Comment l’algorithme PSO transforme les smartgrids en 2024 ?

L’algorithme PSO pour smartgrid révolutionne la gestion des réseaux électriques intelligents en optimisant leur fiabilité. Cette recherche met en lumière des résultats prometteurs, notamment une réduction des pertes d’énergie et une amélioration significative du profil de tension, essentiels pour les distributeurs d’énergie.

Chapitre 2 : Matériels et méthodes

Introduction

Dans ce chapitre, nous allons d’abord présenter le réseau test IEEE 13 nœuds et le corridor Bassa-Malangue. Ensuite, nous ferons une étude minutieuse des outils OpenDSS et OMNet++ qui nous permettrons d’interfacer notre réseau électrique au système de supervision pour la mise sur pied d’un smartgrid. Par la suite, nous présenterons l’algorithme PSO pour le placement optimal des productions décentralisées afin d’obtenir de meilleurs résultats de fiabilité. Puis nous montrerons la procédure de calcul des indices de fiabilité sur OpenDSS piloté par Matlab. L’objectif de ce chapitre est de présenter les méthodes de co-simulation utilisées pour l’étude des smartgrids. Pour obtenir les résultats de fiabilité, nous ferons des simulations annuelles.

Matériels

Réseau IEEE 13 nœuds

Le réseau IEEE 13 nœuds est un réseau modèle qui est utilisé pour faire des essais dans un cadre de la recherche. La figure 2.1 nous montre le schéma du réseau IEEE 13 nœuds.

Source:

La source étant sous 115 KV et les autres nœuds sous 4.16 KV à l’exception du nœud 634 qui est sous 0.48 KV.

Le tableau 2.1 nous donne un extrait des caractéristiques de ce réseau, la suite sera donnée en annexe 1.

Tableau 2.1: Caractéristiques du réseau IEEE 13 nœuds

Le corridor Bassa-Malangue

Présentation

En se rapprochant des centres de coordination des réseaux de distribution, nous avons pu entrer en possession du fichier du schéma de distribution de la ville Douala (hors Bonabérie- Souza) dont la dernière mise à jour remonte en février 2019. Le fichier nous renseigne sur la puissance apparente assignée sur chaque poste. La figure 2.2 présente le corridor Bassa- Malangue.

Source:

Ce corridor est constitué de 30 postes de livraison (7 sous cabine et 23 sous poteau). Il est alimenté sous 90 KV à Bassa, les autres postes étant sous 15 KV.

Manquements du corridor Bassa-Malangue

Au niveau de la supervision, le corridor actuel présente de nombreuses limites affectant ainsi les opérations de monitoring du réseau à savoir :

Pour les lignes :

La limite sur le matériels de commutation à distance (interruption télécommandé, capteurs de mesure) ;

Pertes d’énergie importantes au niveau des lignes ;

Chute de tension importante ce qui entraine une diminution de la tension aux consommateurs.

Pour les postes :

Absence de système d’automatisation de l’appareillage des postes ;

Absence d’outils pour la communication à distance ;

Diminution importante de la tension aux postes ;

Pour les centres de monitoring :

Absence d’un réseau informatique de communication ;

Limite du logiciel de serveur data ;

Absence de logiciel de contrôle et d’évaluation de la fiabilité du réseau.

Au cours de l’année ce réseau fait face à de nombreuses coupures en moyenne 4 coupures par semaine. D’où l’absolue nécessité de réduire ces coupures avec de nouvelles méthodes [5].

OpenDSS

Présentation d’OpenDSS

OpenDSS (Open Distribution System Simulator) est un logiciel à code source ouvert développé à l’origine (en 1997) par la firme Electrotek Concepts. L’une des motivations au développement de cet outil a été le calcul des harmoniques et des inter-harmoniques sur le réseau de distribution. Par la suite, différents modules ont été ajoutés, comme des analyses Monte Carlo et des simulations annuelles.

En 2004, le logiciel a été racheté par l’EPRI, dans le but de disposer d’un outil pour simuler l’automatisation avancée et la modernisation des réseaux électriques. C’est dans cette optique que l’EPRI a décidé de rendre le code source disponible gratuitement sur le web via le site [78]. OpenDSS fonctionne par ligne de commande avec sa propre console.

Il est aussi conçu pour être utilisé avec Matlab, Excel, Python et OMNet++. Il est programmé en langage Delphi (Pascal orienté objet). Il peut s’intégrer à différents logiciels via une interface COM. Le logiciel résout le circuit en utilisant une matrice d’impédance avec une méthode particulière d’injection de courant, ce qui lui permet de trouver la tension et le courant à tous les nœuds du circuit en très peu d’itérations [79, 80, 81]. OpenDSS permet de définir les différents éléments du réseau de distribution : lignes, câbles, condensateurs, régulateurs de tension, transformateurs, charges. OpenDSS peut être utilisé pour l’analyse et la planification des réseaux, la simulation des champs solaires et du stockage, les simulations annuelles et les analyses de Monte Carlo.

