چرا اختلال جی‌پی‌اس می‌تواند شبکه برق را هم مختل کند؟

وقتی از GPS حرف می‌زنیم، معمولاً به مسیریابی خودرو یا پیداکردن موقعیت روی نقشه فکر می‌کنیم؛ اما ماهواره‌های GPS یک کار بسیار مهم دیگر هم انجام می‌دهند: ارسال سیگنال زمانی بسیار دقیق. همین زمان‌بندی دقیق در بخش‌هایی از زیرساخت برق، مخابرات و سیستم‌های مالی آمریکا استفاده می‌شود و به همین دلیل اختلال GPS می‌تواند فراتر از مشکل در مسیریابی باشد.

شبکه‌ی برق از تعداد زیادی نیروگاه، خطوط انتقال و تجهیزات پراکنده در نقاط مختلف تشکیل شده که باید وضعیت آن‌ها تقریباً هم‌زمان اندازه‌گیری و با یکدیگر مقایسه شود. برای این کار، تجهیزات PMU یا واحد اندازه‌گیری فازور، داده‌های ولتاژ و جریان را همراه با برچسب زمانی بسیار دقیق ثبت می‌کنند. این اطلاعات در مراکز کنترل کنار هم قرار می‌گیرند تا اپراتورها بتوانند تقریبا به‌صورت بلادرنگ وضعیت شبکه را ببینند و در صورت بروز مشکل، سریع‌تر واکنش نشان دهند.

دقت موردنیاز در حد میلی‌ثانیه و حتی میکروثانیه است. طبق گزارش NIST، این PMU-ها به همگام‌سازی در حدود ۲٫۶ میکروثانیه نیاز دارند و وضوح زمانی آن‌ها باید به یک میکروثانیه برسد. دلیل اهمیت این دقت، اندازه‌گیری اختلاف فاز میان موج‌های ۶۰ هرتزی شبکه در نقاط مختلف است؛ کوچک‌ترین خطای زمانی می‌تواند به خطا در محاسبه‌ی زاویه فاز منجر شود.

اینجا است که GPS وارد ماجرا می‌شود. ماهواره‌های GPS یک مرجع زمانی مشترک فراهم می‌کنند که تجهیزات پراکنده‌ی شبکه می‌توانند از آن استفاده کنند. نسل جدیدتر تجهیزات شبکه، به‌خصوص PMU-ها، در بسیاری از موارد از ابتدا با تکیه بر قابلیت زمان‌سنجی GPS طراحی شده‌اند؛ این وابستگی می‌تواند مستقیم یا از طریق شبکه‌های زمانی مانند PTP باشد.

نه. این شاید مهم‌ترین نکته‌ی داستان باشد. شبکه‌ی برق قدیمی‌تر الزام‌های زمانی سخت‌گیرانه‌ی تجهیزات جدید را ندارد و بسیاری از سامانه‌ها می‌توانند مدتی بدون دریافت سیگنال GPS به کار خود ادامه دهند.

از طرف دیگر، تجهیزات دارای ساعت‌های محلی و قابلیت Holdover هستند تا پس از قطع مرجع زمانی، برای مدتی دقت خود را حفظ کنند. NIST نیز می‌گوید اختلال GPS در شرایط فعلی لزوماً شبکه را از کار نمی‌اندازد؛ اما می‌تواند عملیات آن را پیچیده‌تر، پرهزینه‌تر و کم‌اثرتر کند.

اگر اختلال طولانی باشد، شبکه‌ی برق با مشکلات جدی مواجه می‌شود

مشکل زمانی جدی‌تر می‌شود که اختلال طولانی باشد یا سیگنال GPS فقط قطع نشود، بلکه دست‌کاری یا جعل شود. در چنین شرایطی PMU ممکن است زمان یا زاویه فاز اشتباهی دریافت کند و داده‌های اندازه‌گیری‌شده در نقاط مختلف شبکه دیگر به‌درستی با یکدیگر هم‌تراز نباشند. NIST هشدار داده که چنین خطایی می‌تواند روی سامانه‌های کنترلی و تصمیم‌های مبتنی بر داده‌های شبکه تأثیر بگذارد.

اهمیت موضوع باعث شده نهادهای آمریکایی سال‌ها روی منابع جایگزین زمان دقیق کار کنند. NIST تأکید می‌کند که یکی از راه‌های کاهش ریسک، استفاده از چند مرجع زمانی مستقل و داشتن ساعت‌هایی با قابلیت ادامه‌ی کار در زمان ازدست‌رفتن سیگنال مرجع است. بااین‌حال، یافتن جایگزینی که هم دقت GPS را داشته باشد و هم پوشش و دسترسی مشابهی ارائه دهد، ساده نیست.

وابستگی به GPS فقط یک نگرانی نظری نیست. مطالعه‌ای که NIST با استفاده از برآوردهای RTI International به آن اشاره می‌کند، زیان اقتصادی قطعی ۳۰ روزه‌ی GPS را در بخش برق آمریکا حدود ۲۱۱٫۶ تا ۳۳۸ میلیون دلار برآورد کرده است. این عدد مربوط به از دست رفتن خدمات PNT و پیامدهایش است و نباید آن را به معنای خاموشی کامل شبکه در تمام این مدت دانست.

وقتی شبکه‌ای به بزرگی شبکه‌ی برق آمریکا باید وضعیت صدها یا هزاران تجهیز را در نقاط مختلف با یک مقیاس زمانی مشترک مقایسه کند، حتی چند میکروثانیه هم اهمیت پیدا می‌کند. به همین دلیل اختلال GPS بیشتر از آنکه مستقیماً «چراغ‌ها را خاموش کند»، می‌تواند بخشی از چشم‌ها، ساعت‌ها و سامانه‌های هماهنگ‌کننده‌ی شبکه را با مشکل مواجه کند.