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ÉTUDE DES OUTILS DE SIMULATION DE RÉSEAUX ÉLECTRIQUES À CODE SOURCE OUVERT POUR

ÉTUDE DES OUTILS DE SIMULATION DE RÉSEAUX ÉLECTRIQUES À CODE SOURCE OUVERT POUR DES SIMULATIONS PARAMÉTRIQUES DE LONGUE DURÉE Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM ÉTUDE DES OUTILS DE SIMULATION DE RÉSEAUX ÉLECTRIQUES À CODE SOURCE OUVERT POUR DES SIMULATIONS PARAMÉTRIQUES DE LONGUE DURÉE Préparé par : Marc‐André Moffet Frédéric Sirois, Ph.D. École polytechnique de Montréal et David Beauvais CanmetÉNERGIE, Centre de recherche de Varennes Date 11 juillet 2011 CITATION Marc‐André Moffet, Frédéric Sirois et David Beauvais, Étude de simulation de réseaux électriques à code source ouvert pour des simulations paramétriques de longue durée, rapport technique CanmetÉNERGIE 2011‐137, Juillet 2011. AVIS Le présent rapport est diffusé uniquement à titre documentaire. Il ne reflète pas nécessairement l’opinion du Gouvernement du Canada et ne constitue une recommandation à l’égard d’aucun produit commercial ni d’aucune personne. Ni le Gouvernement du Canada, ni ses ministres, agents, employés ou mandataires ne donnent de garantie à l’égard du présent rapport et n’assument aucune responsabilité liée à son utilisation. REMERCIEMENTS Le financement de ce projet de recherche provient du programme de recherche et de développement énergétiques (PRDE) de Ressources Naturelles Canada. Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM i TABLE DES MATIÈRES Liste des tableaux.........................................................................................................................................iii Liste des figures............................................................................................................................................iii 1 Introduction............................................................................................................................................1 2 Description des outils de simulation.......................................................................................................3 2.1 OpenDSS...................................................................................................................................................... 4 2.1.1 Description du logiciel................................................................................................................... 4 2.1.2 Types de simulations..................................................................................................................... 5 2.2 GridLAB‐D.................................................................................................................................................... 6 2.2.1 Description du logiciel................................................................................................................... 6 2.2.2 Types de simulations..................................................................................................................... 7 2.3 APREM......................................................................................................................................................... 8 2.3.1 Description du logiciel................................................................................................................... 8 2.3.2 Types de simulations..................................................................................................................... 8 2.4 Comparaison des logiciels........................................................................................................................... 9 3 Première étude de cas : Calcul des pertes d’une ligne de distribution avec l’ajout de production décentralisée ........................................................................................................................................11 3.1 Méthodologie............................................................................................................................................ 11 3.2 Description des paramètres...................................................................................................................... 11 3.2.1 Données de production décentralisée........................................................................................ 11 3.2.2 Données de la charge.................................................................................................................. 12 3.2.3 Modèle électrique de la ligne de distribution............................................................................. 13 3.3 Mise en œuvre des simulations ................................................................................................................ 14 3.4 Analyse du cas de simulation.................................................................................................................... 15 3.5 Analyse comparative des logiciels............................................................................................................. 16 3.5.1 Résultats ..................................................................................................................................... 16 3.5.2 Discussion ................................................................................................................................... 17 4 Deuxième étude de cas : Calcul de l’économie d’énergie annuelle suite au contrôle asservie de la tension..........................................................................................................................................19 4.1 Introduction de l’étude de cas .................................................................................................................. 19 4.2 Description des paramètres...................................................................................................................... 19 4.3 Résultats.................................................................................................................................................... 21 4.4 Discussion.................................................................................................................................................. 21 Conclusion ...................................................................................................................................................23 Références...................................................................................................................................................25 Annexe 1 – Exemple de code avec opendss................................................................................................27 Annexe 2 – Exemple de code avec Gridlab‐D..............................................................................................33 Annexe 3 – Exemple de code avec APREM .................................................................................................39 Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM ii Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM iii LISTE DES TABLEAUX Tableau 2.1 : Synthèse des caractéristiques des logiciels........................................................................... 10 Tableau 3.1 : Comparaison des résultats selon les différents modèles...................................................... 16 Tableau 3.2 : Temps de calcul selon les différents logiciels........................................................................ 