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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
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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)
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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
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