Brevet FR3046482A1 — publié le 20170707

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR L'OPTIMISATION DE MOYENS DE PRODUCTION D'ENERGIE La présente invention concerne le domaine de l'optimisation de parc de production 5 d'énergie (par exemple, d'électricité) et notamment dans le cadre d'une détermination d'un optimum de répartition pour un parc de moyens de production. L'étude détaillée du système énergétique/électrique d'un pays fait souvent appel à des méthodes et outils complexes nécessitant de nombreuses données d'entrée, 10 pour simuler précisément le fonctionnement du système électrique sur un périmètre et une période donnés (national, européen ou encore pour une région particulière sur des durées allant de quelques heures à une année entière). À titre d'exemple, on pourra notamment se reporter au document M. Lopez-Botet, T. Hinchliffe, P. Fourment, C. Martinet, G. Prime, Y. Rebours, J-M. Schertzer, V. 15 Silva, Y. Wang, « Methodology for the economic and technical analysis of the European power system with a large share of variable renewable generation » IEEE General Meeting, Washington, USA, 27-31 July, 2014 ou au document N. Langrene, W. van Ackooij, F. Breant, « Dynamic Constraints for Aggregated Units: Formulation and Application », Power Systems, IEEE Transactions on, vol.26, no.3, Aug. 2011. 20 Les modèles exposés dans ces documents intègrent une vision horaire des aléas et des contraintes technico-économiques avec plus ou moins de finesse afin d'optimiser la gestion du parc pour satisfaire la demande à moindre coût. Ces modèles, souvent complexes, nécessitent le plus souvent des informations détaillées et des temps de calcul importants. 25 L'adaptation du parc des moyens de production se fait donc habituellement via un processus itératif coûteux en temps et en puissance de calcul. 3046482 2 En particulier, les études qui analysent les besoins d'adaptation et de gestion du parc de production se basent en général sur : - des chroniques d'aléas (demande et production d'énergie d'origine intermittente... ) disponibles à la maille horaire, - des caractéristiques technico-économiques des unités de production, et - sur une description des réseaux. Le détail de ces informations, et en particulier le détail des chroniques d'aléas, n'est disponible que dans certains centres de recherche, des institutions publiques, etc. : elles sont rarement publiques. Lorsqu'une personne souhaite réaliser des études d'optimisation du parc des moyens de production et de simulation de l'équilibre offre/demande, elle peut alors être confrontée à des difficultés liées à l'absence de ces données. Une méthode alternative pour dimensionner le parc de production peut être l'utilisation de la méthode simplifiée dite « sur monotone », telle que décrite, par exemple, par Eric Mougin dans les « Techniques de l'Ingénieur », n°D4920 « Principes d'une tarification au coût de développement pour l'électricité»: cette méthode requiert la connaissance d'une monotone de la demande (ou a minima les données de consommation horaire sur l'année afin de reconstruire ce diagramme). La monotone de la demande (ou le diagramme « sur monotone ») est obtenue en classant par ordre décroissant la demande horaire : il est ainsi possible de déduire les durées de fonctionnement des moyens de production dans lesquelles la puissance appelée dépasse un certain seuil. Néanmoins, la plupart du temps, les seules données librement accessibles sont : - la consommation électrique cumulée durant une période donnée (le plus souvent sur une année) et sur un territoire donné (le plus souvent à l'échelle d'un pays) ; - le maximum et le minimum de consommation électrique durant la période donnée par tranche donnée (ex. tranche horaire) et sur le territoire donné. 3046482 3 Il existe donc un besoin d'estimer le mix optimal des moyens de production d'énergie (i.e. la répartition optimale de ces moyens de production par catégorie ou type) à partir d'un nombre très restreint de données d'entrée. De même, il existe un besoin pour déterminer quels sont les moyens de 5 production nécessaires en vue de satisfaire l'équilibre production/consommation électrique à moindre coût en l'absence de données précises sur le pays. En particulier, il est utile de définir un parc de production optimal et d'évaluer des grandeurs physiques comme les productions d'électricité par filière ou encore les émissions de CO2 annuelles telles qu'une gestion optimisée du parc fournirait. 10 La présente invention vise alors un procédé pour l'optimisation de moyens de production d'énergie, le procédé comportant les étapes : /a/ réception d'une valeur d'énergie globale consommée sur une période donnée ; /b/ réception d'une valeur maximale d'énergie consommée durant un temps 15 unitaire pendant ladite période donnée ; /c/ réception d'une valeur minimale d'énergie consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /d/ détermination d'une courbe de consommation représentative de la période donnée ; 20 Ladite détermination prend en compte le fait qu'un maximal de la courbe de consommation est fonction de la valeur maximale d'énergie reçue, qu'un minimal de la courbe de consommation est fonction de la valeur minimale d'énergie reçue, et qu'une intégrale de la courbe de consommation sur la période donnée est fonction de la valeur d'énergie globale reçue. 