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INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE N attribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|
T H E S E
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LInstitut Polytechnique de Grenoble
Spcialit : Gnie Electrique
prpare au Grenoble Gnie Electrique Laboratoire (G2Elab)
dans le cadre de lEcole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Tlcommunication et Signal
prsente et soutenue publiquement
par
Miguel Angel FONTELA GARCIA Ingnieur ENSIEG
le 10 juillet 2008
Titre :
INTERACTION DES RESEAUX DE TRANSPORT ET DE DISTRIBUTION EN PRESENCE DE PRODUCTION DECENTRALISEE
DIRECTEURS DE THESE : Nouredine HADJSAID et Seddik BACHA CO-ENCANDRANT DE THESE : Raphal CAIRE
JURY M. Shahrokh SADATE, , Prsident et Rapporteur M. Miguel Angel RODRIGUEZ VIDAL , Rapporteur Mme Zita ALMEIDA VALE , Rapporteur M. Nouredine HADJSAID , Directeur de thse M. Seddik BACHA , Co-Directeur de thse M. Raphal CAIRE , Co-encadrant de thse M. Rune GUSTAVSSON , Examinateur M. Olivier DEVAUX , Examinateur
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A mes encadrants (Nouredine, Seddik, Raph et Christophe),
Au plus grand labo de lunivers
A ma famille
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Remerciements
Je viens de relire les remerciements des quelques collgues ingnieurs, dailleurs, dj Docteurs de
lINPGrenoble et il mest venu lesprit que je ne suivrais pas le schma formel employ dans la plupart des
thses, par contre, certainement le lecteur pourra trouver un rapprochement lauteur.
Mon chemin en France commenc en lan 2000 quand je suis arriv en change ERASMUS ou SOCRATES,
selon la dnomination, entre lUniversit dOviedo en Espagne et lInstitut National de Polytechnique de
Grenoble en France, plus prcisment lEcole Nationale Suprieurs des Ingnieurs Electriciens de Grenoble.
En fait, je suis venu finir mes tudes espagnoles et en mme temps je poursuivais ma connaissance de la
langue franaise bauche lAlliance Franaise Oviedo, Espagne. Cest l que jai connu le professeur
Nouredine Hadjsaid pendant des TD dElectrotechnique. Jai t sans doute sduit, comme beaucoup
dautres lves, par la clart de ses explications (cest toujours gnial rendre videntes les notions qui ne le
sont pas), sa gentillesse et surtout sa magie, quil garde toujours. Vous penserez que ceci peut tre banal, bien
au contraire, cest cette magie et cette faon de toucher les gens (bien que personne ne soit aim par tout le
monde dans la mme mesure) qui mont fait menrler dans ce travail de thse.
Les rsultats de cette anne dchange taient satisfaisants et lcole me donnait la possibilit de continuer
afin dobtenir le double diplme et mme le DEA double cursus en Gnie Electrique du Laboratoire
dElectrotechnique de Grenoble. Cest au cours du DEA, sous la direction de Nicolas Retire et Raphal
Caire, que jai entendu dire des merveilles de Seddik Bacha. Seddik a toujours accueilli la colonie basque
au labo (coencadrs souvent par Daniel Roye) et ses derniers mont vivement encourag travailler avec lui.
Puis, la collaboration dans le projet europen CRISP accordait au sujet Rseaux de Transport et Production
Dcentralise une touche spciale et une porte ouverte la collaboration avec des partenaires industriels et
universitaires internationaux : Schneider Electric (puis IDEA), ABB, Sydkraft, BTH (Blekinge Technik
Hgskola), ECN ou ENECO.
Au cours des travaux dans le projet CRISP, jai eu loccasion de travailler avec Christophe Andrieu
(Schneider Electric), et raliser une mobilit chez BTH (avec le soutien dune bourse EURODOC de la
Rgion Rhne-Alpes). Cest cette occasion que jai pu travailler avec : Rune Gustavsson, Bjrn Trqvinst
et Per Mllstrand. Les rsultats de cette collaboration se sont traduits par une maquette de tests et quelques
articles, bien que nos domaines de comptences soient bien diffrents et des efforts de comprhension
rciproque des systmes lectriques et de tlcommunication ont t ncessaires pour nous mettre dans une
mme direction.
Ensuite, tout au long de la dure de la thse, jai rencontr des collgues avec une grande qualit
intellectuelle et humaine : les basques (Ion Etxeberria, Ianko Valero, Luis Garcia, Haizea et Amaia), les
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roumains (Bogdan et Octavian Enacheanu, Stefan Sterpu et Constantin Surdu), les bulgares (Delcho,
Maria et Vanya), les vietnamiens (Ha et Duc) et bien sr les franais (Nicolas, David, Alexandre).
Avec ces parcours et expriences, je tiens, donc, remercier lEcole Nationale Suprieure des Ingnieurs
Electriciens de Grenoble et le Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble, notamment lquipe SYREL
(Systme et Rseaux Electriques) et ses directions (James Roudet, Jean Pierre Rognon, Yves Brunet, Grard
Meunier, Jean Paul Ferrieux, Seddik Bacha, Daniel Roye, Roland Vidil, Max Ginier-Gillet, Jerme Mars
la liste est longue) qui mont donn la possibilit de poursuivre mes tudes acadmiques en France.
Je tiens remercier les membres du jury et les rapporteurs de ma thse, en particulier ceux que je nai pas
encore cit:
- Monsieur Shahrokh SADATE, professeur lUniversit de Henri Poincar Nancy
- Madame Zita VALE, professeur de lISEP, Instituto Superior de Engenharia do Porto, Porto
(Portugal)
- Monsieur Miguel Angel RODRIGUEZ, professeur de Mondragon Goi Eskola Politeknikoa,
Mondragon (Pays Basque, Espagne)
- Monsieur Olivier DEVAUX, ingnieur EDF
Je tiens aussi remercier mes encadrants et intervenants tout au long de cette thse : Nouredine, Seddik,
Raphal, Christophe, Bertrand et Rune. A part toutes les notions techniques dont on a discut, ce que je
retiens le plus ce sont leurs qualits humaines et le soutien qui mont accord tout moment. Cest la leon
plus prcieuse (la magie de Nouredine, lhumanit et le savoir-faire-tre de Seddik, lamiti et la loyaut
infatigable de Raph, lefficacit vers les objectifs de Christophe, la vision de la vie et la relativit des
Sudois, Quel grand pays ! la Sude) que jai pu apprendre et que jessaie de transmettre aux personnes qui
travaillent avec moi aujourdhui chez PSA Peugeot Citron.
Je remercie IDEA dont jai fait partie directement ou indirectement, et les intervenants et employs : Jean
Christophe Kieny, Christophe Andrieu, Tuan Tran-Quoc, Bertrand Raison, Florence Martin et Julie Laur.
IDEA apporte une grande richesse (intervenants industriels) et une norme valorisation de la formation
ralise qui ne reste pas purement acadmique.
Je remercie les doctorants et lves du laboratoire et de lcole, la bonne ambiance de travail dans le plus
grand labo de lunivers se doit en grande partie grce eux. Les lves ERASMUS que jai retrouv : Jordi
(Valerie, leurs petites et ses parents), Pi, Sara, Marta, Rocco, Riccardo quand on est ltranger, ces amis
sont la famille proche que lon a.
Finalement, je tiens remercier vivement ma famille : Maximina, Antonio, Marcos, Mari Cruz, Carla, Sergio
et Almudena qui maccompagnent toujours et cest bien grce son courage que cette vache espagnole crit
ces lignes.
