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Michel Aguet Chef du service de l’électricité de la Ville de Lausanne Chargé de cours EPFL Forum E’Cité – Genève – SIG 1 er juillet 2005 Sûreté des grands réseaux électriques

Sûreté des grands réseaux électriques - GEM | EPFL · Chargé de cours EPFL Forum E’Cité – Genève – SIG ... Mise en commun des moyens de production à titre de solidarité

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Michel AguetChef du service de l’électricité

de la Ville de LausanneChargé de cours EPFL

Forum E’Cité – Genève – SIG1er juillet 2005

Sûreté des grandsréseaux électriques

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Plan de l’exposé

• Quelques grandes pannes dans le monde• Réseaux électriques interconnectés• Critères de sûreté• Dégradation de la sûreté• Procédures de défense et reconstruction du réseau• Conclusions

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19659 novembre Nord-est USA, Canada, Ville de

New-York197819 décembre France

Ecroulement de la majeure partie duréseau. 4 heures de coupure et 45 miosde personnes touchées

1996Eté Ouest USA

3 incidents majeurs coupent plusieursmillions de clients

Quelques grandes pannes électriques dans le monde

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20033 février Algérie

30 millions de personnes sont privéesd’électricité pendant plusieurs heures

31 mars Iran22 millions d’habitants coupés pendant 8 heures

26 juin ItalieLa ville de Rome se trouve dans le noir

14 août Nord-Est des USA et Sud du Canadaainsi que la ville de New-York50 millions d’habitants sont sansélectricité pendant plusieurs heures

Quelques grandes pannes électriques dans le monde

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2003 (suite)23 août Finlande

La ville d’Helsinki est dépourvued’électricité

27 août ShangaïUne panne affecte la ville

28 août AngleterreLa ville de Londres est touchée par unepanne générale

23 septembre Suède et DanemarkDes pannes ont lieu entre ces 2 pays et,le même jour, une panne générale touche la Georgie

Quelques grandes pannes électriques dans le monde

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2003 (suite)28 septembre Italie

L’ensemble du pays est coupé pourplusieurs heures touchant 55 millions depersonnes

6 octobre AthènesLa ville d’Athènes connaît une grave coupure de courant

8 novembre Lybie1,1 million de clients touchés

Quelques grandes pannes électriques dans le monde

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200518 janvier Arc lémanique

1 million de personnes touchéespendant 1 heure

25 mai Moscou, Russie2 millions d’habitants touchés pendant 5 heures

Quelques grandes pannes électriques dans le monde

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• Lignes aériennes (foudre, végétation, tempêtes, neige, glace, etc.)

• Défauts du matériel des lignes, câbles et postes (vieillissement)

• Insuffisance des interconnexions (environnement)• Insuffisance de la maintenance et des investissements

(ouverture des marchés)• Importation d’énergie à longue distance (Trading)• Perte de production (réseaux isolés)• Etc.

Causes initiales des pannes

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Enchaînements

• Mauvais fonctionnement des automatismes (protection)• Pas d’entraînement suffisant des agents de conduite

(aide : système expert)• Communication insuffisante• Concept de sûreté (n-1) non respecté• Etc.

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Réseau électrique interconnecté

1. Mise en commun des moyens de production à titre de solidarité (réduction des réserves individuelles)

2. Moyens de transport (lignes et câbles) en haute tension assurant la sûreté n-1

3. Energie réglante importante:20’000 MW/Hz entraînant une bonne stabilité de la fréquence (réserve cinétique et tournante)

4. Parc de grandes centrales parallèles important entraînant une bonne stabilité de la tension et de la fréquence

5. Echange d’énergie et de puissance de pointe entre centrales à caractéristiques différentes (rubans, pointes, etc.) : mouvements d’énergie

6. Effets de consommateurs sur la qualité du réseau minimisés

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Réseau électrique rigide

État normal de fonctionnement des réseaux électriques

État anormal: sous productionBaisse de la fréquence et de la tension puis effondrement du réseau en cas de non réaction

État anormal: surproductionÉlévation de la fréquence et de la tension, emballement du réseau en cas de non réaction

Production Consommation

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Réseau électrique ténu

État normal: production local équivaut consommation locale

Fléchissement du réseau

Oscillation du réseau

Production Consommation

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Les trois objectifs qui gouvernent l’exploitation du réseau électrique

