La simulation temps réel au service de l’exploitation des liaisons à courant continu

06/03/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-1:18897
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La simulation temps réel au service de l’exploitation des liaisons à courant continu

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110 REE N°1/2017 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC)DOSSIER 2 Introduction Dans le cadre de l’insertion d’équi- pements à base d’électronique de puis- sance dans le réseau de transport, RTE a décidé de se doter d’outils permet- tant de s’assurer de leur fonctionnement optimal. Ainsi, pour chaque installa- tion de type HVDC ou CSPR (compen- sateur statique de puissance réactive), des répliques des systèmes de contrôle commande sont fournies par le construc- teur de l’installation. Ces répliques sont ensuite connectées à un simulateur temps réel qui reproduit le comporte- ment du réseau. Cet article explique en quoi ces répliques sont nécessaires à l’exploitation du réseau et donne des exemples concrets d’utilisation dans le cadre de la liaison à courant continu entre la France et l’Espagne. Pourquoi la simulation temps réel avec des répliques de contrôle-commande ? Des études de réseaux précises Après la mise en service des liaisons HVDC ou des CSPR, des études de tran- sitoires électromagnétiques (études de réseaux incluant des modélisations détaillées des convertisseurs d’élec- tronique de puissance) peuvent être requises pour trois raisons : ments ; le comportement des équipements ; avec de nouveaux équipements qui vont se raccorder à proximité ; au niveau des composants haute ten- sion (HT) ou du contrôle-commande. Ces études sont généralement com- plexes (beaucoup de données néces- saires sur les équipements mais aussi du réseau) et demandent, dans la plu- part des cas, des modèles détaillés des convertisseurs et des systèmes de contrôle-commande. Le constructeur fournit au proprié- taire de l’équipement un modèle détaillé de cet ouvrage qui fonctionne hors temps réel. C’est très souvent le modèle qui a été utilisé dans la phase de vali- dation des performances avant la mise en service sur site. Pour des raisons de confidentialité, le modèle du contrôle- commande et de protection est fourni sous forme de boîte noire (code com- pilé) dont les détails sont inaccessibles à l’utilisateur final. Ce modèle est sou- vent le seul disponible pour la réalisa- tion de ces études. Plusieurs problèmes se posent donc : réalisées avec ce modèle. En effet le modèle ne peut pas inclure toutes les fonctionnalités du contrôle-com- mande physique ; toujours être utilisable plusieurs années après la mise en service ? bien fidèle au système réel sur site ? Malgré des spécifications de modèles de plus en plus précises rédigées par les maîtres d’ouvrage des équipements, il est difficile d’avoir des modèles fiables et fonctionnels pendant toute leur durée de vie. En règle générale, après quelques années d’exploitation, les modèles four- nis ne sont plus compatibles avec les évolutions des outils de simulation et leur représentativité de l’équipement réel sur site se dégrade dans le temps. C’est pourquoi plusieurs propriétaires d’équipements se dotent d’infrastruc- tures permettant d’accueillir des répliques des systèmes de contrôle-commande et de protection. Ces répliques sont des La simulation temps réel au service de l’exploitation des liaisons à courant continu Sébastien Dennetière, Bertrand Clerc RTE After the commissioning of HVDC and FACTS devices, manufacturers usually provide customers with a black box model of their control systems. These models suitable for Electromagnetic Transient (EMT) simulations are difficult to maintain during the lifespan of equipment for the following reasons: the models are usually based on a specific version of a simulation tool that might not be supported in the future, the models usually use static libraries that can be only compiled and linked using a specific compiler version, the models cannot easily follow changes in the actual control systems because manufacturers do not necessarily maintain modeling expertise on long term basis. The solution is to continuously update control system models for replicating real controllers and related updates. This is a time consuming activity and another possibility, presented in this article, is to use manufacturer supplied physical replicas of control systems. ABSTRACT REE N°1/2017 111 La simulation temps réel au service de l’exploitation des liaisons à courant continu copies