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Description du document
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION.............................................................................................................. 13 CHAPITRE 2 : RESEAUX ELECTRIQUES, PRODUCTION DECENTRALISEE ET INCIDENTS MAJEURS...................................................................................................................................................... 17
2.1.-LHISTOIRE DU SYSTEME ELECTRIQUE EN BREF..................................................................................... 18 2.2- RESEAUX ELECTRIQUES........................................................................................................................ 22
2.2.1.- Composition des rseaux lectriques ........................................................................................... 22 2.2.2- Stabilit des rseaux lectriques ................................................................................................... 25
2.3.-PRODUCTION DECENTRALISEE.............................................................................................................. 29 2.3.1.- Dfinition de la Production Dcentralise................................................................................... 29 2.3.2.- Production Dcentralise et Production Centralise................................................................... 29 2.3.3.- La Protection de la Production Dcentralise ............................................................................. 31 2.3.4.-La Capacit de Black-Start de la Production Dcentralise......................................................... 32 2.3.5.- Impacts de la Production Dcentralise ...................................................................................... 35
2.4.- LES INCIDENTS MAJEURS...................................................................................................................... 37 2.4.1.- Le systme lectrique : une infrastructure critique ...................................................................... 37 2.4.2.- Le dispatching du systme : labsence du risque zro.................................................................. 39 2.4.3.- Mcanismes de formation des incidents majeurs ......................................................................... 40
2.5.- SOLUTIONS TECHNIQUES CONTRE LES BLACK-OUTS............................................................................ 45 2.6.- LAPPORT DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE : ADAPTABILITE, FLEXIBILITE, OU ROBUSTESSE ......... 47
CHAPITRE 3 : ROBUSTESSE, INDICES DE ROBUSTESSE ET TAUX LIMITE DINSERTION DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE .................................................................................................... 49
3.1.- LA ROBUSTESSE DU SYSTEME ELECTRIQUE .......................................................................................... 50 3.1.1.- Dfinition de la robustesse........................................................................................................... 50 3.1.2.- Mthodologie dtude de la robustesse : indices de robustesse ................................................... 54 3.1.2.1.- Indices de robustesse................................................................................................................. 56
3.2.- EVALUATION DES INDICES DE ROBUSTESSE.......................................................................................... 63 3.2.1.- Cas dtude................................................................................................................................... 63 3.2.1.1.- Insertion de la production dcentralise dans le cas dtude ................................................... 71 3.2.2.- Scnarii dtude ........................................................................................................................... 74 3.2.2.1.- Scnario 1 : Avec protection de dcouplage instantane.......................................................... 75 3.2.2.2.- Scnario 2 : Sans protection de dcouplage ............................................................................. 83 3.2.2.3.- Scnario 3 : Avec intermittence de nimporte quel type de production..................................... 92 3.2.2.4.- Scnario 4 : Inhomognit de la production ( cas du Danemark )...................................... 96
3.3.- TAUX LIMITE DINSERTION DE LA PRODUCTION DECENTRALISEE : UN CRITERE DETERMINISTE......... 101 3.4.- CONCLUSIONS .................................................................................................................................... 108
CHAPITRE 4 : PRODUCTION DECENTRALISEE CONTRE LES INCIDENTS MAJEURS : ILOTAGES INTENTIONNELS................................................................................................................ 111
4.1.- INTRODUCTION .................................................................................................................................. 112 4.2.- ILOTAGE DU SYSTEME ELECTRIQUE.................................................................................................... 114
4.2.1.- Description des phases de constitution des zones ...................................................................... 115 4.2.2.- Procdure dtude de la faisabilit des lotages intentionnels................................................... 117 4.2.3.- Limites dinsertion de lnergie intermittente dans les lotages intentionnels : variation des indices de robustesse pour les lotages.................................................................................................. 125
4.3.- SIMULATIONS DES ILOTAGES INTENTIONNELS.................................................................................... 126 4.3.1.- Etude de faisabilit des lotages intentionnels ........................................................................... 126 4.3.1.1.- Cas 1 ....................................................................................................................................... 126 4.3.1.2.- Cas 2 ....................................................................................................................................... 133 4.3.2.- Evaluation des indices de robustesse pour les lotages intentionnels ........................................ 143
4.4.- CONCLUSIONS .................................................................................................................................... 146
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CHAPITRE 5 : LA REGULATION DE LENERGIE EN PRESENCE DE LA PRODUCTION DENERGIE DECENTRALISEE ............................................................................................................. 149
5.1.- INTRODUCTION .................................................................................................................................. 150 5.2.- LA NOUVELLE PHILOSOPHIE DE LA REGULATION DE LENERGIE ......................................................... 155 5.3.- NOUVELLE ORGANISATION DU SYSTEME INTERCONNECTE................................................................. 157
5.3.1.- Fonctionnement de Rgulation de lnergie propos................................................................. 157 5.3.2.- Production Dcentralise participante la Rserve Primaire .................................................. 158
5.4.- CONCLUSION...................................................................................................................................... 161 CHAPITRE 6 : COMMUNICATIONS POUR LES SYSTEMES ELECTRIQUES : APPLICATION DES NOUVELLES TECHNOLOGIQUES DE LA COMMUNICATION ET DE LINFORMATION....................................................................................................................................................................... 163
6.1. -INTRODUCTION .................................................................................................................................. 164 6.2.- DEFINITIONS DES NTICS.................................................................................................................... 165 6.3.- DESCRIPTION DU SYSTEME DES COMMUNICATIONS DU SYSTEME ELECTRIQUE ................................. 168 6.4.- PROJET CRISP : TESTS DES NTICS .................................................................................................... 174
6.4.1.- Implmentation des composantes NTIC pour la dtection et localisation des dfauts............... 178 6.4.1.1.- Composants NTIC associs aux IPD directionnels (Indicateurs de Passage de Dfauts) ...... 178 6.4.1.2.- Composant NTIC associ un enregistreur de Dfauts (ED) ou systme de protection ........ 179 6.4.1.3.- Composant NTIC associ aux disjoncteurs (DI) ..................................................................... 179 6.4.1.4.- Composant NTIC associ loutil daide la dcision HTFD............................................... 180 6.4.1.5.- Rle de loprateur.................................................................................................................. 181 6.4.1.6.- La Maquette BTH-IDEA.......................................................................................................... 182 6.4.2.- Implmentation des composantes NTIC pour les lotages intentionnels des rseaux de distribution ............................................................................................................................................ 185 6.4.2.1.- Composant NTIC dans les gnrateurs................................................................................... 187 6.4.2.2.- Composant NTIC dans les charges interruptibles................................................................... 188 6.4.2.3.- Composant NTIC dans les protections .................................................................................... 188 6.4.2.4.- Composant NTIC dans les interrupteurs................................................................................. 189 6.4.2.5. - Composant NTIC IODI (Islanding Operation Distributed Intelligence): Outil principal...... 189 6.4.2.6. Agents intelligents pour lopration en lotage ..................................................................... 190
6.5.- AMELIORATIONS AVEC LINSERTION DES NTICS POUR LA PRODUCTION DECENTRALISEE ................ 192 CHAPITRE 7 : CONCLUSION................................................................................................................. 197 CHAPITRE 8 : EUROPEAN PHD - ENGLISH SUMMARY ................................................................ 203
8.1.- INTRODUCTION .................................................................................................................................. 204 8.2.- ELECTRIC NETWORKS, DISPERSED GENERATION AND MAJORS EVENTS............................................ 205
8.2.1.- Dispersed Generation definition ................................................................................................ 205 8.2.2.- Electric Power Networks and Dispersed Generation................................................................. 205 8.2.3.- Majors Events............................................................................................................................. 209 8.2.4.-Contribution of Dispersed Generation: flexibility and adaptability ........................................... 213
8.3.- ROBUSTNESS INDEX ........................................................................................................................... 214 8.3.1.- Robustness definition.................................................................................................................. 214 8.3.2.- Study of Robustness: Method and Index..................................................................................... 216 8.3.2.1.- Robustness indices................................................................................................................... 217 8.3.2.2.- Evaluation of robustness indices and methodology ................................................................ 223 8.3.2.3.- Appropriate amount of Dispersed Generation Insertion......................................................... 227
8.4.- DISPERSED GENERATION AGAINST MAJOR EVENTS: ISLANDED OPERATION IN DISTRIBUTION NETWORKS................................................................................................................................................................... 229 8.5.- ENERGY REGULATION WITH DISPERSED GENERATION....................................................................... 232 8.6.-INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES APPLIED TO ELECTRIC NETWORKS................. 233
8.6.1.- ICT definition ............................................................................................................................. 233 8.6.2.- ICTs in EPS................................................................................................................................ 234 8.6.3.- CRISP Demonstrator................................................................................................................. 237
8.7.- CONCLUSIONS .................................................................................................................................... 242 CHAPITRE 9 : BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................... 247
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ANNEXES.................................................................................................................................................... 255 ANNEXE A .................................................................................................................................................. 257 ANNEXE B .................................................................................................................................................. 265 ANNEXE C .................................................................................................................................................. 267 ANNEXE D .................................................................................................................................................. 271 ANNEXE E .................................................................................................................................................. 277 ANNEXE F................................................................................................................................................... 283
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Chapitre 1 : Introduction
Chapitre 1 : Introduction Continuez le chemin en faisant de votre mieux. Quelquefois on peut penser que
lon est tomb dans lerreur ou quon a t pris par la fatalit. La vie offre toujours
dautres opportunits. Vous pourrez tout recommencer de zro. Lchec nest pas
tomber mais rester terre
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Chapitre 1 : Introduction
e systme lectrique a volu de faon permanente depuis son apparition la fin du XIXme
sicle. A cette poque, des mini rseaux courant continu se multipliaient, pour alimenter les
charges, prs des centres de consommation, selon le systme Edison. Ces systmes ont
progressivement pass le relais aux systmes courant alternatif avec transformateurs, cest le
systme Tesla-Westinghouse. Puis, dautres innovations sont, de manires chronologiques :
L- linterconnexion des systmes courant alternatif pour favoriser la solidarit entre systmes
nationaux et internationaux,
- luniformisation des vitesses des machines pour tablir une frquence commune de fonctionnement,
- le dveloppement des grandes centrales hydrauliques,
- les amliorations technologiques des centrales thermiques et enfin
- lapparition des grandes centrales nuclaires ont marqus les jalons les plus importants.
