Wyobraź sobie osiedle domów, które samo zarządza energią: z panelami PV na dachach, bateryjnym magazynem w garażu i stacją ładowania elektryków przy chodniku. Teraz pomyśl o nowoczesnym szpitalu, który nawet po awarii sieci krajowej potrafi sam się zasilić przez wiele godzin.

Oba te światy łączy jedno słowo: mikrosieć.

To nie jest technologia przyszłości. To realna alternatywa dla tradycyjnych sieci przesyłowych, która już teraz pojawia się w nowoczesnych inwestycjach, przemyśle i infrastrukturze krytycznej.

Ale jest pewien haczyk.

Dlaczego o tym piszemy?

W Energeks współtworzymy systemy energetyczne, które nie tylko produkują i magazynują prąd – one myślą, adaptują się i chronią użytkowników przed ryzykiem. Dlatego interesuje nas nie tylko sam inwerter czy transformator, ale to, co dzieje się w sieci, gdy coś pójdzie nie tak.

Bo wyzwania mikrosieci z IBR to temat, który zaczyna dotyczyć każdego projektanta, inwestora i operatora systemów.

O czym jest ten tekst i kto powinien go przeczytać?

Ten artykuł pokaże Ci, dlaczego klasyczne zabezpieczenia – nadprądowe, impedancyjne i różnicowe – nie działają już tak skutecznie w środowisku, gdzie dominuje energia z inwerterów.

Dowiesz się też, jak algorytm MCUSUM zmienia reguły gry, oferując błyskawiczne i selektywne wykrywanie zakłóceń bez potrzeby intensywnej komunikacji.

Jeśli jesteś inżynierem, integratorem lub inwestorem, który pracuje z mikrosieciami, ten tekst pomoże Ci zrozumieć nowe podejście do ochrony systemu, które może okazać się kluczowe dla niezawodności Twojej instalacji.

Czego się dowiesz?

• Czym są mikrosieci z IBR i dlaczego zmieniają zasady ochrony

• Jak zawodzą klasyczne metody zabezpieczeń i w jakich sytuacjach

• Czym jest MCUSUM i jak radzi sobie w testach

• Dlaczego warto uwzględnić takie algorytmy już dziś, zanim zrobi to konkurencja

Czas czytania: 7 minut

Mikrosieci z IBR: przyszłość energetyki, która wymaga nowych zasad ochrony

Nowoczesne osiedla z fotowoltaiką na dachach, stacjami ładowania pojazdów elektrycznych i własnymi magazynami energii. Szpitale, które nawet po awarii sieci krajowej działają niezależnie przez wiele godzin dzięki połączeniu PV, baterii i mikroturbin.

Obiekty przemysłowe, które samodzielnie bilansują swoje zużycie energii i reagują na dynamiczne zmiany w obciążeniu. To nie futurologia – to mikrosieci (microgrids), które rosną na znaczeniu z każdym rokiem.

Mikrosieci to lokalne systemy elektroenergetyczne zdolne do pracy zarówno w połączeniu z siecią publiczną (grid-connected), jak i autonomicznie (off-grid). Według raportu IEA, do 2030 roku ponad 30% nowych inwestycji OZE będzie zintegrowanych z mikrosieciami.

Zasadniczym elementem ich działania są zasoby oparte na inwerterach (IBR – Inverter-Based Resources): panele słoneczne, turbiny wiatrowe, systemy magazynowania energii ESS oraz generatory niskiej mocy.

To właśnie one odpowiadają za elastyczność, automatyzację i lokalną optymalizację przepływów energetycznych – ale też wprowadzają nowe wyzwania dla systemów ochrony.

Mikrosieci z IBR to przyszłość – ale nie taka, którą da się zabezpieczyć starymi metodami.

Bo tam, gdzie kiedyś wystarczył prosty przekaźnik nadprądowy, dziś potrzebna jest inteligencja.

Klasyczne podejścia do ochrony mikrosieci

Tradycyjne metody zabezpieczeń elektroenergetycznych, takie jak zabezpieczenia nadprądowe, impedancyjne i różnicowe, były skuteczne w klasycznych sieciach elektroenergetycznych opartych na generatorach synchronicznych.

Jednak w środowisku zdominowanym przez zasoby inwerterowe (IBR) napotykają poważne ograniczenia.

1. Zabezpieczenia nadprądowe – problem z niskimi prądami zwarciowymi

Zabezpieczenia nadprądowe działają na zasadzie wykrywania przekroczenia ustalonej wartości prądu. W przypadku mikrosieci z wysokim udziałem IBR kluczowym problemem jest niski prąd zwarciowy, który zwykle nie przekracza 1,5-krotności prądu znamionowego.

