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
Des réseaux plus «intelligents» Le contexte 2
Les réseaux actuels Production Réseaux THT Réseaux maillés : 100 000 400kV/6kV km, dispatchings pour la surveillance. 400kV/6kV Protections et disjoncteurs en réseau Réseaux HT HTB/HTA 6kV/20kV Réseaux MT/BT HTB/HTA 6kV/20kV Consommation HTA/BT 20kV/400V HTA/BT 20kV/400V Réseaux HTA et BT radiaux : 1,25 10 6 km, agences de conduites régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, fusibles en BT
Un contexte en pleine évolution Production Réseaux THT 400kV/6kV 400kV/6kV Réseaux HT HTB/HTA 6kV/20kV Réseaux MT/BT HTB/HTA 6kV/20kV EnR EnR Consommation HTA/BT 20kV/400V HTA/BT 20kV/400V EnR Comment adapter cette infrastructure à l arrivée des énergies réparties? 4
Nouvelles contraintes sur les réseaux liées aux EnR 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 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 U (kv) 21.0 20.6 20.2 19.8 19.4 19.0 WF not connected 0 5 10 15 20 WF connected L (km) 5
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
Le client devient consomm acteur Multiplication des producteurs et des capacités de flexibilité Stockage local clientconsommateurproducteur 7
La place du calcul numérique et des STIC Les défis Au travers de quelques exemples 8
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 BT BT RTE BT Charge BT BT BT BT BT RTE Poste source Poste source SCADA 0 Agences Conduite Régionales (ACR) chez ERDF 9
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
Projet : Fonctions d Automatisation de Réseau (FAR) Comment mieux intégrer la production décentralisée le réseau a été planifié pour de la charge HTA P G Tan φ Tension Vmax 11 Vmin 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 Longueur
FAR : rendre le réseau actif HTA P G tanφ=cste HTA Tan φ Seule mesure de tension actuelle Tension Vmax Vmin Longueur 1) Améliorer l observabilité du réseau Estimation d État (DSE) 12
FAR : rendre le réseau actif HTA P G 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 1
FAR : rendre le réseau actif HTA P G +/-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 ) Optimisation des flux Reconfiguration 14
FAR : rendre le réseau actif HTA P G +/-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 ) Optimisation des flux Reconfiguration 15
Estimation d état (DSE) : le principe Poste source 20kV P,Q V,I 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 Charge HTA Pseudo-mesures aux postes HTA/BT Λ x : grandeur estimée x ' : pseudo mesure x : grandeur mesurée SCADA Pour chaque noeud instrumenté i DSE Λ Λ Λ Λ Λ P ; i Q ; I i V ; ; i δ i i Base de données avec topologie et paramètres électriques du réseau 16
17 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, ) [ ] ) 0 ( ) ( : ),...,, ( ),...,, ( min 1 2 2 2 1 2 1 virtuelles mesures x c contrainte x x x f z x x x J m i i m i i n = = = σ Primary Variables (amplitude and phase of voltages) Secondary Variables ((P;Q) measurements at each MV/LV substation) = M M M M M 444444 4 444444 14 2 L L L L O L K M M M 14 14 14 14 14 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 δ δ δ δ δ δ V V K K K K K K K K Q Q P P jacobien Q P Q P V Q V Q V P V P
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
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 19 Travaux Configuration initiale Poste Source 2 Utilisation d algorithmes innovants : algorithmes génétiques, théorie des matroïdes Coordination avec la régulation de tension 9 9 U : T : 10 8 10 8 1 1 7 4 7 5 7 8 6 2 2 4 6 2 4 6 5 5 croisement dans un point choisi aléatoirement 4 7 5 8 6 2 T EDF Recherche et Développement Rencontre INRIA int : 7 6 2 - Industrie 8//2012 arbres (co-arbres) initiaux (parents) 4 8 7 5 6 2 9 9 10 8 10 8 1 1 7 7 2 4 6 U int : 4 8 5 arbres (co-arbres) intermédiaires 2 4 6 5 5 4 8 7 4 8 7 5 6 2 5 nœud isolé après l ouverture de 5 6 2 Nouvelle configuration 9 9 10 8 10 8 1 1 7 7 2 4 6 2 4 6 5 U final : 4 8 6 T final : 5 7 5 2 arbres (co-arbres) résultants Poste Source 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) ) A coordonner avec la fonction de reconfiguration VVC HTA HTA BT BT A BT P,-Q P ±Q S CHP NOP P ±Q 20
Exemple de l apport de la fonction VVC Régulé à 20 kv 21
CPL? CPL? CPL GPRS Radio, CPL, GPRS Synergies Linky et gestion du réseau L intelligence dans les postes HTA-BT SI Réseau Intrusion Présence d eau Alarmes diverses! ALARMES Détection de défaut Télémaintenance Automate programmable CEI 61850 Interface outils mobilité P, Q, V I U T Transfo Mesures IPD Équipements du poste Interrupteurs Disjoncteurs Autres actionneurs 22 ON/OFF Télécommmandes Mutualisation de la fonction concentrateur et intelligence réseau IED
Des flux de données en forte croissance Réseau Les énergies réparties intermittentes Le véhicule électrique Les compteurs communica nts Le stockage 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 2
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 6 1 8 5 0 SCADA Entreprise Service Bus (ESB) 61850 Inter Control Center link 6 Transmission 1 8 Distribution 5 Remote 0Control System ESB Generating Management System Apps. SCADA ESB Generating Management System Metering System ESB 61850 AMM system 61850 61850 61850 61850 61850 Substation Automation System 61850 Distributed Energy Resources Nuclear Power Plant Concentrator Protection, Control, Metering Hydro Power Plant WIND FARMS Switchgear, Transformers, Instrumental Transformer WIND Generating Unit Thermal Power Plant Meters EnergyBox HAN 24 7 - Document EDF Recherche name - Chapter et Développement - 00 Mois 2009 Rencontre INRIA - Industrie 8//2012
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 201 25
Vers des réseaux plus actifs et automatisés Raccordement et protection de découplage Participation à la la gestion de la la tension et à la la détection de défauts HT/MT Agrégateur de production X ou Y Disjoncteurs en réseau télécommandés stockage pour faciliter l insertion (congestions, services systèmes, qualité de fourniture, ) Agence de conduite Protections directionnelles et auto réglables Utilisation des données issues des compteurs pour améliorer l observabilité du réseau Indicateur de passage de défaut directionnel et communicant Courants porteurs Nouveaux outils de téléconduite Estimation d état, contrôle de la la tension, reconfiguration optimale 26 Capteurs en réseau