FR 2999030 A1 20140606 FR 1261634 A 20121205 PROCEDE DE ZONAGE DYNAMIQUE D'UN RESEAU DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de zonage 5 dynamique d'un réseau de distribution électrique pour des services système ouverts à des agrégateurs, des producteurs et des centrales virtuelles, et actionnables par un mécanisme d'offre et de demande. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le domaine technique de l'invention est celui de la conduite de réseau de distribution électrique et celui des opérations de marché de services système pour un distributeur. 15 Le document référencé [1] en fin de description décrit le zonage d'un réseau électrique pour trouver des partitions de réseau minimisant les interconnexions entre partitions, le but étant de gagner en performance pour des calculs de réseau sur 20 des réseaux complexes. Le document référencé [2] décrit un mécanisme d'offre et de demande pour la participation d'agrégateurs de flexibilité à la résolution de surtension due à une production photovoltaïque, sur des 25 zones statiques de transaction. Par flexibilité, on entend trois types de ressources controllables en puissance et connectées sur le réseau : effacement ou report de charge (DR) ; stockage d'énergie (ES) ou génération distribuée (DG) i.e. génération insérée dans le réseau de distribution. Dans l'art connu, aucune application de zonage de réseau ne concerne la problématique de définition dynamique et adaptée du périmètre d'agrégation des flexibilités pour les services système pour l'opérateur du réseau de distribution. La notion de « zones élémentaires » et de « cellules » existe, par exemple pour certaines mises en oeuvre de stratégie de contrôle de tension, mais : Le pilotage des ressources est centralisé, coordonné, directement piloté ressource par ressource, par l'opérateur du réseau de distribution. - Le zonage est statique et pré-défini, comme décrit dans le document référencé [2]. De plus, ce zonage constitue ici la granularité la plus fine du modèle de réseau de distribution, ce qui revient au choix arbitraire du plus grand nombre de zones possibles. Le zonage peut s'accompagner d'installation de matériel permanent sur le réseau, notamment pour offrir des services de reprise en micro-réseau, ou de réseau auto-cicatrisant en utilisant des contrôleurs de cellules, voire de sous-stations compactes secondaires. Les zones ainsi concernées sont figées. Un mécanisme d'offre et de demande pour la résolution de surtension sur un réseau de distribution, par sollicitation d'agrégateurs et de producteurs, est 30 décrit dans le document référencé [2]. Mais il ne permet pas d'assurer les quatre points énumérés ci-dessous : la compartimentation des rôles et des accès aux données entre l'opérateur du réseau de distribution et les agrégateurs commerciaux pour assurer une non-divulgation d'informations sensibles ; la garantie de cohérence de zonage avec la topologie du réseau avec les impacts de toute contribution de ressource potentielle (effacement ou 10 report de charge (DR), stockage, génération d'énergie distribuée (GED ou DG)) ; - la fiabilité assurée des estimations des besoins de l'opérateur du réseau de distribution, par Opposition à un zonage statique et prédéfini ; 15 - la limitation des erreurs d'estimation des besoins de l'opérateur du réseau de distribution, zone par zone : meilleure efficacité, gain en bénéfice (économique) pour la société (« social welfare »). Ainsi, l'état de l'art connu montre que le 20 zonage antérieur est soit inexistant (on reste au niveau nodal), soit inefficace (pas de garantie de cohérence des « clusters » (classes ou groupes) tout au long de la durée de l'application). L'invention a pour objet un procédé de 25 zonage dynamique, c'est-à-dire réactualisable sur la base de prévisions, adapté aux services système pour lesquels le mécanisme doit opérer, pour garder une cohérence du bénéfice attendu des ressources à l'intérieur d'une même zone et permettant d'assurer les 30 points énumérés ci-dessus. