Gestion de la production décentralisée : validation de stratégies de coordination et de télécommunication

11/10/2017
Publication REE REE 2005-8
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-8:20229
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Gestion de la production décentralisée : validation de stratégies de coordination et de télécommunication

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Dossier INFRASTRUCTURES CRITIQUES Gestion de la production décentralisée : validation Ira de stratégies de coordination a et de télécommunication Par Raphaël CAIRE,Nicolas RETIERE, Nouredine NADJSAID Laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble Mots clés Production décentralisée, Réseaux dedistribution, Coordination optimale, Moyens deréglage décentralisés, Algorithmes d'optimisation hybrides, Simulateur tempsréel, Infrastructures critiques Dans e contexte du développement de la production décentralisée au sein des réseaux de distribution, des besoins de commande et de contrôle raissent. Cette répartition de ocaux appa- 1. ntelligence et de certaines fonctions de conduite au sein des réseaux de distribution soulève des questions de fiabilité et de sécu- rité de 1. nfrastructure énergétique locale ainsi que à grande échelle. Le fait de pouvoir utiliser des structures de tests et de simulations de ces nouveaux maté- riels de réseaux apparaît comme essentie pour valider ces nouveaux concepts. 1. Introduction Depuis plus de vingt ans, le secteur électrique de nombreux pays industrialisés a subi de profondes muta- tions. Les dérégulations du marché de l'énergie, suivies de nombreuses privatisations, et les désintégrations verti- cales ont amené une restructuration complète du secteur électrique avec de nouvelles formes d'organisation. Les schémas traditionnels, basés sur le monopole, se voient partiellement remis en question. L'ouverture des marchés de l'énergie ainsi que les développements technologiques des moyens de production de petite et moyenne puissan- ce encouragent fortement cette évolution. E SYNOPSIS Depuisplusde vingt ans,le secteur électrique de nombreuxpays industrialisésa subi de profondes mutations. Les dérégulations du marchéde l'énergie,suivies de nombreuses privatisations,et lesdésintégrationsverticalesont amené une restructurationcom- plète du secteur électriqueavec de nouvellesformes d'organisa- tion. Dansuncontextede dérégulationtraduit au niveaueuropéen parladirective96/92/CEE,il était à prévoir une arrivéemassivede producteurs décentralisés (ou génération d'énergie dispersée GED) au niveau des réseaux de distribution. De nombreuses étudesont montré lacriticité de l'impact de laGEDinséréesur les réseauxde distribution(enhautetension de niveauA ou en basse tension)sur son fonctionnement. Ainsi, va-t-onassisterà de nou- veaux paradigmesde distribution de l'énergie à l'échelle locale ? Uneautomatisationcroissanteau sein des réseauxde distribution afin de gérer les flux énergétiques et les ressources localesest attendue. Ces nouvellesstructures imposent la création d'outils de test et de simulationpour vérifier l'adéquationdes systèmes de gestion décentralisés,ainsique leursmoyens de communicationassociés avec le système électrique global. Cet article présente un banc expérimentalpermettant, grâceà un simulateur de réseautemps réel, de tester des centres de conduite décentralisésavec leurs moyens de communicationassociés. Decentralizedproduction development is a reality in the majority of the power networks all over the world. The deregulation of the market of energy, ecological constraintsas weil as the technolo- gical developments of small power production encourage this development. Distribution networks representthe portion of the power system where the development of this production is the most awaited.Some studies carriedout on the interconnectionof decentralizedproduction on a largescale ratio haveshown signi- ficant effects and impacts on operationof the entire electric sys- tem. Indeed,the entire distribution network is going to be deeply modified by the introduction of new functions of remote control, of