#4 Le gestionnaire d’énergie réseau (NEM) - Nice Grid · NEM Gestionnaire d’Energie Réseau...

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www.grid4eu.eu 1 Le gestionnaire d’énergie réseau (NEM) #4 Thématiques • Prévisions de consommation et de production PV • Stockage • Effacement • Intégration des ENRs • Flexibilité • Systèmes d’information Use case (s) • Intégration de la production photovoltaïque sur le réseau de distribution • Réduction de la pointe électrique • Le client « consomm’acteur » Acronymes BT Basse Tension (400 V) CIM Common Information Model DER Distributed Energy Resources DERMS Distributed Energy Resources Management System DSO Gestionnaire de Réseau de Distribution (Distribution System Operator) HTA Moyenne Tension (20 kV) MCU Master Control Unit NBA Gestionnaire de batteries réseau (Network Battery Aggregator) NEM Gestionnaire d’Energie Réseau (Network energy Manager) PV Photovoltaïque RTE Réseau de Transport d’Electricité SGAM Smart Grid Architecture Model TSO Gestionnaire de Réseau de Transport (Transmission System Operator) Le Gestionnaire d’Energie Réseau (NEM), développé par GE, est le composant logiciel cœur du projet NICE GRID. Il s’agit d’un ensemble d’applications avancées de contrôle du réseau, développées et intégrées par GE dans le système d’information d’Enedis pour réaliser les objectifs de NICE GRID. Ce système permet de réaliser des planifications en J-1, des calculs d’analyse de réseau pour la basse tension (BT), la gestion des échanges entre le DSO (ou TSO) et les agrégateurs de flexibilité, et également il propose des outils de supervision en temps réel de certains composants. Il est communément appelé DERMS pour les DSO, ou bien Distribution Contraints Management System dans les instances d’évaluation des nouveaux rôles du DSO à l’échelle européenne et mondiale. NICE GRID est le premier démonstrateur fonctionnel de ce concept au monde. GE a également développé une infrastructure de supervision et de planification des systèmes de stockage pour réseau de distribution, qui est présentée dans un Focus spécifique au sujet de stockage réseau (F2). Objectifs et expression du besoin Contexte NICE GRID a pour objectif de tester l’intérêt d’une gestion avancée de micro-réseaux dans la résolution de contraintes locales. Les micro-réseaux sont alors des zones du réseau de distribution existant interconnectés au réseau principal, dont les clients et des systèmes de stockage reçoivent des consignes de consommation à la hausse ou à la baisse d’une manière totalement novatrice. Principale intelligence gérant ces micro-réseaux, le NEM a été développé, intégré et paramétré par GE pour Enedis. Le NEM, se base sur les prévisions de production photovoltaïque et de consommation calculées par Enedis sur la base des données issues des comptages communicants, Linky ou type PME-PMI, afin de déterminer la veille pour le lendemain pour Enedis les zones et les périodes susceptibles de présenter des contraintes réseau. Afin d’anticiper leurs résolutions, le NEM expérimente un nouveau modèle d’interactions entre les différents acteurs énergétiques : consommateurs, agrégateurs commerciaux, agrégateurs de systèmes de stockage, gestionnaire de réseau de distribution (DSO) et gestionnaire de réseau de transport (TSO). Le NEM est un outil informatique opérationnel qui bénéficie des standards de haute disponibilité et de cyber-sécurité de référence afin de répondre à ce type d’activités critiques. Cet outil permet également d’organiser un mécanisme de marché automatisé qui met en rapport les flexibilités localisées (dans NICE GRID de type reports de charge ou stockage d’énergie) et les besoins exprimés ou calculés des opérateurs Enedis et RTE pour éviter la création de contraintes réseau. Ces offres de flexibilité, proposées par les agrégateurs, permettent l’atténuation des contraintes sur le réseau électrique, comme les surtensions sur le réseau ou les refoulements de puissance au poste de distribution en été. Elles permettent également la réduction des appels de puissance lors des pics de consommation l’hiver. Figure 1 – Flexibilités pouvant participer à l’atténuation des contraintes réseau sur demande des opérateurs

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Le gestionnaire d’énergie réseau (NEM)

#4

Thématiques

• Prévisions de consommation et de production PV• Stockage• Effacement• Intégration des ENRs• Flexibilité• Systèmes d’information

Use case (s)

• Intégration de la production photovoltaïque sur le réseau de distribution• Réduction de la pointe électrique• Le client « consomm’acteur »

