L’intelligence des Smart Grids : la place du calcul ... · HTA/BT 20kV/400V HTB/HTA 63kV/20kV ......

EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20121

L’intelligence des Smart Grids : la place du calcul numérique et des STICEDF R&DRencontre INRIA – Industrie8 mars 2012

Olivier Devaux

Christophe Kieny


Des réseaux plus « intelligents »

Le contexte


Les réseaux actuels

HTA/BT20kV/400V

HTB/HTA63kV/20kV

400kV/63kV400kV/63kV

HTB/HTA63kV/20kV

HTA/BT20kV/400V

Réseaux THT

Réseaux HT

Consommation

Production

Réseaux maillés : 100 000 km, dispatchings pour la surveillance. Protections et disjoncteurs en réseauRéseaux maillés : 100 000 km, dispatchings pour la surveillance. Protections et disjoncteurs en réseau

Réseaux HTA et BT radiaux : 1,25 10 6km, agences de conduites régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, fusibles en BT

Réseaux HTA et BT radiaux : 1,25 10 6km, agences de conduites régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, fusibles en BT

Réseaux MT/BT


Un contexte en pleine évolution

HTA/BT20kV/400V

HTB/HTA63kV/20kV

400kV/63kV400kV/63kV

HTB/HTA63kV/20kV

HTA/BT20kV/400V

Réseaux THT

Réseaux HT

Réseaux MT/BT

Consommation

Production

EnR

EnR

EnR

Comment adapter cette infrastructure à l’arrivée des énergies réparties ?Comment adapter cette infrastructure à l’arrivée des énergies réparties ?


Capacité d’accueil des réseauxElévation des tensions le long des réseaux,Courants max et congestions de réseaux,

Qualité de la tensionFluctuations de tensionHarmoniquesFlicker

Impact sur le fonctionnement du plan de protectionModifications des courants de court-circuit, impédances : impact sur sensibilité, sélectivité, …avec à la clé, l’enjeu : sécurité des personnes et des biens

Équilibre production – consommation

Intermittence et prévisibilité

Nouvelles contraintes sur les réseaux liées aux EnR

19.0

19.4

19.8

20.2

20.6

21.0

U (kV)

0 5 10 15 20

WF connected

WF not connected

L (km)


Des solutions nouvelles

Des réseaux de distribution plus actifs, plus intelligents, et plus automatisés pour renforcer la capacité d’accueil des énergies locales

De nouveaux outils de téléconduite

Des synergies avec le comptage communicantDes systèmes intelligents en réseau (postes HTA-BT)

Des énergies locales appelées à devenir actrices du système et du marché de l’énergie sans en menacer la sûreté.

Contribution aux « services système » : réglage de tension, fréquence, stabilité et tenue aux perturbations

Des outils permettant une véritable conduite des centrales EnR

…mais aussi des outils favorisant l’agrégation :de la production disperséedes souplesses offertes par le pilotage de la demande


Le client devient consomm’acteur

Multiplication des producteurs et des capacités de flexibilitéStockage local

client-consommateur-

producteur


La place du calcul numérique et des STICLes défisAu travers de quelques exemples


Environnement actuel de téléconduite à ERDFDernier palier en 2010-11: Fonctions Avancées de Conduite (FAC) d’ERDF

Innovant, sans équivalent à ce jourAnalyse, localisation, isolement et reconfiguration automatique du réseau après défautFonctions développées par EDF R&D

30 Agences Conduite Régionales (ACR) chez ERDF

SCADA

Poste source

20kV

Charge BT

BT BT BT

BT BT BT BT

BT BT

BT

RTERTE

Poste source


Projet : Fonctions d’Automatisation de Réseau (FAR)

Comment mieux intégrer la production décentraliséele réseau a été planifié pour de la charge

Vmax

Vmin

Tension

Longueur

HTA

Tan φ


Projet : Fonctions d’Automatisation de Réseau (FAR)

Comment mieux intégrer la production décentraliséele réseau a été planifié pour de la charge

FAR : recherche de performances pour le distributeur (pertes, fiabilité) le système (tension, flux), et la collectivité (coûts de raccordement)Tirer profit de l’arrivée des compteurs Linky

Vmax

Vmin

Tension

Longueur

HTA

Tan φ

PG


FAR : rendre le réseau actif

1) Améliorer l’observabilité du réseau � Estimation d’État (DSE)