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de zonage dynamique d'un réseau de distribution électrique pour des services système ouverts à au moins un agrégateur, ou un producteur et actionnables par un mécanisme d'offre et de demande, caractérisé en ce qu'il utilise un algorithme de « clustering » (ou regroupement/classification) hiérarchique agglomératif, modifié pour assurer un zonage consistant avec la 10 topologie de réseau, et appliqué sur une base de données de vecteurs de facteurs de sensibilité dVi/dPj de la tension en un premier noeud i à un différentiel de puissance active injectée/soutirée en un second noeud j, issus d'un calcul prévisionnel de répartition de 15 charges. Avantageusement l'algorithme de clustering hiérarchique agglomératif utilise l'une des méthodes suivantes : « single linkage », « complete linkage », « average linkage », « weighed linkage », « ward », 20 « centroid », « median ». Avantageusement le critère d'arrêt de l'algorithme de « clustering » (regroupement/classification) pour choisir le zonage final est paramétrable. Le paramètre utilisé peut être 25 l'un des paramètres suivants : - nombre de « clusters » (classes ou groupes), - hauteur de regroupement, - variance « cluster » (classe ou groupe) 30 minimale/maximale, - diamètre de « cluster » (classe ou groupe) minimal/maximal, - distance intra-« cluster » (classe ou groupe) point à point maximale, - taille de « cluster » (classe ou groupe) minimale/maximale, - erreur moyenne quadratique, - distance moyenne entre « clusters » (classes ou groupes), performance de « clustering » (regroupement/classification), - inverse du diamètre de « cluster » (classe ou groupe) minimal/maximal ; - erreur sur les besoins de puissance. Le procédé de l'invention présente les avantages suivants : - Il permet d'assurer les quatre points énumérés ci-dessus. - Il rend le zonage possible et gérable. L'opérateur du réseau de distribution peut maîtriser la dispersion des facteurs de sensibilité à l'intérieur d'un même « cluster » (classe ou groupe), sur tout un horizon de temps à venir. Il minimise le risque de surestimation/sous-estimation des besoins en puissance, et minimise les erreurs de vérification de levée de contraintes, après effacement (« clearing ») des offres. - L'agrégateur dispose de zones permettant un foisonnement de ses offres, et donc une moindre 30 prise de risques, et bénéfice (économique) amélioré pour la société. Dans la suite, les termes « cluster » et « clustering » utilisés sont des termes bien connus dans le domaine de l'invention qui signifient respectivement classe ou groupe, et regroupement/classification. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre les échanges entre l'opérateur d'un réseau de distribution et un agrégateur, dans le cadre d'un service système pour le distributeur, via un mécanisme de marché avec appel d'offres de flexibilités. La figure 2 illustre les étapes de calcul correspondant au diagramme de la figure 1, dans le procédé de l'invention. La figure 3 illustre un dendogramme proposant les « clusters » (classes ou groupes) optimaux. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le procédé de l'invention est un procédé de zonage dynamique d'un réseau de distribution électrique qui utilise un algorithme classique de « clustering » (regroupement/classification), c'est-à-dire de regroupement ou de classification, hiérarchique agglomératif, comme décrit dans le document référencé [31, modifié pour assurer un zonage consistant avec la topologie de réseau, et appliqué sur une base des données de vecteurs de facteurs de sensibilité dVi/dPj de tension en un premier noeud i à un différentiel de puissance active injectée/soutirée en un second noeud j, issus d'un calcul prévisionnel de répartition de charges. Le mécanisme général dans lequel s'inscrit le procédé de l'invention est illustré sur le diagramme de la figure 1. Ce diagramme présente les messages et les flux de séquences en cas d'appel de puissance requis par l'opérateur du réseau de distribution (DSO) pour gérer une violation potentielle du niveau de tension (surtension ou sous-tension). Ce diagramme présente les