Système avancé de gestion

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1 Technologie LAtmanagement Sytème avancé de getion de la charge Développement et réaliation d un démontrateur La plupart de ytème opérationnel de getion de la charge ont implement de télécommande heure pleine/heure creue améliorée. Leur performance ont limitée et il n offrent aucune fonctionnalité nouvelle aux abonné. Ce contat a amené la HES-SO à développer un ytème plu avancé et à réalier un démontrateur à partir de matériel indutriel et grand public largement diponible. J.-D. Marcuard, H. Kronig, A. Vaccari, Ch. Truffer, J. El Hayek Le ytème de pilotage de la charge concernent en premier lieu le exploitant de réeaux de ditribution. Il peuvent être interconnecté et hiérarchié de façon à opérer à traver de réeaux trè étendu. A une plu petite échelle, ce ytème préentent également un intérêt pour le ite indutriel déireux de réduire leur pic d appel de puiance. La plupart de ytème exitant ont contruit en réutiliant de télécommande de conception ancienne et à partir de cahier de charge établi uniquement dan l intérêt de l exploitant du réeau. L utiliation de matériel plu récent permet d initier un véritable partenariat gagnant-gagnant avec le abonné concerné. Outre de avantage tarifaire, ce dernier peuvent bénéficier du choix d une méthode de pilotage adaptée à leur mode de vie, d information ur leur conommation en temp réel, de coneil peronnalié, d une urveillance et d une commande à ditance de appareil qu il mettent à dipoition, etc. Ceci le amène à mieux gérer leur conommation d énergie et facilite l acceptation du ytème. De on côté, l exploitant dipoe d un ytème plu efficace et urtout beaucoup plu ouple. La HES-SO a développé cette approche dan le cadre du projet de recherche Atenet, au cour duquel un ytème plu avancé de pilotage de la charge aini qu un démontrateur ont été réalié pour démontrer la faiabilité du concept propoé. Déjà préenté lor de divere conférence et expoition, le démontrateur permet à toute peronne intéreée de e familiarier avec le fonctionnement de réeaux intelligent (mart grid), aini qu avec le nouvelle perpective qu il offrent en terme d optimiation de la getion de la charge du réeau. Abonné participant Appareil Réeau Relai SCADA Configuration Viualiation Meure Commande Meure (Commande) Sytème de getion de la charge Algorithme d optimiation Le principe du ytème Atenet Atenet et un ytème avancé de getion de la charge, dont le contrôle et centralié dan un ou pluieur erveur. Il agit ur le réeau en pilotant à ditance et en temp réel un certain nombre de charge, de ytème de tockage d énergie, voire de intallation de production, réparti dan un réeau électrique. Tou ce dipoitif ont mi à dipoition par leur propriétaire contre de avantage tarifaire. Chaque appareil peut être enclenché et déclenché individuellement par l intermédiaire de relai intelligent intallé chez le utiliateur, ce dernier gardant néanmoin en tout temp la poibilité de forcer l état de relai. Le relai ont également pour fonction d acquérir de information qui eront tranmie au erveur. Il meurent la conommation effective de l appareil, l état de la commande de forçage et détectent de défaut éventuel. Finalement, en ca de panne de tranmiion, une alarme et générée, tant du côté erveur que du côté utiliateur. Chaque relai applique alor une loi de commande horaire. Cette loi et calculée par le erveur et réactualiée à intervalle de temp régulier. Structure générale d un tel ytème Un ytème de getion de la charge d un réeau doit atifaire à la foi le abonné, l exploitant du réeau et le propriétaire de l infratructure. Il atteint ce objectif en réduiant le coût d achat de l énergie, en améliorant la ûreté d approviionnement, en optimiant l utiliation de l infratructure, en procurant de ervice aux abonné et en contribuant à mieux repecter l environnement. Pour mener ce tâche à bien, le ytème doit collecter et traiter de information d origine divere. Il doit donc néceairement comporter un certain nombre d interface (figure ). Au cœur du dipoitif, un algorithme d optimia- Cour Achat (& vente) Facturation Viualiation Conduite Préviion de conommation Déletage Meure Meure Commande ure Ditributeur Swigrid Sytème ditant Figure Le interface néceaire au fonctionnement d un ytème de getion de la charge idéal. 42 Bulletin 5 / 20