Garantirla SÛRETE

de fonctionnement

Satisfaireles ENGAGEMENTS

contractuels

Favoriserla performanceECONOMIQUEet l’ouverture

du marché électrique

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La SÛRETE de fonctionnement du SYSTEME électrique

Assurerle fonctionnement normal du Système

Limiter le nombre d’incidentset éviter les grands incidents

Limiter les conséquencesdes grands incidents

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La sûreté du Système

Interactions sûreté/économie et sûreté/qualitéSi la sûreté constitue une priorité de l’exploitant du Système, ellene peut pas être assurée à n’importe quel prix. En particulier:

• l’acceptabilité des réseaux électriques n’est concevable que si l’énergie électrique est économiquement compétitive. Les investissements nécessaires pour la sûreté du Système doivent être cohérents avec le coût, la fréquence et la gravité des incidents qu’ils permettent d’éviter;

• par ailleurs, par sa souplesse d’utilisation, l’électricité dispose d’un avantage concurrentiel déterminant, mais les usages modernes de l’électricité exigent aussi un produit de qualité, garanti en termes de temps de coupure, de forme de l’onde de tension et de courant. Là encore, les dispositions prises en exploitation pour garantir la sûreté doivent être compatibles avec les engagements contractuels pris sur la qualité de fourniture.

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La qualité de service aux clients est définie sur le plan technique par les critères suivants:

une puissance suffisante appel instantané de puissance

une énergie suffisante facteur durée

une tension sinusoïdale de niveau suffisant et stable

230 V ± 10 %

une limitation des creux de tension

< 500 ms

un taux de déséquilibre < 2 %

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Toute excursion de ces paramètres en dehors des plagesindiquées peut entraîner des mauvais fonctionnements, voiredes dégâts tant aux installations des clients qu’à celles desréseaux électriques.

un taux d’harmoniques impairs de rang ≤ 13

< 5 %

un taux d’harmoniques impairs de rang > 13

< 1,5 %

un taux d’harmoniques pairs < 2%

un courant le plus sinusoïdal possible

une fréquence stable fixée à 50 Hz ± 1 Hz

La qualité de service aux clients est définie sur le plan technique par les critères suivants:

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Évaluation économique des interruptions de service

Critères:• Puissance coupée (valeur juste avant la coupure Pc [kW]• Durée de la coupure tc [s]• Fréquence des coupures• Nature de la charge coupée

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Dégradation de la sûreté

• Aléas de consommation• Aléas météorologiques• Pannes et agressions extérieures (origines naturelles,

malveillance, accidents, attentats ou faits de guerre)• Facteurs humains• Prolifération des sources d’énergie décentralisées

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La Sûreté pas à n’importe quel prix…

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Enchaînement de la dégradation de la Sûreté• Surcharges en cascades (Imax, Thermique)• Écroulement de tension (U)• Écroulement de fréquence (f)• Rupture du synchronisme (f1-f2)

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Procédures de défense

• Prévention (n-1)• Surveillance (CE : centre d’exploitation)• Parades (entraînement du personnel, systèmes experts)

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La défense en profondeur

Le plan de défense comprend:• la séparation automatique des régions ayant perdu le

synchronisme• le délestage automatique de consommation sur baisse

de fréquence• le blocage automatique des régleurs en charge des

transformateurs sur baisse marquée de tension• l’îlotage automatique des centrales sur leurs auxiliaires

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Lignes de défense relatives àl’écroulement de tension• Le réglage primaire, qui mobilise la réserve réactive

des groupes les plus proches de la perturbation, sous l’action de leur régulateur primaire de tension agissant sur l’excitatrice des groupes à partir des variations de tension observées au stator, de façon à maintenir cette tension égale à la valeur de consigne affichée

• Le réglage secondaire de tension, qui mobilise les réserves réactives de l’ensemble des groupes et des condensateurs par zones électriquement homogènes du point de vue du comportement en tension

• Le réglage tertiaire de tension. Il s’agit de l’ensemble des actions commandées par les opérateurs des centres de conduite pour coordonner le plan de tension entre les différentes zones de réglage secondaire