PG

Vmax

Vmin

Tension

Longueur

Seule mesurede tension

actuelle

tanφ=csteHTA

Tan φ

HTA




2) Fonction de réglage de la tension � Fonction VVC

Vmax

Vmin

Tension

Longueur

PGtanφ=csteHTA

Tan φ

HTA



3) Optimisation des flux � Reconfiguration

Vmax

Vmin

Tension

Longueur

PG+/-QHTA

Tan φ

HTA





Vmax

Vmin

Tension

Longueur

PG+/-QHTA

Tan φ

HTA



3) Optimisation des flux � Reconfiguration


Estimation d’état (DSE) : le principePoste source

20kV

OMTP,QV,I P,Q

V,I

Charge HTA

P’,Q’V’,I’

P’,Q’V’,I’

P,QV,I

P’,Q’V’,I’

P’,Q’V’,I’

SSSCCCAAADDDAAA

Pseudo-mesures aux postes HTA/BT

DSE ΛΛΛΛΛ

iiiii IVQP ;;;; δ

Pour chaque noeud

instrumenté i

Base de données avec topologie et paramètresélectriques du réseau

mesuréegrandeurx

mesurepseudox

estiméegrandeurx

:

:'

:

−

Λ


Estimation d’état (DSE) : les défis

Utilisé de longue date au transport, … mais difficile à transposer en distribution

Réseaux arborescents, peu de capteursNécessité de modèles de charge plus fiables

Premier objectif : estimer les V à 1%, avec peu de capteursTemps de calculLa modélisation de la chargeLe choix du bon algorithme d’estimation

Recherches menées sur de multiples algorithmes : WLS, et méta-heuristiques (PSO, …)

[ ]

)(0)(:

),....,,(),....,,(min

12

2

2121

virtuellesmesuresxccontrainte

xxxfzxxxJ

m

i i

miin

=

−= ∑= σ

PPrriimmaarryy VVaarriiaabblleess

((aammpplliittuuddee aanndd pphhaassee ooff vvoollttaaggeess))

SSeeccoonnddaarryy VVaarriiaabblleess

((((PP;;QQ)) mmeeaassuurreemmeennttss aatt eeaacchh

MMVV//LLVV ssuubbssttaattiioonn))

∆

∆

∆

∆

=

∆

∆

M

M

M

M

M

4444444 34444444 21LLL

L

O

LK

M

M

M

14

3

14

3

14

14

3

3

143

143

3

3

3

3

0

0

0

0

0

0

00

00

δ

δδ

δ

δ

δ V

V

K

K

K

K

KK

KK

Q

Q

P

P

jacobien

Q

P

Q

P

VQVQ

VPVP


Estimation d’état (DSE) : premier bilan

Résultats avec l’algorithme actuelBonne estimation des tensions (amplitude et phase) à 1% avec peu de capteurs

Calcul des variables I et (P,Q) à partir de la tension : à améliorer

Règles de positionnement des capteurs selon les besoins des fonctions FAR

Expérimentation en cours : confirme les propriétésCapteurs

Nouveaux types de capteurs

Intégration sur le réseau

Précision : 1%, coût

Le passage à l’échelleGains en rapidité : parallélisation

Modélisation de la chargeTravaux à poursuivre


Reconfiguration optimaleObjectifs

prendre en compte les variations de charge et de production pour optimiser en temps réel la topologie des réseaux de distribution

optimiser différents critères : pertes, flux, fiabilité, nbre de manoeuvres

TravauxUtilisation d’algorithmes innovants : algorithmes génétiques, théorie des matroïdes

Coordination avec la régulation de tension

Configuration initiale Nouvelle configuration

Fonction dereconfiguration

Fermeture d’OMT

Ouverture d’OMT

Poste Source 1

Poste Source 1

Poste Source 2

Poste Source 2





Fermeture d’OMT

Ouverture d’OMT

Poste Source 1

Poste Source 1

Poste Source 2

Poste Source 2

1

2

4

5

6

7

103

8

9

12

4

5

6

7

103

8

9

4 7 58 6 2

4 8

6 27

8 6 2

4 7 5

croisement dans un point choisi aléatoirement

5

12

4

5

6

7

103

8

9

12

4

5

6

7

103

8

9

4 8 5

6 27

4 8

6 27

5

4 8

5 7

6

2

12

4

5

6

7

103

8

9

12

4

5

6

7

103

8

9

4 8 6

5 7 2arbres (co-arbres) initiaux (parents) arbres (co-arbres)

intermédiairesarbres (co-arbres)

résultants

U :

T :

U int :

T int :

U final :

T final :nœud isolé après l’ouverture de 5


Réglage centralisé de tension (VVC)

VVC

AP,-Q

CHPS

P ±Q

P ±Q

BT

BTBT

HTA HTA

NOP

ObjectifsMaintenir le plan de tension dans les limites réglementaires Optimiser d’autres paramètres (pertes, le facteur de puissance aux postes sources, etc…)Une solution qui peut réduire les coûts de raccordement

