1 journée scientifique de l`institut RISEGrid
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RISEGrid Research Institute for Smarter Electric Grids 1 ère journée scientifique de l’institut RISEGrid Supélec, 26 septembre 2014 1ère Journée scientifique RISEGrid 26 septembre 2014– 9h30-16h30 Supélec – 3 rue Joliot Curie – 91192 Gif-sur-Yvette Amphithéâtre Ampère (accès à Supélec : www.supelec.fr puis ‘Gif’ – fléchage à l’entrée) 9h-9h30 Accueil 9h30-9h40 Présentation de la journée – S. Andrieux, directeur scientifique d’EDF R&D 9h40-10h00 Présentation de l’Institut RISEGrid – O. Devaux / G. Sandou 10h00-12h45 Présentation des premiers résultats de l’institut RISEGrid Chairmen : O. Devaux / G. Sandou 10h00-10h45 Contraintes dynamiques dans les modèles d’affectation d’unités – C. Cardozo, P. Dessante, M. Petit, L. Capely, V. Silva. 10h45-11h00 Pause 11h00-11h45 Simulation des systèmes d'information des Smart Grids – R. Seghiri, F. Boulanger, E. Suignard. 11h45-12h30 Principes et premiers résultats de la plate-forme de multi-simulation distribuée DACCOSIM– V. Galtier, S. Vialle, J.P. Tavella, C. Dad, J.-P. Lam-Yee-Mui 12h30-12h45 Sur l’étude de la stabilité des régulations locales de la puissance réactive en fonction de la tension – M. Cosson, C. Stoica Maniu, D. Dumur, H. Gueguen, G. Malarange, V. Gabrion. 12h45-14h00 Déjeuner 14h00-16h30 La co-simulation au service des systèmes complexes : les smart grids, l'automobile, l'aéronautique. Présentations et table ronde. Chairman : S. Andrieux Avec : - François-Xavier Vallet (Renault) - Yves Baudier / Eric Duceau (Airbus) - Mongi Ben Gaid / Paolino Tona (IFP) - Jean-Philippe Tavella (EDF) - Virginie Galtier / Stéphane Vialle (Supélec) RISEGrid Research Institute for Smarter Electric Grids Un institut de recherche dédié aux réseaux intelligents de distribution d’électricité Créé à l’initiative d’EDF et de Supélec, l’Institut RISEGrid (Research Institute for Smarter Electric Grids) est dédié à l’étude et la modélisation des réseaux intelligents de distribution d’électricité et de leurs interactions avec l’ensemble du système électrique. Couvrant à la fois des thèmes de recherche amont et des études plus industrielles, l’institut RISEGrid s’inscrit dans l’environnement en profonde mutation des systèmes électriques du monde entier : ouverture des marchés de l’énergie à de multiples acteurs, développement des technologies de production décentralisée, progrès des technologies de l’information et de la communication... Les études et recherches de l’institut intègrent les aspects multidimensionnels du fonctionnement des réseaux (électrotechnique, contrôle-commande, systèmes d’information, réseaux de télécommunications, …), ainsi que l’exploration de nouveaux outils de modélisation et de simulation de ces systèmes complexes. Un programme scientifique structuré autour de quatre axes de recherche L’étude des systèmes électriques intelligents Le développement extrêmement rapide de la production d’électricité décentralisée concerne majoritairement les réseaux de distribution qui n’étaient pas conçus à l’origine pour accueillir de la production à large échelle. Ce thème de recherche s’intéresse donc au développement de solutions nouvelles pour accroître la flexibilité des réseaux et ainsi faciliter non seulement l’intégration massive de la production décentralisée, mais aussi celle des nouveaux usages et applications de l’électricité, tout en maintenant des niveaux élevés de fiabilité et de qualité de la fourniture. L’observabilité du système électrique L’introduction de nouvelles fonctions intelligentes et automatisées permettra d’optimiser le système dans son ensemble, en tirant le meilleur parti des différentes flexibilités : production, gestion de la demande, stockage et réseau. Pour cela, il est nécessaire de développer l’observabilité, c’est à dire la connaissance en temps réel de l’état des différents composants du système, que ce soit au travers de techniques de traitement de signal ou d’algorithmes d’analyse de données innovants. Les systèmes d'information et de communication Les systèmes d’information et les infrastructures de communication sont le support des nouvelles fonctions intelligentes des Smart Grids. L’institut RISEGrid s’intéresse à la modélisation de ces systèmes ainsi qu’à leur interactions toujours plus fortes avec le fonctionnement des réseaux électriques : modes communs, qualité de service, fiabilité sont des sujets abordés par ce thème de recherche