Dans les dernires annes, les principaux changements observs sur les rseaux de lUCTE sont lis aux
nouvelles lois europennes et aux proccupations environnementales pour rduire les missions de gaz effet
de serre (Protocole de Kyoto) et favoriser les nergies dites propres, vertes ou moins polluantes. Dans ce
cadre, les technologies des nergies dj connues depuis longtemps comme lolienne (XIXme-XXme sicle),
lnergie solaire ou en dveloppement comme les piles combustibles (PAC), ont t encourages par ces
nouvelles directives europennes.
Dun autre ct, les problmes socio-conomiques lis la multiplication des grandes pannes lectriques qui
causent dabord larrt des activits quotidiennes dun pays et comme corollaire, la perte de confiance des
utilisateurs voient leur frquence augmenter. Malheureusement, les pannes se manifestent danne en anne
malgr les retours dexprience et les innovations techniques et autres adaptations. Une des solutions
envisageables pour les rduire pourrait venir de lutilisation locale de centres de production permettant la
survie de sous-systmes actifs de puissance. Dans ce sens, la production dcentralise devient un acteur
potentiellement majeur.
Des grands projets dinsertion de production non centralise (ou dcentralise) ont t lancs, comme
lnergie olienne en Allemagne, en Espagne ou au Danemark. Toutefois ces nouvelles productions ne sont
pas sans effets ngatifs sur les rseaux de distribution auxquels ils sont interconnects et qui nont pas t
conus cet effet [CAI-04], [CAN-00]. Dailleurs, les impacts de la production dcentralise peuvent
stendre jusquaux rseaux de transport laissant la place une nouvelle perception dun systme en
volution continue. Cette interaction entre les rseaux lectriques et les insertions de productions
dcentralises sera tudie dans ce travail de recherche afin de trouver des lments qui permettront de
dfinir une insertion et une dmarche optimales et robustes vis--vis du bon fonctionnement global.
Le chapitre 2 donne une vision globale des concepts classiques, des rseaux lectriques, qui restent toujours
dactualit comme les cheminements de lnergie lectrique, les types de production centralise ou
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Chapitre 1 : Introduction
dcentralise, les mcanismes de formation des incidents majeurs ainsi que les solutions techniques qui
peuvent tre envisageables pour faire face la propagation des grandes pannes lectriques.
Ensuite, le chapitre 3 prsentera une vision novatrice de la robustesse apportant une dfinition originale via
des critres dfinis cet effet. La dfinition de la robustesse est accompagne dune mthodologie dtude
sappuyant sur ces diffrents indices de robustesse qualifiant la gravit de la situation du systme face aux
perturbations , ces perturbations pouvant amener le systme des points de fonctionnement non souhaitables
et/ou peu robustes.
La robustesse du systme, par une adaptation voulue et donc dirige, est aussi amliore en grant des
fonctionnements dgrads comme les lotages intentionnels (voir chapitre 4). Ces modes de
fonctionnement ne peuvent pas chapper aux rgles de tenue de frquence et de profil de tension ; ceci amne
des tudes de faisabilit dlotage accompagnes par des critres de robustesse spcifiques.
Le chapitre 5 sintresse aux nouvelles possibilits apportes par linsertion massive de la Production
Dcentralise. Cette insertion massive pourrait ainsi faciliter la gestion du rseau par un apport
supplmentaire de Rserves Primaires, ces rserves pouvant tre une plus-value conomique pour les
producteurs. Une proposition est donc faite : ces rserves devront tre contractuelles et de ce fait disponibles.
Une partie du projet europen CRISP (Critical Infrastructure for Sustainable Power) [CRI-03] a
partiellement fait lobjet de travaux dvelopps dans cette thse . En effet, dans ce contexte europen, un
sjour de 6 mois au sein de BTH (Blekinge Institut of Technology, Sude) a t effectu afin dexplorer et de
tester lapport Nouvelles Technologies de lInformation et de la Communication (NTICs) pour accompagner
notre dmarche de type rseaux . Le chapitre 6 restitue cette dmarche.
Enfin, une conclusion et des annexes terminent cette thse.
Un rsum en anglais (voir chapitre 8) est inclus dans ce mmoire pour lobtention du label europen.
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Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs
Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs
Concentrez vous sur les aspects positifs : statistiquement, les personnes
malheureuses ont les mmes possibilits de russir que celles qui sont heureuses.
Si vous laissez le malheur vous gagner, vous deviendrez malheureux, mais si vous
restez attentifs au bonheur, les sentiments despoir et de joie voyageront avec
vous
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Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs
2.1.-Lhistoire du systme lectrique en bref
Ds son origine, llectricit a jou un rle primordial dans la mise en place des systmes de communication
et de transport. Ainsi, la premire utilisation technique du courant lectrique a t le tlgraphe puis les
dbuts de lclairage ou des piles thermolectriques et enfin la cognration partir de la combustion du bois.
Les prix excessifs des services et des quipements ncessaires ont induit une lenteur dans sa mise en place.
Comme toute nouvelle technologie, elle avait besoin du dveloppement des composants et des applications
pour simplanter.
Aujourdhui, llectricit est largement tendue. Deux types de systmes de nature diffrente sont
prsents dans nos rseaux lectriques :
Les systmes lectriques courant continu : le flux des lectrons se produit toujours dans la mme direction (DC, Direct Current). Le courant continu a t initialement utilis pour la gnration
dlectricit avec un but commercial la fin du XIXme sicle. Il a t abandonn cause des
nombreux avantages des systmes courant alternatif, plus appropris au transport de lnergie sur
de longues distances via des tensions plus leves. Il y a actuellement un regain dintrt pour les
connexions sous marines, le couplage de rseaux diffrents ou encore le transport trs longue
distance, du fait notamment des volutions dues llectronique de puissance. Dautres rseaux
comme ceux embarqus sont galement concerns par le courant continu (vhicules lgers,
btiments de surface entre autres).
Des systmes lectriques courant alternatif : le flux des lectrons se produit avec un changement rptitif damplitude et de direction. Idalement, le signal est sinusodal (AC, Alternating Current).
Le choix du systme a donn lieu un rel conflit entre Thomas Alva Edison dune part et Nikola Tesla et
George Westinghouse dautre part. Le premier systme de distribution de llectricit a t dvelopp par
Edison sur la base du courant continu. Puis, lutilisation du courant alternatif a provoqu une forte dispute
entre les partisans des deux systmes. En fait, Edison voulait faire valoir les royalties quil avait sur les
gnratrices DC. Il en est arriv au point de faire la promotion de la chaise lectrique ! Il voyagea travers
les Etats-Unis pour dmontrer le niveau de dangerosit que lAlternatif avait face au Continu aux mmes
niveaux de tension (ce qui est bien sr faux) !
Dun point de vue technique, le courant continu posait un problme de changement de niveau de tension, ce
qui rendait le transport, sur longues distances, problmatique. Pour palier ce problme, Edison avait dj
mis lide de la production dcentralise en produisant llectricit sur les lieux de consommation.
Lalternatif, en revanche, au vu dune technologie de transformateurs mature na pas rencontr ce genre de
limitations, ce qui, par la suite, a favoris son dveloppement spectaculaire.
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Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs
Beaucoup plus tard, les systmes AC existants fonctionnaient en poches de diffrents frquences : 16 2/3 Hz
(rseaux ferroviaires), 50 Hz, 60 Hz entre autres. Les diffrents pays ont d faire un effort de normalisation
pour travailler une mme frquence. Ainsi, lEurope continentale a opt pour 50 Hz tandis que lAmrique
a prfr conserver ses 60 Hz du fait dj accompli et des changements par trop onreux pour tre effectus.
Le dveloppement des structures existantes a donn lieu lapparition dinterconnexions internationales dans
un temps o le rseau ntait pas maill. Ces interconnexions couvraient bien les rgions aux frontires car, il
fallait chercher des consommateurs proches des nouvelles centrales construites, par exemple : lexploitation
de lnergie hydraulique en Suisse avec les interconnexions Suisse-France, Suisse-Autriche et Suisse-
Allemagne. Plusieurs problmes techniques ont du tre rsolus [TI-02] par la marche en parallle des
alternateurs, le rglage de la puissance et de la frquence ou la matrise des transits de puissance entre autres.
Ces problmatiques techniques nont pas t les seules devoir tre rsolues dans un systme soumis une
volution constante : dveloppement des nouvelles technologies pour les centrales nuclaires et thermiques,
dotation des centrales hydrauliques dans les annes 60-70, nouvelles directives europennes pour la
libralisation du march de llectricit et la rduction des missions polluantes [EU-96], [EU-01].
La gnration dnergie est normalement ralise laide de grandes centrales bases sur le thermique
flamme, le nuclaire ou bien encore lhydraulique. Aujourdhui, ceci nest plus le cas car des systmes non
conventionnels base de renouvelable ou dnergie fossile sont mis contribution. Ces nouvelles injections
dnergie font partie de la production dcentralise raccorde au rseau lectrique diffrents niveaux de
tension selon le niveau de la puissance nominale. De faon gnrale, il est possible de dire que, en France, les
groupes de plus de 12 MW sont raccordes au rseau de rpartition (90 kV, 63 kV) et les groupes de moins
de 12 MW vont se raccorder au rseau de distribution (20 kV, 0.4 kV).