Une fonction à géométrie variable1) Action sur le postes source2) Action sur les producteurs (réactif / actif)3) A coordonner avec la fonction de reconfiguration


Exemple de l’apport de la fonction VVC

Régulé à 20 kV


Synergies Linky et gestion du réseauL’intelligence dans les postes HTA-BT

Détection de défautTélémaintenance

Automate programmableCEI 61850

Interface outils mobilité

Détection de défautTélémaintenance

Automate programmableCEI 61850

Interface outils mobilité

Mesures

ON/OFF

Télécommmandes

Équipements du poste

P, Q, V3I 3U …

T°Transfo

P, Q, V3I 3U …

T°Transfo

IntrusionPrésence d’eau

Alarmes diverses

IntrusionPrésence d’eau

Alarmes diverses

ALARMES

!!!!

IPDIPD

InterrupteursDisjoncteurs

Autres actionneurs

InterrupteursDisjoncteurs

Autres actionneurs

CP

L

GP

RS

CP

L ?

IED

CP

L ?

SI Réseau

Mutualisation de la fonction concentrateur et intelligence réseau

Rad

io,

CP

L, G

PR

S


Des flux de données en forte croissance

Les Smart Grids assurent l’optimisation du système énergétiquegestion des réseaux, de la production et de la demande

Nécessité de gérer des flux de données très importantsBesoin de normalisation des échangesFiabilité, Maîtrise de la complexitéSécurité face aux attaques

Les compteurs communica

nts

Les compteurs communica

nts

Le stockage électrique

Le stockage électrique

Les énergies réparties

intermittentes

Les énergies réparties

intermittentesLe véhicule électrique

Le véhicule électrique

RéseauRéseau

EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201224 7 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009

61850

61850

EMSApps

DMSApps

OMSApps

MeteringApps

ERPapplications

SCADA

61850

InterControl Center

link

DistributedEnergy

Resources

61850

Substation Automation System

Switchgear, Transformers,Instrumental Transformer

Protection, Control, Metering

61850

61850

AMMapplications

Concentrator

EnergyBox

WINDGenerating

Unit

61850

Metering System

61850

Entreprise Service Bus (ESB)

ERPapplications

ESB

ESB

Market Management Systems

NuclearPower Plant

HydroPower Plant

ThermalPower Plant

61850

61850

SCADA

Generating ManagementSystem Apps.

ESB

TransmissionDistributionRemote ControlSystem

GeneratingManagementSystem

MarketManagementSystem

AMMsystem

WINDFARMS

Meters

HAN

Les normes du Smart Grid européen : CIM (61970-61968) / 61850 / COSEM


Conclusions et perspectives

Une complexité croissante (intermittence des EnR, nouvelles règles, nouveaux acteurs, charges VE mobiles,…)

Un besoin accru de flexibilité de l’ensemble du système électrique

De multiples problèmes à résoudre : prévisions, planification, gestion prévisionnelle, conduite, simulation…)

besoin de nouvelles méthodes d’optimisation et outils…

Grand nombre d’équipements communicants en réseauBesoin de normaliser les échanges pour assurer l’interopérabilité : 61850, CIMMaîtrise de la fiabilité et de la sécurité du système

Une expérimentation des FAR par ERDF à partir de 2013


HT/MT

Agence deconduite

Vers des réseaux plus actifs et automatisés

Participation à la gestion de la tension et à la détection de défauts

Participation à la gestion de la tension et à la détection de défauts

Raccordement et protectionde découplage

Raccordement et protectionde découplage

Indicateur de passage de défaut directionnel et communicantIndicateur de passage de défaut directionnel et communicant

Disjoncteurs en réseau

télécommandés

Disjoncteurs en réseau

télécommandés

��

�� Protections directionnelleset auto réglables

Protections directionnelleset auto réglables

Utilisation des données issues des compteurs

pour améliorer l’observabilité du réseau

Utilisation des données issues des compteurs

pour améliorer l’observabilité du réseau

Courants porteursCourants porteurs

Capteurs en réseauCapteurs en réseau

Agrégateur de production X ou Ystockage pour

faciliter l’insertion (congestions,

services systèmes, qualitéde fourniture, …)

stockage pour faciliter l’insertion

(congestions, services

systèmes, qualitéde fourniture, …)

Nouveaux outils de téléconduiteEstimation d’état, contrôle de la tension,

reconfiguration optimale

Nouveaux outils de téléconduiteEstimation d’état, contrôle de la tension,

reconfiguration optimale

L’intelligence des Smart Grids : la place du calcul ... · HTA/BT 20kV/400V HTB/HTA 63kV/20kV ......

Documents

Transcript of L’intelligence des Smart Grids : la place du calcul ... · HTA/BT 20kV/400V HTB/HTA 63kV/20kV ......