PRAOGEN: outil d`etudes de raccordement des producteurs
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PRAOGEN : OUTIL D’ETUDES DE RACCORDEMENT DES PRODUCTEURS SUR LES RESEAUX MOYENNE TENSION J.L. Fraisse, F. Boulanger, Ph. Juston, P. Lemerle, O. Jeannin EDF-DEGS; EDF-R&D, France En France depuis le début des années 90, la production indépendante raccordée aux réseaux moyenne tension (MT) s’est fortement développée à la suite d’évolutions tarifaires. Or les réseaux MT ont été planifiés jusqu’à présent en supposant que la production raccordée était marginale. L’arrivée de production de puissance relativement importante peut alors poser les problèmes suivants : • dépassement des capacités de transit des ouvrages d’évacuation (lignes, câbles, transformateur HTB/HTA), • modification du plan de tension du réseau, • tenue des matériels aux courants de courtscircuits, • dysfonctionnement du plan de protection, • perturbations de la transmission du signal tarifaire 175 Hz. Le ministère public a donc publié les textes réglementaires définissant les conditions techniques de raccordement des installations de production sur les réseaux de distribution MT. EDF a décliné ces règles dans un référentiel technique qui décrit l’ensemble des études à mener lors du dépôt d’une demande de raccordement d'un producteur. L'instruction de ces demandes doit être réalisée dans un délai court (trois mois). EDF a donc développé un nouveau logiciel PRAOGEN qui permet : • d’une part de détecter les contraintes thermiques et les contraintes de tension éventuelles causées par le raccordement d’un ou plusieurs producteurs, • d’autre part de détecter si la tenue des matériels aux courants de court-circuit est dépassée et si le réglage des protections est correct. C’est cette seconde application que nous présentons ici. Tenue des matériels aux courants de courtcircuit Les matériels (disjoncteurs, interrupteurs) et les conducteurs (lignes aériennes ou câbles) sont spécifiés pour supporter un certain niveau de courant de court-circuit. L'augmentation des niveaux de courant de court circuit causée par un nouveau producteur ne doit pas entraîner de dépassement de la tenue d’un quelconque des ouvrages du réseau. La difficulté essentielle provient du fait que l’on ne connaît pas a priori quel est l’ouvrage en contrainte. Il faut donc effectuer un calcul de courant de court circuit pour chaque ouvrage du réseau de distribution. De plus il faut considérer non seulement le schéma d'exploitation normal mais aussi les schémas de secours, ce sont donc plusieurs centaines de calcul qui sont à effectuer. PRAOGEN enchaîne donc automatiquement ces calculs de courant de court-circuit et détermine ainsi les contraintes éventuelles. Réglage des protections Le plan de protection actuel des réseaux MT d'EDF repose sur des protections à maximum de courant à temps constant installé sur chacun des départs. Pour les défauts polyphasés, le seuil de la protection est réglé de pour détecter un défaut biphasé situé au point le plus éloigné électriquement du départ. Dans ces conditions, il faut s’assurer que le courant de court-circuit injecté par les groupes de production connectés sur un départ sain reste inférieur à ce réglage pour un défaut situé sur un départ adjacent. Dans le cas contraire on observera un déclenchement intempestif. PRAOGEN calcule les seuils de réglage des protections ampèremétriques en tenant compte des schémas de secours, détecte leur risque de fonctionnement intempestif et propose alors d'installer une protection directionnelle sur le départ. Le logiciel PRAOGEN fonctionne sur PC sous Windows. Les données nécessaires à l'ensemble des calculs précédents sont soit stockées dans les bases de données du distributeur (données réseau) soit renseignées par l'utilisateur (données producteur). La présentation des résultats utilise les outils bureautiques standards (type EXCEL). Leur intégration dans les rapports d'études en est facilitée. Grâce à ce nouvel outil, EDF est donc à même de traiter rapidement les demandes de raccordement des producteurs sur les réseaux MT et d'assumer ainsi pleinement une de ses fonctions de gestionnaire de réseau de distribution. PRAOGEN : OUTIL D’ETUDES DE RACCORDEMENT DES PRODUCTEURS SUR LES RESEAUX MOYENNE TENSION J.L. Fraisse, F. Boulanger, Ph. Juston, P. Lemerle, O. Jeannin