actions réalisées un jour j-1 à l'avance ou en cours de journée (« intraday ») pour traiter une violation de contrainte technique de réseau, potentiellement dommageable, devant survenir sur au moins un pas de temps d'un jour j donné, d'après les prévisions. Du côté opérateur du réseau de distribution (DS0), on a successivement : une analyse 1 des violations potentielles, - une définition 2 d'un zonage pour un service auxiliaire, - une création 3 de demandes d'offres de flexibilité auprès de parties tierces, avec ouverture 25 de guichet du marché de flexibilités - une association 4 d'offres et de demandes, avec sélection des offres retenues, - une estimation 5 de l'état du réseau, - un test 6 pour savoir si une violation a 30 été résolue. Du côté agrégateur, on a: une création d'offre 7 à partir des flexibilités agrégées de ses ressources contenues dans la zone, une répartition 8 du planning d'activation des flexibilités pour assurer l'offre retenue, ce marché étant dédié à résoudre une congestion du réseau. Les requêtes de l'opérateur du réseau de distribution (DSO) ainsi que les offres de flexibilités en puissance active déposées par l'agrégateur se font sur des zones préalablement définies (les zones d'agrégation), dont la définition a été faite en amont sur la base des calculs prévisionnels de répartition de charge (« load flow »), au jour j-1 ou en une journée (« intraday »). Une telle démarche est explicitée dans le diagramme de la figure 2 pour le cas d'un service pour le réglage de tension. Une solution comparable est applicable aussi pour une contrainte d'intensité admissible des lignes et des ouvrages. Dans ce diagramme, les étapes 11, 12 et 13 sont des étapes classiques qui ne nécessitent pas de développement particulier. Les calculs de répartition de charges sont effectués sur n pas de temps de l'horizon, nombre dépendant de l'horizon de prévision et de la fréquence des sorties de prévision de courbes de charge et de production, aux noeuds du réseau. L'algorithme de calcul de répartition de charge est quelconque, et peut être équilibré ou bien triphasé déséquilibré. Les valeurs obtenues sont comparées à des limites réglementaires et techniques (courant, tension). Dans l'étape 14, pour chacun des n résultats de l'algorithme de répartition de charge, les facteurs de sensibilité en tension sont calculés, à partir de l'inverse du Jacobien : go ao (5P dV a dP --(k) l' aQ a(2- ) On note Su(k) le facteur de sensibilité de tension en un noeud à la puissance active injectée/soutirée en un noeud j, au pas de temps k : Un ensemble de noeuds à surveiller en tension est sélectionné feNode_i}i=1".M. Les alternatives pour les noeuds surveillés sont : tous les noeuds ; 20 ii. les noeuds en contrainte ; les noeuds en contrainte et les noeuds presque en contrainte (tension comprise dans une marge, autour de la limite). Sur tout cet ensemble, les facteurs de 25 sensibilité de tension d'un soutirage / injection de puissance active Pj au noeud j sont concaténés pour former un vecteur Xj ayant la forme suivante : 15 5. , sm»70] Un ensemble de pas de temps est également sélectionné ft_klk=1...K. Les alternatives pour les pas de temps conservés sont : i. un seul pas de temps (zonage haro-différencié) tous les pas de temps ; iii. les pas de temps avec les noeuds en contrainte ; iv. les pas de temps avec les noeuds en contrainte et les noeuds presque en contrainte (tension comprise dans une marge, autour de la limite) ; v. autre critère : pas de temps représentatifs, au choix de l'utilisateur. Sur tout cet ensemble de K pas de temps sélectionnés, les vecteurs Xj (k) sont concaténés pour former un vecteur Xj de dimension L : " Xi (12) ' - Al,. W)] Chaque noeud j est ainsi référencé comme un point de coordonnées Xj dans un espace de dimension L Dans l'étape 15, le « clustering » (regroupement/classification) est appliqué aux N noeuds du réseau : un algorithme de « clustering » (regroupement/classification) hiérarchique agglomératif est appliqué, avec une modification à la ligne 6 ci- dessous pour garantir la cohérence en connectivité des « clusters » (classes ou groupes) à chaque étape. Cet algorithme peut avoir la forme suivante donnée en annexe, en fin de description. Un tel modèle d'algorithme s'applique aux différentes variantes calquées de méthodes décrites dans le document référencé [3], « single linkage », « complete linkage », « average linkage », « weighted linkage », « ward », « centroid », « median », qui vont différer seulement par la formule de mise à jour de la distance à chaque nouveau « cluster » (classe ou groupe) (voir ligne 10 de l'algorithme ci-dessus), et la définition de la dissimilarité entre « clusters » (classes ou groupes). Le choix d'un algorithme classique (méthode Ward) est réalisé ici, sur des considérations de configuration et de propriétés (« biais ») connues de cette méthode particulière, adéquats de critères d'un « bon » zonage. Mais il faut remarquer que de très nombreux autres algorithmes de « clustering (regroupement/classification) sont possibles. Pour la méthode Ward, on a : cl( lu J, K) - d (I, K) +(rtj nia. (j., K - ne, d (1 , J) + nJ -4- ne à partir de la distance euclidienne point à point, et la dissimilarité entre « clusters » (classes ou groupes) : diss(A,B) 12.L.-11.1B1 IAI IB I .4 - avec cA et cs centres de gravité des « clusters » (classes ou groupes). Le résultat de l'algorithme de « clustering » (regroupement/classification) hiérarchique est un dendrogramme illustré sur la figure 3, proposant les « clusters » (classes ou groupes) optimaux, pour tous les nombres de « clusters » (classes ou groupes), de N « clusters » (classes ou groupes) (autant que de noeuds) à un seul (une zone 10 unique). L'axe horizontal donne les indices des « clusters » (classes ou groupes). Le niveau (hauteur) de chaque noeud de l'arbre est proportionnel à la nouvelle valeur d'inertie intra-« cluster » (classe ou groupe), en choisissant le rapport inertie intra- 15 « cluster » (classe ou groupe)/inertie totale. Le critère d'arrêt pour fixer le choix de zonage final est paramétrable selon l'un ou l'autre des paramètres suivants : nombre de « clusters » (classes ou 20 groupes) ; - hauteur de regroupement : rapport (inertie intra-« cluster » (classe ou groupe))/(inertie totale). - variance de « cluster » (classe ou 25 groupe) minimale/maximale ; - diamètre de « cluster » (classe ou groupe) minimale/maximale ; - distance intra-« cluster » (classe ou groupe) point à point maximale sur toutes les 30 observations ; - taille de « cluster » (classe ou groupe) minimale/maximale ; - Erreur quadratique moyenne (« Mean Square Error») - distance moyenne entre « clusters » (classes ou groupes) ; - performance de « clustering » (regroupement/classification) ; - inverse du diamètre de « cluster » (classes ou groupes) minimale/maximale ; - erreur sur les besoins de puissance. Les étapes 16 et 17 sont détaillées pour les besoins de validation. Pour tout regroupement de noeuds j dans une zone d'agrégation G, on définit pour chaque noeud i et chaque pas de temps k, le facteur de sensibilité de la tension (au noeud i) à un différentiel (respectivement, négatif et positif - en convention générateur) de puissance active (en un « cluster » (classe ou groupe) G) par : _f_k) = Min3 5(0) si Vi(k):..- - marge) (k)= Max.re ,1(k)) si 1,,r(k) (11- marge) 1 Et {Si,6 (C) = Max) EG (S.- (k) si 17,(k) > V - marge) S i,u +(k) = M in], - ,(k) si 1 7 i(k) -2; (:v È, ± mar g e) (jc) = 5 : : sinon d (G) C = car d( S L ,(k) Sin° n Pour exprimer un besoin de flexibilité sur une zone G afin de résoudre une contrainte sur un noeud , on applique la formule suivante : f A17, = SG_.APC, APG- 0 Le besoin en flexibilité est une valeur purement indicative à destination des agrégateurs, 10 puisqu'une flexibilité faible peut atteindre des valeurs irréalistes de besoins de flexibilité. Une mesure, au niveau du noeud i de l'erreur due au regroupement G, peut ainsi s'exprimer comme : 15 Une combinaison (somme pondérée) des erreurs au niveau des noeuds contraints ou précontraints due au zonage global peut être aussi 20 utilisée en critère d'arrêt du « clustering » (regroupement/classification). Pour