specific architectures, of intelligent protection systems and of telecommunicationand information technologies. With these new paradigms the ability of testing and simulating the Distribution Management Systems is more and more neces- sary.Also, this is a crucial requirement for new communication meansin order to better define the new managementstrategies of the production units within the distribution networks. The aim of this paper is to present a new real time experimental bench able to validate control strategies and communication devices includedin Distribution ManagementSystems (DMS). REE N 8 Septembre 2005 Gestion de la production décentralisée : validation de stratégies de coordination et de télécommunication P Ranalogiques 8 annlo_iyues =f z : j,- E/SA ouN ¢s f " r N Ai-èiic ®R Rack tcnips vm Nii NI s x5 s ; PCcontrôleur PCproducteur communication Figure 1. Synoptique du banc expérin2ental Arène Tewps réel et supervision. Dans un contexte de dérégulation traduit au niveau européen par la directive 96/92/CEE, une arrivée massi- ve de producteurs décentralisés (ou génération d'énergie dispersée GED) au niveau de la haute tension de niveau A (HTA, en France principalement 20 kV) et de la basse tension (BT, 400/230V) était à prévoir. Cette arrivée mas- sive va aussi modifier profondément les flux énergé- tiques. En effet, il apparaît une possibilité d'inversion des flux de puissance sur le réseau de distribution, qui remet en cause son architecture conçue exclusivement, au départ, pour une distribution arborescente de l'énergie à partir des réseaux de transport ou de répartition. De nombreuses études [1], [2] et [3] ont montré la cri- ticité de l'impact de la GED insérée sur les réseaux de distribution (en haute tension de niveau A ou en basse tension) sur le plan de tension de la HTA. Cet impact doit donc être traité de manière prioritaire pour permettre l'in- sertion de la GED (au niveau de la HTA et de la BTA) à des taux de pénétration élevés, tout en respectant les contraintes légales sur la tension (20 kV ± 5 %, ce qui signifie que la tension d'un noeud Ni quelconque d'un réseau de distribution HTA doit être comprise entre 19 kV < UNi < 21 kV). Il existe différentes possibilités de réglage dans les réseaux de distribution, notées moyens de réglage. Elles sont de deux types : . grandeurs de consigne continues (injection de puis- sance réactive des producteurs ou des D-FACTS) . grandeurs de consigne discrètes (régleur en charge ou banc de capacités). Afin de coordonner de manière optimale les différents moyens de réglage qui ont des variables de commande mixtes, on a fait appel à des outils d'optimisation. Les algorithmes d'optimisation qui gèrent les pro- blèmes mixtes sont peu référencés et très souvent [4] et [5] développés pour des problèmes spécifiques. On a alors décidé de créer un algorithme dédié à la coordination des moyens de réglage dans les réseaux de distribution. Ce dernier tient compte du caractère mixte des grandeurs de commande, tout en ayant des performances compa- rables à des algorithmes « classiques » qui résoudraient le même problème rendu continu par représentation. En effet, un transformateur avec un régleur en charge peut être considéré comme un élément de réglage pouvant faire varier le rapport de transformation de manière continue. La section 2 présente les méthodes de coordination retenues pour tester un banc d'essai expérimental. Celui-ci a été réalisé pour créer un lien logiciel et matériel entre la plateforme de simulation Arène (présentée dans la section 3) qui est capable de réaliser des simulations temps réel de type EMPT (ElectroMagnetic Transient Program) [6] d'un réseau électrique et deux PC extérieurs qui représentent : . un coordinateur ou centre de conduite local (PCI), . un générateur d'énergie (PC2) (moyen de réglage via la modification de la puissance réactive injec- tée dans le réseau) décentralisé lié au superviseur par une communication. Ce lien logiciel et matériel permet d'échanger des données de simulations réalisées avec la plateforme Arène temps réel et un premier ordinateur distant. Ce superviseur