Brevet FR3028080A1 — publié le 20160506

METHODE DE GESTION DE LA DISTRIBUTION D'ENERGIE ELECTRIQUE EN TEMPS REEL SUR UN RESEAU ILOTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte à un réseau de distribution d'énergie « intelligent » qui utilise des technologies informatiques de manière à optimiser la production, la distribution, et la consommation d'énergie électrique du réseau afin d'améliorer l'efficacité énergétique de l'ensemble. [0002] L'invention concerne plus particulièrement une méthode de gestion de la distribution d'énergie électrique en temps réel sur un réseau électrique ilôté (c'est-à-dire déconnecté d'un réseau principal d'un fournisseur d'énergie) comportant un ensemble de sources d'énergie électrique et un ensemble de charges associées, l'ensemble des sources d'énergie électrique et des charges étant de puissance comparable. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Compte tenu des difficultés de stockage de l'énergie électrique en grandes quantités, les réseaux intelligents (ou « smart grid » en langue anglaise) permettent avantageusement d'ajuster la production et la distribution de l'électricité en fonction des besoins. [0004] Pour cela, il est connu différentes méthodes de gestion de la distribution de l'énergie électrique sur un « smart grid ». Un exemple de gestion de la distribution de l'énergie sur un réseau « smart grid » est de hiérarchiser les besoins de consommations en fonction des urgences afin d'optimiser le rendement des sources de production d'énergie, de minimiser les pertes de lignes, d'optimiser la production décentralisée d'origine renouvelable, de distribuer l'électricité au meilleur prix possible en sélectionnant par exemple les sources les moins chères. [0005] Les algorithmes de gestion de la distribution d'énergie connus sont développés pour gérer et optimiser la production et la distribution sur des réseaux de distribution nationaux, voire internationaux, en fonction de la demande. [0006] En revanche, ces algorithmes de gestion d'énergie sont généralement complexes et nécessitent de grandes capacités de calculs de manière à prendre en considération une multitude de paramètres relatifs à l'exploitation tels que par exemple : le coût énergétique de la source, l'impact environnemental de la source, le coût de maintenance, la disponibilité de la source, la capacité énergétique de la source, la durée de vie, la fiabilité de la source etc. [0007] La grande complexité de ces algorithmes de calculs induit une augmentation des temps de calculs compte tenu des l'ensemble des paramètres à prendre en considération. Ainsi, les temps de calculs de ces algorithmes sont de l'ordre de plusieurs secondes ce qui ne permet pas de réaliser réellement des adaptations en temps réel. [0008] De plus, les méthodes de gestion connues ne sont pas adaptées pour la gestion particulière de réseaux ilôtés présentant des sources et des charges de puissances comparables et dont les ressources sont limitées et variables dans le temps, en opposition avec des sources de type centrale nucléaire. [0009] Ainsi, pour la gestion de réseaux ilôtés présentant des sources de faible puissance et dont les ressources sont variables très rapidement, il est nécessaire de disposer d'une méthode de gestion utilisant un algorithme de calcul permettant de réaliser une adaptation en temps réel de la distribution électrique sur le réseau. EXPOSE DE L'INVENTION [0010] Ainsi, l'invention vise à proposer une méthode de gestion pour la distribution de l'énergie électrique d'un réseau ilôté, ledit réseau ilôté comportant : - une pluralité de sources d'énergie électrique ; - une pluralité de charges consommant ladite énergie électrique produite par lesdites sources ; - des moyens de gestion et de distribution à ladite pluralité de charges de l'énergie électrique produite par ladite pluralité de sources, les moyens de gestion et de distribution étant formés par un calculateur et par une interface homme/machine ; ladite méthode étant caractérisée en ce qu'elle comporte : - une étape d'identification d'un ensemble de critères d'exploitation qualifiant les différentes sources d'énergie électrique du réseau, chaque source dudit réseau présentant un indice associé à chacun des critères d'exploitation ; - une étape de modélisation sous la forme quadratique de chacun des indices de chaque source ; - une étape d'optimisation sous contrainte consistant à déterminer, en temps réel, le minimum ou le maximum de chaque critère du réseau en fonction des contraintes du réseau à l'instant donné ; ladite quatrième étape comportant : - une première sous-étape de construction de l'algorithme de résolution au moyen de multiplicateurs de Lagrange de sorte que chaque critère du réseau soit énoncé sous la forme d'une équation linéaire [A].