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EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20121
L’intelligence des Smart Grids : la place du calcul numérique et des STICEDF R&DRencontre INRIA – Industrie8 mars 2012
Olivier Devaux
Christophe Kieny
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20122
Des réseaux plus « intelligents »
Le contexte
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20123
Les réseaux actuels
HTA/BT20kV/400V
HTB/HTA63kV/20kV
400kV/63kV400kV/63kV
HTB/HTA63kV/20kV
HTA/BT20kV/400V
Réseaux THT
Réseaux HT
Consommation
Production
Réseaux maillés : 100 000 km, dispatchings pour la surveillance. Protections et disjoncteurs en réseauRéseaux maillés : 100 000 km, dispatchings pour la surveillance. Protections et disjoncteurs en réseau
Réseaux HTA et BT radiaux : 1,25 10 6km, agences de conduites régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, fusibles en BT
Réseaux HTA et BT radiaux : 1,25 10 6km, agences de conduites régionales, protections et disjoncteurs aux postes sources, fusibles en BT
Réseaux MT/BT
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20124
Un contexte en pleine évolution
HTA/BT20kV/400V
HTB/HTA63kV/20kV
400kV/63kV400kV/63kV
HTB/HTA63kV/20kV
HTA/BT20kV/400V
Réseaux THT
Réseaux HT
Réseaux MT/BT
Consommation
Production
EnR
EnR
EnR
Comment adapter cette infrastructure à l’arrivée des énergies réparties ?Comment adapter cette infrastructure à l’arrivée des énergies réparties ?
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20125
Capacité d’accueil des réseauxElévation des tensions le long des réseaux,Courants max et congestions de réseaux,
Qualité de la tensionFluctuations de tensionHarmoniquesFlicker
Impact sur le fonctionnement du plan de protectionModifications 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
Nouvelles contraintes sur les réseaux liées aux EnR
19.0
19.4
19.8
20.2
20.6
21.0
U (kV)
0 5 10 15 20
WF connected
WF not connected
L (km)
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20126
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 communicantDes 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 disperséedes souplesses offertes par le pilotage de la demande
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20127
Le client devient consomm’acteur
Multiplication des producteurs et des capacités de flexibilitéStockage local
client-consommateur-
producteur
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20128
La place du calcul numérique et des STICLes défisAu travers de quelques exemples
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/20129
Environnement actuel de téléconduite à ERDFDernier palier en 2010-11: Fonctions Avancées de Conduite (FAC) d’ERDF
Innovant, sans équivalent à ce jourAnalyse, localisation, isolement et reconfiguration automatique du réseau après défautFonctions développées par EDF R&D
30 Agences Conduite Régionales (ACR) chez ERDF
SCADA
Poste source
20kV
Charge BT
BT BT BT
BT BT BT BT
BT BT
BT
RTERTE
Poste source
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201210
Projet : Fonctions d’Automatisation de Réseau (FAR)
Comment mieux intégrer la production décentraliséele réseau a été planifié pour de la charge
Vmax
Vmin
Tension
Longueur
HTA
Tan φ
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201211
Projet : Fonctions d’Automatisation de Réseau (FAR)
Comment mieux intégrer la production décentraliséele réseau a été planifié pour de la charge
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
Vmax
Vmin
Tension
Longueur
HTA
Tan φ
PG
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201212
FAR : rendre le réseau actif
1) Améliorer l’observabilité du réseau � Estimation d’État (DSE)
PG
Vmax
Vmin
Tension
Longueur
Seule mesurede tension
actuelle
tanφ=csteHTA
Tan φ
HTA
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201213
FAR : rendre le réseau actif
1) Améliorer l’observabilité du réseau � Estimation d’État (DSE)
2) Fonction de réglage de la tension � Fonction VVC
Vmax
Vmin
Tension
Longueur
PGtanφ=csteHTA
Tan φ
HTA
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201214
FAR : rendre le réseau actif
3) Optimisation des flux � Reconfiguration
Vmax
Vmin
Tension
Longueur
PG+/-QHTA
Tan φ
HTA
1) Améliorer l’observabilité du réseau � Estimation d’État (DSE)