local va alors prendre des décisions pour la coordination de divers moyens de réglage. Une des déci- sions est envoyée au générateur d'énergie décentralisée qui va retransmettre ce changement d'état dans le simu- lateur Arène temps réel. On a ainsi une action en boucle fermée sur le réseau. On peut ainsi valider les stratégies de coordination incluses dans les PCI et divers média et protocoles permettant la liaison centre de conduite - moyen de réglage. La figure 1 présente le synoptique du banc expéri- mental permettant de tester les centres de conduite locaux ainsi que leurs moyens de communication associés. REE No 8 Septembre 2005 Dossier INFRASTRUCTURES CRITIQUES 2. Présentation des méthodes de coordination Le problème de la coordination optimale des moyens de réglage d'un réseau pour assurer un critère de qualité en régime permanent est souvent appelé Répartition des flux de puissance optimal ou Optimal Power Flow (OPF) dans la littérature anglo-saxonne [7]. Il s'agit d'un pro- cessus d'optimisation, centré autour d'une fonction objectif à minimiser. L'Optimal Power Flow s'appuie sur un calcul de répartition des charges, ou Load Flow en anglais, pour connaître l'état électrique du réseau. Ce terme OPF avait été choisi dans les années 1970 pour désigner les optimisations à buts économiques (Unit Commitment [8] et Economic Dispatch [9]) pour le dispatching (répartition des consignes de production), c'est-à-dire l'équilibre production-consommation aux pertes près et à moindre coût (par rapport aux énergies primaires et aux pertes entre autres). De nos jours, on désigne par le terme OPF, tout processus d'optimisation lié à la gestion des réseaux (reconfiguration, diminution des pertes, dispatching économique entre autres). La définition générale du problème d'optimisation est présentée équation (1) : Minimiser F (x,u) avec (il, X) = 0 h ? < 0 (1) ou : 'x sont les variables électriques (tensions, courants, phases, puissances) . u sont les grandeurs commandables (consignes producteurs/D-FACTS, plots des régleurs en charge, plots des bancs de capacité...) . F (x,u) est la fonction objectif . g (u,x) sont les équations qui se réfèrent à des conditions d'égalité (exemple : calcul de réparti- tion s'il n'est pas intégré dans la fonction objectif elle même) 'h (u,x) sont les inégalités qui traduisent les contraintes sur les vecteurs x et u (tensions maxi- males, puissances transmissibles). Dans cet article, la fonction objectif qui a été implé- mentée et testée dans le PCI responsable de la supervi- sion est la minimisation des erreurs de norme 1 (valeur absolue) sur chaque noeud, voir équation (2) : 1 lf' (X, 11) = - : ( N, V I N 1 iioelitly /L' (. X, 11) (2) En effet, afin de maîtriser la déviation du plan de ten- sion dans les réseaux de distribution, plusieurs fonctions objectifs peuvent être choisies. La minimisation de ces fonctions par action coordonnée sur les moyens de réglage est effectuée par une action sur le vecteur des grandeurs c commandables u. Uconsigne est la valeur de consigne de la tension au noeud ou au groupe de noeuds considéré, Ui (x,u) est la tension au noeud obtenue i par un calcul de répartition, N est le nombre total de noeuds considérés. De nombreuses autres stratégies de coordination de moyens de réglage peuvent être implémentées et ainsi testées sur le banc expérimental. De nombreux moyens de réglages peuvent être envi- sagés et coordonnés pour une gestion optimale des réseaux de distribution. Il existe plusieurs moyens de réglage : c . des moyens de réglage dits traditionnels. Ainsi le régleur en charge du poste source (entre le réseau de répartition et le réseau de distribution) qui, en changeant le nombre de spires au primaire du transformateur, modifie le rapport de transformation et donc la tension côté moyenne tension de niveau A (ou HTA, 20 kV en général en France). On peut coordonner aussi les bancs de condensateurs de ce poste-source ou ceux qui sont répartis dans le réseau de distribution (présents dans les fermes éoliennes par exemple), . des moyens de réglage plus nouveaux dans les réseaux de distribution. Ainsi les GED eux-mêmes (modification de leur injection de puissance réactive) peuvent être coordonnés. On peut aussi utiliser des D-FACTS (Distribution-Flexible AC Transmission Systems) qui peuvent injecter finement des puis- sances réactives ou des tensions en série dans les réseaux de distribution. Dans l'article, on a utilisé la coordination de deux producteurs décentralisés de 10 MW. Modélisés sous la forme de machines synchrones avec couple mécanique constant, la tension d'excitation est ainsi pilotée pour obtenir la puissance réactive souhaitée. 