Acronymes

BT Basse Tension (400 V)CIM Common Information ModelDER Distributed Energy ResourcesDERMS Distributed Energy Resources Management SystemDSO Gestionnaire de Réseau de Distribution (Distribution System Operator)HTA Moyenne Tension (20 kV)MCU Master Control UnitNBA Gestionnaire de batteries réseau (Network Battery Aggregator)NEM Gestionnaire d’Energie Réseau (Network energy Manager)PV PhotovoltaïqueRTE Réseau de Transport d’ElectricitéSGAM Smart Grid Architecture ModelTSO Gestionnaire de Réseau de Transport (Transmission System Operator)

Le Gestionnaire d’Energie Réseau (NEM), développé par GE, est le composant logiciel cœur du projet NICE GRID. Il s’agit d’un ensemble d’applications avancées de contrôle du réseau, développées et intégrées par GE dans le système d’information d’Enedis pour réaliser les objectifs de NICE GRID. Ce système permet de réaliser des planifications en J-1, des calculs d’analyse de réseau pour la basse tension (BT), la gestion des échanges entre le DSO (ou TSO) et les agrégateurs de flexibilité, et également il propose des outils de supervision en temps réel de certains composants. Il est communément appelé DERMS pour les DSO, ou bien Distribution Contraints Management System dans les instances d’évaluation des nouveaux rôles du DSO à l’échelle européenne et mondiale. NICE GRID est le premier démonstrateur fonctionnel de ce concept au monde.

GE a également développé une infrastructure de supervision et de planification des systèmes de stockage pour réseau de distribution, qui est présentée dans un Focus spécifique au sujet de stockage réseau (F2).

Objectifs et expression du besoin

ContexteNICE GRID a pour objectif de tester l’intérêt d’une gestion avancée de micro-réseaux dans la résolution de contraintes locales. Les micro-réseaux sont alors des zones du réseau de distribution existant interconnectés au réseau principal, dont les clients et des systèmes de stockage reçoivent des consignes de consommation à la hausse ou à la baisse d’une manière totalement novatrice. Principale intelligence gérant ces micro-réseaux, le NEM a été développé, intégré et paramétré par GE pour Enedis.

Le NEM, se base sur les prévisions de production photovoltaïque et de consommation calculées par Enedis sur la base des données issues des comptages communicants, Linky ou type PME-PMI, afin de déterminer la veille pour le lendemain pour Enedis les zones et les périodes susceptibles de présenter des contraintes réseau. Afin d’anticiper leurs résolutions, le NEM expérimente un nouveau modèle d’interactions entre les différents acteurs énergétiques  : consommateurs, agrégateurs commerciaux, agrégateurs de systèmes de stockage, gestionnaire de réseau de distribution (DSO) et gestionnaire de réseau de transport (TSO).

Le NEM est un outil informatique opérationnel qui bénéficie des standards de haute disponibilité et de cyber-sécurité de référence afin de répondre à ce type d’activités critiques. Cet outil permet également d’organiser un mécanisme de marché automatisé qui met en rapport les flexibilités localisées (dans NICE GRID de type reports de charge ou stockage d’énergie) et les besoins exprimés ou calculés des opérateurs Enedis et RTE pour éviter la création de contraintes réseau.

Ces offres de flexibilité, proposées par les agrégateurs, permettent l’atténuation des contraintes sur le réseau électrique, comme les surtensions sur  le réseau ou les refoulements de puissance au poste de distribution en été. Elles permettent également la réduction des appels de puissance lors des pics de consommation l’hiver.

Figure 1 – Flexibilités pouvant participer à l’atténuation des contraintes réseau sur demande des opérateurs

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Une solution hautement innovante NICE GRID a permis de concentrer beaucoup d’efforts de R&D et des tests sur le NEM et a introduit de nombreuses innovations : • Une plateforme unifiée permettant de gérer un mécanisme

automatisé pour les opérateurs pour contracter et activer des services de flexibilité fournis par différents types d’agrégateurs (résidentiels, commerciaux et industriels, batteries)

• Le développement et la mise en place d’une interface de visualisation avancée des mailles suivies par le NEM, en HTA ou en BT

• Une plateforme assurant un haut niveau d’automatisation des échanges de type « marché » et transactionnel entre acteurs, des processus opérationnels et de détections de contraintes sur le réseau de distribution.