2) Fonction de réglage de la tension � Fonction VVC
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201215
FAR : rendre le réseau actif
Vmax
Vmin
Tension
Longueur
PG+/-QHTA
Tan φ
HTA
1) Améliorer l’observabilité du réseau � Estimation d’État (DSE)
2) Fonction de réglage de la tension � Fonction VVC
3) Optimisation des flux � Reconfiguration
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201216
Estimation d’état (DSE) : le principePoste source
20kV
OMTP,QV,I P,Q
V,I
Charge HTA
P’,Q’V’,I’
P’,Q’V’,I’
P,QV,I
P’,Q’V’,I’
P’,Q’V’,I’
SSSCCCAAADDDAAA
Pseudo-mesures aux postes HTA/BT
DSE ΛΛΛΛΛ
iiiii IVQP ;;;; δ
Pour chaque noeud
instrumenté i
Base de données avec topologie et paramètresélectriques du réseau
mesuréegrandeurx
mesurepseudox
estiméegrandeurx
:
:'
:
−
Λ
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201217
Estimation d’état (DSE) : les défis
Utilisé de longue date au transport, … mais difficile à transposer en distribution
Réseaux arborescents, peu de capteursNécessité de modèles de charge plus fiables
Premier objectif : estimer les V à 1%, avec peu de capteursTemps de calculLa modélisation de la chargeLe choix du bon algorithme d’estimation
Recherches menées sur de multiples algorithmes : WLS, et méta-heuristiques (PSO, …)
[ ]
)(0)(:
),....,,(),....,,(min
12
2
2121
virtuellesmesuresxccontrainte
xxxfzxxxJ
m
i i
miin
=
−= ∑= σ
PPrriimmaarryy VVaarriiaabblleess
((aammpplliittuuddee aanndd pphhaassee ooff vvoollttaaggeess))
SSeeccoonnddaarryy VVaarriiaabblleess
((((PP;;QQ)) mmeeaassuurreemmeennttss aatt eeaacchh
MMVV//LLVV ssuubbssttaattiioonn))
∆
∆
∆
∆
=
∆
∆
M
M
M
M
M
4444444 34444444 21LLL
L
O
LK
M
M
M
14
3
14
3
14
14
3
3
143
143
3
3
3
3
0
0
0
0
0
0
00
00
δ
δδ
δ
δ
δ V
V
K
K
K
K
KK
KK
Q
Q
P
P
jacobien
Q
P
Q
P
VQVQ
VPVP
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201218
Estimation d’état (DSE) : premier bilan
Résultats avec l’algorithme actuelBonne 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 propriétésCapteurs
Nouveaux types de capteurs
Intégration sur le réseau
Précision : 1%, coût
Le passage à l’échelleGains en rapidité : parallélisation
Modélisation de la chargeTravaux à poursuivre
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201219
Reconfiguration optimaleObjectifs
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
TravauxUtilisation d’algorithmes innovants : algorithmes génétiques, théorie des matroïdes
Coordination avec la régulation de tension
Configuration initiale Nouvelle configuration
Fonction dereconfiguration
Fermeture d’OMT
Ouverture d’OMT
Poste Source 1
Poste Source 1
Poste Source 2
Poste Source 2
Configuration initiale Nouvelle configuration
Fonction dereconfiguration
Configuration initiale Nouvelle configuration
Fonction dereconfiguration
Fermeture d’OMT
Ouverture d’OMT
Poste Source 1
Poste Source 1
Poste Source 2
Poste Source 2
1
2
4
5
6
7
103
8
9
12
4
5
6
7
103
8
9
4 7 58 6 2
4 8
6 27
8 6 2
4 7 5
croisement dans un point choisi aléatoirement
5
12
4
5
6
7
103
8
9
12
4
5
6
7
103
8
9
4 8 5
6 27
4 8
6 27
5
4 8
5 7
6
2
12
4
5
6
7
103
8
9
12
4
5
6
7
103
8
9
4 8 6
5 7 2arbres (co-arbres) initiaux (parents) arbres (co-arbres)
intermédiairesarbres (co-arbres)
résultants
U :
T :
U int :
T int :
U final :
T final :nœud isolé après l’ouverture de 5
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201220
Réglage centralisé de tension (VVC)
VVC
AP,-Q
CHPS
P ±Q
P ±Q
BT
BTBT
HTA HTA
NOP
ObjectifsMaintenir 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 variable1) Action sur le postes source2) Action sur les producteurs (réactif / actif)3) A coordonner avec la fonction de reconfiguration
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201221
Exemple de l’apport de la fonction VVC
Régulé à 20 kV
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201222
Synergies Linky et gestion du réseauL’intelligence dans les postes HTA-BT
Détection de défautTélémaintenance
Automate programmableCEI 61850
Interface outils mobilité
Détection de défautTélémaintenance
Automate programmableCEI 61850
Interface outils mobilité
Mesures
ON/OFF
Télécommmandes
Équipements du poste
P, Q, V3I 3U …
T°Transfo
P, Q, V3I 3U …
T°Transfo
IntrusionPrésence d’eau
Alarmes diverses
IntrusionPrésence d’eau
Alarmes diverses
ALARMES
!!!!