17 Tableau 4.1 : Temps de calcul selon les différents logiciels pour une simulation annuelle sur un circuit de 30 barres et 63 charges............................................................................................................................... 21 LISTE DES FIGURES Figure 3.1 : Courbe de puissance de l'éolienne V66 ................................................................................... 12 Figure 3.2 : Charge pour une semaine d’une ligne de distribution en été et en hiver ............................... 13 Figure 3.3 : Modèle simplifié de la ligne de distribution (4) avec production décentralisée de type éolien en bout de ligne........................................................................................................................................... 14 Figure 3.4 : Pertes hebdomadaires de ligne avec (rouge) et sans (bleu) production décentralisée calculées avec le modèle de ligne no. 4 ...................................................................................................... 15 Figure 4.1 : Schéma du réseau de distribution tel que représenté par l’outil de visualisation d’OpenDSS................................................................................................................................................... 21 1 INTRODUCTION Le développement progressif d’un réseau électrique intelligent (Smart Grid) capable de gérer la production distribuée, la recharge des véhicules électriques ou de nombreux automatismes de réseaux exige de nouveaux outils de simulation de réseau [1] [2] [3]. Le déploiement progressif d’un grand nombre de ressources distribuées, dont du stockage et des charges flexibles, pose, entre autres défis, celui de bien modéliser et simuler le réseau. Essentiellement, une plus grande granularité de l’information est nécessaire, de même que des outils d’analyse plus performants, capables de traiter une plus grande quantité d’information dans le temps. Avec l’avènement des réseaux électriques intelligents, de nouvelles fonctionnalités de réseau apportent leur lot de défis pour le planificateur. L’intégration de la production décentralisée d’énergie renouvelable peut renverser le sens de l’écoulement de puissance et envoyer de l’énergie au réseau de transport. Une forte pénétration de cette ressource sur un réseau faible peut engendrer des surtensions en bout de ligne de distribution, et donc nécessiter une révision de la régulation de tension et de la protection du réseau. Avec l’électrification des transports, la recharge de véhicules électriques peut surcharger des composantes de réseau en amont des bornes de recharge. Enfin, la gestion de la demande de pointe induit des changements au profil de charge, affectant ainsi les critères et les pratiques de planification de réseau. À moyen terme, le smart grid vise à tirer davantage profit de ces ressources distribuées. Lors d’une panne de réseau, on vise à pouvoir îloter la charge avec la production distribuée et le support additionnel de stockage, de gestion de la demande et de la reconfiguration automatisée, en vue de créer un micro‐réseau autonome et ainsi maintenir l’alimentation électrique d’une communauté. Pour relever ces nombreux défis techniques, les ingénieurs des réseaux de distribution devront ajouter de nouvelles cordes à leur arc. En effet, ils devront être en mesure de pouvoir faire des simulations de type « annuelles » (time series simulation), ainsi que des simulations transitoires long termes (à l’échelle des minutes), pour évaluer, par exemple, l’effet d’une baisse de la production solaire due au passage d’un nuage sur la tension du réseau, ou encore pour optimiser la gestion de la demande et des ressources de stockage d’électricité. C’est dans cette optique que trois outils de simulation des réseaux de distribution récemment développés seront présentés : GridLAB‐D, OpenDSS et APREM. Ces logiciels s’adressent en premier lieu aux planificateurs de réseau et non aux opérateurs. Ils ont l’avantage d’être à code source ouvert et disponibles gratuitement, sur le web dans le cas d’OpenDSS et de GridLAB‐D ou sur demande dans le cas d’APREM. Une description des ces logiciels et de leurs fonctionnalités sont présentés dans ce rapport. Deux études de cas sont simulées avec ces logiciels, et ceux‐ci servent de base de comparaison quant à leurs performances respectives. Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM 1 Rapport technique– 2011‐137 (RP‐TEC) 411‐MODSIM 2 2 DESCRIPTION DES OUTILS DE SIMULATION Dans le domaine de la simulation des réseaux électriques, aucun outil ne peut répondre simultanément à tous les besoins. On peut raisonnablement diviser en trois grands groupes les différents outils développés à ce jour. Premièrement, il y a les outils de simulation en régime transitoire (simulations dans le domaine du temps, sans contrainte sur la durée des simulations), comme par exemple EMTP‐RV, EMTDC, SimPowerSystems, etc. On utilise aussi parfois l’appellation « simulation en temps différé ». Ce type d’outil peut servir, entre autres, à évaluer les impacts sur le réseau électrique de tout ce qui cause un régime transitoire : foudre, fermeture/ouverture d’un disjoncteur, court‐circuit, etc. Les modèles sont en général valides sur de larges plages de fréquences, soit du courant continu jusqu’aux MHz. Deuxièmement, il y a les logiciels d’étude en temps réel (régime temporel synchronisé en temps réel avec des entrées/sorties externes et en général des équipements/systèmes physiques externes) comme RTDS, Opal‐RT, Hypersim, etc. Ces simulateurs, aussi destinés à étudier les régimes transitoires, servent surtout à vérifier le comportement de nouveaux équipements que l’on veut connecter au réseau, notamment des relais de protection. Étant donné la contrainte de temps réel, de gros calculateurs (multi‐processeurs) son requis. Néanmoins, certaines concessions doivent être faites sur la précision des modèles et/ou de la taille des simulations. Troisièmement, il y a les logiciels d’analyse de réseau dans le régime fréquentiel, qui permettent le plus souvent d’effectuer des calculs d’écoulements de puissance, comme par exemple PSAF, ETAP ou PSS/E. Ces logiciels servent à déterminer la solution en régime permanent d’un circuit électrique simple ou complexe. L’utilisateur entre les paramètres électriques des lignes, des transformateurs ainsi que les tensions nominales des nœuds, la production des générateurs et la quantité de charge à un instant donné. Le logiciel détermine par la suite les tensions et les angles à toutes les barres, et par conséquent, l’amplitude et la direction des échanges de puissance entre chacune des barres, permettant ainsi de vérifier qu’il n’y a pas de lignes ou de génératrices surchargées, et que le réseau peut bien supporter les conditions de charge et de production. Toujours dans le domaine fréquentiel, on retrouve d’autres fonctionnalités de calculs ou logiciels dédiés au calcul des courants de court‐circuit, des harmoniques, du réglage des systèmes de protection, etc. Dans l’exercice de planification des réseaux de distribution électriques, une pratique courante de simulation est de ne considérer que le pire cas, soit la charge de pointe de la ligne. La façon de procéder consiste donc à déterminer quelles sont les tensions et les puissances actives et réactives à chaque nœud en régime permanent pour être en mesure de déterminer si le réseau a besoin à terme d’une mise‐à‐ niveau. Pour réaliser ces études, il uploads/S4/ 2011-137-f-2011-etude-des-outils-de-simulation-de-reseaux-electriques.pdf