• Un déploiement de ces fonctionnalités de manière modulaire, intégré avec les systèmes existants de gestion du réseau, afin de réduire l’impact projet chez les gestionnaires de réseaux, et de pouvoir déployer ce système progressivement «  en taches de léopard  » uniquement sur des zones de réseau atteignant certaines limites opérationnelles, du fait du développement de la production solaire dans le cas de NICE GRID.

Figure 2 - Le NEM: indicateurs d’état du micro réseau à disposition directe de l’opérateur

Déploiement et mise en œuvre

Du concept aux expérimentationsDepuis la création du concept de NEM, l’objectif a toujours été de démontrer à travers des expérimentations concrètes la valeur ajoutée de l’interconnexion des différents acteurs énergétiques dans la démultiplication des flexibilités, qui pourrait devenir une alternative aux stratégies plus traditionnelles comme le renforcement du réseau en réponse à des développements importants de productions fortement intermittentes d’énergies renouvelables.

Pour cela il aura fallu imaginer puis mettre en place : • Une compréhension d’un nouveau paradigme qui voit un réseau

non plus monolithique, mais comme une somme de micro-réseaux interconnectés gérés par l’opérateur public, et dont la supervision et la gestion avancée peut atténuer les contraintes réseau de manière efficace.

• Un système unique capable de répondre à une large gamme de cas d’usage, tels que (1) les transferts de charge pendant les périodes de pics de consommation hivernale, (2) la gestion des contraintes réseau dues à un déploiement massif du PV et (3) la mise en îlotage d’un micro-réseau.

• Un mécanisme capable d’impliquer les clients connectés au travers d’une mobilisation en J-1 dans un premier temps, puis à une interaction plus proche du temps réel (Infra-journalières), rendue possible par des échanges en temps réel avec certains compteurs situés sur des points névralgiques.

• Un mécanisme qui pose les bases d’une mobilisation sur un pied d’égalité entre une large diversité d’agrégateurs et de ressources distribuées (DER).

• Des outils d’aide à l’opération et planification d’utilisation d’un ensemble de systèmes de stockage distribués connectées au réseau.

• Un système informatique et télécom créant une chaine de bout-en-bout, respectant un haut de niveau de cyber-sécurité et des interfaces entièrement automatisées.

ArchitectureLe NEM met en place un mécanisme de mobilisation des flexibilités pour le TSO et le DSO où chacun peut spécifier ses besoins propres pour palier à leurs contraintes réseau respectives, au travers d’interfaces spécifiques. Ces besoins peuvent également être automatiquement calculés par le NEM, qui se base alors sur les prévisions de production photovoltaïque et de consommation, combinées à l’analyse des capacités réseau.Ainsi, le NEM réalise une optimisation globale pour gérer les besoins de la manière la plus efficace possible, tout en tenant compte des contraintes techniques.

Pour permettre aux agrégateurs de flexibilité de recevoir les besoins à couvrir sur les zones de congestion, le NEM fournit un portail et des interfaces de type «  marché  » à chaque acteur participant. Ce processus automatisé notifie ensuite aux agrégateurs la flexibilité qui a été retenue (sur la base d’une optimisation technique et financière) pour l’implémentation et l’activation des décalages de consommation à la hausse ou à la baisse de leurs portefeuilles de clients ou de systèmes de stockage.

Figure 3 – Aperçu général du principe de fonctionnement du NEM

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Le NEM est déployé sur le Système d’Information Enedis, interconnecté avec le système SI des agrégateurs à travers des passerelles internet. Opéré par Enedis, il analyse les conditions du réseau sur une zone de la région de Carros sur une base journalière pour identifier les situations ou des actions correctives via l’appel à des flexibilités (clients ou stockage) doivent être menées pour réduire les contraintes réseau. Cette zone est subdivisée en poches et sous-poches sur lesquelles s’opèrent les optimisations.

Journée type du projet NICE GRIDDans le cadre de NICE GRID, une journée type est programmée comme ci-dessous : • Avant 11:00: TSO et DSO déterminent leurs besoins en

puissance. Les dernières prévisions météorologiques et les données mesurées sont utilisées pour prévoir les charges individuelles et la production photovoltaïque dans chaque micro-réseau pour le jour suivant.

• Jusqu’à 13:00: Le NEM détermine les besoins de puissance et les publie aux agrégateurs.

• Jusqu’à 15:00: Les agrégateurs ré-optimisent leurs portefeuilles d’actifs et postent leurs offres de flexibilité.