25 La courbe de consommation est déterminée par morceau, au moins un premier morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré convexe, au moins un deuxième morceau étant une fonction linéaire, et au moins un troisième morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré concave. 3046482 4 Ainsi, en présence d'un faible nombre de données (ex. un maximal de consommation horaire sur une année, un minimal de consommation horaire sur une année, et la somme de consommation durant l'année), il est possible de générer une ou plusieurs courbe de consommation sur monotone permettant l'optimisation 5 ultérieure des moyens de production. Par exemple, le maximal de la courbe de consommation comporte une coordonnée égale à la valeur maximale d'énergie reçue (ex. l'ordonnée) tandis que l'autre coordonnée (ex. l'abscisse) est fixée à une valeur par défaut (ex. 0). Par exemple, le minimal de la courbe de consommation comporte une coordonnée 10 égale à la valeur minimale d'énergie reçue (ex. l'ordonnée) tandis que l'autre coordonnée (ex. l'abscisse) est fixée à une valeur par défaut. Par exemple, l'intégrale de la courbe de consommation sur la période donnée est égale à la valeur d'énergie globale reçue. Par ailleurs, la courbe déterminée peut être continue sur la période donnée et une 15 dérivée de la courbe déterminée peut être également continue. Ainsi, les courbes déterminées peuvent être proches de celles qui sont expérimentalement construites à partir de la connaissance complète des données de production. Dans un mode de réalisation, la détermination de la courbe de consommation peut 20 comprendre la fixation d'une pente de la fonction linéaire dudit deuxième morceau. En effet, la fixation de la pente de la fonction linéaire est avantageuse pour permettre une réduction du nombre d'inconnues. Par ailleurs, le procédé peut comprendre en outre une détermination d'une plage de valeurs possibles pour ladite pente en fonction notamment de la valeur maximale 25 reçue et de la valeur minimale reçue. Il est, en effet, aisé de déterminer le domaine des valeurs possibles de cette pente (comprise entre 0 et une pente maximale négative correspondant à la droite passant par la valeur maximale reçue et la valeur minimale reçue, voir ci-dessous). 3046482 5 Le fait de déterminer cette plage de valeurs possibles permet une mise en oeuvre de l'invention (i.e. fixation de la pente dans cette plage, itération du processus pour différentes valeurs de la pente dans cette plage) tout en maximisant la probabilité d'obtenir des courbes respectant les attendus de l'utilisateur (i.e. courbe « sur- 5 monotone » avec un morceau concave, un morceau linéaire, et un morceau convexe). Par ailleurs, le procédé peut comprendre en outre une estimation de répartition des moyens de production en fonction de la courbe déterminée à l'étape /d/. Cette estimation de répartition peut utiliser la méthode dite « sur-monotone » 10 énoncée ci-avant. Elle permet ainsi une optimisation du parc des moyens de production. Dans un mode de réalisation, l'étape /d/ peut être réitérée de sorte à déterminer une pluralité de courbes de consommation différentes. Ainsi, le procédé peut comprendre en outre le calcul d'une distribution d'une 15 répartition des moyens de production en fonction des courbes déterminées à l'étape /d/. Le calcul de cette distribution de répartition des moyens de production peut ainsi permettre de donner à un utilisateur une meilleure vision de l'optimisation possible des moyens de production. 20 La présente invention vise également un dispositif pour l'optimisation de moyens de production d'énergie, le dispositif comportant : /a/ une interface pour la réception d'une valeur d'énergie globale consommée sur une période donnée ; /b/ une interface pour réception d'une valeur maximale d'énergie consommée 25 durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /c/ une interface pour réception d'une valeur minimale d'énergie consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /d/ un circuit pour la détermination d'une courbe de consommation 3046482 6 représentative de la période donnée ; Le circuit de détermination est configuré pour qu'un maximal de la courbe de consommation soit fonction de la valeur maximale d'énergie reçue, qu'un minimal de la courbe de consommation soit fonction de la valeur minimale d'énergie reçue, et 5 qu'une intégrale de la courbe de consommation sur la période donnée soit fonction de la valeur d'énergie globale reçue. Le circuit de détermination est configuré pour que la courbe de consommation soit déterminée par morceau, au moins un premier morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré convexe, au moins un deuxième morceau étant une 10 fonction linéaire, et au moins un troisième morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré concave. La présente invention vise également un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit, lorsque ce programme est exécuté par un processeur. 