[X]=[b] avec : - [A] représentant une matrice de dimension nX n , avec n nombre entier, représentant le nombre de sources du réseau additionné au nombre de contraintes par critère d'exploitation, - [b] représentant une matrice colonne à71 lignes ; - [X] représentant une matrice colonne à n lignes représentant les solutions de l'algorithme ; - une deuxième sous-étape de résolution des équations linéaires [A].[X]=[b] en utilisant la méthode des gradients conjugués de manière à résoudre lesdites équations linéaires en au moins n itérations ; - une troisième sous-étape de vérification des contraintes d'inégalités ; - une étape de distribution des consignes de pilotage aux sources dudit réseau. [0011] La méthode selon l'invention permet donc d'obtenir une mise à jour en temps réel des consignes de pilotage, c'est-à-dire avec une fréquence de mise à jour inférieure à la milliseconde, et typiquement de l'ordre de la centaine de microsecondes, par la mise en place d'une méthode de calcul très rapide qui est cohérente avec des calculs dits en temps-réels pour l'optimisation en temps-réel de la distribution de puissance sur les charges d'un réseau électrique ilôté. La méthode selon l'invention permet ainsi de mieux gérer les différentes sources du réseau et de mieux répartir la production d'énergie électrique d'un réseau ilôté présentant des sources de faibles puissances, et/ou de moyennes puissances et dont les ressources de production d'énergie sont limitées et/ou variable dans le temps. [0012] La méthode selon l'invention est particulièrement adaptée pour la gestion d'un réseau ilôté présentant une pluralité de sources d'énergie électrique et une pluralité de charges dont les puissances sont comparables et typiquement inférieures à 10 MW. [0013] Ainsi, pour un état de charge donné du réseau, la méthode selon l'invention permet de déterminer la répartition de puissance optimale entre des différentes sources d'énergie électrique en prenant en compte à l'instant donné, les différents indices propres de chaque source qui caractérisent chaque source par rapport aux critères d'exploitation identifiés (critère techniques, critère économique, critère énergétique, ...). [0014] La méthode de gestion proposée par l'invention a pour avantage d'utiliser uniquement, pour la résolution de l'algorithme de calcul, les multiplicateurs de Lagrange et la méthode des gradients conjugués, ce qui permet de d'obtenir une résolution de l'algorithme en temps réel (dans un temps inférieur à la milliseconde). La méthode de gestion selon l'invention permet également d'assurer une fréquence de résolution de l'algorithme constante par rapport aux algorithmes de gestion de l'état de la technique dont le temps de réponse n'est pas maîtrisé ni constant car dépendant d'un nombre d'itérations qui n'est pas maîtrisé. La méthode de gestion selon l'invention permet d'avoir un temps de résolution au moins cent fois plus rapide pour un même calculateur qu'avec une méthode de gestion selon l'invention. [0015] Ainsi, l'invention propose une méthode de gestion simple, nécessitant peu de temps de calcul et permettant d'obtenir une rapidité de mise à jour de l'algorithme de calcul tout en assurant une précision suffisante ce qui permet en exploitation du réseau d'optimiser en temps réel les points de fonctionnement des sources et donc de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance, notamment sur les réseaux présentant une forte mixité de nature et de puissance de sources. [0016] Avantageusement la méthode selon l'invention comporte postérieurement à l'étape d'identification, une étape de hiérarchisation desdits critères d'exploitation par ordre de priorité par l'adjonction d'un coefficient de priorité via l'interface