14 août Analyse du black-out nord américain

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1 14 août Analyse du black-out nord américain Stéphane Gerbex - BKW FMB Energie SA Introduction Le 14 août 2003, une panne d électricité a frappé le nord-est des Etats-Unis, ainsi qu une partie de l Ontario, au Canada. La panne a touché environ 50 millions de personnes et entraîné la perte de 61'800 MW d'électricité. La perturbation a débuté quelques minutes après 16 heures, heure avancée de l Est (EDT) mais certains événements préalables en sont à l'origine. Le courant n'a été rétabli que quatre jours plus tard dans certaines parties des États-Unis. Certaines zones de l Ontario ont connu des pannes consécutives pendant plus d une semaine avant que la situation revienne entièrement à la normale. La panne a coûté entre 4 et 10 milliards de dollars américains aux Etats-Unis. Durant cette même année 2003, d'autres black-outs se produisirent par le monde. Ce fut notamment le cas en Italie, au Danemark/Suède, en Algérie ou encore à Londres. Ce black-out ne fut pas le premier aux Etats-Unis. D'autres pannes, avec pour origine des raisons diverses, se sont déjà produites par le passé. Parmi les principales, on peut citer : 1965 : Nord des USA - 30 Mio de personnes - dysfonctionnement du système de protection ; 1977 : New York - 9 Mio de personnes - foudre sur une ligne double terne ; 1982 : Côte Ouest - 5 Mio de personnes - forts vents ; 1996 : Côte Ouest Mio de personnes - température élevée et mauvais élagage. Structure du Réseau électrique nord américain Le réseau nord américain est formé de trois interconnexions distinctes indépendantes les unes des autres sur le plan électrique. Seules quelques liaisons à courant continu les lient. Le black-out du 14 août 2003 s'est produit au nord-est de l'interconnexion de l'est. Région touchée par le black-out km Source : NERC Certaines études ont mis en évidence que le réseau nord américain est relativement vétuste et obsolète. Depuis deux décennies, les investissements dans les infrastructures ont fortement diminué alors que parallèlement la charge et les transits de puissance n'ont cessé de croître. Ceci a comme conséquence directe un réseau de plus en plus chargé qui est exploité à la limite de ses capacités. Dans la région du lac Erie, le réseau de transport est constitué de quatre niveaux de tension: 765, 500, 345 et 230 kv, tel que représenté à la page suivante. A cela vient s'ajouter le réseau de répartition 138 kv (non représenté sur le schéma) qui peut former des chemins parallèles au réseau de transport très haute tension. -1-

2 Lake Huron Toronto Lake Ontario Detroit Toledo Lake Erie Cleveland Pittsburgh New York Philadelphia Washington DC km Légende : 765 kv 500 kv 345 kv 230 kv Conditions préalables au black-out Le 14 août, les températures étaient chaudes mais normales dans toute la région nord-est des États-Unis et dans l est du Canada. La demande d électricité était élevée en raison des fortes charges de climatisation typiques des journées chaudes du mois d août, mais pas inhabituelle. Ces climatiseurs ont des facteurs de puissance plus faibles et consomment des quantités de puissance réactive élevées, alors que la production puissance réactive disponibles dans la région est limitée. De plus, plusieurs grands réseaux d'électricité du Midwest ont systématiquement sous-estimé leurs prévisions de la demande entre le 11 et le 14 août Ces prévisions sont utilisées pour la planification du lendemain en ce qui concerne la production et les achats de courant, de même que la gestion de la puissance réactive, elles peuvent avoir un effet sur la disponibilité et l'affectation des équipements. Pour des raisons diverses, certaines installations de production étaient hors service le 14 août 2003 dans la région du lac Erie. En temps normal, ces générateurs fournissent de la puissance active et réactive aux régions de Cleveland, Detroit et Toledo. De plus, plusieurs batteries de condensateurs destinés à fournir de la puissance réactive à la région de Cleveland étaient déclenchées (situation inconnue des opérateurs voisins). Installations de production non disponibles Centrale nucléaire de David-Besse (883 MW) 2. Unité 1 de la centrale thermique de Monroe (817 MW) 3. Unité 3 de la centrale thermique de Sammis (180 MW) 4. Unité 4 de la centrale à charbon d'eastlake (238 MW) Réacteur de la centrale nucléaire de Cook (1060 MW) 6. Inspection périodique de 4-5 batteries de condensateurs dans la région de Cleveland-Akron (situation non connue des opérateurs voisins de FE) 3 Indisponibilité de puissances active et réactive dans la région - 2 -