EDF-DEGS; EDF-R&D, France INTRODUCTION En France jusqu’à présent, les ouvrages de production raccordés aux réseaux de distribution MT étaient peu nombreux, constitués surtout de petits aménagements hydrauliques de faible puissance unitaire (quelques MW). Depuis 1992, à la suite d’évolutions tarifaires, la production indépendante raccordée au réseau moyenne tension s’est fortement développée. Tout d’abord sont apparues des centrales de pointe (fonctionnant 396 heures par an), de puissances comprises entre 4 à 8 MW. Ensuite pour favoriser le développement d’utilisations rationnelles de l’énergie des tarifs attractifs couplés à l’obligation d’achat d’électricité par les distributeurs ont été proposés. Ils concernent : • • des installations de production fonctionnant en cogénération et satisfaisant à des critères de performance, des installations de valorisation de déchets. Ce sont désormais ces types d’installations qui connaissent un fort développement. Enfin EDF, avec le concours du ministère de l’industrie, a décidé en 1995 un programme d’équipement de 250 à 500 MW d’éoliennes d’ici 2005. A la suite de la directive européenne sur le développement des énergies renouvelables les objectifs de ce programme vont être revus à la hausse. Pour les raisons indiquées ci dessus, on assiste donc depuis 1992 à une forte augmentation des demandes de raccordement d’ouvrages de production au réseau MT. Leur puissance unitaire peut parfois dépasser les 10 MW dans certains cas particuliers. Une enquête récente (1999) recensait une production installée en MT de 3800 MVA (l’équivalent de trois tranches nucléaires !) et un portefeuille de projets de raccordements MT de 2600 MVA. Un poste source sur deux est concerné par la production et pour 20% des postes la puissance installée est supérieure au quart de la puissance du transformateur. C’est dire que la production MT ne peut plus être considérée comme marginale et que les conditions techniques de raccordement aux réseaux de distribution doivent être étudiées avec soin. Dans ce contexte, le Ministère de l’Industrie a publié des arrêtés techniques définissant les conditions de raccordement des installations de production [1]. Lorsqu’un producteur dépose une demande de raccordement, le distributeur dispose d’une durée de trois mois pour vérifier si les conditions techniques prévues dans les arrêtés sont respectées. EDF a donc bâti un référentiel technique définissant le contenu d’une étude de raccordement : méthodes de calcul, hypothèses, modélisations retenues. Les points principaux traités dans une étude de raccordement sont les suivants : Intensité maximale admissible des ouvrages d’évacuation La production livrée au réseau ne doit pas provoquer de surcharges sur le réseau d’évacuation (lignes, câbles, transformateur HT/MT). Modification du plan de tension du réseau Le raccordement d’un producteur sur un départ MT provoque une élévation du profil de tension du départ auquel il est raccordé. Cette élévation de tension est bien sûr d’autant plus forte que la puissance fournie au réseau est importante. Elle se répercute sur tous les réseaux BT alimentés par ce départ et peut conduire en période de charges faibles à franchir la limite de tension haute contractuelle en MT et/ou en BT. Tenue des matériels aux courants de courtscircuits Lorsqu’un défaut se produit sur le réseau, les groupes de production connectés participent à l’alimentation du défaut. Le niveau des courants de court-circuit augmente donc en tout point du réseau MT. Cette augmentation ne doit pas provoquer de dépassement de la limite spécifiée aux courants de court-circuit des matériels (appareillage et conducteurs). production. EDF a donc décidé de développer un outil permettant de traiter l’ensemble de ces points. LE LOGICIEL PRAOGEN Dysfonctionnement du plan de protection Du fait de la politique de mise à la terre retenue, le plan de protection contre les défauts à la terre n’est pas impacté par le raccordement de groupes de production sur les réseaux MT. Il n’en va pas de même pour les défauts polyphasés. On observe deux phénomènes : • Diminution du courant de défaut apporté par le transformateur HT/MT pour un défaut sur le départ producteur. Si cette diminution est trop importante, le courant de défaut peut devenir inférieur au seuil de réglage et le défaut