W konsekwencji:

- Zwarcia mogą być niezauważone lub wykrywane z opóźnieniem.
- Konieczność bardzo czułych nastaw zwiększa ryzyko fałszywych wyzwoleń podczas wahań obciążenia.
- Skuteczność jest niska w trybie wyspowym, gdzie generatory synchroniczne nie są obecne, a źródła inwerterowe ograniczają swoje prądy zwarciowe.

2. Zabezpieczenia impedancyjne – zależność od kąta napięcia i prądu

Metody impedancyjne bazują na pomiarze impedancji linii w celu wykrycia zwarcia. Jednak w mikrosieciach z IBR występują duże zmiany kąta fazowego prądu, co sprawia, że:

- Impedancja zwarciowa może być myląca, zwłaszcza w przypadku dynamicznej regulacji mocy biernej przez inwertery.
- Metoda ta nie działa dobrze, gdy napięcie i prąd nie mają klasycznych proporcji jak w sieciach z generatorami synchronicznymi.
- Reluktancyjne sterowanie inwerterów może dodatkowo wpływać na stabilność pomiarów.

3. Zabezpieczenia różnicowe – problem z komunikacją i cyberbezpieczeństwem

Zabezpieczenia różnicowe działają poprzez porównywanie prądów na obu końcach linii. W środowisku IBR wymagają:

- Bardzo szybkiej i niezawodnej komunikacji, co generuje wysokie obciążenie łączy.
- Precyzyjnego synchronizowania pomiarów, co zwiększa koszty infrastruktury.
- Odporności na cyberzagrożenia, ponieważ opierają się na przesyłaniu danych między urządzeniami, co może stać się celem ataków hakerskich.

Dlaczego klasyczne metody zawodzą?

Systemy elektroenergetyczne, oparte dotychczas na generatorach synchronicznych, dysponowały wysokimi prądami zwarciowymi. Dzięki temu zabezpieczenia nadprądowe i impedancyjne działały efektywnie. Jednak w mikrosieciach zdominowanych przez inwertery problemem jest niski prąd zwarciowy, często nieprzekraczający 1,5-krotności prądu znamionowego.

Co to oznacza w praktyce?

Zabezpieczenia nadprądowe mogą nie wykryć zwarcia lub reagować z opóźnieniem.
Zabezpieczenia impedancyjne zawodzą, gdy inwertery dynamcznie regulują moc bierną, wpływając na kąt fazowy napięcia i prądu.
Zabezpieczenia różnicowe wymagają intensywnej komunikacji i precyzyjnej synchronizacji, co zwiększa podatność na cyberataki i podnosi koszty wdrożenia.

Case study: MCUSUM w działaniu

Jak MCUSUM sprawdza się w rzeczywistych warunkach?

Podczas testów wprowadzono różne rodzaje zwarć w mikrosieciach o wysokim udziale IBR:

▶ Zwarcie trójfazowe w środku linii – algorytm wykrył zwarcie w czasie 1 ms, poprawnie klasyfikując je jako zdarzenie wewnętrzne.
▶ Zwarcie jednofazowe do ziemi (LG) przy wysokiej rezystancji – skuteczna detekcja przy oporności 25 Ω w czasie poniżej 2,5 ms.
▶ Zakłócenia niestandardowe, np. wahania obciążenia – MCUSUM ignorował fluktuacje, zachowując wysoką selektywność.
▶ Zmiany generacji w źródłach odnawialnych – algorytm nie mylił ich ze zwarciami, eliminując fałszywe wyzwolenia.

Testy wykazały, że MCUSUM działa efektywnie zarówno w trybie sieciowym, jak i wyspowym, zapewniając niezawodność ochrony nawet przy niskich prądach zwarciowych i dynamicznych zmianach obciążenia. Badania dowodzą, że modyfikowana metoda sumy skumulowanej może zrewolucjonizować ochronę mikrosieci, skutecznie eliminując ograniczenia klasycznych rozwiązań.

MCUSUM w liczbach: Przełomowa skuteczność w ochronie mikrosieci

Czy algorytm MCUSUM to rewolucja w ochronie systemów elektroenergetycznych? Liczby nie pozostawiają wątpliwości. Przeprowadzone testy wykazały jego ekstremalną szybkość, odporność na zakłócenia i zdolność do precyzyjnej klasyfikacji zdarzeń sieciowych.

Błyskawiczna detekcja w czasie rzeczywistym – Algorytm wykrywa zwarcia w czasie krótszym niż 2,5 ms, co jest nawet 10-krotnie szybsze niż tradycyjne zabezpieczenia nadprądowe i różnicowe. Co więcej, jego skuteczność została potwierdzona w środowisku symulacyjnym Typhoon HIL 604, gdzie testowano odporność na zakłócenia i skrajne warunki operacyjne.

