Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid – Institut Polytechnique de Grenoble
Vulnérabilité des réseaux électriquesaux perturbations :
BlackoutsLes pannes d’électricité généralisées
Sixième École Interdisciplinaire de Rennessur les Systèmes Complexes (14-16 oct. 2014)
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I. Introduction
II. Mécanismes de formation des incidents majeurs
III. Incidents majeurs
IV. Solutions envisageables
V. Conclusions
Plan
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I. Introduction
II. Mécanismes de formation des incidents majeurs
III. Incidents majeurs
IV. Solutions envisageables
V. Conclusions
Plan
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Les réseaux d’énergie électrique
Production à partir d’énergie primaire(thermique ou hydraulique)à conversion électromécanique
Transport par ligne HTB maisdistribution HTA puis BTà conversion électromagnétique
Utilisation (domestique/industrielle)forme électrique adaptée aux besoinsà conversion électronique
I.-Introduction
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Réseau de transport etd’interconnexion français
I.-Introduction
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La conduite du réseau de transport
I.-Introduction
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Complexité des réseaux
n La plus grosse machine construite par l’homme
n Dimension (géographique, mathématique)Ex. cas français :
Réseau de transport ~ 100 000 km lignes – 2 000 nœudsRéseau de distribution ~ 1 100 000 km lignes – 738 000 nœuds en HTA
n Comportement aléatoire/chaotique, équilibre fragile
n Agressions permanentes (foudre, tempête, travaux, vandalisme, etc.)
n Impossibilité de tout prévoir : événements rares
n Infrastructure critique : couplages/interactions avec réseau decommunication et informatique
n Système à couches « additives »
n …
I.-Introduction
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Qu’est-ce que la sécurité des réseaux ?
stabilitétransitoire
Sécurité statique
Equilibre production-consommation
Umin < Tensions < Umax
Transits < Ilim ou Plim
Courant des groupes < Inom
Sécurité dynamique
stabilitédynamique
faibles perturbations fortes perturbations
Oscillationsbasse fréquence
- Nature différente des phénomènes- Échelles temporelles différentes- Modèles différents
I.-Introduction
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Qu’est-ce qu’un blackout?
n Incident majeur dans les réseaux
n Caractéristiques :
Etendue géographique, nombre de clients non alimentés (profondeur),durée
n Conjonction d’un événement initiateur et de facteurs aggravants
n Conséquences sérieuses:Economiques, sociales, sécurité des consommateurs sensibles
I.-Introduction
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nGrandes pannes électriques dans le monde¨ Conscience et préoccupation grandissantes
nRéseaux électriques => infrastructure critique et stratégique¨ Avec réseaux Télécoms et Informatiques
nUn phénomène récurrent!¨ France (19-12-1978): Cascade de surcharges
¨ France (12-01-1987): Perte de génération, écroulement de tension
¨ France (05-12- 1999): Tempête, destruction de lignes
¨ Europe (04-11-2006): On a évité de justesse le plus gros blackout detoute l’histoire !
¨ Brésil (10/11/2009): Tempête tropicale – 70 millions de personnes
¨ Inde (30/31-07/2012) : Le plus grand blackout jamais enregistré : plusde 600 millions de personnes !!!