3. Présentation de la plateforme Arène temps réel Un simulateur temps [10] réel permet l'étude de réseaux d'énergie soumis à des scénarios provoquant des transitoires électriques ou autres que l'on souhaite étudier via des modules externes. Ces simulations utilisent des modèles mathématiques qui traduisent le comportement physique du matériel auquel il est rattaché. Un grand nombre de modèles d'éléments de réseaux existe déjà (lignes, câbles, disjoncteur, moteurs asynchrones, généra- trices entre autres). Une fois le cas d'étude modélisé aussi finement que nécessaire (on ne va pas utiliser les mêmes modèles pour des études statiques ou des études de tran- sitoires très rapides), on réalise des scénarii (courts-cir- cuits, enclenchements de charge entre autres) pour voir la réponse du système électrique. REE Ne 8 Septembre 2005 Gestion de la production décentralisée : validation de stratégies de coordination et de télécommunication Un simulateur temps réel va permettre d'extraire l'état électrique du réseau modélisé (résolution numé- rique) à l'extérieur du simulateur. Les signaux ainsi tra- duits sous forme électrique (via des amplificateurs de puissance) permettent de tester des appareillages exté- rieurs par l'intermédiaire d'un module matériel supplé- mentaire (par rapport à la version non temps réel) nommé : le système conversion (acquisition-restitution des grandeurs simulées sous forme numérique dans le calculateur et traduites en grandeurs analogiques ou numériques accessibles physiquement). Le système temps-réel du programme de simulation peut fonctionner en boucle ouverte (envoi simple de signaux, sans acqui- sitions), ou en boucle fermée, le système permettant alors simultanément de faire des acquisitions de signaux venant de un ou plusieurs équipements. La figure 2 donne une représentation simplifiée du système complet. Ai-ène Temps réel J 1 L Interface EUP Equipements -. N/- H'N/1 Figiire 2. Rel) réseiitatioii globale du s-vstèjîie teiiips i-éel. Dans la version boucle fermée, afin d'atteindre des pas de temps de calculs les plus réduits possibles, un cal- culateur parallèle est utilisé. Ce dernier dispose d'une interface dite EUP à très faible temps de latence, permet- tant une communication extrêmement rapide avec le sys- tème de conversion. Le système de conversion permet l'acquisition et/ou la restitution d'échantillons. Il est constitué de deux parties : · La chaîne d'acquisition avec sescartes de conversion analogique-numérique (A/N), sescartes d'acquisition logiques et numériques . La chaîne de restitution avec sescartes de conversion numérique-analogique (N/A), sescartes de restitution logiques et numériques. 4. Présentation du banc expérimental Un premier PC (noté PC contrôleur) simule le fonc- tionnement d'un centre de coordination de moyens de réglage. Il doit être capable d'envoyer des informations (ordres) à un second PC (noté PC producteur) qui simule un producteur indépendant. Ce banc expérimental permet les opérations suivantes : Réception des informations provenant du simula- teur Arène. Il s'agit d'une sérialisation (enchaîne- ment) des données des puissances consommées sur le réseau, voir figure 4 . Calcul, sur le PC modélisant le superviseur réseau d'un calcul de flux de puissances optimales . Envoi des informations de gestion au PC modéli- sant le « producteur » via une communication informatique (RJ 45 croisée, réseau Ethernet local) qui peut être de type GSM, HF . Renvoi de ces paramètres vers Arène temps réel : prise en compte des consignes du superviseur par le producteur (on