2 Technologie LAtmanagement tion calcule l état à aigner à chacun de relai en e baant ur le information uivante : Une préviion de la conommation de abonné. Le objectif aigné par l exploitant du réeau (ditributeur) et/ou par Swigrid. Le meure collectée dan le réeau et ur le appareil piloté par le relai. Le contrainte configurée par le propriétaire de appareil. Le limite technique de l infratructure. Le cour de l énergie à la boure. De donnée provenant d autre ytème imilaire. Le objectif à atteindre et le contrainte à repecter varient de ca en ca. Le rôle de l algorithme d optimiation Comme le montre la figure 2, pour pouvoir atifaire un maximum d exigence, l optimiation doit être décompoée en deux phae ucceive : Une optimiation préviionnelle, effectuée au moin un jour à l avance. Une optimiation en temp réel. Ce deux phae ont complémentaire : il et parfaitement poible de renoncer à l une d entre elle, mai au détriment de performance du ytème. Temp La veille Temp réel Programme prédictif de conommation Préviion à long terme Préviion à moyen terme Préviion à court terme (la veille) Groupe Bilan Reponable (RGB) Réeau électrique Meure Relai ATENET Acquiition Acquiition OPTIMISATION PRÉVISIONNELLE Optimiation de la courbe de charge Optimiation de la courbe de charge Optimiation de la courbe de charge Courbe de charge planifiée Ordre de commutation OPTIMISATION EN TEMPS RÉEL Optimiation en temp réel de commutation Figure 2 Illutration de deux étape d optimiation. Optimiation préviionnelle L optimiation «préviionnelle» ou «a priori» conite à déformer la courbe de charge prédite par un modèle du réeau ) en planifiant une anticipation ou un retard de la conommation de appareil à dipoition du ytème. Cette planification doit évidemment repecter le contrainte fixée par le abonné et par l exploitant, aini que le limitation technique de l infratructure. Elle era plu ou moin détaillée, elon que le relai peuvent être piloté individuellement ou par groupe, et elon la mie en œuvre ou non d une optimiation en temp réel. Cette première phae d optimiation permet d attéer le pic de conommation et de générer un profit financier en exploitant le différence de prix de l énergie en fonction de on heure de livraion. Elle aboutit à l achat ur le marché de tranche d énergie correpondant à la Cour Ordre Ordre Cour Ordre Ordre Cour Cour Ordre Conigne ure de l'énergie Marché à terme Marché «day ahead» EEX Marché «intraday» SWISSGRID Producteur & Abonné courbe de charge planifiée. Cette courbe doit être tranmie au moin 24 h à l avance au reponable du groupe bilan (RGB) auquel l exploitant du réeau et rattaché. Optimiation en temp réel L optimiation en temp réel peut intégrer pluieur fonction. L une d entre elle conite à modifier la courbe de charge planifiée en cour d exploitation. Ce ca de figure apparaît lorque l exploitant ouhaite utilier une partie de la ouplee du ytème pour vendre de l énergie de réglage à on régulateur de zone (Swigrid). a 80 Puiance [GW] Puiance planifiée la veille (préviion) (en couleur) Puiance meurée (effective) (trait noir) b Heure Puiance de réglage [GW] 0 2 Puiance de réglage (compenée par le régulateur de zone) Heure Figure 3 Bilan de puiance globaux en France ur 24 h (ource de donnée : RTE France [2]). (a) Comparaion de la puiance planifiée la veille et de la puiance meurée le 7 janvier 20. Le couleur ymbolient le prix de l énergie (bleu = ba, rouge = élevé). (b) Puiance de réglage, compenée par le régulateur de zone. Bulletin 5 / 20 43