des systèmes installés sur site et sont connectées à un simulateur temps réel. Elles permettent de s’affranchir de la modélisation des systèmes de contrôle commande. Il est important pour cela de s’assurer d’avoir la même version du logi- ciel de contrôle et de protection sur site et sur la réplique. On parle ainsi de labo- ratoire de simulation temps réel. Ce type de laboratoire existe dans les pays où des réseaux électriques comportent une concentration importante de systèmes HVDC et FACTS (Chine, Japon, Corée du Sud, Brésil, Canada, Inde…). Etant donné le contexte d’insertion massive d’équipements de ce type sur le réseau français, RTE a donc décidé d’investir dans un laboratoire de simu- lation temps réel et d’acquérir des répliques de contrôle-commande de tous les équipements à base d’élec- tronique de puissance insérés sur le réseau. C’est le premier laboratoire de ce type en Europe. Une aide précieuse à la maintenance Les systèmes de contrôle-com- mande des liaisons HVDC comportent des milliers de composants électro- niques [FPGA (Field Programmable Gate Array), CPU (Central Processing Unit), DSP (Digital Signal Processor)] répartis au sein de multiples armoires. Par exemple, pour la liaison France - Espagne le contrôle-commande des deux liaisons requiert près d’une cen- taine d’armoires par pays. La mainte- nance de ces systèmes informatiques et électroniques est assurée en France par RTE. Etant donné leur complexité, il est extrêmement utile de disposer d’ou- tils facilitant le diagnostic d’incidents ou d’événements exceptionnels et permet- tant la formation des personnels char- gés de la maintenance. Les répliques de contrôle-commande sont ainsi des dispositifs particulièrement adaptés à la réalisation de ces tâches. Elles per- mettent aux équipes techniques d’ac- quérir un haut niveau de maîtrise de ces systèmes complexes. D’autre part, ces répliques permettent de préparer les actions de maintenance avant de les réaliser sur site. Les équipes qui interviennent sont donc mieux for- mées et plus confiantes dans les actions qu’elles réalisent sur site. Les répliques permettent ainsi de réduire la durée des interventions de maintenance sur site et donc d’augmenter leur taux de dis- ponibilité des équipements, critère par- ticulièrement sensible pour les liaisons HVDC d’interconnexion. Par exemple, lors des interventions de maintenance de la liaison en juillet 2016, il a été pos- sible de redémarrer le transit commer- cial deux jours plus tôt que prévu grâce à l’utilisation préalable des répliques. La simulation temps réel des liaisons HVDC de type VSC : un défi technique relevé La simulation temps réel de réseaux électriques exige des compétences très pointues dans la compréhension du fonctionnement des équipements réels mais également dans leur modé- lisation. Les outils de simulation dis- ponibles dans le commerce n’ont pas toujours les performances exigées dans ce cadre. C’est pourquoi ces laboratoires comportent souvent, comme à RTE, des ingénieurs qui réalisent ou spécifient des développements. Deux exemples de développement réalisés à RTE sont ici présentés. La modélisation des stations de conversion La simulation en temps réel des liaisons HVDC est un outil précieux pour la validation et le test des sys- tèmes de contrôle-commande. Le très grand nombre d’interrupteurs d’élec- tronique de puissance dans les sta- tions de conversion crée des difficultés de calcul importantes lors de la simu- lation des phénomènes transitoires. La modélisation en temps réel peut être implémentée principalement soit sur CPU – ce sont par exemple les pro- cesseurs utilisés dans tous les PC du marché actuellement –, soit sur FPGA – c’est un circuit intégré logique qui peut être reprogrammé après sa fabrication. Le développement de modèles sur CPU est rapide et facile à manipuler cepen- dant les temps d’exécution peuvent être longs en fonction de la complexité des Figure 1 : Laboratoire RTE de simulation temps réel – Source RTE. 112 REE N°1/2017 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC)DOSSIER 2 équipements à simuler. Des pas de calcul de plusieurs dizaines de micro- secondes sont alors exigés. La tech- nologie FPGA offre une alternative et permet de réduire les pas de calcul de l’ordre de la centaine de ns (un milliard de calculs par seconde). Une approche hybride a été développée afin d’obtenir la solution optimale : les modèles de stations de conversion sont implémen- tés sur une carte FPGA et les autres composants de la liaison HVDC sont modélisés sur CPU. La modélisation des câbles