n’est plus détecté, Le logiciel PRAOGEN a été développé en deux étapes. Un premier module permettant de traiter les contraintes thermiques et les contraintes de tension a été mis à disposition en 1998 [4]. Il est à l’heure actuelle opérationnel dans les centres de distribution d’EDF. Après ce déploiement, le développement du second module a été engagé. Il traite les points suivants : • Détection des contraintes de courant de courtcircuit, • Réglage des protections. Pour un défaut sur un départ adjacent, les groupes de production vont injecter un courant de court-circuit qui peut devenir supérieur au seuil de réglage de la protection. On assiste alors à un déclenchement intempestif du départ «producteur». Comme pour le premier module, des spécifications fonctionnelles détaillées ont été établies. A partir de celles-ci, le code a été développé sur la plateforme logicielle MOSAIC [5]. Cette plate-forme sur PC Windows (langage de programmation C++) permet une réutilisation de « briques logicielles » existantes, source de diminution des coûts de développement. Perturbations de la transmission du signal tarifaire 175 Hz. Après une phase de recette, le module 2 va être déployé dans les centres utilisateurs en 2001. • Une installation de production raccordée en MT diminue le niveau du signal tarifaire 175 Hz reçu par les clients [2]. Ceci est du au mode d’injection série utilisé. Cette atténuation doit rester suffisamment faible pour ne pas perturber les clients. ETUDE DE RACCORDEMENT On voit donc qu’une étude de raccordement nécessite un travail relativement complexe (même si les principes sont simples) dans un temps imparti court (trois mois). Il est donc apparu raisonnable de doter les équipes chargées de traiter les demandes de raccordement d’outils informatiques permettant d’automatiser les études. Nous présentons ci-après les principales fonctionnalités du module 2 de PRAOGEN. Calcul de courant de court-circuit Il s’agit de déterminer quels sont les éléments de réseau dont la tenue limite spécifiée aux courtscircuits est dépassée du fait du raccordement de groupes de production. Une première difficulté est liée au fait que la tenue des matériels n’est pas uniforme. Si pour l’appareillage (disjoncteurs, interrupteurs) une certaine standardisation existe (paliers techniques 8kA et 12.5kA), la tenue des conducteurs est beaucoup plus hétérogène (voir tableau). Ligne aérienne Iccmax Cables Iccmax HN33 Almelec Pour la propagation du signal 175Hz, l’outil existait déjà : il s’agit du logiciel HARMONIQUE [3] pour lequel on a simplement précisé les conditions d’emploi (hypothèses d’études, modélisations). Par contre concernant les calculs de contraintes thermiques, de plan de tension, de courant de court-circuit et de réglage des protections, il n’existait pas de logiciels prenant en compte la 34 mm 2 1.7 kA 50 mm 2 4.6 kA 75 mm 2 5.8 kA 95 mm 2 8.6 kA 117 mm 2 7.2 kA 150 mm 2 13.7 kA 148 mm 2 8.1 kA 240 mm 2 21.9 kA Il n’est donc pas possible de connaître a priori l’élément du réseau qui va rentrer en contrainte le premier : ce peut être indifféremment les disjoncteurs des départs au poste-source que quelques tronçons de ligne aérienne à l’extrémité d’un départ. Il est donc nécessaire d’évaluer le niveau de courant de court-circuit en tout point du réseau. Pour un poste source comprenant une dizaine de départs, chacun étant constitué d’une centaine de tronçons, on arrive à un millier de calculs de courant de circuit à effectuer. Il faut d’autre part étudier non seulement le schéma normal d’exploitation mais aussi les schémas de secours. C’est donc en définitive plusieurs milliers de calculs de courant de courtcircuit qui doivent être effectués. Une seconde contrainte forte que nous nous sommes fixés a été de suivre la norme internationale CEI-909 [6] de façon à éviter toute contestation sur les résultats fournis par le logiciel. Nous rappellerons simplement les grandes lignes de la méthode proposée dans la norme CEI-909. L’évaluation des courants de court-circuit est effectuée sur le réseau à vide à une tension égale à 1.1 fois la tension nominale du réseau. Les éléments du réseau (lignes, transformateurs) sont modélisés par des impédances (on néglige les capacités latérales) et les groupes de production par leur réactance subtransitoire x’’d. Cette modélisation permet