qui explore également de nouveaux outils de simulation. La modélisation et la simulation avancées Une caractéristique des Smart Grids est d’être constitués d’un grand nombre de sous-systèmes en interaction : réseaux électriques, comptage communicant, production centralisée et décentralisée, pilotage de la demande (dont le véhicule électrique), stockage, systèmes d’information et de télécommunication, fournisseurs, agrégateurs, etc. L’étude des Smart Grids nécessite donc de considérer plusieurs sous-systèmes simultanément, afin de rendre compte du comportement global. Pour cela, il est nécessaire de développer de nouveaux outils de multi-simulation permettant d’associer les simulateurs dédiés à chacun des sous-systèmes et ouvrir de nouveaux champs d’investigation : par exemple, l’étude des interactions entre les réseaux, le comptage communicant, et la charge intelligente des véhicules électriques. A propos de RISEGrid CONTACTS Guillaume SANDOU E-mail : [email protected] Olivier DEVAUX E-mail : [email protected] Crédit photos : EDF, Philippe ERANIAN L’institut de recherche RISEGrid rassemble une vingtaine de chercheurs académiques et industriels (chercheurs, doctorants et post-doctorants). Situé dans les locaux de Supélec, sur le plateau de Saclay, RISEGrid s’inscrit pleinement dans la dynamique de développement du futur Campus Paris Saclay, sur lequel la R&D d’EDF installera son centre de recherche principal en 2015. Thèses en cours - RISEGrid Marjorie Cosson « Stabilité du réseau de distribution électrique. Analyse du point de vue automatique d’un système complexe » – date de début : octobre 2013. Carmen Cardozo « Optimisation technico-économique du fonctionnement d’un système électrique en présence d’EnR intermittentes » – date de début : janvier 2013. Julien Denoël « Détermination de la contribution harmonique d'une installation raccordée au réseau de distribution d’électricité »– date de début : novembre 2013. Rachida Seghiri « Simulation des systèmes d’information des Smart Grids » – date de début : avril 2013. Chérifa Dad « Conception de modèles et outils de couplage de logiciels pour des cosimulations distribuées de systèmes complexes. Application aux réseaux électriques intelligents (Smart Grids) » – date de début : février 2014 Mariam Ait-Ou-Kharraz « Caractérisation du réseau de distribution basse tension français dans la bande de fréquences CPL » – date de début : mai 2014. RISEGrid, c’est aussi, pour l’année scolaire 2013-2014, 6 Contrats d’Etude Industrielle, 3 Stages de fin d’étude d’école d’ingénieur (niveau M2) et 2 stages de master (niveau M2). Résumé des communications du matin Dynamic constraints in unit commitment models Contraintes dynamiques dans les modèles d’affectation d’unités Carmen Cardozo Philippe Dessante Marc Petit [email protected] [email protected] [email protected] SUPELEC, Sciences des Systèmes (E3S), Département Energie & RISEGrid, Gif-sur-Yvette, France Laurent Capely Vera Silva [email protected] [email protected] EDF R&D - EFESE dept. & RISEGrid, Clamart, France ABSTRACT The Unit Commitment (UC) problem deals with the short-term schedule of the electrical generation to meet the power demand. The main objective is to minimize the production cost, while respecting technical and security constraints. In addition to the system load, a specific amount of spare capacity is committed to cope with uncertainties, such as forecasting errors and unit outages; this is called reserve and it has been traditionally specified following a static reliability criterion. In a system with a conventional generation mix, this security constraint allows achieving UC solutions that naturally provide an acceptable transient response. However, the increasing penetration of Variable Generation (VG) sources, such as wind and solar, can lead to UC solutions that no longer ensure system security. Thus, new UC models have been proposed to consider the power system dynamics when optimizing the day-ahead generation schedule. Some published works are focused on the formulation of these constraints in a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) structure to apply classic optimization techniques. Nevertheless, power system dynamics is a non-linear problem, and, to the author’s knowledge, the limits of these linear approximations have not been discussed in literature. This work examines the ability of different UC models to produce secure schedules when facing unit outages, through the