交侧电流与功率及至110 kV公共高压电网连接的变压器级功率流联合测量表明：直流侧电池每分钟出现狭窄电流尖峰，制造商确认为电池能量管理系统（energy management system, EMS）的周期性自检，该尖峰跨电压等级传播至输电网接口。水电机理模型与可解释机器学习分析表明水电动态可放大外部驱动扰动，但不能单独解释长期相位相干与跨系统重现性。据此，研究人员认定该振荡源于时钟同步控制软件的无意同步。
该模式幅度在若干电网近年显著上升（英国、北欧电网2015年后大幅上升并于2020年达峰），加剧水电涡轮磨损并促使北欧修订正常操作频率遏制备用（frequency containment reserve for normal operation, FCR-N）要求。随着电池储能、数据中心（爱尔兰2022年用电占比约18%）与物联网（Internet-of-Things, IoT）设备扩张及惯量下降，此类网络物理电力振荡可能进一步放大。论文发表于《Nature Energy》，凸显将软件定时与时钟同步视为电力系统稳定性有机组成的必要性。
【关键方法】（不超过250字）
关键技术方法包括：快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）谱分析与分钟波形特征化；基于摇摆方程（swing equation）的功频响应分析；水电控制机理建模与可解释机器学习；校园配电网电能质量（power quality, PQ）仪表多测点联合测量及UPS交直流侧联合测量；NTP启用/禁用对比实验。样本为2015—2025年五大洲12个电网频率数据（欧洲大陆、英国、北欧、澳大利亚来自输电系统运营商，美国、马来西亚、韩国、南非、马略卡、爱尔兰、冰岛来自配电网级记录仪）及德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）校园配电网PQ仪表队列。
【研究结果】
普遍存在于电网频率中的一分钟模式：五大洲12个电网的傅里叶分析均显示恰好1分钟的极窄谱峰；信号在欧洲、北美与澳大利亚大型互联系统中尤为显著，在马来西亚、韩国、南非及马略卡、爱尔兰、冰岛等电网中亦清晰可辨；极窄谱线表明该进程精确计时且多年相位相干。
一分钟模式的表征：分块波形分析显示幅度呈日调制（夜间弱、白天高），波形形状高度稳定（频率于每分钟初最高，随后数秒至半分钟内下降）；长期相位相干指向与稳定外部时钟同步的驱动源；根据聚合摇摆方程（swing equation），2E
rot/f
ref·df/dt = ΔP(t) ? D[f(t) ? f
ref]，频率下降意味着每分钟前半分钟需求超过发电；水电分析仅支持其放大作用而非根源作用。
一分钟模式驱动源的识别：输/配电网对比提示驱动源位于配电网；四座含电池型UPS的楼宇呈现1分钟周期功率信号，无UPS楼宇则无；3号楼宇UPS直流侧每分钟狭窄电流尖峰经确认为电池EMS周期性自检；对应1分钟功率需求跨两级变压器与母线传播至110 kV连接点；NTP对比表明EMS例程以内部1分钟周期运行并由外部时钟同步每日重置。
未来发展趋势与缓解：英国、北欧幅度2015年后大幅上升并于2020年达峰；爱尔兰1分钟频率降幅由2016年约3 mHz（毫赫兹）升至2021年12 mHz，近期个别时段超20 mHz；马略卡2019年主要煤电退出后幅度增约50%；北欧（2023年FCR-N修订）与澳大利亚（2020年起一次调频（primary frequency response, PFR）要求）系统级措施显著降低幅度；根因缓解可采用随机调度、自适应偏移或事件驱动控制设计，制造商已为所研究UPS一电池簇发布去除严格周期性的软件更新。
【讨论部分与研究结论】
讨论部分指出，网络物理耦合引出了更微妙的系统性挑战：此类超低频振荡长期相干性的起源一直不明，证据表明所观测信号很可能与数字控制设备因时钟同步软件进程调度导致的无意同步相关；爱尔兰电力系统为例证，1分钟信号初始降幅2021年达12 mHz，与配备大型UPS的数据中心快速扩张同步（数据中心用电2022年占全国约18%）。缓解可沿两条互补路径：系统级措施（更严格一次调频要求）降低确定性扰动频率影响但抑制的是响应而非根源；根因缓解需改进控制设计（随机调度、自适应偏移、事件驱动），技术可行但跨异构设备群体协调实施仍具挑战。研究结论强调：软件与数字控制在现代能源系统作用日益重要；电力系统稳定性分析需将控制逻辑、软件定时与时钟同步作为有机组成部分的综合视角；集合效应（collective effects）是未来网络物理电力系统的核心，既可源于物理电网交互，也可源于数字互联。随着电池储能与IoT设备预计快速扩张、惯量持续下降、水电调速动态可能进一步放大相干振荡，此类同步效应的重要性将持续上升。