d’obtenir le courant de courtcircuit symétrique initial I’’k. A l’aide de formules de transformation données dans la norme, on en déduit le courant coupé Ib, courant qui sera comparé à la limite des matériels. • A la fin des calculs, on connaît pour chaque élément du réseau le courant de circuit obtenu pour chaque schéma d’exploitation. Ces valeurs sont alors comparées aux limites spécifiées des différents éléments. Deux types de restitution sont mis à la disposition de l’utilisateur. D’une part, les éléments en contrainte sont affichés graphiquement à l’écran. D’autre part un tableau récapitulatif au format EXCEL est créé. Ce tableau contient non seulement les résultats complets mais aussi le récapitulatif de toutes les hypothèses et données utilisées. Il peut ainsi être récupéré directement et mis dans le dossier d’étude de raccordement. Réglage des protections L’autre fonctionnalité qui a été réalisée dans le module 2 de PRAOGEN concerne le réglage des protections. Rappelons dans un premier temps le plan de protection des réseaux de distribution d’EDF. Ceux ci sont constitués de départs radiaux (exploitation débouclée) alimentés par un transformateur HT/MT. Chaque départ est protégé par : • une protection à maximum de courant phase contre les défauts polyphasés. Son seuil de réglage est fixé à 0.8 Iccbi, Iccbi étant le courant de court-circuit biphasé franc au point le plus éloigné (électriquement) du départ. Ce réglage permet d’éliminer tout défaut biphasé ou triphasé franc apparaissant sur le départ. • une protection à maximum de courant résiduel (trois fois le courant homopolaire) contre les défauts à la terre. Son réglage est fixé à 1.2 Ic, Ic étant le courant capacitif résiduel du départ. On évite ainsi tout déclenchement de départ sain. Pour les départs très capacitifs la sensibilité de détection de cette protection diminue et on peut être amené à installer des protections wattmétriques homopolaires. L’algorithme du logiciel peut être rapidement décrit de la façon suivante : • • Importation du réseau étudié à partir des bases de données existantes dans les centres. On récupère la topologie du réseau et les caractéristiques (impédances) des éléments, Saisie des caractéristiques des installations de production. Le nombre de données nécessaires est relativement limité. Il s’agit principalement de la puissance installée, des réactances subtransitoires des machines, des réactances des transformateurs élévateurs et de l’impédance de la ligne d’évacuation, • Sélection des schémas d’exploitation retenus, • Pour chaque schéma et pour chaque élément du réseau positionnement du défaut triphasé, • Réduction du réseau aux nœuds source (réseau HT, groupes de production), nœud défaut, et nœuds dérivation, Calcul du courant de court-circuit sur l’élément considéré par inversion de la matrice impédance. Le jeu de barres MT du poste source est quant à lui protégé par une protection installée sur l’arrivée. Cette protection est constituée d’un relais à maximum d’intensité phase et d’un relais à maximum de courant résiduel. Elle assure de plus une fonction de secours en cas de défaillance d’une protection départ. Enfin une protection est placée au point de connexion de toute installation raccordée au réseau. Elle est chargée de déconnecter l’installation en cas de défaut interne. Elle est aussi constituée d’un relais à maximum de courant homopolaire et d’un relais à maximum de courant phase. I Transformateur HT/MT Protection Influence du producteur sur la sensibilité et la sélectivité du plan de protection. Le plan de protection contre les défauts à la terre n’est pas affecté par la présence de groupes de production raccordés sur les départs MT. En effet les installations de production sont raccordées au réseau MT au travers d’un transformateur à couplage étoile (côté groupe) - triangle (côté réseau). Les courants homopolaires vus par les protections des départs ne sont pas modifiés lors de l’apparition d’un défaut phase-terre. Il n’en va pas de même en ce qui concerne les défauts polyphasés. L’apport de courant de courtcircuit par les groupes de production modifie les courants de court-circuit vus par les protections des départs. Défaut sur le départ producteur. Le courant de défaut injecté au niveau du poste source par le transformateur a tendance à diminuer lorsque