Systme de TRANSPORT
Systme de REPARTITION
Systme de DISTRIBUTION
Grandes centrales: nuclaires,thermiques, hydraulique
Cognration, Parcs oliens
Petits producteurs: olien,Diesel,
turbines
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Poste source
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Systme de TRANSPORT
Systme de REPARTITION
Systme de DISTRIBUTION
Grandes centrales: nuclaires,thermiques, hydraulique
Cognration, Parcs oliens
Petits producteurs: olien,Diesel,
turbines
Poste source
Poste source
Poste source
Poste source
Poste sources
Figure. 2.1.- Insertion de la production dcentralise dans le systme lectrique
Concernant la production dcentralise, les systmes base dnergies fossiles font rfrence aux micro-
turbines gaz, aux groupes Diesels et autres systmes de cognration. Les systmes base dnergies
renouvelables ou non conventionnelles font rfrence lnergie olienne, hydraulique, photovoltaque et
la biomasse, entre autres. Notons que les piles combustibles en tant que vecteur nergtique peuvent faire
appel une nergie comme une autre selon le processus de gense du carburant.
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Toutes les sources dnergie renouvelables sont perues comme des dispositifs prometteurs pour accomplir
les obligations drives des accords internationaux comme les directives europennes ou le protocole de
Kyoto. Une estimation dinsertion dnergie renouvelable a t apporte par lETSO (European
Transmission System Operators) [ET-03]. Cette figure montre la tendance linstallation de la nouvelle
production dcentralise ; lnergie hydraulique est la source qui contribue le plus une nergie renouvelable
installe.
Figure. 2.2.- Donnes ETSO par rapport la capacit de production renouvelable
En revanche, les schmas directeurs dinstallation de la production dcentralise se concentrent sur le
dveloppement des installations oliennes. Lexploitation des gisements oliens est ainsi la voie directrice
pour atteindre ces objectifs contractuels. Ainsi, des pays comme la Danemark ou lAllemagne sont en train de
promouvoir linstallation des turbines oliennes. LAllemagne a prvu une augmentation de sa capacit
olienne de 13 GW (donnes mi-2003) 30 GW pour lanne 2010. Le gouvernement danois, quant lui a
ralis des plans pour installer 4 GW doff-shore et 1.5 GW don-shore avant lanne 2030. Les dernires
donnes EWEA actualises pour 2007 prsentent une vritable acclration de linstallation dolienne en
Europe.
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Figure. 2.3.- Donnes EWEA sur la puissance olienne installe pour lanne 2007 [EWEA-08]
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2.2- Rseaux Electriques 2.2.1.- Composition des rseaux lectriques
Traditionnellement, les rseaux lectriques sont dcomposs en trois sous-systmes : la gnration, le
transport et la distribution. Chaque sous-systme est reli par des postes sources chargs de ladquation des
niveaux de tension [RAM- 06]. En France, les niveaux de tension les plus employs sont : 400kV/225 kV
pour le transport, 90kV/63kV pour la rpartition et 20kV/400V pour la distribution.
Figure. 2.4.- Architecture traditionnelle des diffrents sous-systmes des rseaux lectriques : de la
gnration la distribution de lnergie en passant par le transport et la rpartition.
La distinction des diffrents sous-systmes se base, non seulement dans une diffrence de niveau de tension
mais aussi dans les fonctions que chacun doit assumer :
Transport et lignes dinterconnexion : Ces rseaux lient les principaux centres de production avec les zones de consommation. La tension dpend du pays, mais usuellement, le niveau de tension pour le
transport est tabli entre 220kV et 800 kV. Les distances gographiques entre les centres de
consommation, la variabilit ou la versatilit de la charge et limpossibilit de stocker lnergie en
grande quantit ont cr le besoin dun systme lectrique capable de transmettre lnergie lectrique sur
de longues distances. Ces lignes de transport et dinterconnexion peuvent avoir des milliers de
kilomtres. Le rseau franais en compte, lui seul, 100000 km. Les missions des rseaux de transport
sont : le transport de lnergie, linterconnexion nationale et linterconnexion internationale pour
changer des puissances et favoriser la solidarit des systmes en cas durgence. Le niveau de la tension
doit tre lev car les pertes Joules sont inversement proportionnelles au carr de la tension (p= k/U2)
avec U la tension du rseau et k une constante qui dpend des lignes. Le transport dnergie lectrique
est ralis avec des liaisons courant continu (DC) ou courant alternatif (AC). Les lignes AC pour les
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longues distances ont des inconvnients lis aux problmes de stabilit et de compensation de lnergie
ractive pour conserver un bon niveau de tension. Les liaisons courant continu nont pas ces
problmes et ont mme un cot plus bas sur des distances suffisamment longues. Par contre, ils
ncessitent lutilisation de convertisseurs AC/DC et DC/AC. Enfin, les rseaux de transport sont plus ou
moins maills, avec les sections des lignes variant de 570 1200 mm2.
Rpartition : Le but de ces rseaux est damener lnergie du rseau de transport aux centres de consommation dnergie les plus importants. Ces centres de consommation sont publics ou privs (plus
de 10 MVA), essentiellement des industries de lacier, des produits chimiques, le chemin de fer, pour ne
citer que les plus importants.
Leur niveau de tension, est souvent compris entre 45kV et 160 kV. Il est organis normalement sous
forme de boucle et avec un transit de lnergie souvent bidirectionnel. La structure de ces rseaux est
essentiellement arienne. Par contre, lorsquils sont proches des villes, les lignes deviennent des cbles
enterrs.
Distribution : Les rseaux de distribution acheminent lnergie lectrique du rseau de rpartition (ou de transport) aux clients rsidentiels et aux petits clients industriels. Les tensions des rseaux de distribution
sont comprises entre 230V 400V pour la basse tension et 4kV 45 kV pour la moyenne tension. La
structure des rseaux de distribution est bouclable et exploite en radial. Nanmoins, certains pays
disposent de rseaux maills et avec la possibilit dune exploitation en boucle ferme [D11-02].
La conduite et lexploitation dun tel type de systme, aux fins dassurer, tout instant, lquilibre
consommation/production aux pertes prs, passe par la prvision des charges et la mise disposition des
consignes de gnration ncessaires pour faire face la demande dnergie. La variabilit de la charge avec
les contraintes sociales et environnementales comme la variation de la charge avec la temprature (exemple
1200MW/C), laugmentation de la charge cause des retransmissions sportives, programmes spciaux ou
autres, font que le gestionnaire du rseau de transport doit planifier non seulement les gnrations dnergie
pour couvrir la demande prvue mais aussi les rserves pour fournir lnergie des alas et incidences
possibles.
Les rserves dont un systme lectrique dispose normalement sont prsentes dans les sections suivantes.
Dans la figure 2.5, le cas du RTE (gestionnaire du rseau de transport franais) [RTE-02] est illustr. Elles
peuvent tre classifies selon diffrents critres :
Nature automatique ou manuelle : les rglages automatiques (secondaires et tertiaires) rpondent aux rserves propres au systme pour maintenir les 50 Hz de frquence nominale du systme. La
rserve primaire reprsente la rgulation de vitesse des centrales avec un concept de statisme, pente
de variation de la puissance avec la frquence. Ce statisme permet la rpartition naturelle de
lutilisation de la rserve entre les centrales. Normalement, les centrales franaises ont des statismes
de lordre de 4 5%. Le statisme est intimement li la capacit dynamique de rponse des
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gnratrices. Le rglage secondaire permet de revenir au 50 Hz une fois que la rserve primaire a t
utilise pour encaisser un transitoire important. Ce rglage secondaire tient compte de la capacit
des centrales changer leurs points de consignes.
Les rglages manuels rpondent plutt aux contraintes doptimisation conomique et technique et du
point de fonctionnement du systme. Ces rglages manuels incluent les rserves tertiaires et les
puissances de groupes mobilisables au-del de 30 minutes.
Nature de la gestion pour la gestion en temps rel ou pour une gestion en prvisionnel (groupes mobilisables au-del de 2h) :lquilibre de la charge et de la demande doit tre assur pour garantir
les conditions nominales de qualit de lnergie en temps rel. Une gestion, doit donc tre effectue
dans deux chelles de temps, court terme et moyen terme. Les objectifs des gestions sont
toujours la qualit et la scurit mais les optimisations ne tiennent souvent pas en compte les mmes
objectifs, disponibilit de producteurs et cots.
Figure. 2.5.- Rserve du systme de transport [RTE-02]
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2.2.2- Stabilit des rseaux lectriques
Ce sous-chapitre prsente un rsum des diffrents critres pour valuer la stabilit dun systme lectrique
selon la nature de ltude et des phnomnes tudis.