3 Séquence des événements ayant conduit au black-out A 15:05, les échanges de puissance étaient les suivants : Michigan Ontario Lake Erie Cleveland New York Pennsylvania Direction des flux de puissance (MW) à 15:05 (EDT) Indiana Ohio Aux pages suivantes sont résumés de manière chronologique, les principaux événements qui se sont produits dans la région allant du Michigan jusqu'à New York. 12:08 14:02 (Eastern Daylight Time) Déclenchement de lignes et d'un générateur 7. À partir de 12:08 Série de pannes sur les lignes de transport 345, 230 et 138 kv du réseau de Cinergy 8. 13:31 Unité 5 de la centrale à charbon d'east Lake (597 MW) 9. 14:02 Ligne 345 kv Stuart - Atlanta Cause : Contact avec un arbre provoquant un court-circuit à la terre 8 12:15 16:04 Mauvais fonctionnement de l'estimateur d'état et de l'analyseur d'incidents de MISO :27 15:41 (EDT) Déclenchements de lignes entre l'est et le nord de l'ohio :27 Ligne 345 kv Star - South Canton (court-circuit avec un arbre puis réenclenchement immédiat) :05 Ligne 345 kv Harding - Chamberlain (court-circuit avec un arbre) :32 Ligne 345 kv Hanna - Jupiter (court-circuit avec un arbre) :41 Ligne 345 kv Star - South Canton (court-circuit avec un arbre) Transfert de charge sur d'autres lignes (y compris des lignes 138 kv) :14 15:05 Défaillance du sytème d'alarmes de FE - 3 -

4 15:42 16:06 (EDT) Déclenchements de lignes et séparation de l'ohio (nord est) :39-15:58:47 7 lignes 138 kv du nord de l'ohio :59 Perte des jeux de barres de la sous-station 138 kv West Akron et de 5 lignes 138 kv :05:58 Ligne 345 kv Sammis - Star (faible tension et courant élevé déclenchement relais) Séparation de l'est et du nord de l'ohio 3 axes de transport restants en direction du nord de l'ohio :05-16:06 2 lignes 138 kv du nord de l'ohio Axes restants :08:59 16:10:27 (EDT) Déclenchements de lignes et de générateurs ; séparation de l'ohio (nord sud) :08:59 Ligne 345 kv Galion - Ohio Central Muskingum :09:06 Ligne 345 kv East Lima - Fostoria Central Oscillations de puissance entre la Pennsylvanie, l'état de New York, l'ontario et le Michigan Séparation nord-sud de l'ohio :09:23-16:10:27 Pertes de plusieurs centrales (946 MW) :10:36 16:10:38 (EDT) Déclenchements de lignes, de générateurs et séparation de réseaux dans l'ohio et le Michigan :10:36 Lignes 345 kv Argenta - Battle Creek, Argenta - Tompkins et Battle Creek - Oneida :10:37 Unités 1 à 4 de la centrale de Sumpter (300 MW près de Détroit), réduction de puissance de la centrale de MCV ( MW) :10:38 4 lignes 138 kv dans le sud du Michigan :10:38 Lignes 345 kv Hampton - Pontiac et Tetford - Jewell Séparation nord-est ouest du Michigan :10:38.6 Ligne 345 kv Erie West - Ashtabula - Perry Séparation du nord de l'ohio et de la Pennsylvanie

5 16:10: :10:46 (EDT) Déclenchements de lignes et de générateurs dans l'ohio et l'est du Michigan :10: :10:40 Lignes 345 kv Bayshore - Monroe, Allen Junction - Majesctic - Monroe et Majestic Lemoyne :10:41.8 Ligne 345 kv Fostoria Central - Galion :10:41.9 Ligne 345 kv Beaver - David Besse Séparation nord-est ouest du Michigan :10:40-16:10:43 Perte de générateurs de 7 centrales dans l'ohio (3294 MW) :10:41-16:10:42 Perte de 4 centrales près de Détroit (1759 MW ) :10:40 16:10:44 (EDT) Déclenchements de lignes entre la Pennsylvanie et l'état de New York :10:39 Lignes 345 kv Homer City - Watercure Road et Homer City - Stolle Road :10:44 Lignes 230 kv South Ripley - Erie East et South Ripley - Dunkirk :10:44 Ligne 230 kv East Towanda - Hillside Séparation du nord de la Pennsylvanie et de l'état de New York 35 16:10:42 16:10:45 (EDT) Isolement de la partie nord-est de l'interconnexion de l'est :10:43 Ligne 230 kv Keith - Waterman :10:45 Ligne 230 kv Wawa - Marathon :10:45 Ligne 500 kv Branchburg - Ramapo Séparations du nord-sud du New Jersey - 5 -