3 Technologie LAtmanagement Régulation de la charge globale du réeau Il et généralement poible d etimer le bilan de puiance effectif du réeau à partir de la meure de courant à e point de connexion. Une réduction de échange d énergie d ajutement équivaut, pour l exploitant, à une dimition de pénalité financière facturée a poteriori par le régulateur de zone (Swigrid), notamment pour la fourniture d énergie de réglage (figure 3). La régulation doit donc piloter le relai de façon à ce que le bilan de puiance effectif du réeau (meure) coïncide avec la courbe de charge planifiée (conigne). Ce premier étage de régulation permet de contrer, au moin partiellement, le aléa de puiance provenant eentiellement de condition météorologique. Pilotage de échange de puiance à l intérieur du réeau Si l on dipoe d un réeau d appareil de meure uffiamment dene, il devient poible de régler le flux de puiance échangé à l intérieur du réeau. On peut aini réduire le rique de urcharge de intallation critique et tenter de limiter le perte dan le ligne en coordonnant de producteur et de conommateur proche le un de autre. A l avenir, cette fonction era utile pour limiter le conéquence d une arrivée maive et oudaine de véhicule électrique à recharger dan une zone du réeau mal deervie (capacité de ligne limitée). Pilotage individuel de appareil mi à dipoition de abonné Un retour d information provenant de chaque appareil n et pa indipenable pour le piloter individuellement. Toutefoi, une acquiition de meure intégrée à chaque relai de commande préente pluieur avantage : L algorithme d optimiation en temp réel et en meure d etimer en permanence et avec préciion la puiance qu il peut commuter, ce qui permet d augmenter on efficacité. 44 Bulletin 5 / 20 Maquette «Réeau et Producteur» Serveur Getion de la maquette Optimiation Serveur Web Bae de donnée PC du ditributeur Getion du réeau Maquette «Abonné» Relai intelligent Web API Internet Le ytème claique e contentent de commuter le appareil elon la planification préétablie (commande en boucle ouverte). Le ytème Atenet propoe quant à lui de mettre en œuvre une véritable régulation (commande en boucle fermée). En fonction de ignaux de meure diponible, pluieur niveaux de régulation ont enviageable. PC de l'abonné Paramétriation Viualiation Figure 4 Structure du démontrateur Atenet. Le ytème peut exploiter de ytè- me de tockage d énergie. De pretation upplémentaire (uivi de conommation, télécommande, etc.) et de contrat de collaboration peronnalié peuvent être propoé aux abonné. Le modèle mathématique du comportement de appareil et du réeau peuvent être affiné au cour du temp. Ceci permet d améliorer la préciion de algorithme de prédiction. En pratique, le choix du matériel utilié pour réalier le relai conditionne le fonctionnalité qui peuvent effectivement être implémentée. Le développement d un relai pécifique produit en grande érie permettrait de propoer l enemble de pretation litée ci-deu pour un coût de l ordre d une centaine de franc par appareil équipé. Fonction de déletage Dan tou le ca, le ytème de getion de la charge peut être ubordonné à un ordre de déletage prioritaire donné par Swigrid. Cette fonction préente le double avantage de ne pa occaionner de blackout et de permettre un retour progreif à la ituation normale. Un algorithme d optimiation en temp réel iu d Atenet Vu la diverité de application poible, le développement d un algorithme d optimiation univerel et illuoire. C et pourquoi diver algorithme d optimiation adapté à différent ca de figu- re ont été développé dan le cadre du projet Atenet et de e uite. Dan cet article, eul un de ce algorithme et décrit dan e grande ligne. Il et baé ur le hypothèe uivante : La meure du bilan de puiance du réeau et poible. La courbe de charge planifiée et cone. Le appareil peuvent être piloté individuellement. La conommation effective de chaque appareil et meurée par le relai. Le propriétaire de chaque appareil a la poibilité de électionner l une de troi «loi de commande» uivante : L : Loi privilégiant l utiliation de énergie verte. L2 : Loi horaire (choix pour chaque tranche horaire : marche, arrêt, choii par Atenet). L3 : Loi économique (marche/arrêt en fonction du prix propoé par Atenet). Pour chacune de troi loi propoée, l utiliateur peut impoer de limite au ytème. Elle permettent de lui garantir un confort d utiliation uffiant. Le paramètre à introduire diffèrent légèrement elon le type d appareil concerné. De exemple ont préenté plu loin. Decription de l algorithme L algorithme d optimiation et exécuté en boucle, en principe à période d échantillonnage fixe de l ordre de quelque mite. Il débute par une boucle qui pae en revue tou le appareil enregitré dan le ytème et effectue toute le