2Niepodważalna selektywność – Kluczowym atutem MCUSUM jest zaawansowana analiza kierunkowa, oparta na wykrywaniu zmiany fazy i wektora prądu. Dzięki temu precyzyjnie odróżnia rzeczywiste zwarcia od chwilowych wahań obciążenia, zakłóceń harmonicznych czy niestabilności generacji OZE, eliminując fałszywe wyzwolenia, które stanowią istotne zagrożenie dla niezawodności systemu.

Minimalizacja wymagań komunikacyjnych – W przeciwieństwie do zabezpieczeń różnicowych, które wymagają intensywnej wymiany danych pomiarowych między urządzeniami, MCUSUM bazuje na przekazywaniu prostych flag sygnalizujących zmianę kierunku prądu. To nie tylko zwiększa odporność na cyberzagrożenia, ale także znacząco redukuje obciążenie infrastruktury komunikacyjnej.

Uniwersalność w różnych scenariuszach pracy – Algorytm został poddany testom zarówno w trybie sieciowym, jak i wyspowym, przy zastosowaniu różnych kodów LVRT, obowiązujących m.in. w Niemczech, Hiszpanii i Irlandii. Wyniki pokazały, że MCUSUM skutecznie działa niezależnie od dynamicznych zmian w topologii sieci.

Wszechstronne testy w warunkach rzeczywistych – Skuteczność algorytmu oceniono w mikrosieci obejmującej różnorodne źródła generacji, w tym panele fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, magazyny energii ESS oraz generatory diesla. Podczas badań symulowano zwarcia w różnych lokalizacjach i przy szerokim zakresie rezystancji, co potwierdziło, że MCUSUM zachowuje niezawodność i selektywność w każdych warunkach.

Te liczby mówią same za siebie – MCUSUM nie tylko eliminuje ograniczenia klasycznych metod, ale także wyznacza nowy standard w ochronie mikrosieci opartych na inwerterach.

MCUSUM pokazuje, że przyszłość ochrony elektroenergetycznej leży w inteligentnej analizie danych i szybkiej adaptacji do zmieniających się warunków sieciowych.

Czy to oznacza, że klasyczne zabezpieczenia nadprądowe i różnicowe odejdą do lamusa? Nie do końca. Ich skuteczność w tradycyjnych systemach nadal jest niezaprzeczalna. Jednak dla sieci zdominowanych przez IBR niezbędne jest nowe podejście, dostosowane do charakterystyki inwerterów.

Inteligentna ochrona to tylko część większej układanki

Dobrze zaprojektowany system ochrony to coś więcej niż zbiór algorytmów. To zaufanie, że Twoja instalacja poradzi sobie w każdej sytuacji – nawet wtedy, gdy nie wszystko działa zgodnie z planem.

W Energeks nie oferujemy gotowych „pudełek z przekaźnikami”. Projektujemy rozwiązania systemowe, które znają rytm Twojej instalacji, odpowiadają na realne wyzwania sieci i wspierają Cię w kluczowych momentach.

Dlatego nasza oferta to nie tylko algorytmy zabezpieczeń, ale również:

• transformator dostosowany do współpracy z falownikami,

• rozdzielnice odporne na przepięcia i zwarcia,

• i magazyny energii, które potrafią współpracować z PV, EV i zasilaniem awaryjnym.

Jeśli szukasz punktu wyjścia – zapoznaj się z naszym artykułem o zdoborze magazynów energii dla fotowoltaiki. To doskonałe uzupełnienie dla każdego, kto planuje inwestycję z myślą o niezawodności i bezpieczeństwie:

-> Jak dobrać magazyn energii do PV? 5 odpowiedzi, które zmieniają wszystko

Ta wiedza łączy się w spójną całość, bo ochrona mikrosieci nie działa w izolacji.

To element większego systemu, gdzie wszystko, od falownika po transformator - musi mówić tym samym językiem.

-> Falowniki i transformatory: Odkryj, co naprawdę napędza nowoczesny przemysł!

Jeśli potrzebujesz wsparcia w projektowaniu systemu ochrony dla swojej mikrosieci – porozmawiajmy. A jeśli jesteś instalatorem i chcesz oferować klientom coś więcej niż standard – poznaj nasze trasformatory dostępne od ręki, z pełną dokumentacją i 5-letnią gwarancją.

-> Zajrzyj również na nasz profil na LinkedIn, gdzie dzielimy się praktyczną wiedzą, pokazujemy realizacje i rozmawiamy o przyszłości energetyki.

Cieszymy się, że jesteś częścią tej zmiany.
Dziękujemy za zaufanie ⚡

Źródła:

1. B. A. M. Alizadeh, M. F. M. Arani, S. F. Zarei, A cumulative sum-based protection method for inverter-interfaced microgrids, Electric Power Systems Research, 2025. via sciencedirect.com

2. IEEE Std 1547-2018, IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed Energy Resources.