¨ Monde: Nombreux depuis l’incident majeur de NY 1965
I.-Introduction
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Evolution de la charge réalimentée en fonction du temps
Source : RTE 2004
I.-Introduction
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EURELECTRIC Task Force Final Report 06-2004Source: S.LINDHAL
LTH, Université LUND
I.-Introduction
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I. Introduction
II. Mécanismes de formation des incidents majeurs
III. Incidents majeurs
IV. Solutions envisageables
V. Conclusions
Plan
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II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
n Règles de base de la conduite¨ Critère de sécurité (N-1)
¨ Seul les perturbations dites « probables »sont pris en compte
¨ Face aux perturbations peu probables:mécanismes d’urgence (protections,délestage de charge, plan national dedéfense, …)
¨ Solidarité du réseau interconnecté(Ex: incident du 04 nov. 2006, Europe)
Source: UCTE
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• Causes naturellesTempête, tempête géomagnétique, tremblement de terre, foudre,contact avec arbre,…
• Raisons techniquesCourt-circuits, défaillance de composants, forte charge,maintenance de composants majeurs,…
• Causes humainesErreurs de manœuvres, communications erronées ou inadaptéesentre opérateurs, manque d’entraînement,…
Facteurs aggravants et événements initiateurs :
Combinaison de certaines raisons => effet boule de neige
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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Dynamiques lentes (mn à 10s mn):
• Cascade de surcharges• Ecroulement de tension
Dynamiques rapides (qq 100s ms à s):
• Ecroulement de fréquence• Perte de synchronisme
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
Types d’incidents
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Phases d’un blackout
Pas de progression statique!
(a) Déclenchements cumulés de lignes, transf. et générateurs pendantla cascade du 14 août 2003 USA-Canada (NERC Steering Group)
(b) Déclenchements cumulés de lignes, transf. etgénérateurs pendant la cascade du 12 janvier 2003, Croatie(N.Dizdarevic, M.Majstrovic)
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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Pré-conditions
n Système stressé => pics de consommation été ou hiver
n Quelques équipements importants hors-service
n Equipements vieillissants
n Causes naturelles: vent, tempêtes, brouillard, perturbationsgéomagnétiques, feux, etc.
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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Blackouts – pics d’été et d’hiver
Summer peak35%
Winter peak30%
Other conditions35%
Summer peak Winter peak Other conditions
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
=> 35% des blackouts en conditions « normales »
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Evénements initiateurs
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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345 kV
500 kV
138 kV
287 kV
230 kV
TEVA 109
PARD 142
CAST 37
OLIV 44
DIAB 98
CAST 38
ELDO 132
ELDO 131
HAYD 9
SAN 15
VICT 61
TEVA 112
GATE 99
TEVA 127
GATE 128
MIDW 168
VINC 146
TEVA 110
DIAB 97
TEVA 125
TEVA 111
TEVA 126
MIDW 103
MIDW 102
MIDW 171
MIDW 172
MIDW 167
MIDW 169
MIDW 170
VINC 147
MOHA 141
MIRA 137
MOHA 140
CORO 2
MIRA 138
MIRA 139
LUGO 135
SERR 144
VALL 145
DEVE 129
EAGL 130
RINA 47OWEN 45
SYLM 58
PARD 143
SYLM 59
MESA 136
LITE 134
RINA 46
STA 57
ADEL 36
VALL 60
ADEL 35
STA 53
STA 56
PALO 13
HAYN 41
LITE 133
PALO 14
VICT 62
STA 54
GLEN 39
HAYN 40
RIVE 48
WEST 17
FOUR 26
FOUR 27
MOEN 12
NAVA 11
FCNG 7
CORO 1 FOUR 6
FOUR 8
FOUR 5
MOEN 24MOEN 25
NAVA 20
MOEN 22
NAVA 19
NAVA 18
MOEN 23
NAVA 10
NAVA 21
STA 50
STA 49
STA 51
STA 55
STA 52
E
B
A
1
324
56
78
99
1011
13
14 15
17 17
17
17
18
19
20
2121
23
23
2425
26
27
28
2831
2727
27
30
30
3030 30
12
Cascade d’événementsII.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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Périodes des blackouts
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
Blackouts Cascade lente Cascade rapide Reconstruction
14/08/2003United States and Canada 1 h 5 min 3 min ~24 h
28/09/2003Italy 24 min 9 min 20 h
12/01/2003Croatia sans 30 s > 3 h 15 min
14/03/2005South Australia sans 6 min 1.5 h
12/07/2004Greece 13 min 2 min 3 h
02/07/1996United States sans 60 s > 6 h
10/08/1996United States 1 h 38 min 7 min ~ 9 h
19/12/1978France 47 min 6 min 10 h
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Types d’incidents dans les blackoutsII.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
BlackoutsTypes of incidents
1 2 3 4 59/11/1965 United States √
19/12/1978 France √ √12/01/1987 Western France √
2/7/1996 United States √ √07/08/1996 United States √ √
12/01/2003 Croatia √14/08/2003 Northeast United States and Canada √ √
23/09/2003 Eastern Denmark and Southern Sweden √ √28/09/2003 Italy √ √ √
12/07/2004 Athens and Southern Greece √14/03/2005 South Australia √
04/11/2006 European power system √Total : 12 7 1 8 1 2
1 - Voltage collapse, 2 - Frequency collapse, 3 - Cascade overload, 4 - System unsymmetrical, 5 - Loss of synchronism.