La stabilit dun systme lectrique de puissance est dfinie comme la capacit du systme maintenir un
tat dquilibre pendant et aprs dventuelles perturbations et de rcuprer un nouvel tat dquilibre qui
peut tre diffrent de celui du dpart. La stabilit est un problme bas sur les facteurs suivants :
La nature physique de linstabilit ;
La svrit de la perturbation qui apparat dans le systme ;
Les dispositifs, les processus et lchelle de temps tenir en compte ;
Les mthodes appropries de calcul et de prdiction de la stabilit concerne ;
Dans un rseau lectrique, il existe deux classes principales de stabilit : la stabilit angulaire et la stabilit de
tension. Ces deux types de stabilit sont plus ou moins relis et dfinis dans des situations extrmes :a) un
gnrateur synchrone raccord au rseau infini par lintermdiaire dune ligne de transport est utilis pour les
tudes de la stabilit des angles et b) une charge raccorde au rseau infini par lintermdiaire dune ligne de
transport est utilise pour les tudes de la stabilit de tension. La figure 2.6 montre une classification des
diffrents types de stabilit [KUN-94].
Ainsi, diffrents types de stabilit peuvent tre numrs : stabilit de tension, stabilit de frquence, stabilit
en petits signaux, stabilit des angles, stabilit transitoire, stabilit moyen terme, stabilit long terme.
Stabilit des angles : la stabilit des angles est lie la capacit des machines maintenir le synchronisme du rseau, elle ncessite ltude des oscillations lectromcaniques. Le paramtre
principal est la puissance en sortie de la machine synchrone qui varie comme la vitesse de son rotor.
La stabilit des angles peut tre classe en deux catgories :
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STABILITE des
ANGLES
STABILITE de
TENSION
STABILITE PETITS
SIGNAUX
STABILITE TRANSITOIRE
STABILITE
MOYEN TERME
STABILITE de
TENSION
PETITEPERTURBATION
STABILITE
LONG TERME
STABILITE de
TENSION
GRANDEPERTURBATION
INSTABILITENON-OSCILLATOIRE
INSTABILITEOSCILLATOIRE
STABILITE du
SYSTEME ELECTRIQUE
STABILITE des
ANGLES
STABILITE de
TENSION
STABILITE PETITS
SIGNAUX
STABILITE TRANSITOIRE
STABILITE
MOYEN TERME
STABILITE de
TENSION
PETITEPERTURBATION
STABILITE
LONG TERME
STABILITE de
TENSION
GRANDEPERTURBATION
INSTABILITENON-OSCILLATOIRE
INSTABILITEOSCILLATOIRE
STABILITE du
SYSTEME ELECTRIQUE
Figure. 2.6.- Classification de la stabilit des rseaux lectriques [KUN-94].
o Stabilit en petits signaux : cest la capacit dun rseau lectrique maintenir le synchronisme aprs de petites perturbations de charge ou de gnration. Lors de leurs tudes,
les perturbations sont considres suffisamment petites pour pouvoir linariser les quations du
systme. Linstabilit peut tre divise en deux familles : laugmentation permanente de langle
rotorique due linsuffisance du couple synchronisant, et laugmentation de lamplitude des
oscillations du rotor due linsuffisance du couple damortissement. Ainsi les deux types
dinstabilits en petits signaux sont les suivantes :
Instabilit non oscillatoire : insuffisance du couple synchronisant qui amne une augmentation permanente de langle rotorique.
Instabilit oscillatoire : insuffisance de couple damortissement ; action instable de rglage (modes locaux, modes inter-zones, modes de rglage, modes torsion).
o Stabilit transitoire : cest la capacit dun rseau lectrique maintenir le synchronisme suite aux grandes perturbations. Le systme est instable cause dune grande excursion de langle
rotorique du gnrateur. Ce type dinstabilit dpend de ltat initial de fonctionnement du
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systme et de la gravit de la perturbation. Usuellement, le systme passe alors dun rgime
permanent avant la perturbation un autre rgime permanent (diffrent du prcdent) aprs la
perturbation.
Stabilit de la tension : cest la capacit dun rseau maintenir en permanence des tensions acceptables pour tous les nuds la suite dune perturbation. Le problme de linstabilit de tension
du rseau lectrique est d la non matrise de la puissance ractive et la chute progressive de
tension la suite des perturbations tels laugmentation de la charge ou le changement du rgime de
fonctionnement. Le paramtre principal de cause dinstabilit de tension est lincapacit du rseau
fournir une puissance ractive suffisante. La chute de tension est gnralement due une
accumulation de transit des puissances active et ractive sur les lignes dun rseau. Un rseau est dit
stable en tension si lamplitude de tension augmente avec laugmentation de puissance ractive
injecte dans le mme nud. Il est instable en tension si lamplitude de la tension dun nud, au
moins, diminue avec laugmentation de la puissance ractive injecte. Autrement dit, le rseau est
stable en tension si la sensibilit dV/dQ est positive pour tous les nuds, et instable en tension si au
moins un nud dans le rseau a une valeur de sensibilit dV/dQ ngative. Comme pour la stabilit
des angles, la stabilit de tension peut tre classe en deux sous-catgories :
o Stabilit de tension dynamique : cest la capacit dun rseau lectrique contrler la tension aux diffrents nuds, la suite de perturbations svres comme des courts-circuits, la perte
des groupes de production ou de lignes. Cette capacit est dtermine par les caractristiques
de charge du rseau et les dispositifs de rgulation et de protection. Lanalyse de la stabilit
aux grandes perturbations ncessite la prise en compte de la non linarit des quations
dynamiques des dispositifs de rseau comme le transformateur avec rgleur en charge et les
limiteurs de courant dexcitation du gnrateur. La dure dtude de cette stabilit est
typiquement de quelques secondes quelques dizaines de minutes. Le critre de stabilit en
grande perturbation consiste garder la tension de tous les nuds du rseau dans des valeurs
acceptables suite une grande perturbation et suite aux actions de rglage du rseau.
o Stabilit de tension statique : cest la capacit dun rseau lectrique contrler la tension aux nuds suite des perturbations comme laugmentation progressive de charge ou de petits
changements du rseau. Cette forme de stabilit est dtermine par les caractristiques des
charges et les dispositifs de rgulation et de protection linstant tudi. Ce concept est utilis
pour dterminer comment la rponse en tension volue en fonction de petites modifications du
rseau nimporte quel instant. Les analyses statiques peuvent tre utilises pour calculer la
marge de stabilit, identifier des variables influenant la stabilit et examiner ltat du systme
dans un grand nombre de configurations. Le critre de stabilit aux petites perturbations est
satisfait sil y a laugmentation de lamplitude de tension dun nud quelconque du rseau lors
de laugmentation de la puissance ractive injecte dans ce mme nud.
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Stabilit moyen-terme : il sagit de grandes excursions de tensions et de frquence, avec des dynamiques rapides ou lentes, et des temps typiques dtude jusqu quelques minutes.
Stabilit long-terme : frquence du systme uniforme, dynamique lente, temps dtude jusqu des dizaines de minutes.
Dans la figure 2.7, la dynamique des diffrents moyens du systme et de diffrents types dtude est
ainsi prsente.
Figure. 2.7.- Constantes de temps pour la dynamique de diffrents moyens et tudes du systme lectrique [NOV-04]
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2.3.-Production Dcentralise 2.3.1.- Dfinition de la Production Dcentralise
Le raccordement au rseau de nouveaux producteurs fait merger de nouveaux concepts. Ainsi, pendant la
dernire dcennie, les termes de Production Dcentralise, Production Distribue, Gnration dEnergie
Distribue, Gnration Disperse, Ressources dEnergie Distribus ont envahi la littrature scientifique,
politique et conomique du systme lectrique.
Il ny a pas un seul critre pour dfinir la signification de chaque terme ; chaque association, groupe de
travail ou auteur a sa propre dfinition. Ainsi, le terme Production Dcentralise ne fait pas rfrence tous
les producteurs raccords au systme lectrique. Seuls quelques-uns remplissant certaines conditions font
partie de la Production Dcentralise. Gnralement, le paramtre utilis est le point de raccordement au
rseau. La Production Dcentralise est dfinie, dans cette thse, comme toute source dnergie raccorde au
rseau de transport, de rpartition ou distribution et qui fait partie des nergies non conventionnelles
(olienne, solaire, piles combustible entre autres) ou conventionnelles de petite puissance < 200MW
(micro-turbines gaz, cognration, moyen de stockage de lnergie entre autres), hors des grandes centrales.