Homme/Machine. Ainsi, la méthode de gestion selon l'invention permet de réaliser une répartition en privilégiant tel ou tel critère d'exploitation par rapport à d'autres. [0017] L'invention a également pour objet un réseau ilôté comportant : - une pluralité de sources d'énergie électrique ; - une pluralité de charges consommant ladite énergie électrique produite par lesdites sources ; - des moyens de gestion et de distribution à ladite pluralité de charges de l'énergie électrique produite par ladite pluralité de sources, les moyens de gestion et de distribution étant formés par un calculateur et par une interface homme/machine. [0018] Avantageusement, le réseau ilôté comporte des sources d'énergie d'origine éolienne et/ou des sources d'énergie d'origine photovoltaïque et/ou des sources d'énergie d'origine fossile. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0019] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures suivantes. [0020] La figure 1 représente schématiquement un réseau ilôté. [0021] La figure 2 représente sous la forme d'un histogramme les caractéristiques associées aux critères d'exploitation du réseau pour une source d'énergie électrique du réseau illustré à la figure 1. [0022] La figure 3 représente un exemple de classement par priorité des critères d'exploitation du réseau par l'adjonction d'un coefficient de priorité. [0023] La figure 4 est un schéma synoptique illustrant les différentes étapes de la méthode de gestion selon l'invention. [0024] La figure 5 illustre sous la forme de trois histogrammes les caractéristiques de trois sources Si, S2, S3 sur les critères d'exploitation du réseau. [0025] La figure 6 illustre un exemple des puissances absorbées et des 5 résistances associées pour chacune des charges du réseau sur une période de 90 secondes. [0026] La figure 7 illustre sous la forme d'un tableau l'évolution de la puissance nécessaire sur le réseau pour alimenter les charges illustrées à la figure 6 sur une période de 90 secondes. 10 [0027] La figure 8 représente sous la forme d'un tableau un exemple de gain réalisé sur les coûts d'exploitation avec la méthode de gestion selon l'invention en comparaison avec une méthode de gestion classique selon l'état de la technique. [0028] Les figures 9a, 9b, 9c illustrent sous la forme de graphique les courants délivrés en fonction du temps pour chaque source du réseau. 15 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0029] La figure 1 illustre de manière schématique un réseau intelligent 100 (« smartgrid » en langue anglaise) ilôté, c'est-à-dire déconnecté d'un réseau principal d'un fournisseur d'énergie et destiné à fonctionner de manière autonome. Le réseau 100 comporte : 20 une pluralité de sources d'énergie électrique Si, S2, et S3 (trois sources sont représentées à titre d'exemple) aptes à produire et/ou à stocker de l'énergie électrique de manière à la distribuer sur le réseau ; - une pluralité de charges 10 (quatre charges sont représentées à titre d'exemple) consommant ladite énergie électrique produite et/ou fournie par 25 lesdites sources Si, S2, S3. [0030] L'ensemble est piloté par des moyens de gestion permettant d'adapter la quantité d'énergie électrique produite et/ou distribué sur le réseau 100 en fonction de la demande des charges 10 qui varient dans le temps et de la production des sources Si, S2, S3 dont la production peut également varier dans 30 le temps. Les moyens de gestion sont formés par un calculateur 30 et par une Interface Homme-Machine (IHM) 20. [0031] Chacun des équipements du réseau 100 formés par les sources Si, S2, S3 possède des caractéristiques techniques, économiques, énergétiques, etc qui lui sont propres. Ces caractéristiques (différentes pour chaque source du réseau) forment ainsi un ensemble appelé « critères d'exploitation du réseau ». Ces différents critères d'exploitation Cl, C2, C3, C4, C5 à prendre en compte sont par exemple : - la puissance délivrée ; - le mode de fonctionnement ; - le coût énergétique ; - la quantité d'énergie emmagasinée ; - la fiabilité ; - l'impact environnemental ; - la durée de vie ; - coût de maintenance ; - dimensionnement ; [0032] Ainsi, chaque source 51, S2, S3 du réseau 100 présente des caractéristiques différentes pour chaque critère