4 Technologie LAtmanagement a Abonné : Compteur : Relai : Appareil : Getionnaire électionné: Energie Verte Type d'appareil: de Chauffage PAC 7 [kw] Je ouhaite enclencher cet appareil eulement i de l énergie produite par de ource renouvelable et diponible, ou il et à l arrêt depui plu de 45 mite. Dan tou le ca mon appareil doit enclencher pour une durée d au moin 30 mite conécutive. J'autorie le déletage de cet appareil en ca de ituation d'urgence : b Abonné : Compteur : Relai : Appareil : Getionnaire électionné: Loi Horaire Type d'appareil: de Chauffe-eau électrique ,5 [kw] u n n u 2 0 u on B STOP PM 2 5 AM 9 3 STOP J'autorie le déletage de cet appareil en ca de ituation d'urgence : Vou nou avez confié la getion de 2 plage horaire et bénéficiez de 4 bo! La clae 6 de notre tarification préférentielle vou era appliquée! c Getionnaire électionné: Critère Economique Type d'appareil: Voiture électrique de 25 [kw] Abonné : Compteur : Relai : Appareil : 2 Je ouhaite recharger rapidement le batterie de mon véhicule juqu à 80 % de leur capacité. Au-delà, je ne ouhaite le charger que i le prix du kwh et inférieur à 2 centime. Si on m offre plu de 5 centime par kwh, je ui prêt à décharger le batterie, mai pa en deou de 80 % de leur capacité. J'autorie le déletage de cet appareil en ca de ituation d'urgence : Figure 5 (a) Loi «énergie verte» pour une pompe à chaleur (PAC). (b) Loi «horaire» pour un chauffe-eau. (c) Loi «économique» pour un véhicule à chargeur réverible. commutation «obligatoire», c et-à-dire toute celle qui ont impoée par le contrainte fixée par le abonné et l exploitant. Par exemple, i la durée d arrêt maximum configurée pour un chauffage et atteinte, ce dernier et réenclenché. Une éventuelle demande de déletage et également prie en compte à ce niveau. Dan le même temp, la boucle identifie le appareil qui peuvent être commuté librement. Pour chacune de loi L à L3, deux lite ont établie pour identifier le appareil qui peuvent être enclenché ou repectivement déclenché. Sur ce lite, le appareil ont claé par ordre décroiant du temp écoulé depui leur dernière commutation. La boucle ert aui à comptabilier le puiance «verte» conommée et injectée par le appareil configuré elon L et, acceoirement, à évaluer le puiance totale d enclenchement et de déclenchement diponible pour la régulation. Aprè avoir paé en revue tou le appareil, l algorithme évalue l erreur ur le bilan de puiance global du réeau et la puiance totale injectée dan le réeau à partir de ource d énergie verte. Eite, troi procédure ont appliquée ucceivement pour traiter le commutation configurée elon le loi L à L3. Le procédure d optimiation La première procédure cherche à équilibrer le bilan de énergie verte (L). Si de la puiance «verte» et à dipoition, le appareil en attente depui le plu longtemp ont enclenché. En ca de urconommation, le appareil dont l enclenchement et le plu ancien ont arrêté. Le rique de voir un appareil reter toujour déclenché ou enclenché et évité par le biai de contrainte fixée par l utiliateur ur la durée maximale d un arrêt et la durée minimale d une mie en marche. A noter que cette loi de commande et trè utile à l exploitant du réeau car elle contribue à réduire le effet de la production aléatoire de énergie olaire et éolienne. La deuxième procédure commute le appareil géré elon la loi horaire (L2) de façon à dimier l énergie d ajutement. Si une réerve de puiance et diponible, elle era complètement utiliée de façon à ce qu elle contribue à ramener le prix par kwh propoé au dernier groupe d appareil ver une valeur moyenne. La dernière procédure modifie le prix propoé aux propriétaire de appareil enregitré elon le critère économique (L3) de façon à éliminer, ou au moin à réduire l erreur ur le bilan de puiance. Si le prix propoé augmente, de appareil conommateur e déclenchent et de appareil producteur enclenchent. S il baie, l invere e produit. Le prix offert varie dan une fourchette limitée entre un minimum et un maximum. Structure du démontrateur Atenet Le démontrateur Atenet et compoé du ytème de getion de la charge proprement dit et de deux maquette (figure 4). Pour réalier le ytème de getion de la charge, un PC tandard a été utilié pour la partie erveur (parfoi deux PC éparé), aini qu un automate program- Bulletin 5 / 20 45