à courant continu Afin de simuler précisément le com- portement des liaisons HVDC, les câbles souterrains à courant continu doivent être modélisés en prenant en compte la dépendance fréquentielle de leurs impédances linéiques. De nombreuses théories mathématiques existent pour modéliser des câbles de cette manière. Ces modèles sont géné- ralement assemblés dans le domaine fréquentiel sous la forme de fractions rationnelles qui sont ensuite discréti- sées dans le domaine temporel avec une méthode d’intégration numérique. Des recherches ont dû être menées par RTE en collaboration avec des uni- versités afin d’améliorer l’efficacité de ces algorithmes pour qu’ils puissent être simulés en temps réel. Il a ainsi été possible de simuler les câbles de la liaison France - Espagne avec un temps d’exécution inférieur à 10 micro- secondes pour des phénomènes allant du courant continu à quelques dizaines de kHz. Cette réalisation a été une pre- mière mondiale et pourra être utilisée pour l’étude d’autres câbles en courant continu ou en courant alternatif. Les répliques de la liaison France - Espagne Description des répliques Deux répliques du contrôle-com- mande de la liaison France - Espagne ont été raccordées en 2015 à des modèles temps réel des stations de conver- sion. Une réplique est dédiée aux acti- vités d’études de réseaux, une autre aux activités de maintenance. L’interfa- çage entre les répliques et les simula- teurs a été réalisé de la même manière (mêmes signaux, mêmes câbles) que lors des essais usine des contrôles- commande réels. La première réplique (réplique études) contient sept armoires de contrôle - commande : coordination entre les deux convertis- seurs d’une même station de conver- sion. Il reçoit toutes les consignes saisies par l’opérateur depuis une IHM Figure 2 : Interfaçage des répliques de contrôle-commande avec le modèle temps réel – Source RTE REE N°1/2017 113 La simulation temps réel au service de l’exploitation des liaisons à courant continu (Interface Homme Machine) dédiée et du contrôle distant ; - prend les algorithmes de contrôle qui vont calculer pour un convertisseur les ordres de puissance CC (Cou- rant Continu), tension CC, puissance réactive. Il va également réaliser la régulation de tension CA (Courant Alternatif) lorsque cette fonction est activée. Le pas de calcul est ici de l’ordre de la milliseconde. Deux racks Station Control sont installés dans une seule armoire ; - tème contrôle l’énergie dans le conver- tisseur, le courant CC, les courants CA, la tension CC, l’injection de troisième harmonique. Il calcule les tensions de référence à appliquer à chaque demi- bras. Le pas de calcul est de quelques dizaines de microsecondes. Un rack de CCS est nécessaire par convertis- seur. Deux racks sont installés dans une armoire ; c’est la partie la plus proche des composants d’électronique de puis- sance. Ce système va appliquer une méthode de discrétisation de la réfé- rence de tension de chaque demi- bras pour calculer le nombre de sous-modules devant être insérés à chaque pas de calcul. Il va ensuite générer les signaux de commande de chaque IGBT pour contrôler les ten- sions des condensateurs de chaque sous-module. Il contient également des fonctions de supervision des ten- sions/courants dans les demi-bras. Le pas de calcul est ici de quelques microsecondes. Un rack de MMS a été installé dans cette réplique mais il ne comprend que la partie de discré- tisation afin de générer le nombre de sous-modules à insérer et le nombre de sous-modules bloqués. Ce sont ces valeurs qui sont ensuite envoyées au simulateur temps réel. les fonctions de mesures des tensions/ courants dans la station de conversion. Des filtres numériques sont implémen- tés dans ce rack ainsi que des fonctions de calcul (composantes symétriques, puissances CA, CC, harmoniques). Cer- taines fonctions de protection rapides sont également implémentées. comprend les équipements de com- munication du contrôle-commande ainsi que l’horloge GPS et le TFR (Tran- sient Fault Recorder) ; de simuler les états de tous les sec- tionneurs de mise à la terre présents dans le poste sur site et d’envoyer les positions au contrôle-commande. Il permet également d’envoyer les signaux d’état des composants qui ne sont pas générés par le simulateur temps réel comme les états des sys- tèmes de refroidissement. La deuxième réplique comprend la quasi-totalité des armoires sur site, c’est- à-dire 33 armoires. Les interfaces d’E/S pour les deux répliques sont identiques. Le principe d’interfaçage des répliques au simulateur