6 16:10:46 16:10:50 (EDT) Formation d'enclaves dans l'état de New York :10:46-16:10:47 Séparation de New York et de la Nouvelle-Angleterre :10:49 Séparation de l'état de New York :10:50 Séparation de l'ontario et de l'enclave ouest de New York 16:11:22 16:11:57 (EDT) Formation d'enclaves dans l'état de New York :11:22 Séparation du sud-ouest du Connecticut et de la ville de New York :11:57 Séparation de l'ontario et de l'est du Michigan 16:13 (EDT) Région affectée par le black-out (~ 50 Mios de personnes privées de courant) - 6 -

7 Au total, le black-out a conduit à la perte d'environ 61'800 MW répartis comme suit : Midwest : 13'000 MW Ontario : 20'000 MW PJM Interconnexion : 4'200 MW New York : 22'000 MW Nouvelle-Angleterre : 2'500 MW Hydro Québec : 100 MW Causes du black-out et recommandations Le 15 août, le président Bush et le premier ministre canadien Jean Chrétien ont ordonné la création du Groupe de travail États-Unis-Canada sur la panne de courant afin d enquêter sur les causes de la panne et les moyens de réduire la possibilité de nouvelles pannes. Le Groupe de travail est arrivé à la conclusion que la panne du 14 août 2003 était évitable. Plusieurs causes directes et facteurs déterminants ont été mis en évidence ; à savoir : le défaut de maintenir un soutien en puissance réactive adéquat ; le dépassement des limites de sécurité d exploitation prescrites ; un entretien déficient des couloirs de transport de l électricité ; le manque de formation des opérateurs ; le défaut de reconnaître l urgence de la situation et de communiquer cette information aux réseaux voisins ; l impossibilité d obtenir une représentation du réseau de production-transport d électricité à l échelle régionale. Le Groupe de travail a également élaboré un ensemble de 46 recommandations visant à prévenir de nouvelles pannes ou à en réduire au maximum l'envergure. Parmi les plus importantes on peut citer les suivantes : Rendre les normes de fiabilité obligatoires et prévoir des pénalités en cas de non-conformité. Établir un instrument de financement agréé par les organismes de réglementation pour le NERC et les conseils de fiabilité régionaux, afin d en assurer l indépendance à l égard des organisations qu ils surveillent. Renforcer le cadre institutionnel de gestion de la fiabilité en Amérique du Nord. Préciser que les dépenses et les investissements prudemment engagés pour assurer la fiabilité des réseaux de production-transport d électricité pourront être recouvrés au moyen d un relèvement des tarifs de transport. Suivre l'application des mesures recommandées pour améliorer la fiabilité. Éliminer les causes directes de la panne du 14 août Établir des normes exécutoires pour l entretien des dégagements électriques Améliorer la formation à court et à long termes et les exigences d accréditation des opérateurs, des coordonnateurs de la fiabilité et du personnel de soutien opérationnel. Établir une définition claire de l état de fonctionnement normal, d alerte et d urgence du réseau. Préciser les rôles, responsabilités et pouvoirs des coordonnateurs de la fiabilité et des zones de contrôle dans chacune des conditions. Utiliser plus efficacement et plus généralement les mesures de protection du réseau. Renforcer les pratiques en matière de régulation de la puissance réactive et de la tension dans toutes les régions du NERC. Améliorer les données de modélisation du réseau et les pratiques d échange de données. Resserrer les protocoles de communication, en particulier pour les communications pendant les alertes et les urgences. Mettre à niveau le matériel du système de communication, le cas échéant. Mettre en oeuvre les normes IT de NERC. Mettre en œuvre des contrôles de gestion de l état des systèmes, de surveillance du réseau et de gestion des incidents

8 Mesures préventives Parallèlement aux recommandations émises par le Groupe de travail, d'autres mesures préventives peuvent être prises afin de réduire la probabilité d'un black-out, telles que : l'exploitation du réseau avec profil de tension élevé et plat ; la mise en place d'un programme de délestage ; l'élaboration d'un programme de séparation du réseau (îlotage) ; le blocage des gradins de transformateurs ; la production de la puissance réactive proche des points de consommation (afin d'éviter les transits de puissance réactive) ; la coordination des systèmes de protection ; l'utilisation de dispositifs FACTS (afin de contrôler des flux de puissance) ;... Le black-out vu du ciel Image satellite du 13 août 2003 à 21:21 (environ 19 heures avant le black-out) Image satellite du 14 août 2003 à 21:03 (5 heures après le black-out) - 8 -