d'exploitation du réseau 100. [0033] La figure 2 illustre sous la forme d'un histogramme les caractéristiques d'une source du réseau 100 (par exemple la source Si) sur cinq critères d'exploitation Ci, C2, C3, C4, C5. Pour chaque critère d'exploitation Ci, C2, C3, C4, C5 est donc associé un indice représentant les caractéristiques de la source. Cet indice est par exemple une valeur sur une échelle de 0 à 10 comme représenté à la figure 2. Cette répartition permet avantageusement de caractériser, sur une même échelle, chaque source 51, S2, S3 du réseau 100 sur l'ensemble des critères d'exploitation du réseau 100 prédéfinis. On notera que la figure 2 représente une distribution sur une sélection de cinq critères d'exploitation ; bien entendu la liste des critères donnée précédemment n'est pas exhaustive. [0034] Les sources Si, S2, S3 sont des sources de nature différente, par exemple des éoliennes, des panneaux photovoltaïque, des sources produisant de l'énergie électrique à partir de l'énergie fossile, etc. Les sources Si, S2, S3 du réseau 100 sont des sources dont les ressources sont limitées dans le temps et/ou dont la production d'énergie électrique est variable dans le temps. Ainsi les sources du réseau 100 selon l'invention sont différentes des sources de type centrales nucléaires dont les ressources sont considérées continues. Les sources sont des sources de faible et/ou de moyenne puissance dont la somme des puissances du réseau est typiquement inférieure à 10 MW. Ainsi, les sources du réseau sont différentes des sources de type centrale nucléaire de forte puissance. [0035] Le calculateur 30 comportant l'algorithme de gestion est relié directement au réseau 100 et aux installations du réseau et est programmé via l'IHM 20. Ainsi, le calculateur 30 reçoit comme données d'entrée : - des mesures issues des installations permettant d'identifier l'état des sources, l'état des équipements du réseau et l'état des charges du réseau ; - des critères de consigne du réseau formant ainsi les contraintes de l'algorithme de gestion ; - des informations sur l'état à venir de l'installation ; par exemple sur les charges, les ressources disponibles, les pannes, les maintenances prévisionnelles sur l'installation. [0036] La figure 4 représente un schéma synoptique illustrant les différentes étapes de la méthode de gestion selon l'invention. [0037] La méthode de gestion selon l'invention consiste dans une première étape 201 à déterminer ou à identifier les critères d'exploitation du réseau 100 en fonction des sources de production d'énergie du réseau. Cette première étape 201 permet de qualifier les différentes sources d'énergie électrique du réseau. [0038] Dans une deuxième étape 202, les critères d'exploitation identifiés sont hiérarchisés par l'adjonction d'un coefficient de priorité en fonction de l'importance accordée à chacun des critères. La figure 3 illustre à ce titre un exemple de pondération des critères d'exploitation par l'adjonction d'un coefficient de priorité plus ou moins élevé. Dans l'exemple de réalisation illustré, plus la valeur du coefficient de priorité est faible plus le degré d'importance du critère d'exploitation est élevé. [0039] La troisième étape 203 consiste à modéliser sous la forme quadratique chacun des indices de chaque source Si, S2, S3 qui sont associés aux critères d'exploitation du réseau 100. Ainsi, à titre d'exemple, si C2s1, C2s2, C2s3 représente le coût énergétique de chaque source Si, S2, S3 débitant respectivement des puissances W1, W2, W3 alors cette troisième étape permet de formuler le coût énergétique de chaque source de la manière suivante : = :7210 C2s, -) = C2s'(1 )= [0040] La quatrième étape 204 est une étape d'optimisation sous contrainte consistant à déterminer, en temps réel, le minimum ou le maximum de chacun des critères d'exploitation du réseau en fonction des contraintes de fonctionnement du réseau à l'instant donné. Ainsi, dans l'exemple précédemment énoncé, la quatrième étape 204 permet de : minimiser : :2eq, =2i + 2s, + sous les contraintes de fonctionnement à l'instant donné du calcul : [0041] Pour cela, le problème d'optimisation est le suivant : on cherche à trouver les puissances de chaque source Wl, W2, W3, tel que : avec les contraintes : =0 [0042] Une première sous-étape 214 consiste à construire l'algorithme de résolution au moyen de multiplicateurs de Lagrange de sorte que chacun des critères d'exploitation du réseau soit énoncé sous la forme d'une équation linéaire de type A -X = b. [0043] Par conséquent le problème d'optimisation énoncé précédemment devient, par l'intégration des multiplicateurs de Lagrange, le problème suivant : selon l'exemple de réalisation décrit précédemment, on cherche à déterminer les puissances de chaque source W1, W2, W3 ainsi que le multiplicateur de Lagrange À, tel que : Soit sous la forme matricielle A = 2 x , TV, + + = 0 + b1 +2 = 0 + c +2 = 0 _ =0 =0 Avec les contraintes : [0044] Une deuxième sous-étape 224 consiste à résoudre les équations linéaires A°X = b déterminées lors de la première sous-étape 214 par l'utilisation de la méthode des gradients conjugués de manière à déterminer la solution en au moins n itérations (n étant la taille du système). . [0045] Une troisième sous-étape 234 consiste à vérifier les contraintes d'inégalités pour les solutions trouvées. Si les contraintes sont vérifiées alors le problème est résolu ; en revanche, si au moins une contrainte n'est pas vérifiée alors on fixe la valeur correspondante à sa borne supérieure ou inférieure et on recommence la résolution du reste du problème avec une dimension qui est à présent réduite (n - 1). [0046] Lorsque que l'optimisation est réalisée et les solutions déterminées, les consignes de pilotage sont distribuées aux sources du réseau Si, S2, S3 dans une cinquième étape 205. [0047] La méthode de gestion selon l'invention permet donc de déterminer en temps réel une configuration de l'installation électrique qui satisfait prioritairement les critères définis comme les plus importants lors de la deuxième étape 202, en prenant en compte des objectifs ou des contraintes du réseau à chaque instant de calcul. EXEMPLE DE REALISATION [0048] Afin d'appréhender les gains réalisés en utilisant la méthode de gestion des flux énergétiques du réseau selon l'invention par rapport aux méthodes de l'état de la technique, une comparaison est effectuée entre une gestion optimale, telle que présentée selon l'invention et une gestion classique, sur un exemple de performances en termes de coût d'exploitation et d'impact environnementale. [0049] Dans cet exemple de réalisation, on supposera que les coûts d'exploitation du réseau sont définis par les critères suivants : Avec : : Coûts d'exploitation du réseau ; : Impact environnemental ; : Coût de l'énergie ; : Coût de maintenance. [0050] Dans cet exemple de réalisation, trois sources sont choisies de la façon suivante : - la source 1 Si correspond à une source d'énergie d'origine éolienne ; - la source 2 S2 correspond à une source d'énergie d'origine photovoltaïque ; - la source 3 S3 correspond à une source d'énergie d'origine fossile. [0051] La figure 5 illustre sous la forme de trois histogrammes les caractéristiques des trois sources Si, S2, S3, définies précédemment, sur les critères d'exploitation : , les caractéristiques étant définies sur une échelle de 1 à 10. [0052] Ainsi, lors de la troisième étape 203 de modélisation sous la forme quadratique des critères d'exploitation, on obtient le coût cumulé d'exploitation par source sous la forme suivante : - Pour la source 1 . - Pour la source 2 : - Pour la source 3 : Avec les contraintes suivantes : E E 1.71 E ri.71 [0053] Dans cet exemple de réalisation, le réseau comporte cinq charges présentant des caractéristiques de puissance absorbée et de résistance propres. La figure 6 illustre un exemple des puissances absorbées et des résistances associées pour chacune des charges du réseau et la figure 7 illustre sous la forme d'un tableau l'évolution de la puissance nécessaire sur le réseau qui sera simulé pour alimenter ces charges en fonction du temps sur une période de 90 secondes. [0054] Les graphiques illustrés aux figures 9a, 9b, 9c illustrent la répartition des courants délivrés par les sources du réseau en fonction de la sollicitation des charges donnée à la figure 7 et en fonction des contraintes du réseau. [0055] On notera que sur chacune des figures 9a, 9b, 9c comporte deux courbes. Une première courbe illustre la consigne de pilotage délivrée