5 Technologie LAtmanagement Figure 6 Ecran de ynthèe de l état du réeau et de pilotage de la maquette producteur. mable SAIA PCD-3 pour le relai intelligent 2). Le logiciel du erveur et contitué d une bae de donnée centrale à laquelle accèdent différent module. Cette tructure facilite la mie au point et le adaptation de programme. Il et à noter que toute le tranmiion e font par le biai d Internet. La première maquette repréente un enemble de producteur et le réeau. Il y a une centrale photovoltaïque, une éolienne, une centrale hydroélectrique et une centrale thermique. Une lampe, un ventilateur, un moteur électrique et un potentiomètre permettent d activer chacun de producteur. Le tout et raccordé à un PC par l intermédiaire d une carte d acquiition ; une interface graphique permet de piloter l enemble. La econde maquette figure le domicile d un abonné participant au ytème. Elle intègre l automate programmable qui aure la fonction de relai intelligent pour quatre appareil électrique : un chauffe-eau, un chauffage électrique, une machine à laver et un véhicule électrique dont le chargeur et uppoé être réverible. De diode indiquent l état de appareil (alimentation, alarme, etc.). De interrupteur permettent d impoer maellement l état du relai (forçage), de imuler un défaut et, le ca échéant, de imuler l état du thermotat. L automate meure également la production de capteur olaire intallé ur le toit de la maion, ce ytème comptabiliant toute l électricité «verte» produite dan le réeau. Configuration et viualiation (côté abonné) Atenet comprend un erveur Web detiné aux abonné partenaire du ytème. Il leur permet notamment d enregitrer le appareil qu il mettent à dipoition. Le troi «loi de commande» L à L3 décrite précédemment ont propoée pour chaque type d appareil (de exemple d écran de configuration ont préenté dan la figure 5). L utiliateur peut électionner celle qui lui convient le mieux et fixer de contrainte propre à éviter une altération de on confort. Par l intermédiaire du même erveur, chaque utiliateur a accè aux tatitique relative à l utiliation de e appareil. Ce ite lui donne également de information détaillée lorqu il et informé d une défaillance par le voyant d alarme intallé ur chaque relai. Viualiation et conduite (côté ditributeur) Le démontrateur intègre deux interface graphique detinée à l exploitant du réeau. Le premier écran (figure 6) ynthétie toute le donnée relative à l état du réeau et à l optimiation. Il permet également de commander la maquette figurant le producteur et de imuler de changement de charge. Le econd écran (figure 7) permet de viualier une partie de information enregitrée dan la bae de donnée et d oberver le changement d état de appareil au cour du temp. Il et aui poible de prendre le contrôle du démontrateur à ditance. On accède alor à ce deux interface avec un navigateur internet tandard. Zuammenfaung Fortgechrittene Latmanagementytem Entwicklung und Realiierung eine Vorführgerät Die meiten Latmanagementyteme, die ich im Einatz befinden, ind einfach r verbeerte Fernteuerungen für Hauptlat- und Schwachlatzeiten. Ihre Leitungen ind ehr begrenzt und ie bieten dem Kunden keinerlei weitere Funktionen an. Diee Fettellung hat die Hochchule HES-SO dazu bewogen, ein fortgechrittenere Sytem zu entwickeln und ein Vorführgerät au Indutriebauteilen und allgemein verfügbaren Materialien zu realiieren. Mit dieem Vorführgerät kann die Funktionweie eine Latmanagementytem erklärt und veranchaulicht werden. E richtet ich an Privat- und Gechäftkunden, die ich für die neuen Möglichkeiten intereieren, die «Smart Grid» bieten. CHe 46 Bulletin 5 / 20