IPDIPD
InterrupteursDisjoncteurs
Autres actionneurs
InterrupteursDisjoncteurs
Autres actionneurs
CP
L
GP
RS
CP
L ?
IED
CP
L ?
SI Réseau
Mutualisation de la fonction concentrateur et intelligence réseau
Rad
io,
CP
L, G
PR
S
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201223
Des flux de données en forte croissance
Les Smart Grids assurent l’optimisation du système énergétiquegestion des réseaux, de la production et de la demande
Nécessité de gérer des flux de données très importantsBesoin de normalisation des échangesFiabilité, Maîtrise de la complexitéSécurité face aux attaques
Les compteurs communica
nts
Les compteurs communica
nts
Le stockage électrique
Le stockage électrique
Les énergies réparties
intermittentes
Les énergies réparties
intermittentesLe véhicule électrique
Le véhicule électrique
RéseauRéseau
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201224 7 - Document name - Chapter - 00 Mois 2009
61850
61850
EMSApps
DMSApps
OMSApps
MeteringApps
ERPapplications
SCADA
61850
InterControl Center
link
DistributedEnergy
Resources
61850
Substation Automation System
Switchgear, Transformers,Instrumental Transformer
Protection, Control, Metering
61850
61850
AMMapplications
Concentrator
EnergyBox
WINDGenerating
Unit
61850
Metering System
61850
Entreprise Service Bus (ESB)
ERPapplications
ESB
ESB
Market Management Systems
NuclearPower Plant
HydroPower Plant
ThermalPower Plant
61850
61850
SCADA
Generating ManagementSystem Apps.
ESB
TransmissionDistributionRemote ControlSystem
GeneratingManagementSystem
MarketManagementSystem
AMMsystem
WINDFARMS
Meters
HAN
Les normes du Smart Grid européen : CIM (61970-61968) / 61850 / COSEM
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201225
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 réseauBesoin de normaliser les échanges pour assurer l’interopérabilité : 61850, CIMMaîtrise de la fiabilité et de la sécurité du système
Une expérimentation des FAR par ERDF à partir de 2013
EDF Recherche et Développement – Rencontre INRIA - Industrie 8/3/201226
HT/MT
Agence deconduite
Vers des réseaux plus actifs et automatisés
Participation à la gestion de la tension et à la détection de défauts
Participation à la gestion de la tension et à la détection de défauts
Raccordement et protectionde découplage
Raccordement et protectionde découplage
Indicateur de passage de défaut directionnel et communicantIndicateur de passage de défaut directionnel et communicant
Disjoncteurs en réseau
télécommandés
Disjoncteurs en réseau
télécommandés
����
���� ����Protections directionnelleset auto réglables
Protections directionnelleset auto réglables
Utilisation des données issues des compteurs
pour améliorer l’observabilité du réseau
Utilisation des données issues des compteurs
pour améliorer l’observabilité du réseau
Courants porteursCourants porteurs
Capteurs en réseauCapteurs en réseau
Agrégateur de production X ou Ystockage pour
faciliter l’insertion (congestions,
services systèmes, qualitéde fourniture, …)
stockage pour faciliter l’insertion
(congestions, services
systèmes, qualitéde fourniture, …)
Nouveaux outils de téléconduiteEstimation d’état, contrôle de la tension,
reconfiguration optimale
Nouveaux outils de téléconduiteEstimation d’état, contrôle de la tension,
reconfiguration optimale
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