temps réel est présenté sur la figure 2. Durant les essais de mise en service de ces répliques, de nombreuses simu- lations ont été réalisées (défauts CA, CC, échelons de consigne, blocages de convertisseur, inversion du sens de tran- sit). Les résultats de ces simulations ont été comparées avec les résultats des simulations en laboratoire réali- sées chez le constructeur avec les véri- tables systèmes de contrôle-commande (durant les Factory Acceptance Tests – FAT). Les modélisations des convertis- seurs étaient différentes (modélisation à admittance constante pour les FAT), mais les résultats étaient très proches pour les transitoires impliquant des défauts en dehors des convertisseurs. Ensuite, le comportement des répliques LES AUTEURS Sébastien Dennetière a rejoint RTE, le gestionnaire de réseau de transport en France, en 2010. Il est actuellement ingénieur expert au Centre national d’expertise réseau sont dans le domaine de la modéli- sation et la simulation de transitoires sur les réseaux électriques intégrant des systèmes HVDC et FACTS. Précédemment, il a exercé des fonctions d’étude de phénomènes électriques transitoires à EDF en France et de développement de logiciels de simulation chez Hydro- Québec au Canada. Bertrand Clerc est ingénieur au Centre national d’expertise réseau de RTE depuis 2012, dans le do- maine de la simulation des phé- nomènes transitoires sur le réseau électrique et le suivi des systèmes HVDC et FACTS. Il contribue au développement du laboratoire de simulation temps réel de RTE. 114 REE N°1/2017 LE DÉVELOPPEMENT DES LIAISONS À COURANT-CONTINU (HVDC)DOSSIER 2 raccordées aux simulateurs a été com- paré à des mesures réalisées sur site. Exemple d’essai de validation des répliques raccordées au simulateur Parmi la centaine de tests réalisés sur site avant l’exploitation commer- ciale de la liaison, un cas test consiste à réaliser un échelon de consigne de puissance active de +20 % pendant 500 ms. Il y a donc un échelon pour augmenter le transit de puissance puis, 500 ms plus tard, un échelon pour rétablir le transit de puissance initial. Le transit initial de puissance dans la liai- son est de 300 MW de l’Espagne vers la France. Le système de communica- tion a été volontairement désactivé sur site afin de s’assurer du bon fonction- nement de la liaison en cas de défail- lance de ce type. Le transit de puissance de la France vers l’Espagne pendant cet essai est présenté sur la figure 3. L’échelon de puissance génère un transitoire sur le réseau. Ce transitoire présente une dynamique qui dépend du fonctionne- ment de la liaison mais également du fonctionnement du réseau qui réagit à ce transitoire. Dans le cas de la simula- tion temps réel, les réseaux alternatifs français et espagnols sont approximés par des équivalents de Thévenin adap- tés au niveau de puissance de court-cir- cuit estimé au moment de l’essai sur site. Malgré cette modélisation très sim- pliste, les résultats donnés par le simu- lateur temps réel raccordé aux répliques sont très proches des mesures. De nombreux essais de validation ont été réalisés afin d’acquérir un niveau de confiance satisfaisant dans cette plate-forme d’étude. Un cas d’évènement sur site reproduit avec les répliques Lorsqu’un évènement anormal se produit sur site, il est important de pouvoir l’analyser afin de prendre des mesures correctives. Ces mesures peuvent conduire à une modification du contrôle-commande, de l’exploitation de la liaison, ou l’insertion de nouveaux équipements. Dans le cas présent, il s’agit d’une topologie de réseau qui a conduit à une résonance entre le réseau alternatif et le système de contrôle- commande de la liaison. Cette réso- nance a conduit au déclenchement de la liaison suite à l’activation de système de protection. L’analyse de cet évènement a été réalisée à l’aide des modèles fournis par le constructeur et il n’a pas été pos- sible de reproduire de manière satisfai- sante cette résonance. Cependant en réalisant cette même étude avec les répliques, des résonances très similaires ont pu être obtenues. Cela a permis de mieux comprendre le phénomène qui a conduit à ces résonances. Une mise à jour du système de contrôle-commande a pu être testée sur les répliques avant son application sur site. De nombreuses études impliquant différents états de fonctionnement de la liaison ont été tes- tés afin de garantir le bon fonctionne- ment de la liaison après la mise à jour du contrôle-commande sur site. Figure 3 : Puissance active injectée côté français lors de l’essai d’échelon de puissance – Source RTE.