implementation of a set of primary reserve and energy co-optimization models. These models are built based on linear approximations of dynamic constraints that are available in recent literature. Then, dynamic simulations are performed for every conceivable outage to observe the transient response of the system and to quantify the risk of Under Frequency Load Curtailment (UFLC). Depending on the energy mix and the dynamic parameters of the available production park, the system dynamic response can be improved at reasonable cost through slight changes in schedule and dispatch using adapted UC models. Further work will include net demand forecasting errors to determine the expected activation of UFLC. Keywords: Unit Commitment, Dynamic constraints, Under Frequency Load Curtailment ACKNOWLEDGMENT This study has been carried out in the RISEGrid Institute1 , joint scientific program between Supélec and EDF (Electricité de France) on smarter electric grids. 1 http://www.supelec.fr/342_p_36889/risegrid.html Simulation of information systems in Smart Grids Simulation des systèmes d’information des Smart Grids Rachida Seghiri Eric Suignard [email protected] [email protected] EDF R&D - MIRE dept. & RISEGrid, Clamart, France Frédéric Boulanger [email protected] SUPELEC Sciences des Systèmes (E3S) - Département Informatique & RISEGrid, Gif-sur-Yvette, France ABSTRACT Un Smart Grid est un réseau électrique intelligent permettant d’optimiser la production, la distribution et la consommation de l’électricité grâce à l’introduction des technologies de l’information et de la communication sur le réseau électrique. Les Systèmes d’Information (SI) doivent donc intégrer pleinement les Smart Grids pour les superviser et les piloter. Dans ce contexte, nous proposons de simuler ces SI pour les faire valider par les experts Smart Grid et ainsi analyser la réplicabilité et la scalabilité des solutions mises en oeuvre dans des démonstrateurs en optimisant les coûts associés. Nous identifions principalement trois verrous à lever pour y parvenir. Tout d’abord, les méthodes prônées pour modéliser le SI sont peu adaptées aux profils des utilisateurs non informaticiens, ici les experts Smart Grid. Des langages de modélisation spécifiques au métier (DSML) doivent être définis pour décrire des modèles exécutables. De plus, un Smart Grid, à la croisée du domaine électrotechnique, des technologies de l’information et des télécoms, est par définition hétérogène. Cette hétérogénéité se retrouve au niveau des modèles issus de différents DSML qu’il faut combiner pour aboutir à une simulation globale du SI. Enfin, l’approche par points de vue, permettant une séparation des préoccupations, est incontournable pour la modélisation de systèmes comme le Smart Grid, mais la cohérence entre les différentes vues du système doit être absolument maintenue. L’objectif de nos travaux est donc de définir des méthodes, modèles et outils permettant la simulation des SI des Smart Grids. Nous proposons d’utiliser les DSML pour construire un modèle global du Smart Grid adapté aux experts métier en mettant à profit les techniques de l’ingénierie dirigée par les modèles. Les DSML peuvent, en outre, contribuer à adresser l’hétérogénéité des modèles et la cohérence des points de vue. Nous avons donc commencé à définir ces DSML pour le cas métier de la régulation de tension sur les réseaux HTA à forte pénétration de sources d’énergie distribuées et souhaitons les éprouver avec le concours des experts Smart Grid. Keywords: Langage de modélisation spécifique au métier, hétérogénéité des modèles, simulation ACKNOWLEDGMENT This study has been carried out in the RISEGrid Institute1 , joint scientific program between Supélec and EDF (Electricité de France) on smarter electric grids. 1 http://www.supelec.fr/342_p_36889/risegrid.html Fundations and preliminary results of the DACCOSIM distributed multi-simulation platform Principes et premiers résultats de la plate-forme de multi-simulation distribuée DACCOSIM Virginie Galtier Stephane Vialle Chérifa Dad [email protected] [email protected] [email protected] SUPELEC - UMI GT-CNRS 2958 & RISEGrid, Metz, France Jean-Philippe Tavella Jean-Philippe Lam-Yee-Mui [email protected] [email protected] EDF R&D - MIRE dept. & RISEGrid, Clamart, France ABSTRACT Our research project aims at enabling multi-simulation based on the FMI 2.0 standard (published in july 2014) and the cooperation of multiple FMUs (FMI simulation units). Our solution, DACCOSIM1 (Distributed Architecture for Controlled Co-Simulation), is currently assessed on an industrial use case and aims to simulate Smart Grids, but it is designed to be generic. In order to support large scale multi-simulations, DACCOSIM runs on multi-core distributed architectures. To achieve good simulation accuracy without sacrificing efficiency, we support variable step size and rollback as commonly done by continuous time simulators. The induced necessary error control is achieved thanks to existing numerical algorithms and through a hierarchical and distributed control architecture. At each step, simulation data communications also occur, but directly between FMU pairs in a fully decentralized fashion. Moreover, DACCOSIM implements an algorithm to perform the complex initialization of the various components of the multi-simulation. DACCOSIM comes as a graphical framework to easily design a multi-simulation and to automatically generate associated code, and as a library to execute it. The library relies on either JavaFMI2 (for the Java version) or the QTronic FMU SDK (for the C++ version) to interface FMUs, and is multithreaded to take advantage of multi-core computing nodes. Finally, we entrust the rich ØMQ middleware to efficiently handle communications on distributed architectures. We evaluated DACCOSIM on an industrial use case provided by EDF (leading French utility company) modelling heat transfers through a building envelope. We run this use case on multi-core PCs and PC clusters. All simulation results were identical to the reference monolithic Dymola ones. Preliminary performance measurements on a 4-physical-core PC exhibit a speedup compared to monothreaded Dymola execution using the same FMUs. On multi-core PC clusters some overhead communication times appear, but larger co-simulations can be supported. In a near future, we will improve DACCOSIM to automate the deployment on production clusters, and run large scale experiments. We are also starting to design an hybrid time model to efficiently and rigorously mix event based simulators with DACCOSIM. Keywords: FMI 2.0, multi-simulation, distributed, framework, error control ACKNOWLEDGMENT This study has been carried out in the RISEGrid Institute3 , joint scientific program between Supélec and EDF (Electricité de France) on smarter electric grids, and has been partially funded by Region Lorraine. The authors wish to thank Thomas Molines, Student at Supélec, for the first version of the modelling and GUI parts of DACCOSIM, José Juan Hernandez and his fellow team members at SIANI for the efforts they put in providing us JavaFMI, and Gilles Plessis from ENERBAT department of EDF R&D for the design of the industrial use case in the preliminary evaluation of DACCOSIM. 1 http://daccosim.foundry.supelec.fr/ 2 https://bitbucket.org/siani/javafmi/wiki/Home 3 http://www.supelec.fr/342_p_36889/risegrid.html On the stability study of local reactive power regulations with respect to the voltage Sur l’étude de la stabilité des régulations locales de la puissance réactive en fonction de la tension Marjorie Cosson Cristina Stoica Maniu Didier Dumur [email protected] [email protected] [email protected] SUPELEC Sciences des Systèmes (E3S) - Département Automatique & RISEGrid, Gif-sur-Yvette, France Gilles Malarange Vincent Gabrion [email protected] [email protected] EDF R&D - EFESE dept. & RISEGrid, Clamart, France Hervé Guéguen [email protected] SUPELEC, IETR & RISEGrid, Rennes, France ABSTRACT With the massive insertion of distributed generators (DGs) on distribution grids, system operators face new challenges such as the multiplication of voltage constraints. To tackle this issue, DGs are asked to participate in voltage control. Among explored methods, we will focus on local reactive power regulations with respect to the voltage: Q(U). Empirical stability studies have been carried out already. They reveal stability issues related to regulation parameters setting. To generalize these empirical results, a theoretical stability study of this nonlinear system will be performed. This work aims at releasing a set of rules which will improve Q(U) regulations tuning. Keywords: Voltage control, reactive power regulation, distributed generation ACKNOWLEDGMENT This study has been carried out in the RISEGrid Institute1 , joint scientific program between Supélec and EDF (Electricité de France) on smarter electric grids. 1 http://www.supelec.fr/342_p_36889/risegrid.html