6 Technologie LAtmanagement Figure : HES-SO Figure 7 Ecran préentant la bae de donnée et le détail de l optimiation. Utiliation du démontrateur Le démontrateur permet d expliquer le principe appliqué pour gérer la charge d un réeau. Toute le étape du proceu peuvent être viualiée, de l enregitrement ur le Web d un nouvel abonné, juqu à la viualiation de donnée detinée à la facturation. A partir de l écran de getion principal, on peut imuler une variation de la charge du réeau ou modifier l état d un producteur ur la maquette. Sur le même écran, le pectateur voient alor évoluer le meure et le déciion prie par l algorithme d optimiation. Il peuvent eite contater le commutation de appareil ur la maquette du domicile de l abonné. Le public peut modifier la loi de commande affectée à chaque appareil et oberver le différence de comportement qui en réultent. Il peut aui teter la détection du forçage de relai, la tranmiion d une alarme et imuler l effet de thermotat ur le appareil qui en ont équipé. Comme mentionné plu haut, l algorithme d optimiation en temp réel fonctionne en boucle. Pour le démontrateur, la période d échantillonnage a volontairement été fixée à pluieur dizaine de econde, de façon à ce que le pectateur puient mieux e rendre compte du fonctionnement du ytème. Quant au econd écran de contrôle, il permet de viualier le fonctionnement de l algorithme. Il adree en principe à un public plu averti. Concluion Le projet Atenet a permi de développer de nouvelle méthode de getion de la charge et d induire de collaboration avec pluieur ditributeur pour mettre en place de ytème opérationnel. Le démontrateur réalié dan le cadre de ce projet a été conçu de façon à pouvoir être utilié comme ytème pilote en grandeur nature. Il permet d expliquer et d illutrer le fonctionnement d un ytème de getion de la charge. Il adree autant au grand public qu aux profeionnel intéreé par le nouvelle poibilité offerte par le «mart grid». Ce démontrateur et entièrement tranportable et il peut fonctionner de façon autonome. Il a déjà été préenté à pluieur reprie et avec uccè dan le cadre de conférence et d expoition, et peut être mi à dipoition elon entente pour de futur événement. Référence [] J. El Hayek : Prédiction de la charge électrique à court et moyen terme. Rapport final d Atenet, Annexe I, N AGP 9727, Fribourg, [2] eco2mix-conommation-production-et-conteco2-de-l-electricite-francaie#plu. Information ur le auteur Prof. Jean-Daniel Marcuard et ingénieur EPFL en génie mécanique. Rattaché à l Intitut de Sytème Indutriel de la HES-SO Valai, il eneigne notamment l automatiation et la régulation. Se activité de recherche et développement ont pluridiciplinaire, mai le plu ouvent orientée dan le domaine de l énergie ou de la robotique. HES-SO Valai, 950 Sion, jdaniel.marcuard@hev.ch Prof. D r Heinz Kronig et chargé de cour à l HES-SO dan le domaine de réeaux électrique. HES-SO Valai, 950 Sion, heinz.kronig@hev.ch Aldo Vaccari et ingénieur ETS en électrotechnique. En tant que collaborateur cientifique permanent du laboratoire d automatiation et de régulation de l Intitut de Sytème Indutriel de la HES-SO Valai, a pécialité et le développement d application d automatiation et d interface homme-machine en langage graphique LabVIEW. HES-SO Valai, 950 Sion, aldo.vaccari@hev.ch Chritophe Truffer et ingénieur ETS en électrotechnique. Collaborateur cientifique permanent du laboratoire d automatiation et de régulation de l Intitut de Sytème Indutriel de la HES-SO Valai, il et pécialié dan le développement d application d automatiation ur automate programmable. HES-SO Valai, 950 Sion, chritophe.truffer@hev.ch Prof. D r Joeph El Hayek et ingénieur EPFL en électricité et D r è Sc. technique en génie électrique. Rattaché à l Intitut de Technologie Indutrielle de la HES-SO, il eneigne le machine électrique à l EIA- FR. Se activité de recherche et développement articulent autour de la modéliation et du dimenionnement de machine et tranformateur électrique. HES-SO, Ecole d ingénieur et d architecte de Fribourg, 705 Fribourg, joeph.elhayek@hefr.ch ) Le projet Atenet a également permi de mettre au point un programme de modéliation et de prédiction de la charge d un réeau de ditribution []. 2) Le ytème peut être complété par autant d automate que ouhaité. Bulletin 5 / 20 47