la centrale est en fonctionnement (Figure 1). I Transformateur HT/MT Protection PI dérivation Défaut biphasé Figure 1 : défaut sur le départ producteur Il peut donc être nécessaire de revoir le seuil de réglage de la protection du départ producteur. Défaut sur un départ adjacent. Lorsqu’un défaut apparaît sur un départ adjacent, les groupes de production injectent un courant de court-circuit qui est vu par la protection de leur départ (Figure 2). Si ce courant est supérieur au seuil de réglage on observera un déclenchement intempestif du départ producteur. Dans ce cas, le remplacement de la protection par une protection à maximum de courant directionnelle est nécessaire. PI Défaut triphasé Figure 2 : défaut sur un départ adjacent Le logiciel PRAOGEN réalise automatiquement le réglage du plan de protection. L’algorithme retenu est le suivant : • sélection par l’utilisateur schémas d’exploitation, • pour chaque schéma d’exploitation calcul du courant de court-circuit biphasé minimum vu par la protection du départ qui alimente le producteur. Pour cela on effectue un défaut biphasé sur toutes les extrémités du départ, • pour chaque schéma d’exploitation calcul du courant de court-circuit maximum vu par la protection du départ qui alimente le producteur pour un défaut sur un autre départ. Pour cela on effectue un défaut triphasé sur le jeu de barres MT du poste. des différents A l’issue du calcul, PRAOGEN propose un réglage des protections des différents départs qui peuvent alimenter le producteur et l’installation éventuelle de protections directionnelles. Une vérification du réglage de la protection placée au point de couplage de l’installation de production est également réalisée, cette protection étant elle aussi susceptible de déclencher intempestivement pour des défauts apparaissant sur le réseau de distribution. Comme pour l’étude des contraintes des matériels aux courts-circuits, deux types de restitution pour le réglage des protections sont fournis (à l’écran et fichier EXCEL). CONCLUSION Jusqu’à présent dans les études de raccordement de producteurs aux réseaux de distribution, un certain nombre de points étaient traités de façon simplifiée, faute d’outils adaptés capables de réaliser le nombre élevé de calculs nécessaires. Le logiciel PRAOGEN comble maintenant cette lacune. Associé au logiciel HARMONIQUE, il permet de traiter les contraintes les plus critiques dans une étude de raccordement : • surcharges thermiques, • contraintes de tension, • tenue des matériels aux courants de courtcircuit, • réglage des protections. Grâce à ce nouvel outil, EDF est donc à même de traiter rapidement les demandes de raccordement des producteurs sur les réseaux MT et d'assumer ainsi pleinement une de ses fonctions de gestionnaire de réseau de distribution. Des évolutions sont prévues pour permettre une utilisation plus vaste que le simple traitement des demandes de raccordement. On peut d’ores et déjà envisager un calcul des puissances maximales raccordables en différents points du réseau, permettant ainsi une évaluation des capacités d’accueil des réseaux existants. BIBLIOGRAPHIE [1] « Conditions techniques de raccordement au réseau public des installations de production autonome d’énergie électrique ». Arrêtés du 21 juillet 1997 et du 3 juin 1998 Journal Officiel de la République Française. [2] J.L. Fraisse, P. Michalak, P. Juston, A. Grandet, “Conditions techniques de raccordement des ouvrages de production au réseau moyenne tension - Développement d’un filtre actif 175 Hz pour producteur”, dans les Actes du CIRED’97, Vol. 1, Article No. 5.14, Birmingham, UK, 2 au 5 juin, 1997. [3] S. Arson, J. Martinon, P. Rioual. « Intégration et utilisation d’une méthode d’analyse statistique dans un logiciel de simulation des réseaux électriques en régime harmonique ». Electrimacs 1996. [4] D. Cortinas, Ph. Juston « Assessing the Impact of Dispersed Generation on Medium Voltage Networks: Analysis Methods ». IEEE PowerTech’ 99 –Budapest. [5] D. Voirin, O. Jeannin, P. Haberstich « Une plate-forme logicielle configurable pour les études de réseau de distribution ». dans les Actes du CIRED’99, Article N°5.22, Nice, France, 1 au 4Juin 1999. [6] « Calcul des courants de court-circuit dans les réseaux triphasés à courant alternatif ». Norme internationale CEI_909 Première édition 1988.