• Jusqu’à 15:30: Le NEM associe les demandes de flexibilités aux offres. Les opérateurs peuvent soit sélectionner manuellement ce dont ils ont besoin soit demander une sélection automatisée.

• A 18:00: Tous les agrégateurs sont informés de la réservation ou non de leurs offres de flexibilité.

• Le jour J, la flexibilité est demandée par les opérateurs de réseau au moment voulu. Les agrégateurs adaptent donc la charge à leurs actifs.

Figure 4 – Exemple d’interface d’utilisation du TSO et DSO

Résultats• Déploiement d’une architecture complète dans l’environnement

SI du principal DSO en Europe.

• Connexion avec les agrégateurs en remplissant les conditions de cyber-sécurité d’Enedis.

• Opération de la plateforme depuis janvier 2014, couvrant les expérimentations saisonnières hivernales et estivales.

• Mise à jour régulière du réseau de distribution intégré dans le NEM utilisant les exports CIM d’Enedis.

• Processus en place pour enregistrer les flexibilités par agrégateur et un point récapitulatif, suivi de la publication de zones d’activation définies par Enedis aux agrégateurs.

• Processus entièrement automatique du contrôle de la boucle du NEM, ne nécessitant pas nécessairement d’interaction avec l’opérateur pour le cas d’usage estival.

• Déploiement d’une interface de supervision de la moyenne et basse tension à destination d’Enedis en complément de ses outils existants, permettant une information précise de certaines poches de réseau de distribution, d’accéder aux prévisions des ressources distribuées en consommation, production et stockage. L’opérateur peut également superviser le mécanisme de mobilisation des flexibilités.

• Déploiement d’une architecture distribuée de télécom et contrôle, permettant la gestion des ressources distribuées (DER) connectées au réseau.

Messages clés

Mécanisme de flexibilité localLe NEM a permis la mise en place d’un mécanisme de flexibilités locales, implémentant un processus structuré, fiable, non-discriminatoire et transparent, séparant clairement les rôles entre transporteur, distributeur et agrégateurs/offreurs de flexibilités, de sorte à mieux guider leurs actions sur le marché de la flexibilité. Le NEM structure le processus opérationnel en différentes étapes, en cadençant les échanges d’informations par des messages standards, en calculant les solutions optimales pour les demandes de flexibilités palliant aux contraintes réseau par zone d’activation.

Network Battery Aggregator (NBA)Le Gestionnaire de batteries réseau (NBA) a été intégré dans l’environnement informatique du NEM, pour Enedis à qui a incombé le rôle de gestionnaire des systèmes de stockage connectés au réseau. Cette solution NBA pourrait être implantée dans l’environnement SI de tout autre opérateur de marché indépendant, qui gérerait demain des systèmes de stockage de ce type.

L’architecture implantée fournit la possibilité à l’agrégateur de faire fonctionner plusieurs systèmes de stockage de manière coordonnée, en réduisant la supervision humaine nécessaire à la prise en compte individuelle des contraintes physiques et opérationnelles des batteries de chaque système distribué.

Automatisation du processus opérationnel Le traitement des demandes du marché de la flexibilité a été automatisé pour limiter l’intervention humaine et décharger les opérateurs d’Enedis, de la prévision des contraintes à l’activation et réservation des flexibilités proposées par les agrégateurs. Ainsi, il est possible pour les opérateurs de suivre un large périmètre du réseau et de garantir que les actions nécessaires ont été prises.

DSO – User Interface (DSO UI)Cette interface dédiée permet aux opérateurs et utilisateurs du réseau Enedis de suivre l’état du réseau aussi bien que le statut de chaque étape du mécanisme de flexibilité. Enedis est également informé des prévisions de contraintes sur le réseau, ce qui le rend capable de formuler des demandes de flexibilité sur le marché local. Cette interface a été conçue en tenant compte des retours d’expérience des opérateurs d’Enedis, de sorte à obtenir un outil le plus simple d’utilisation possible. La seconde version de cette interface a été déployée avec succès pendant l’expérimentation d’été 2015.

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Standards et protocolesUn des principaux objectifs de NICE GRID était l’utilisation ou l’adaptation des protocoles et standards existants. Cet objectif fut rempli par l’utilisation générale des standards et protocoles suivants :

• Standard SGAM (Smart Grid Architecture Model), utilisé pour décrire l’architecture globale de NICE GRID.

• Standard CIM/XML, utilisé pour appuyer les échanges des données du réseau statique avec les différents partenaires.

