L’intelligence des Smart Grids : la place du calcul numérique et des STIC EDF R&D Rencontre INRIA – Industrie 8 mars 2012 Olivier Devaux Christophe Kieny 1 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Des réseaux plus « intelligents » Le contexte 2 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Les réseaux actuels Production Réseaux THT Réseaux km, Réseaux maillés maillés :: 100 100 000 000 400kV/63kV km, dispatchings dispatchings pour pour la la surveillance. surveillance. 400kV/63kV Protections Protections et et disjoncteurs disjoncteurs en en réseau réseau Réseaux HT HTB/HTA 63kV/20kV Réseaux MT/BT HTB/HTA 63kV/20kV HTA/BT 20kV/400V HTA/BT 20kV/400V Consommation Réseaux Réseaux HTA HTA et et BT BT radiaux radiaux :: 1,25 1,25 10 1066km, km, agences agences de de conduites conduites régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, fusibles fusibles en en BT BT 3 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Un contexte en pleine évolution Production Réseaux THT 400kV/63kV 400kV/63kV Réseaux HT HTB/HTA 63kV/20kV EnR Réseaux MT/BT HTB/HTA 63kV/20kV HTA/BT 20kV/400V EnR HTA/BT 20kV/400V Consommation EnR Comment Comment adapter adapter cette cette infrastructure infrastructure àà l’arrivée l’arrivée des des énergies énergies réparties réparties ?? 4 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Nouvelles contraintes sur les réseaux liées aux EnR U (kV) Capacité d’accueil des réseaux Elévation des tensions le long des réseaux, Courants max et congestions de réseaux, Qualité de la tension Fluctuations de tension Harmoniques Flicker WF connected 21.0 20.6 20.2 WF not connected 19.8 19.4 19.0 0 5 10 15 20 L (km) Impact sur le fonctionnement du plan de protection Modifications 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 5 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 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 communicant Des 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 dispersée des souplesses offertes par le pilotage de la demande 6 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Le client devient consomm’acteur Multiplication des producteurs et des capacités de flexibilité Stockage local clientconsommateurproducteur 7 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 La place du calcul numérique et des STIC Les défis Au travers de quelques exemples 8 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Environnement actuel de téléconduite à ERDF Dernier palier en 2010-11: Fonctions Avancées de Conduite (FAC) d’ERDF Innovant, sans équivalent à ce jour Analyse, localisation, isolement et reconfiguration automatique du réseau après défaut Fonctions développées par EDF R&D 20kV BT BT BT Charge RTE BT BT BT BT BT BT BT BT RTE Poste source Poste source SCADA 9 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 30 Agences Conduite Régionales (ACR) chez ERDF Projet : Fonctions d’Automatisation de Réseau (FAR) Comment mieux intégrer la production décentralisée le réseau a été planifié pour de la charge HTA Tan φ Tension Vmax Vmin Longueur 10 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Projet : Fonctions d’Automatisation de Réseau (FAR) Comment mieux intégrer la production décentralisée le réseau a été planifié pour de la charge PG HTA Tan φ Tension Vmax Vmin Longueur 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 11 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 FAR : rendre le réseau actif PG HTA tanφ=cste HTA Tan φ Tension Vmax Seule mesure de tension actuelle Vmin Longueur 1) Améliorer l’observabilité du réseau Estimation d’État (DSE) 12 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 FAR : rendre le réseau actif PG HTA tanφ=cste HTA Tan φ Tension Vmax Vmin Longueur 1) Améliorer l’observabilité du réseau Estimation d’État (DSE) 2) Fonction de réglage de la tension Fonction VVC 13 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 FAR : rendre le réseau actif PG HTA +/-Q HTA Tan φ Tension Vmax Vmin Longueur 1) Améliorer l’observabilité du réseau Estimation d’État (DSE) 2) Fonction de réglage de la tension Fonction VVC 3) Optimisation des flux Reconfiguration 14 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 FAR : rendre le réseau actif PG HTA +/-Q HTA Tan φ Tension Vmax Vmin Longueur 1) Améliorer l’observabilité du réseau Estimation d’État (DSE) 2) Fonction de réglage de la tension Fonction VVC 3) Optimisation des flux Reconfiguration 15 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Estimation d’état (DSE) : le principe Poste source 20kV P,Q V,I OMT P,Q V,I P’,Q’ V’,I’ P’,Q’ V’,I’ P,Q V,I P’,Q’ V’,I’ P’,Q’ V’,I’ Charge HTA Pseudo-mesures aux postes HTA/BT Λ x : grandeur estimée x ' : pseudo − mesure Pour chaque noeud instrumenté i SC A D A DSE x : grandeur mesurée Base de données avec topologie et paramètres électriques du réseau 16 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Λ Λ Λ Λ Λ P i ; Q i ;V i ;δ i ; I i Estimation d’état (DSE) : les défis Utilisé de longue date au transport, … mais difficile à transposer en distribution Réseaux arborescents, peu de capteurs Nécessité de modèles de charge plus fiables Premier objectif : estimer les V à 1%, avec peu de capteurs Temps de calcul La modélisation de la charge Le choix du bon algorithme d’estimation Recherches menées sur de multiples algorithmes : WLS, et méta-heuristiques (PSO, …) Primary Variables (amplitude and phase of voltages) M ∆V 3 M K L M L ∆P3 P 0 K P 3V 0 K P14V 0 K P 3δ 0 K P14δ 0 ∆V14 3 M O = M ∆Q3 0 K Q 3V 0 K Q14V 0 K Q 3δ 0 K Q14δ 0 ∆δ 3 Q3 M L L L M 1 4444444244444443 jacobien ∆δ 14 M Secondary Variables ((P;Q) measurements at each MV/LV substation) 17 