ré-injecte les valeurs des consignes) (on peut donc travailler en boucle fer- mée), voir figure 3. Zn Pci superviseur BT Arèn (IRD BT H PC ur média et protocole PC2producteur Figure 3. Iiitei-cictioi7en boucle ferwée du banc expérinserual avec Arène. REE NO 8 Septembre 2005 Dossier INFRASTRUCTURES CRITIQUES Tension Bits de conlrôle Tempsde repos - 437.5m ; Durée d'un bit 6.25ms À L " il u uviitivi u iupu. ULI, u 'il L'IL 4-37.5ms 6.25ms _ __---_--- . )/\,,,. t''i'T' Temps Coda=e du aceud Codae P Coda2c 0 Ti-iniiq df, ri-noq -y- ----y- Codage du aceud Codage P Codaôc Q c c c Sigiial de Signal de 12 bits + 2 bits de contrôle déclcnchement : Signalde déclcnchement dc l'acquisition Temps de repos Traitement desinformations Durée du protocole 600ms Figure 4. Protocole mis en place poti- la sérialisatioi les doiinées : codage d'illi noeild. 5. Présentation du protocole entre Arène et le centre de supervision Pour chaque noeud les données à transférer sont : . Codage du noeud en binaire : ce procédé consiste à coder le noeud en 12 bits (soit une plage de codage comprise entre 1 et 4095). Il offre un nombre de noeuds suffisant à faire transiter entre Arène et le superviseur. Pour optimiser la fiabilité de l'infor- mation envoyée, 2 bits ont été ajoutés de chaque coté de la valeur du noeud. Ces 2 bits sont une pro- tection qui permet de savoir si l'information trans- mise est correcte ou non (on aurait pu aussi choisir de réaliser des checksum d'erreur). - Si les 2 bits sont égaux à 1 on a un codage correct n - Si un des 2 bits ou les 2 sont différents de 1 le codage est alors erroné Zn . Codage des puissances active et réactive en analo- gique : pour les 2 puissances le même procédé est utilisé. Chaque puissance correspondra à une ten- sion analogique. La carte d'acquisition offre une résolution de 12 bits ce qui offre une plage de puissance de 4095 valeurs. Comme pour le codage du noeud,2 bits de contrôle encadreront l'information. La figure 4 présente la structure de la trame générée par un des blocs développés. Ce signal est traduit sous c forme électrique par Arène temps réel et est transmise au PC superviseur (ce dernier fait l'acquisition via une carte de référence DAS- 1600/1400 Séries [11]). 6. Liaison entre le superviseur et le producteur On a choisi, pour valider le concept de banc associé à Arène temps réel, de réaliser un réseau local entre deux cartes Ethernet. Ces dernières ont été configurées pour utiliser le protocole TCP/IP au travers d'un câble RJ 45 (câble réseau à 4 paires torsadées). La liaison entre le superviseur et le producteur a été réalisée par l'intermé- diaire du logiciel TestPoint Internet Toolkit [12]. c Le protocole TCP/IP est défini par deux points : . IP (Internet Protocol) : Ce protocole définit le for- mat des messages véhiculés sur le réseau. Une information est découpée en paquets IP qui vont prendre les multiples voies disponibles sur le réseau pour atteindre le destinataire. Cette norme permet d'orienter conectement les données qui transitent. IP gère les adresses logiques des ordina- teurs. Chaque ordinateur du réseau est identifié par une adresse unique (adresse IP). Cette adresse est attachée à chaque paquet d'informations et dirige celui-ci vers le bon destinataire. . TCP (Transmission Control Protocol) est un pro- tocole de transport qui assure le bon acheminement des paquets IP. 7. Interfaces graphiques Les interfaces graphiques du PC superviseur et du PC producteur ont été développées à l'aide du logiciel Testpoint [12], qui réalise le traitement des données REE NQ 8 Septembre 2005 Gestion de la production décentralisée : validation de stratégies de coordination et de télécommunication acquises via la carte d'acquisition DAS- 1600/1400 Séries du PC superviseur, et restituées via la carte de restitution numérique/analogique qui a été installée sur le PC pro- ducteur. C'est une carte de type Keithley et de référence KPCI-3130. a) Côté superviseur -imTESEBBBSSSSS ! r d. 1 le 1 1 (l , ., 1.1 v.\vwrA.lvl i--i- - ,. 3 ouuece C\POINT.M ".. :... 1Il.. PprvAlv Pvwvr> IYP 2Ipp t. , 1 Ipp il, .1,] ;]PP [MV.M Cammm') t) r)!PP (HW m