• Standard ENTSO-E Reserve Resource Process (ERRP), utilisé par les acteurs du marché pour échanger les informations concernant les offres, l’accord et l’activation des flexibilités.

• Les échanges de données entre le NEM et MCU (données mesurées, informations sur les batteries, plans d’activation des batteries) ont été réalisés en utilisant une version partielle du Standard OpenADR2.0b (XMPP).

• Dans les micro-réseaux, plusieurs protocoles ont été utilisés pour communiquer avec les ressources, comme les convertisseurs de batteries ou les transformateurs régleurs en charge, IEC104, Modbus, OPC.

• Le protocole XMPP a été utilisé dans le but d’échanger en toute sécurité des informations structurées, quasiment en temps réel, entre les participants du marché, le NEM et les ressources.

Glossaire

Notion Définition

Agrégateur

Entité en charge de l’agrégation des flexibilités (au niveau du réseau ou d’un client) dans le but de résoudre des contraintes du système électrique. Dans le cadre de NICE GRID, les opérateurs de réseau contractualisent via le NEM les flexibilités (pilotage d’usages résidentiels et tertiaires, stockage) avec les agrégateurs. On distingue un agrégateur résidentiel (B2C), tertiaire (B2B) et de stockage (NBA).

Contraintes réseau

Il existe deux types de contraintes réseau : contrainte de puissance (congestion) ou de tension. Les contraintes de puissance ou congestions apparaissent lorsque le courant excède la capacité des câbles ou transformateurs existants. Sur le réseau basse tension, l’injection ou le soutirage de puissance active augmente/diminue localement la tension : une contrainte de tension apparaît lorsque la tension est proche des contraintes limites définies dans la norme EN50160, soit Un +/- 10%, avec Un=230 V

DER

Ressources énergétiques distribuées qui peuvent être agrégées pour fournir la puissance nécessaire pour satisfaire la demande. Comme le réseau électrique continue de se moderniser, les DER, comme le stockage ou la production renouvelable décentralisée, peuvent faciliter la transition vers des réseaux dits intelligents.

Distributed Energy Resource Management System (DERMS)

Système de support de décision dédié à l’intégration et au contrôle des DER, qui permet de faciliter les services entre les opérateurs de réseau, les agrégateurs commerciaux et les installations proposant des flexibilités.

DSOLe Distribution System Operator (DSO) représente l’entité qui est légalement responsable de la gestion, maintenance et du développement du réseau public de distribution. En France, Enedis gère 95% du réseau de distribution (réseau de moyenne et basse tension).

Flexibilité Une flexibilité représente une modification (hausse ou baisse) de la courbe de charge au niveau d’un client ou du réseau, et ce dans le but de réduire des contraintes réseau

Format CIM CIM ou Common Information Model est un modèle d’échange de données permettant aux logiciels applicatifs d’échanger des informations concernant un réseau électrique.

Gestionnaired’énergie réseau (NEM)

DERMS pour le projet NICE GRID en tant que principal composant de contrôle ; hébergé dans le système d’information du DSO et assurant l’importation des prévisions, l’analyse du système de distribution, la validation des requêtes des opérateurs, la gestion du mécanisme de transaction avec les agrégateurs, la publication des ordres de réservations/activations et le portail web pour les opérateurs de réseau.

MCU

Le MCU est le contrôleur principal qui communique avec le NEM et les ressources du réseau de distribution. Il a pour principales fonctions la collecte des données mesurées et des données de ressources, la transmission de ces données au NEM et la supervision et le contrôle des ressources (manuellement ou à travers le programme de réception du NEM). Il a aussi la capacité de conserver localement l’information et de travailler de manière autonome dans le cas où la connexion avec le NEM serait interrompue.

NBALe Network Battery Aggregator est un agrégateur intégré dans la plateforme de GE et développé par ARMINES. Il est en charge d’agréger les systèmes de stockage réseau afin de répondre aux demandes de flexibilité. Il prépare des offres au NEM et gère les systèmes de stockage.

Network Constraints Prediction Tool (NCPT)

Composant du NEM qui permet de projeter les analyses de puissance de distribution en termes de prévisions et de détecter d’éventuelles contraintes réseau. Il se base sur les calculs réseau pour la puissance de distribution, la sécurité et la sensibilité des analyses.

TSOLe Transmission System Operator (TSO) est un opérateur qui injecte la puissance électrique des sites de production sur le réseau électrique de l’opérateur de distribution d’électricité régional ou local. En France, RTE est l’unique TSO.