effectuer : a) la sélection (« clearing ») des offres retenues des agrégateurs sur les zones G_j ; 25 b) la vérification de la levée de contraintes sans calcul de répartition des charges du réseau, on utilise la formule suivante : avec Vk la tension de l'algorithme de répartition de charges initial et zIP(k) les flexibilités activées sur les zones G_j. 15 = 17: c (k) (a) (k). P (k) (b) Références [1] « Network decomposition using evolutionary algorithms in Power systems » de C. Angeline Ezhilarasi 5 et K. Shanti Swarup (International Journal of Machine Learning and Computing, vol. 1, N°1, Avril 2011). [2] « ADDRESS technical and commercial architectures - Core document » de R.Belhomme, M. Sebastian, A. Diop, 10 M. Entem, F. Bouffard, G. Valtorta, A. De Simone, R. Cerero, C. Yuen, S. Karkkainen, W. Fritz. (Core document of ADDRESS Deliverable D1.1, ADD-WP1-T1.5-DELEDF-D1.1-Technical and-Commercial Architectures-V1.0, part 2.5.2 « Scheduled Re-profiling for Voltage 15 Regulation and Power Flow control - Slow (SRP-VRPF-SL))) Octobre 2009, http://www.addressfp7.org/. [3] « Cluster analysis » de Brian S. Everitt, Sabine Landau, Morwen Leese, Daniel Stahl, (2011, John wiley & 20 Sons Ltd, parties 4 à 4.2.5 « hierarchical clustering », pages 71 à 97, 5' édition). SP 53436 DB 17 Annexe 1: procedure Improved_clustering(S, d) S: noeud d: dissimilarité par paire 2: N 'SI . Nombre de noeuds d'entrée 3: L [ ] . liste de sortie 4: size[x] 4- 1 for ail x e S 5: for i 0, . . . ,N - 2 do 6: (a, b) - argmin(SxS)U,\ f(x,y) connectivity(a, b) - l'aise) d 7: Append (a, b, da, b]) to L. 8: S S \ {a, b} 9: Create a new node label n NOT(n eS). 10: Update d with the information d[n, xj = d[x, n] Formula(d[a, x], d[b, x], d[a, b], size[a], size[b], size[x]) for ail x E S. 11: size[n] - size[a] ± size[b] 12: S S U fnl 13: end for 14: return L . the stepwise dendrogram, an ((N - 1) x 3)-matrix 15: end procedure (A montre la diagonale dans le produit cartésien s x 25 S. (connectivity (x,y)-true si 3 nodes (a,b) Ybus(a,b) (x, y) REVENDICATIONS1. Procédé de conduite d'un réseau de distribution électrique comportant plusieurs noeuds avec répartition des charges et estimation des besoins en puissance, dans lequel on réalise un zonage de ce réseau pour des services systèmes ouverts à au moins un agrégateur ou un producteur, et actionnables par un mécanisme d'offre et de demande, caractérisé en ce 10 qu'il comprend les étapes suivantes : - on réalise un zonage dynamique de ce réseau de distribution électrique en utilisant un algorithme de regroupement/classification hiérarchique agglomératif aux noeuds de ce réseau de distribution 15 électrique, - on applique cet algorithme sur une base de données de vecteurs de facteurs de sensibilité dVi/dPj de la tension en un noeud i du réseau de distribution électrique à un différentiel de puissance 20 active injectée/soutirée en un noeud j du réseau de distribution électrique, issus d'un calcul prévisionnel de répartition de charge, - on obtient un zonage final consistant avec la topologie du réseau de distribution électrique 25 lorsqu'un critère d'arrêt est obtenu. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'algorithme de regroupement/classification hiérarchique agglomératif utilise l'une des méthodes 30 suivantes « single linkage », « complete linkage »,« average linkage », « weighed linkage », « ward », « centroid », « median ». 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le critère d'arrêt de l'algorithme de regroupement/classification pour choisir le zonage final est paramétrable. 4. Procédé selon la revendication 3, dans 10 lequel le paramètre utilisé est l'un des paramètres suivants : - nombre de classes, - hauteur de regroupement, - variance classe minimale/maximale, 15 - diamètre classe minimal/maximal, - distance intra-classe point à point maximale, - taille de classe minimale/maximale, - erreur quadratique moyenne, 20 - distance moyenne entre classe, performance de regroupement/classification, - inverse du diamètre de classe minimal /maximal, 25 - erreur sur les besoins de puissance.