Finalement, il faut retenir que la Production Dcentralise est reprsente non seulement par les moyens de
gnration dnergie mais aussi par les moyens de stockage capables de fournir une certaine puissance. Les
technologies de stockage sont varies et vont des systmes lectrochimiques aux barrages hydro-lectriques
en passant par les super capacits, volants dinertie, supraconducteurs entre autres,
2.3.2.- Production Dcentralise et Production Centralise
Historiquement, le renforcement des rseaux lectriques a t effectu avec linsertion des nouvelles units
de production centralises, la construction des nouvelles lignes lectriques et lextension de systmes de
distribution traditionnels. Aujourdhui, la libralisation du march de lnergie encourage lintgration de
nouveaux producteurs dcentraliss. En comparant la production centralise, les avantages et inconvnients
de la production dcentralise sont les suivants :
Les nouveaux petits producteurs sont souvent bass sur des nergies renouvelables. Ils constituent des productions dnergie moins polluantes que les centrales thermiques et nuclaires.
Le temps ncessaire pour linstallation de la production centralise et les lignes de transport inhrentes est normalement long (de 7 10 ans) cause des tudes environnementales ncessaires
lapprobation des projets, lexpropriation des terrains, le dimensionnement et enfin la construction.
Par contre, le temps dinstallation dune production dcentralise peut tre assez court, jusqu
moins de 6 mois.
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Les grandes centrales ont besoin dinfrastructures spciales comme des routes pour fournir les quipements. Des lignes lectriques ddies sont quelquefois ncessaires pour fournir lnergie
durant les travaux.
Le risque des investissements est moins critique dans le cas de la production dcentralise due lindpendance du prix des matires primaires, hors cognration ; cela a dailleurs t confirm
pendant la crise de 1979. Par ailleurs, la production dcentralise peut tre place l, o il y a un
besoin dnergie et elle suppose donc une rduction des pertes et un risque financier rduit.
La drgulation ou libralisation ont largi le cercle des acteurs de production dcentralise. Et mme si pour linstant, ce sont le mcanisme de subvention qui fait vivre la filire, cela reprsente
un effet moteur pour les petites entreprises et lconomie du pays. Des accords ventuels entre petits
producteurs pourraient former une offre globale dans le march de lnergie et activer les
mcanismes de concurrence.
Le temps pour mettre en service lnergie est bien plus rduit que dans le cas de la production centralise parce que la capacit de rgulation de la production centralise est bien plus restreinte
Ainsi les centrales nuclaires ont une capacit rduite de rgulation et ils doivent, de ce fait,
fonctionner dans une plage troite par rapport la puissance nominale, S > 85% Sn
Toutefois, la production dcentralise ne peut tre une alternative elle seule car des impacts ngatifs peuvent apparatre ( chapitre 4).
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2.3.3.- La Protection de la Production Dcentralise
La lgislation franaise prvoit diffrents types de protection selon lobjectif final de celle-ci. Ainsi, trois
types principaux de protection peuvent tre numrs : la protection de dcouplage, les protections des
machines et les protections du rseau proprement dites.
Les protections dans le rseau ont pour but llimination de dfauts dans le rseau, c'est--dire la protection des biens et des personnes. Cette tche est normalement ralise par des mesures du
courant (et mesures de la tension homopolaire).
La protection entre le rseau et la production dcentralise (ou protection de dcouplage) est place au le point de raccordement de la production dcentralise et du rseau. Le but de cette protection
est de protger les gnrateurs dun mauvais tat de fonctionnement dans le rseau,ou, les personnes
charges de la rparation du rseau. Ainsi, lorsquun tronon est dconnect, il faut viter que les
producteurs dcentraliss nlectrocutent les agents responsables de la maintenance ou de la
rparation.
Figure. 2.8.- Protection de dcouplage dans le rseau de distribution 20 kV [ENA-04]
HTB/HTA
D
D
~
Dp
Rame Rseau Distribution
GED
Rglage
tension
P constant
Relais
Protection
Charge
Mesure U
OD
D - Disjoncteur
Dp - Disjoncteur de raccordement du producteur
OD - Ordre de dclenchement
TT - Transformateur de tension
U - Tension compose
TT
Les conditions anormales peuvent se produire lors dlotages non intentionnels et autres vnements
qui provoquent une grande variation de la tension et de la frquence. Dans la figure 2.8, un exemple
de protection de dcouplage est montr. Elle prend en compte la mesure de tension et partir de
celle-ci, elle identifie la frquence du rseau. Ensuite, les valeurs de tension et frquence sont
compares aux seuils qui dtermineront le dclenchement de la protection. Ces seuils ne sont pas
uniques. En France et pour les rseaux de distribution, il en existe 5 types diffrents. Le choix du
type de protection installer par le producteur relve de la responsabilit de la compagnie de gestion
du rseau de raccordement (soit le transport ou la rpartition soit la distribution), [EDF-00].
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Paramtre Type 1.1 Type 1.2 Type 1.3 Type 1.4 Type 1.4
modifi Type 1.5
Dconnexion
distance Non Non Non Oui Oui Non
Vo max
(%Vnom)
10%
100 ms
10%
to +500 ms
10%
to +500 ms
10%
to +500 ms
10%
to +500 ms
10%
to +500 ms
V max (%V
nom)
115%
100 ms
115%
100 ms
115%
100 ms
115%
200 ms
115%
200 ms
115%
200 ms
V min1 (%V
nom)
85%
100 ms
85%
100 ms
85%
t1+500 ms
85%
t1+500 ms
85%
t1+500 ms
85%
t1+500 ms
V min2 (%
V nom)
25%
100 ms
25%
100 ms
25%
100 ms
25%
100 ms
fmax(Hz) 51 51 50.5 51
t1+500 ms
50.5
100 ms
51
t1+500 ms
fmin(Hz) 47.5
100 ms
47.5
100 ms
49.5
100 ms
47.5
t1+500 ms
49.5
100 ms
47.5
t1+500 ms
Tableau. 2.1.- Diffrents seuils de dclenchement selon le type de protection de dcouplage [EDF-00]
Protections des producteurs et rseaux industriels tertiaires :
o Protections des rseaux industriels : il sagit typiquement dinterrupteurs placs au point de raccordement avec le rseau principal et qui sont dclenchs par mesure de courant.
o Sont dsignes comme protection des producteurs toutes les diffrentes protections existantes pour assurer la scurit des machines et turbines (survitesse, excitation,
surintensit, tempratures entre autres)
2.3.4.-La Capacit de Black-Start de la Production Dcentralise
La procdure de reprise du systme inclut lensemble des actions ncessaires pour reprendre le systme
aprs un incident majeur ou black-out. Normalement, les lgislations obligent les diffrentes entreprises et
oprateurs prvoir une procdure pour la reprise gnrale du systme en cas de dfaillance : la faon de re-
nergiser le systme, lordre des synchronisations raliser, lordre des charges ralimenter. Cette
procdure de reprise gnrale inclut diffrentes tches telles que :
La dfinition et la dmarcation de chaque zone implique dans laction.
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La description des mthodes appliquer pour le diagnostic et ltat des centrales comme premire tape avant de commencer la reprise globale.
La description des tapes de renvoi de la tension.
La description des accords pour entreprendre des actions coordonnes par rapport aux niveaux de la tension, et des puissances active et ractive.
La description de la squence et de lordre des charges rcuprer dans les diffrents niveaux de tension.
La description dune procdure de communication (priorits, portes paroles, entre autres) Les oprateurs du rseau de transport ont la responsabilit dtablir le plan de restauration et doivent
tenir compte de tous les acteurs du systme. Un lment cl dans la reprise gnrale est la possibilit de
dmarrage de certaines units sans soutien externe de tension (black-start). Le temps pour le dmarrage des
diffrentes units est un des paramtres les plus importants dans le contrle, la restauration et la cration de
sous-systmes indpendants. La table suivante montre le temps estim pour dmarrer diffrents moyens de
production.
Type de centrale Temps de dmarrage
Centrales thermiques classiques Quelques heures
Centrales nuclaires De 20 30 heures
Turbines gaz Quelques dizaines de minutes
Groupes hydrauliques Quelques minutes
Turbines oliennes Trs rapides
Piles combustible Trs rapides
Panneaux photovoltaques Trs rapides
Cognration Dpend du systme
Tableau. 2.2.-Temps ncessaire pour le dmarrage de diffrentes centrales
La capacit black-start de la production dcentralise peut tre rsume dans le tableau 2.3 [VAR-01]:
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Type de Production centralise
Flexibilit de la
gnration Rserves
Contrle de la
frquence
Contrle de la
tension
Capacit Black-start
ParticipationAu courant De dfaut
Centrales traditionnelles Oui Oui Oui Oui Oui Oui
Cognration Oui Oui Oui Oui Oui Oui Groupes Diesel Oui Oui Oui Oui Oui Oui
Turbines oliennes Machine
asynchrone Couple
directement au rseau
Non Non Non Non Non Non
Turbines oliennes Machine
asynchrone double
alimentation
Oui Oui Oui Oui Oui Non
Turbines oliennes Machine
synchrone Couple travers
dun convertisseur
Oui Oui Oui Oui Oui Non
Photovoltaque Non Non Oui Oui Oui Non Micro-turbine Oui Oui Oui Oui Oui Oui
Piles combustible Oui Oui Oui Oui Oui Oui
Stirling Oui Oui Oui Oui ? Oui Hydro Oui Oui Oui Oui Oui Oui
Tableau. 2.3.- Performances techniques de diffrents moyens de production
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2.3.5.- Impacts de la Production Dcentralise
La production dcentralise peut occasionner quelques impacts sur le systme lectrique. Ces impacts
peuvent tre classs en deux groupes : les impacts sur la distribution et les impacts sur le transport.