15 Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation (par exemple, un langage-objet ou autre), et être sous la forme d'un code source interprétable, d'un code partiellement compilé ou d'un code totalement compilé. La figure 1 décrite en détail ci-après peut former l'organigramme de l'algorithme général d'un tel programme informatique. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un ordinogramme permettant de déterminer une courbe de consommation de type « sur monotone » dans un mode de réalisation selon 25 l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple possible de courbe « sur-monotone » déterminée ; - la figure 3 représente un exemple de dispositif dans un mode de réalisation de l'invention. 3046482 7 La figure 1 illustre un ordinogramme permettant de déterminer une courbe de consommation 100 de type « sur monotone » dans un mode de réalisation selon l'invention. 5 Dans ce mode de réalisation, il est possible de recevoir trois entrées : - une valeur d'énergie globale 101 consommée sur une période donnée : si la période donnée est une année, cela revient à recevoir la valeur de l'énergie annuelle consommée ; - une valeur maximale 102 d'énergie consommée durant un temps unitaire 10 pendant ladite période donnée : on appelle le plus souvent cette valeur maximale la « pointe de demande » ou la « pointe de consommation » ; - une valeur minimale 103 d'énergie consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée : on appelle le plus souvent cette valeur minimale le « creux de demande » ou le « creux de consommation ». 15 Le temps unitaire (aussi appelé « pas ») est souvent une période d'une heure. En effet, les données de consommation (ou tout du moins la pointe et le creux) sont souvent connues à un pas horaire. Ne connaissant pas la valeur de la demande pour chaque temps unitaire (ex. pour chaque heure), il est possible de chercher à l'estimer en générant une famille de 20 courbes de la façon suivante : - chaque courbe de la famille est formée par morceau par trois fonctions recollées par continuité aux points 205 (D1, P') et 206 (D2, C') : - un premier morceau 201 (voir Figure 2) étant de la forme y = ai. x2 + b1. x + c1 (polynôme du deuxième degré) et est convexe : ce 25 morceau 201 comprend la pointe de la demande (204) correspondant au point (0, P); - un deuxième morceau 202 étant de la forme y = a. x + le (fonction linéaire) ; 3046482 8 - un troisième morceau 203 étant de la forme y = a2. x2 + b2. x + (polynôme du deuxième degré) et est concave : ce morceau 203 comprend le creux de la demande (207) correspondant au point (8760, C). 5 - chaque courbe de la famille a une dérivée continue (les trois fonctions sont recollées par continuité de leur dérivée aux points 205 (D1, P') et 206 (D2, C')). - la valeur d'énergie globale reçue (E) est sensiblement égale à l'aire 209 sous la courbe 200 (ou par approximation sous la ligne 202 prolongée par la 10 ligne 208 en pointillés, en supposant que les aires 210 et 211 sont sensiblement équivalentes) pour des abscisses comprises entre 0 et 8760 (dans le cadre d'un pas horaire, i.e. 365 j x 24 h) ; - les largeurs respectives des morceaux convexe et concave sont sensiblement identiques (i.e. D1=8760-D2) ; 15 En d'autres termes, cela revient à résoudre le système suivant : tai. ,012_ + bi. D1 + c1 = P' 2. ai. D1 + b1 = a = P a2. DZ + b2. D2 + c2 = C' 2. a2. D2 + b2 - a a2 . 87602 + b2.8760 + c2 = C fa. D2 + = C' a. + - 13' fE = 8760 * + 4380. a) tD1 = 8760 - D2 Les inconnues de ce système sont donc : al, b1, a2, b2, c2, P', C', D1, D2, a, /3 soit 12 inconnues. La première accolade correspond à la condition de continuité de la courbe (courbe C°) et à la condition de continuité de la dérivée de la courbe au point 205 situé entre 20 la fonction affine et le premier polynôme. La deuxième accolade correspond à la condition de continuité de la courbe 3046482 9 (courbe C°) et à la condition de continuité de la dérivée de la courbe au point 206 situé entre la fonction affine et le deuxième polynôme. La troisième accolade correspond aux équations de la droite passant par les points 205 (D1, P') et 206 (D2, C') 5 La quatrième accolade correspond à l'approximation de l'énergie annuelle et la largeur des morceaux correspondants aux polynômes. Il est tout à fait possible de remplacer l'équation correspondant à l'approximation de l'énergie annuelle par une équation sans approximation i.e. E = fD x2 + b1. x + ci]dx + fDD2[a.x + e]dx + f8760 [a2. x2 + b2. x + c2]dx soit E = -1 2 2 + -1 biD12_ + + -1 aDq + leD2 - D2 3 1 3 1 10 2 aDi2 - /3D1 1 + -3 a287603 2 + b287602 1 c28760 - -3 a2D2 - -2 b2p2 - C2D2. - Disposant de 10 équations et de 12 inconnues, le système proposé dispose de deux degrés de liberté. Afin de résoudre le système, il est donc possible de fixer deux inconnues. Bien entendu, il est possible de réitérer la résolution avec d'autres valeurs de fixation de ces inconnues. 15 Par exemple, il est proposé de fixer (étape 104) la valeur de a (la pente de la courbe 202) entre 0 et (C-P)/8760. La valeur de (C-P)/8760 correspond à la pente de la droite passant par les points 204 et 207. Par ailleurs, il est possible de fixer (étape 105) la valeur de D1 entre 0 et 4380 (la moitié de la valeur maximale de 8760 dans cet exemple). 