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Conclusions partielles
n Période de progression statique => longue (qq mn – qq h)Période de cascade rapide => très courte (qq s – qq mn)
n Arrêter le blackout => actions efficaces => avant les événementsdéclenchant la cascade rapide
n Ecroulement de tension et cascade de surcharge => de loin lesplus fréquents
II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs
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I. Introduction
II. Mécanismes de formation des incidents majeurs
III. Incidents majeurs
IV. Solutions envisageables
V. Conclusions
Plan
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III.- Incidents majeurs
n Différents incidents dans le monde en 2003 et 2004¨ USA (14-08-2003)
¨ Londres (28-08-2003)
¨ Italie (28-09-2003)
¨ Suède & Danemark (23-09-2003)
¨ Iran (31-03-2003)
¨ Finlande (23-08-2003)
¨ Algérie (03-02-2003)
¨ Australie (2004)
¨ Grèce (2004)
¨ Jordanie (2004),
¨ Bahrein (2004)
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nImpacts¨Plus de 50 millions de personnes affectées
¨60000 – 65000 MW
¨24 heures pour la reprise de service
¨Dégâts matériels auprès des industriels
¨Plus de 400 générateurs déconnectés
nStatistiques¨Début déclenchement de ligne: 15h05
¨Début déclenchement en cascade: 16h06
¨Durée événements en cascade: 3 mn
¨Des milliers d’événements « discrets 1/0 »
nEvénements¨Perte de trois centrales
¨Perte d’une ligne de transport (court-circuit)
¨Puis perte du système en cascade:lignes, générateurs (instabilité) ettensions basses (sans écroulement detension)
¨Disfonctionnement « Estimateur d’état »
¨Absence d’alarmes
¨Formation d’îles locales (équilibreproduction - consommation)
Etats-Unis 2003
III.- Derniers incidents majeurs
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n Image satellite 14-08-2003
III.- Derniers incidents majeurs
Etats-Unis 2003
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 31
n Perte de génération (1.2 GW)
n Courts-circuits: déclenchement des ligneset d’une centrale nucléaire (1.8 GW)
n Pertes des lignes¨ Division de la Suède en 2 parties:production
dans le nord, consommation dans le sud
¨ Écroulement de tension dans le sud de la Suède(100 s entre les événements initiaux et la pertedu système)
III.- Derniers incidents majeurs
Danemark – Suède 2003
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 32
Danemark – Suède 2003
290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 40049
49.5
50
50.5
Time in seconds after 2003-09-23 12:30
Freq
uenc
y[H
z]
290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 4000.4
0.6
0.8
1
Time in seconds after 2003-09-23 12:30
Vol
tage
[pu]
Source ABBProjet CRISP
III.- Derniers incidents majeurs
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 33
Italie dans le noir20 min. après le déclenchement
de la première ligne : Perted’une deuxième ligne… ensuite,effet «château de cartes»
III.- Derniers incidents majeurs
Italie 2003
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 34
III.- Derniers incidents majeurs
Italie 2003
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 35
Italie 2003
n Image satellite de l’Italie lors de la panne
III.- Derniers incidents majeurs
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 36
Quelques leçons
¨ Italie• Dépendance énergétique du système interconnecté• Influence néfaste de la protection de découplage (production décentralisée)• Manque de coordination entre opérateurs de transport• Manque d’observabilité des lignes frontalières