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Lignes de défense relatives àl’écroulement des fréquences• Le réglage primaire a pour objectif d’assurer le rétablissement

rapide (quelques secondes) de l’équilibre offre/demande. C’est un réglage local, assuré par le régulateur de vitesse de chaque groupe asservi,qui agit directement sur les organes d’admission du fluide moteur à la turbine. En fin d’action, la nouvelle situation d’équilibre se traduit par un écart de fréquence et des échanges aux frontières différents de leur valeur programmée

• Le réglage secondaire a pour but de ramener la fréquence à la fréquence de référence (50 Hz en général, 49.99 ou 50.01 Hz en cas de « rattrapage horaire ») et les échanges transfrontaliers àleurs valeurs programmées. Cet objectif est atteint en modifiant la puissance de consigne des groupes asservis au réglage secondaire fréquence/puissance à l’aide d’un signal calculé de manière centralisée au dispatching national

• Le réglage tertiaire consiste à recaler, par activation d’offres d’ajustement, les programmes de production sur certains groupes afin de reconstituer la réserve secondaire, voire une partie de la réserve primaire lorsque celle-ci est entamée, pour se prémunir d’un nouvel aléa. Les actions correspondantes sont totalement sous le contrôle des opérateurs de conduite des centres de conduite

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Parades ultimes

Dans les situations où les actions normalesde conduite ne permettent plus de maîtriser la fréquence, des actions exceptionnelles deconduite sont engagées :• sur la production : passage à Pmax• sur les charges : délestage rapide de clientèle,

télédélestage de secours.

La dernière ligne de défense est constituée par ledélestage fréquencemétrique automatique.

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Reconstitution des réseaux

• Diagnostic de la situation• Préparation du réseau• Reconstitution du réseau à partir de régions• Renvoi de tension

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Production Transport Distribution Utilisation

Approvision-nement Accès THT Trading

VenteFacturation

Réseaux électriques (1/3)

1. Couche physique

2.Couche économique

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Réseaux électriques (2/3)

Salle de commandeContrôleDispatching régional de « bassin versant »

Dispatching nationalSCADA

DispatchingDistribution SCADADMS

CompteursTélérelèveDSM

Automatismesde contrôles

Télémesures - téléactions

Télémesures - téléactions

Télécom-mandes centralisées

Lignes TTFO

FOFaisceauxdirigéssatellites

Lignes TTFOGSM

InternetPLC

5. Télécommunications

3. Couche logiciel

4. Télémesures - téléactions

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Réseaux électriques (3/3)

ImaxThermiqueProtection différentielle

Protection de distanceProtection différentielleProtection thermique

ImaxThermique

ImaxThermiqueRetour de tension

tension

6. Protections

7. Relais de protection

Parafoudres

Disjoncteurs centrales

Parafoudres

Disjoncteur THT

Parafoudres

s DisjoncteursHT-MT-BT

Parafoudres

Disjoncteurs BT

courant

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Légende• THT : très haute tension• SCADA : contrôle-commande en temps réel• DMS : distribution management system -

système de contrôle du réseau de distribution• DSM : demand size management -

contrôle de la consommation par le client• TT : lignes téléphoniques (paires cuivre ou coaxial)• FO : fibres optiques• GSM : téléphonie sans fil• PLC : power line communication -

transmission de l’information sur le réseau électrique• HT : haute tension• MT : moyenne tension• BT : basse tension• Imax : relais à courant maximum

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Conclusions Quelques réflexions pour le futur• Vers des réseaux continentaux (par ex. : Europe – Russie – Chine –

Inde)• La règle des impédances (résistances) fait que l’énergie provient

naturellement des producteurs les plus proches des consommateurs(heureusement pour les pertes en ligne !)

• Au-delà de 1000 km, même aux plus hautes tensions utilisées actuellement 735-1000 kV, le transport d’énergie électrique entraîne toujours des pertes élevées

• Le développement des FACTS (flexible AC transmission system) permet de contrôler tant les flux d’énergie active que réactive dans les réseaux

• Des réflexions naissent actuellement sur le développement de poches asynchrones reliées entre elles en courant continu (France-Angleterre)

• Des réalisations vont être mises en service tout prochainement au Japon en vraie grandeur dans l’accumulation directe d’énergie électrique par bobine supraconductrice

• Etc.

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Sources

• Mémento de la Sûreté du réseau électrique français RTE (EDF)

• Volume XII et XXII Traité d’Électricité EPFL Énergie Électrique et Haute Tension