20 Le fait de fixer les valeurs de a et de D1 permet de connaitre relativement simplement les bornes du domaine que peuvent prendre ces valeurs, l'interprétation de a et de Dl étant visuelle sur le graphique de la figure 2. Bien entendu, tout autre couple d'inconnues peut être sélectionné. Pour résoudre (étape 106) ce système, il est possible d'adopter la stratégie 25 suivante : - Déterminer le à l'aide de l'équation E = 8760 * + 4380. a) - Déterminer D2 à l'aide de l'équation D1 = 8760 - D2 3046482 10 - En déduire P' et C' avec les équations la. D2/3 + = P' a1. Di + b1. D1 + c1 = P' - Résoudre en al, b1 et ci les équations 2. a1. D1 + b1 = a C1 = P a2. DZ + b2. D2 + c2 = C' - Résoudre en a2, b2 et c2 les équations 2. a2. D2 + b2 = a a2.87602 + b2.8760 + c2 = C Bien entendu, il est également possible de résoudre numériquement ce système. 5 Par ailleurs, une fois le système résolu, il est possible de vérifier que la courbe obtenue satisfait l'ensemble des conditions énoncées ci-avant (étape 107) et notamment : - Le trinôme 201 a1. x2 + b1. x + c1 est bien convexe (i.e. la pointe de la monotone est « pointue ») i.e. a1>0 ; 10 - Le trinôme a2.x2 + b2.x + c2 est bien concave (le creux de la monotone est « pointu ») i.e. a2 REVENDICATIONS1. Procédé pour l'optimisation de moyens de production d'énergie, le procédé comportant les étapes : /a/ réception d'une valeur d'énergie globale (101) consommée sur une période donnée ; /b/ réception d'une valeur maximale d'énergie (102) consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /c/ réception d'une valeur minimale d'énergie (103) consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /d/ détermination (106) d'une courbe de consommation (200) représentative de la période donnée ; dans lequel un maximal (204) de la courbe de consommation est fonction de la valeur maximale d'énergie reçue (102), un minimal (207) de la courbe de consommation est fonction de la valeur minimale d'énergie reçue (103), et une intégrale (209) de la courbe de consommation sur la période donnée est fonction de la valeur d'énergie globale reçue (101) ; et dans lequel la courbe de consommation (200) est déterminée par morceau (201, 202, 203), au moins un premier morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré convexe (201), au moins un deuxième morceau étant une fonction linéaire (202), et au moins un troisième morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré concave (203). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la courbe déterminée (200) est continue sur la période donnée et une dérivée de la courbe déterminée est continue. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la 25 détermination (106) de la courbe de consommation (200) comprend la fixation d'une pente de la fonction linéaire (202) dudit deuxième morceau. 3046482 14 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le procédé comprend en outre une détermination d'une plage de valeurs possibles pour ladite pente en fonction notamment de la valeur maximale reçue (102) et de la valeur minimale reçue (103). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le procédé 5 comprend en outre une estimation (108) de répartition des moyens de production en fonction de la courbe déterminée (200) à l'étape /d/. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape /d/ est réitérée de sorte à déterminer une pluralité de courbes de consommation (200) différentes. 10 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le procédé comprend en outre le calcul (113) d'une distribution d'une répartition des moyens de production en fonction des courbes déterminées à l'étape /d/. 8. Dispositif pour l'optimisation de moyens de production d'énergie, le dispositif comportant : 15 /a/ une interface (303) pour la réception d'une valeur d'énergie globale consommée sur une période donnée ; /b/ une interface (303) pour la réception d'une valeur maximale d'énergie consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /c/ une interface (303) pour la réception d'une valeur minimale d'énergie 20 consommée durant un temps unitaire pendant ladite période donnée ; /d/ un circuit (304) pour la détermination d'une courbe de consommation représentative de la période donnée ; dans lequel un maximal de la courbe de consommation est fonction de la valeur maximale d'énergie reçue, un minimal de la courbe de consommation est fonction de la valeur minimale d'énergie reçue, et une intégrale de la courbe de consommation sur la période donnée est fonction de la valeur d'énergie globale reçue ; et dans lequel la courbe de consommation est déterminée par morceau, au moins un premier morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré convexe, au 3046482 15 moins un deuxième morceau étant une fonction linéaire, et au moins un troisième morceau étant une fonction polynomiale du deuxième degré concave. 9. Produit programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, lorsque ce programme est 5 exécuté par un processeur.