¨ USA• Absence d’une coordination entre les opérateurs pour éviter la propagation
de l’ incident;• Perte « software » et des alarmes du système;• Mauvais entretien de la végétation• Formation insuffisante des opérateurs en situation d’urgence
III.- Derniers incidents majeurs
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 37
I. Introduction
II. Mécanismes de formation des incidents majeurs
III. Incidents majeurs
IV. Solutions envisageables
V. Conclusions
Plan
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 38
V.- Quelques solutions envisageables
n Liaisons à courant continu (HVDC) pour arrêter la propagation desperturbations
n Installation de PMU (Phasor Measurement Units)=> WAMS / WACS (Wide Area Measurement / Control System)
n FACTS (dispositifs à base d’électronique de puissance pour meilleuremaîtrise des flux de puissance)
n Reconfiguration du système en îles énergétiquement autonomes –concept de cellules et d’intelligence répartie
n Production décentralisée
n Système auto-cicatrisant
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 39
n Solutions hybrides: AC + DC
n Chine: AC + 18 HVDC Russian Power Grid
North Power Grid
Center Power Grid
LanchangjiangRiver
JinshajiangRiver
NWCPG
NCPGWangqu Plant
Yangcheng Plant
NECPG
SPPG
CSPG Three GorgesECPG
CCPG
Tailand Power Grid
SCPG
South Power GridHPPG
Gezhouba-ShanghaiTianGuang3G-ECPG IGuiGuang3G-Guangdong
3 x B2B10 x HVDCLong DistanceTransmission
Exis
ting
New
18H
VDC
Inte
rcon
nexi
ons
Source SIEMENSICPS China 09/2001
V.- Quelques solutions envisageables
Liaison à courant continu
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 40
Supergrid
Source : SUPERGRID 2013
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 41Source: BPA
WAMS / WACS
V.- Quelques solutions envisageables
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 42
I. Introduction
II. Mécanismes de formation des incidents majeurs
III. Incidents majeurs
IV. Plans de défense et de reconstruction
V. Solutions envisageables
VI. Conclusions
Plan
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 43
VI.-Conclusionsn Un des systèmes les plus complexes construit par l’homme
¨ Complexité difficilement maîtrisable
¨ Besoin d’une forte compétence
n L’électricité est vitale pour nos sociétés modernes (infrastructurecritique) & de – en – de tolérance aux pannes
n Une infrastructure relativement « vieille »: âge moyen 30-40 ans
n Des investissements coûteux, rentabilité à long terme
n Un système à couches « additives »
n L’enjeu de l’information et coordination entre les systèmes
n Impossibilité de tout prévoir: événements rares
n Des solutions techniques existent mais le risque « zéro » non
n Question d’investissements– Ratio: Investissement/Risque– Incitations adéquates (Communauté Européenne)
Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 44
Référencesn RTE: « Memento sûreté » 2004
n Université de LUND & WISCONSIN: « Wide Area Measurements for Systemprotection »
n SIEMENS: « Bottlenecks in Transmission Systems, Blackouts USA & Europe:Consequences and Countermeasures »
n CIGRE SC C2: « Workshops on Large Disturbances, 1998,2000, 2002, 2004 »
n Techniques de l‘Ingénieur: D4807 « Plan de défense contre les incidentsmajeurs »
n Rapport EURELECTRIC, « Power outages in 2003 »
n Rapports blackout Italie, UCTE
n Rapports blackout USA, NERC
n Michel CRAPPE, « Stabilité et sauvegarde des réseaux électriques »
n Michel CRAPPE, « Rapport Commission Ampère »
n BPA et Washington State University «WACS : R&D and Online demonstration »
n SUPERGRID 2013 http://www.fosg-event.eu/