Dun premier ct, les principaux impacts sur le systme de distribution sont les suivants [CAI-04],
[CAN-00] et [AMP-00]:
Impacts sur le sens traditionnel dcoulement de lnergie, le systme lectrique a t dimensionn
pour un flux de puissance du systme de transport vers le systme de distribution dans une dynamique
top-down. Ainsi, il est possible que lnergie soit injecte partir du systme de distribution dans le
systme de rpartition et de transport. Ceci implique un besoin de bidirectionnalit dans lquipement
mis en jeu.
Impacts sur le plan de protection, dimensionnement des seuils des protections, slectivit entre protections et possibilit dune mauvaise opration, dclenchements intempestifs, aveuglement des
protections.
Impacts sur le profil de la tension cause des injections ou demandes dnergie.
Impacts sur la stabilit du systme cause de linsertion de machines synchrones qui changent le temps critique dlimination de dfaut du systme.
Impacts sur la qualit de lnergie (forme et valeur efficaces de la tension, dsquilibres entre autres).
Impacts sur la planification du rseau, son contrle et son exploitation. Ceci implique une nouvelle observabilit des rseaux de distribution car ils ont t conus comme un lment passif. Avec la
production dcentralise, ces rseaux deviennent actifs. La production dcentralise devrait tre, dans
lidal, contrlable par les compagnies lectriques et les oprateurs de la distribution (DNO,
Distribution Network Operators), ce qui signifie une augmentation des donnes acqurir par le
systme SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).
Impacts conomiques sur les marchs de lnergie : des associations et accords entre producteurs dcentraliss pourraient favoriser la concurrence et, au final,une baisse du prix de lnergie (march
journalier, mcanismes de compensations des quilibres, march des rserves, services systmes).
Dun autre ct, les principaux impacts quune grande quantit dinsertion de la production dcentralise
peut provoquer dans le systme de transport, sont les suivants :
Le risque de congestion dans des zones spcifiques : linsertion des sources intermittentes est normalement localise dans des zones o les conditions climatiques sont plus appropries. Ceci
provoque le besoin dun renforcement local du rseau vu les possibilits de congestions locales.
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Lintermittence des sources dnergie provoque une incertitude dans le systme en terme de quantit dnergie gnre et de la localisation de linjection : le rseau lectrique doit tre prt accueillir
un nombre important de producteurs sans connatre a priori ni la position, ni la puissance quils vont
dbiter.
Le changement des marges dexploitation comme consquence du besoin dun systme de suivi non seulement de la charge mais aussi de lintermittence des sources.
Lapparition des flux dnergie ractive inattendus dans le systme de transport lorsque le flux de puissance active est infrieur la puissance naturelle de la ligne [AMP-00].
Liaison Q fournie vide
(MVAr/km)
Q absorbe en
charge max
(MVAr / km)
P maximale
admissible
(MVA)
Puissance
naturelle
(MVA)
Ariennes 63 kV 0.012 0.400 85 10
Ariennes 225 kV 0.130 1.400 425 130
Ariennes 400 kV 0.600 9.000 2350 550
Souterraines 63 kV 0.320 0.400 120 100
Souterraines 225 kV 4.500 0.140 240 1500
Tableau. 2.4.- Puissances ractives et puissance naturelle triphase de quelques lignes et cbles
La fermeture ou le non remplacement des grandes centrales cause des raisons conomiques et environnementales.
La perte de la production dcentralise par des conditions climatiques rudes, soit la dconnexion des oliennes par vents excessivement forts (> 25 m/s onshore ou 34 m/s offshore).
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2.4.- Les incidents majeurs
Dans ce paragraphe, le systme lectrique est dfini comme une infrastructure critique pour les
activits des diffrents pays. Ces infrastructures critiques peuvent subir des incidents majeurs. Les incidents
majeurs peuvent tre provoqus par des causes naturelles ou techniques, bien que les sabotages ou attentats
ne puissent pas non plus tre rejets comme causes initiales. Les principales attaques terroristes qui peuvent
tre envisags dans le systme sont brivement dcrites. Les mcanismes dorigine naturelle donnant lieu aux
grandes pannes lectriques et incidents majeurs sont ensuite dtaills. Finalement, quelques constats sur les
dernires grandes perturbations lectriques dans le monde sont apports. A partir de ces constats, des
nouvelles leons peuvent tre tires et quelques solutions techniques peuvent tre envisages
2.4.1.- Le systme lectrique : une infrastructure critique
La dpendance des socits vis--vis de lnergie lectrique est telle que les systmes lectriques
reprsentent des points sensibles dans la vie normale et la dfense dun pays et elle est ncessaire au
droulement normal de la vie quotidienne. Labsence de service dnergie provoque des problmes comme le
manque de chauffage, deau chaude et froide, de communications et larrt des oprations industrielles entre
autres. Les attentats du 11-S et 11-M (11 septembre 2001 et 11 mars 2004), ont fait dcouvrir que tout
pouvait arriver et quune ventuelle attaque terroriste au sein du systme lectrique pouvait crer des
consquences nfastes tant civiles que militaires. Un exemple de limportance du systme lectrique a pu tre
constate aprs lattentat du 11-M Madrid. Les toutes premires mesures prises par le gouvernement furent
la protection des rserves deau, des installations susceptibles de propager un attentat biologique ou chimique
et enfin celle des centrales lectriques. Dans la figure 2.9, deux photos illustrent ce commentaire ; gauche,
il est montr un de trains attaqus le 11-M ; droite, des soldats qui sont chargs de la surveillance de la
centrale thermique du Narcea (Principaut des Asturies, Espagne ).
Figure. 2.9.- Attentat 11-M : surveillance de larme espagnole aprs lattentat (Photo gauche : El Mundo : Rapport du 11-M, le 8 avril 2004 ; Photo droite : La Nueva Espaa, le 7 Avril 2004) Les attaques au systme lectrique peuvent revtir diffrentes formes [AMI-02], [JON-99], [JAM-96] et [D16-04]:
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Attaques directes sur le systme lectrique : le rseau lectrique peut tre lui-mme lobjectif primaire des actions terroristes. Ainsi, il est relativement simple dimaginer des actions sur les
centrales, ses lignes critiques, les principaux postes sources ou les transformateurs. Dautres attaques
pourraient frapper les communications et les marchs de llectricit ; le pire des cas tant une action
sur une centrale nuclaire ou un incident majeur donnant lieu un black-out gnralis.
Attaques des systmes de communications : les systmes dinformation et communication sont ncessaires lacquisition des donnes et au contrle du systme, et ce, pour lestimation de son tat
ainsi que les dcisions correctives et prventives prendre pour viter les dysfonctionnements. Par
ailleurs, la libralisation du march de lnergie a mis en vidence le besoin de coordination des
diffrents acteurs ; de ce fait, linformation doit leur tre mise disposition pour un fonctionnement
harmonieux. La scurit du systme dpend de lintgrit des communications associes aux systmes
dinformation. Une mauvaise protection des ces donnes pourrait donner lieu lintrusion dagents
externes et non autoriss et donc, la possibilit de situations incontrlables et anormales pouvant
endommager le systme et provoquer des situations catastrophiques.
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2.4.2.- Le dispatching du systme : labsence du risque zro
La drgulation du systme lectrique a chang le traditionnel monopole du march de llectricit.
Suite cette drgulation, de nouveaux acteurs sont apparus. La taille des nouveaux acteurs est variable, elle
va de nouvelles entreprises de gnration, ou de nouveaux distributeurs aux agents responsables de la
commercialisation de lnergie ou encore de nouveaux oprateurs indpendants des deux parties : technique
et conomique.
OprateurMarch
Distributeurs
OprateurTransport
Offres degnration
Offres deconsommation
Autres gnrations
changesinternationaux
RseauTransport
Entrepriseslectriques
Flux dnergieFlux dinformation
OprateurMarch
Distributeurs
OprateurTransport
Offres degnration
Offres deconsommation
Autres gnrations
changesinternationaux
RseauTransport
Entrepriseslectriques
Flux dnergieFlux dinformationFlux dnergieFlux dinformation
Figure. 2.10.- Dispatching journalire du systme : boucles entre les oprateurs
Lopration journalire est organise normalement la veille (J-1). Loprateur du march propose un
plan de production pour le lendemain. Ce plan est valu par loprateur technique afin de dterminer sa
viabilit tudie par rapport aux rgles de scurit : critre (N-1) et une tude de risque rduite du systme
dans de telles conditions dexploitation. Si le risque du dispatching est lev, lexploitant prend des mesures
pour diminuer ces risques. Dailleurs, il accepte que le systme soit sauvegard dans certains points de
fonctionnement par des dlestages car il y a des vnements de probabilit plus faible : ainsi peuvent
apparatre des vnements aux consquences svres et pour lesquels le systme nest pas dimensionn. La
figure 2.11 [RTE-02] montre les diffrentes zones de risque auquel loprateur pourrait tre confront dans le
planning journalier. Il est donc vident que le risque zro nexiste pas et que le systme ne prvoit que les
incidences les plus probables.