par le calculateur et une deuxième courbe correspondant à la réponse de la source. On remarque qu'à chaque modification de la puissance nécessaire pour alimenter le réseau, un léger décalage apparaît entre les deux courbes due au temps de réponse des sources du réseau.. [0056] Le tableau de la figure 8 illustre les gains réalisés sur cet exemple de réalisation en comparaison avec une méthode de gestion classique de l'état de la technique. On observe ainsi que le gain en coût d'exploitation varie en fonction de la puissance appelée cotée charge et en fonction du paramétrage des fonctions de coûts pour les sources. Ainsi, sur cette simulation la méthode de gestion selon l'invention permet de réaliser un gain jusqu'à 28% sur une période donnée. [0057] Ainsi, la méthode de gestion proposée par l'invention est basée uniquement sur la résolution d'un problème d'optimisation sous contraintes. La méthode des multiplicateurs de Lagrange et l'algorithme des gradients conjugués permettent d'arriver à un algorithme global que le calculateur peut rapidement mettre en exécution et mettre à jour en temps réel en fonction des données du réseau évoluant à chaque instant.20 REVENDICATIONS1. Méthode de gestion pour la distribution de l'énergie électrique d'un réseau ilôté (100), ledit réseau ilôté comportant : une pluralité de sources d'énergie électrique (Si, 52, S3) ; une pluralité de charges (10) consommant ladite énergie électrique produite par lesdites sources (Si, 52, S3) ; des moyens de gestion et de distribution à ladite pluralité de charges (10) de l'énergie électrique produite par ladite pluralité de sources (S1, S2, S3), les moyens de gestion et de distribution étant formés par un calculateur (30) et par une interface homme/machine (20) ; ladite méthode étant caractérisée en ce qu'elle comporte : une étape (201) d'identification d'un ensemble de critères d'exploitation (Cl, C2, C3, C4, C5) qualifiant les différentes sources d'énergie électrique (S1, S2, S3) du réseau (100), chaque source (S1, S2, S3) dudit réseau (100) présentant un indice associé à chacun des critères d'exploitation (C1, C2, C3, C4, C5) ; une étape (203) de modélisation sous la forme quadratique de chacun des indices de chaque source (Si, S2, 53); une étape (204) d'optimisation sous contrainte consistant à déterminer, en temps réel, le minimum ou le maximum de chaque critère (C1, C2, C3, C4, C5) du réseau (100) en fonction des contraintes du réseau à l'instant donné ; ladite quatrième étape comportant : une première sous-étape (214) de construction de l'algorithme de résolution au moyen de multiplicateurs de Lagrange de sorte que chaque critère (C1, C2, C3, C4, C5) du réseau soit énoncé sous la forme d'une équation linéaire [A].[X]=[b] avec : [A] représentant une matrice de dimension n x n, avec n nombre entier, représentant le nombre de sources du réseau additionné au nombre de contraintes par critère d'exploitation, [b] représentant une matrice colonne à n lignes ;- [X] représentant une matrice colonne à n lignes représentant les solutions de l'algorithme ; une deuxième sous-étape (224) de résolution des équations linéaires [A].[X]=[b] en utilisant la méthode des gradients conjugués de manière à résoudre lesdites équations linéaires en au moins n itérations ; - une troisième sous-étape (234) de vérification des contraintes d'inégalités ; une étape (205) de distribution des consignes de pilotage aux sources (S1, S2, S3) dudit réseau (100). 2. Méthode de gestion pour la distribution de l'énergie électrique d'un réseau ilôté (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'elle comporte, postérieurement à l'étape d'identification (201), une étape (202) de hiérarchisation desdits critères d'exploitation (Cl, C2, C3, C4, C5) par ordre de priorité par l'adjonction d'un coefficient de priorité via l'interface Homme/Machine. 3. Réseau ilôté caractérisé en ce qu'il comporte : des sources d'énergie d'origine éolienne et/ou des sources d'énergie d'origine photovoltaïque et/ou des sources d'énergie d'origine fossile ; des moyens de gestion et de distribution de l'énergie électrique mettant en oeuvre ladite méthode de gestion pour la distribution de l'énergie électrique d'un réseau ilôté (100) selon l'une des revendications précédentes.25