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 m min J ( x1, x2 ,...., xn ) = ∑ i =1 [z i − fi ( x1, x2 ,...., xm )] σ i2 contrainte : c( x ) = 0 (mesures virtuelles ) 2 Estimation d’état (DSE) : premier bilan Résultats avec l’algorithme actuel Bonne 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 propriétés Capteurs Nouveaux types de capteurs Intégration sur le réseau Précision : 1%, coût Le passage à l’échelle Gains en rapidité : parallélisation Modélisation de la charge Travaux à poursuivre 18 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Reconfiguration optimale Objectifs 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 Poste Source 1 Poste Source 1 Fermeture d’OMT Fonction de reconfiguration Ouverture d’OMT Poste Source 2 Poste Source 2 Travaux Configuration initiale Nouvelle configuration Utilisation d’algorithmes innovants : algorithmes génétiques, théorie des matroïdes Coordination avec la régulation de tension 2 1 5 7 9 8 U: 2 3 1 4 10 4 10 croisement dans un point choisi aléatoirement 4 7 5 8 6 2 4 7 5 8 U int : 4 8 3 10 5 7 9 6 2 1 3 4 4 8 5 5 7 6 2 5 7 9 6 8 6 U final : 4 8 6 2 1 3 10 8 5 7 6 2 2 1 4 8 3 10 19 4 8 6 2 5 5 7 9 6 T : 7 6 2 nœud isolé après EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 l’ouverture de 5 arbres (co-arbres) int initiaux (parents) 1 6 arbres (co-arbres) intermédiaires 3 4 10 7 6 8 4 8 T: 2 5 7 9 4 2 5 7 9 8 T final : 6 7 5 arbres (co-arbres) résultants 2 Réglage centralisé de tension (VVC) Objectifs Maintenir 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 variable 1) Action sur le postes source 2) Action sur les producteurs (réactif / actif) 3) A coordonner avec la fonction de reconfiguration VVC HTA HTA BT A BT BT P,-Q P ±Q S 20 CHP NOP EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 P ±Q Exemple de l’apport de la fonction VVC Régulé à 20 kV 21 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Synergies Linky et gestion du réseau SI Réseau L’intelligence dans les postes HTA-BT ! ALARMES Détection Détection de de défaut défaut Télémaintenance Télémaintenance Automate Automate programmable programmable CEI CEI 61850 61850 Interface Interface outils outils mobilité mobilité Radio, CPL, GPRS Intrusion Intrusion Présence Présence d’eau d’eau Alarmes Alarmes diverses diverses GPRS P, P, Q, Q, VV 3I 3U 3I 3U … … T°Transfo T°Transfo CPL Mesures CPL ? IPD IPD Interrupteurs Interrupteurs Disjoncteurs Disjoncteurs Autres Autres actionneurs actionneurs 22 ON/OFF Mutualisation de la fonction concentrateur Télécommmandes et intelligence réseau EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 CPL ? Équipements du poste IED Des flux de données en forte croissance Réseau Réseau Les Les compteurs compteurs communica communica nts nts Les Les énergies énergies réparties réparties intermittentes intermittentes Le Le véhicule véhicule électrique électrique Le Le stockage stockage électrique électrique Les Smart Grids assurent l’optimisation du système énergétique gestion des réseaux, de la production et de la demande Nécessité de gérer des flux de données très importants Besoin de normalisation des échanges Fiabilité, Maîtrise de la complexité Sécurité face aux attaques 23 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Les normes du Smart Grid européen : CIM (61970-61968) / 61850 / COSEM EMS Apps DMS Apps OMS Apps Metering Apps ERP applications Market Management Systems Market Management System AMM applications ERP applications ESB Entreprise Service Bus (ESB) 6 1 8 5 0 SCADA Inter Control Center link ESB Generating Management System Apps. 6 1 Transmission 8 Distribution 5 Remote0Control System SCADA AMM system Metering System ESB Generating Management System 61850 61850 61850 61850 Substation Automation System 61850 61850 Distributed Energy Resources 61850 WIND Generating Unit 24 7 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 WIND FARMS Meters Thermal Power Plant Switchgear, Transformers, Instrumental Transformer Concentrator Nuclear Power Plant Hydro Power Plant Protection, Control, Metering 61850 EnergyBox HAN 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 réseau Besoin de normaliser les échanges pour assurer l’interopérabilité : 61850, CIM Maîtrise de la fiabilité et de la sécurité du système Une expérimentation des FAR par ERDF à partir de 2013 25 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Vers des réseaux plus actifs et automatisés Agrégateur de production X ou Y Raccordement Raccordement et et protection protection de découplage de découplage Participation Participation àà la la gestion gestion de de la la tension tension et et àà la la détection détection de de défauts défauts HT/MT Agence de conduite Protections Protections directionnelles directionnelles et auto réglables et auto réglables stockage stockage pour pour faciliter faciliter l’insertion l’insertion (congestions, (congestions, services services systèmes, systèmes, qualité qualité de de fourniture, fourniture, …) …) Disjoncteurs Disjoncteurs en en réseau réseau télécommandés télécommandés Utilisation Utilisation des des données données issues des issues des compteurs compteurs pour pour améliorer améliorer l’observabilité l’observabilité du du réseau réseau Indicateur Indicateur de de passage passage de de défaut défaut directionnel et communicant directionnel et communicant Courants Courants porteurs porteurs Nouveaux Nouveaux outils outils de de téléconduite téléconduite Estimation Estimation d’état, d’état, contrôle contrôle de de la la tension, tension, reconfiguration reconfiguration optimale optimale 26 EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/2012 Capteurs Capteurs en en réseau réseau