Profondeurcoupure
potentielle(MW)
Courbe isorisque correspondant au risque maximal accept
Seuil consquencesinacceptables
(600 MW pour un vnement
simple en THT)
ZONE 1: zone des vnements hors normes
ZONE 2: zone de consquences inacceptablesSolution plus coteuse si besoin
Evnenementsdimensionns
ZONE 3: zone des risques inacceptablesSolution plus coteuse si besoin
ZONE 4: zone des risques acceptables
vnements non dimensionns Probabilit faible
Perte jeu de barres 400 kV Pertedune ligne
Pertedun groupe
Courbe isorisque (risque maximal accept)
Profondeurcoupure
potentielle(MW)
Courbe isorisque correspondant au risque maximal accept
Seuil consquencesinacceptables
(600 MW pour un vnement
simple en THT)
ZONE 1: zone des vnements hors normes
ZONE 2: zone de consquences inacceptablesSolution plus coteuse si besoin
Evnenementsdimensionns
ZONE 3: zone des risques inacceptablesSolution plus coteuse si besoin
ZONE 4: zone des risques acceptables
vnements non dimensionns Probabilit faible
Perte jeu de barres 400 kV Pertedune ligne
Pertedun groupe
Courbe isorisque (risque maximal accept)
Figure. 2.11.- Niveaux de risque dans le dispatching journalier
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2.4.3.- Mcanismes de formation des incidents majeurs
Les incidents majeurs sont normalement provoqus partir dune cause initiale sur laquelle
viendront se greffer des vnements connexes qui conduiront jusqu la panne totale (black-out) ou partielle
(brownout).
Figure. 2.12.- Exemples des causes initiales donnant lieu des incidents majeurs
Les causes initiales perturbatrices peuvent tre classifies selon leur nature :
Naturelles : des conditions mtorologiques adverses telles que temptes, ouragans, tremblements de terres, tsunamis, chutes darbres, etc.
Techniques : courts-circuits, dysfonctionnements des protections, pertes dlments dans le systme (transformateurs, gnrateurs,..), brusques variations de charge
Les mcanismes des incidents majeurs rsultent ensuite de la combinaison des diffrents vnements
tels quune variation de la charge, une perte dune ou plusieurs lignes, de la perte de gnrateurs ou de
lapparition des tensions basses dans quelques nuds du rseau.
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Une fois que les premires causes initiales apparaissent [TI-01], la perte du systme survient dans
les secondes ou minutes qui suivent. Gnralement, la perte totale du systme est le rsultat dun ou plusieurs
mcanismes:
Cascade de surcharges : la cascade de surcharges consiste au dclenchement progressif des lments du rseau. Ce dclenchement est provoqu par une premire perturbation initiale (par exemple, un
court-circuit, la perte dun gnrateur, des tensions basses dans quelque nud, une variation brusque
de charge). La perturbation initiale induit une nouvelle rpartition de charges dans le systme dans
laquelle, des surcharges apparaissent sur quelques composantes (lignes, transformateurs). Ces
surcharges donnent lieu la dconnexion des lignes et ensuite, de nouvelles surcharges sont
constates comme rsultat du rapport de la charge de la ligne ouverte par les protections de surcharges
sur dautres lignes. Ainsi, louverture des lignes par surcharges est propage tout au long du systme.
Ce phnomne est aussi nomm effet domino ou chteau de cartes, car le systme est perdu par la
squence de pertes des lignes et lments. Cette succession de dclenchements peut finalement causer
la perte du systme par diffrentes raisons finales : croulement de tension (chute progressive de la
tension dans quelques noeuds), cration des sous rseaux instables ou bien la perte de synchronisme
de certaines machines gnratrices.
CASCADEde
SURCHARGES
Type de phnomne
vnement
Courts-circuitsOuvertureouvragesTransport
Variationcharge
Dconnexionproduction
Tensions basses
Protectionsurcharges
Nouvelleconfiguration
rseau
ECROULEMENTde TENSION
SOUS-RESEAUX
PERTE duSYNCHRONISME
CASCADEde
SURCHARGES
Type de phnomne
vnement
Courts-circuitsOuvertureouvragesTransport
Variationcharge
Dconnexionproduction
Tensions basses
Protectionsurcharges
Nouvelleconfiguration
rseau
ECROULEMENTde TENSION
SOUS-RESEAUX
PERTE duSYNCHRONISME
Figure. 2.13.- Cascade de surcharges
Le temps douverture des protections de surcharges dpend de la svrit de la surcharge. Ainsi pour
des surcharges lgres, loprateur du systme dispose dun temps relativement suffisant pour
rsoudre le problme en changeant la distribution des flux de puissances dans le systme. Par contre,
si la surcharge est grave, le temps du dclenchement des protections de surcharges est trs court, de
lordre de quelques secondes.
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Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs
Svrit de la surcharge dans la ligne
(en pourcentage par rapport la
puissance nominale de la ligne)
Ordre de grandeur du temps douverture
des protections de surcharge
130% 20 minutes
150% 10 minutes
170% Dizaines de seconds
Tableau. 2.5.- Temps douverture des lignes par les protections de surcharges
Ecroulement de tension : la cause initiale de lcroulement de tension est labsence dnergie ractive dans le systme. La chute de tension dans certains nuds du systme au-dessous dun niveau
de tension dit critique, implique une descente progressive de la tension qui finit par provoquer le
dclenchement des protections de gnrateurs, des surcharges dans les lignes (tension basse, courant
lev) ou la perte de synchronisme de quelque gnrateur. La dynamique de lcroulement de tension
varie de lordre de la minute quelques minutes.
CHUTEde TENSION
Type de phnomne
vnement
Dclenchementgnrateurs
Variation de la charge
Ouvertureouvrages
SURCHARGES
PERTE duSYNCHRONISMEProtection
des groupes
SURCHARGES
CHUTEde TENSION
Type de phnomne
vnement
Dclenchementgnrateurs
Variation de la charge
Ouvertureouvrages
SURCHARGES
PERTE duSYNCHRONISMEProtection
des groupes
SURCHARGES
Figure. 2.14.- Chute de tension
Dviation en frquence : la dviation de la frquence est le rsultat dun dsquilibre entre la puissance gnre et la puissance consomme. Les dviations en frquence sont la consquence dune
variation dans la charge ou dans la gnration. Afin de limiter les dviations en frquence, le systme
compte avec des rserves dnergie (rapides, rserves primaires et secondaires ; lentes, rserves
tertiaires) pour garder la frquence dans lintervalle des valeurs normales (50.5 49.5 Hz). Si la
rserve primaire nest pas suffisante, la frquence peut atteindre des valeurs anormales. Les solutions
une dviation de frquence sont : le dlestage de charges intentionnel ou non-intentionel
(dconnexion de charges, load shedding) et lincrment de la puissance produite (rserves, unit de
secours). La dynamique de la frquence est trs rapide (de lordre de la seconde)
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Chapitre 2 : Rseaux lectriques, Production Dcentralise et Incidents Majeurs
Figure. 2.15.- Dviation en frquence
DEVIATIONFREQUENCE
Type de phnomne
vnement
Courts-circuits Dconnexionproduction
Variationcharge
Rserves primairesinsuffisantes
Protectiongroupes
SOUS-RESEAUX DEVIATIONFREQUENCE
Type de phnomne
vnement
Courts-circuits Dconnexionproduction
Variationcharge
Rserves primairesinsuffisantes
Protectiongroupes
SOUS-RESEAUX
Perte du synchronisme : en tat normal de fonctionnement, toutes les machines tournent synchrones, par contre, suite certaines perturbations, quelque machine synchrone peut subir une grande variation
dangle interne et donc, suivre une variation de vitesse provoquant la perte du synchronisme de la
machine. Dans la figure 2.16, il est montr le schma qui peut donner naissance la perte du
synchronisme dune machine synchrone connecte au rseau.
Figure. 2.16.- Perte du synchronisme
PERTE duSYNCHRONISME
Type de phnomne
vnement
Courts-circuits
Dclenchementproduction
Ouvertureouvrages
Tensions basses
Protectiongroupes
SOUS-RESEAUX
MISE hors TENSION
PERTE duSYNCHRONISME
Type de phnomne
vnement
Courts-circuits
Dclenchementproduction
Ouvertureouvrages
Tensions basses
Protectiongroupes
SOUS-RESEAUX
MISE hors TENSION
Les incidents majeurs ne sont pas une nouveaut dans le fonctionnement des rseaux lectriques, ils
frappent le systme de temps en temps, provoquant souvent de graves consquences sociales et conomiques.
Dans les tableaux suivants quelques statistiques des derniers bla