Les principales applications de l’outil OpenDSS sont :

• L’analyse du réseau électrique de distribution ;
• L’analyse générale des circuits alternatifs polyphasés ;
• L’analyse des productions décentralisées;
• La simulation annuelle des consommations et des productions ;
• Etude probabiliste du réseau de distribution ;
• La simulation des systèmes solaires photovoltaïques ;
• La simulation des réseaux IEEE ;
• La Co-simulation des systèmes électriques intelligents.

Le programme prend en charge presque toutes les analyses en régime permanent (c’est-à-dire dans le domaine fréquentiel) couramment effectuées pour la planification et l’analyse des systèmes de distribution des services publics. De plus, il prend en charge de nombreux nouveaux types d’analyses conçues pour répondre aux besoins futurs dans le monde et à l’avènement du smartgrid. D’autres fonctionnalités prennent en charge l’analyse de l’efficacité énergétique de la distribution d’énergie, le réseau intelligent et l’analyse des harmoniques. Le simulateur OpenDSS est conçu pour être extensible indéfiniment afin qu’il puisse être facilement modifié pour répondre aux besoins futurs.

L’interface COM et l’interface DLL d’appel direct fournissent également un accès direct à l’interface de commande ainsi que l’accès à de nombreuses méthodes et propriétés pour accéder aux modèles du simulateur. Grâce à l’interface de commande textuelle, les programmes écrits par l’utilisateur peuvent générer des scripts pour exécuter plusieurs fonctions souhaitées en séquence.

Le script peut être redirigé vers un fichier texte pour accomplir le même effet que les macros en programmation et fournissent également des caractéristiques de type base de données (bien que le programme ne possède pas techniquement une base de données). De nombreux résultats peuvent être récupérés via l’interface COM ainsi que divers fichiers de sortie.

De nombreux fichiers de sortie ou d’exportation sont écrits au format CSV (valeurs séparées par des virgules) qui peuvent être importés facilement dans d’autres outils tels que Microsoft Excel ou Matlab pour le post-traitement. La figure 2.3 montre la structure d’OpenDSS.

Source:

La figure 2.4 présente l’interface de programmation d’OpenDSS.

Source:

Figure 2.4: Interface d’accueil d’OpenDSS

1. Barre de menu : permet de lancer la plupart des taches dans OpenDSS. Elle contient :
   • File et Edit : permet de créer, ouvrir, sauvegarder et éditer les projets
   • Do : contient les commandes qui sont utilisées pour l’exécution des scripts OpenDSS
   • Set : permet de configurer tous les paramètres tels que la fréquence, le mode, les bus
   • Export : permet de sauvegarder les divers résultats (tension, courant, puissance, pertes…) en fichier .csv
   • Show : permet d’afficher et sauvegarder les résultats en fichier .Txt
   • Visualise : assure l’affichage graphique des éléments sélectionnés via le sélecteur d’élément
   • Plot : permet l’affichage graphique de tout le système
2. Barre d’outils : assure l’accès direct des différentes commandes utilisées dans OpenDSS comme : Sole, Summary, Do Command
3. Fenêtre des scripts de codage : permet directement d’éditer les fichiers .dss
4. Fenêtre summary : nous permet d’avoir un aspect bref du résultat des solutions
5. Outils des scripts : nous permet de sélectionner les scripts à simuler
6. Outils des éléments : nous permet de sélectionner l’élément du circuit à éditer ou à afficher.

La plupart des modes de solutions implémentés dans OpenDSS sont :

• Le mode Snapshot : qui est une exécution directe de l’écoulement de puissance qui reflète l’état du réseau
• Le mode Daily : permet de lancer la répartition de puissance et les solutions de contrôle pour chaque incrémentation. Par défaut, l’incrémentation est d’1 heure pour 24 h
• Le mode Yearly : permet de lancer les actions de résolution pour 8760 h
• Le mode Dutycycle : assure des courtes incrémentations en seconde
• Le mode Harmonics : permet l’analyse du comportement harmonique du système
• Le mode Dynamics : permet de simuler les situations électromécaniques
• Le mode Fault study : permet de spécifier le type et la position d’un défaut
• Le mode Fault study Monte Carlo : permet de sélectionner des éléments spécifiques et leurs positions ensuite le programme choisi en boucle un défaut en un instant donné.

Nous utilisons pour notre simulation : OpenDSS version 9.0.0.3 (64-bit)

Développement du réseau électrique sur OpenDSS

Pour créer un nouveau réseau, il est nécessaire de définir la fréquence. La commande « Set Defaultbasefrequency=50 » doit être utilisée pour cela. Il est important de configurer la tension de la source du réseau qui doit être considéré comme le bus de référence nécessaire pour initialiser la répartition de puissance. La commande qui permet de définir la tension de la source doit avoir ce format :

New object=circuit.bassa basekv =90 pu =1.00 angle=0 Bus1 =BassaBus R1 = Value X1= Value R0 =Value X0 =Value phases=3.

Ici « Bus » est le bus connecté à la source. « basekv= » est la tension composée en KV. « pu= » est le niveau de tension à la source en per unit. «Angle= » représente l’angle de la phase de base. Il est aussi possible de configurer la résistance et la réactance de la source.

Le transformateur

On peut définir le poste de transformation comme suit :

! Substation transformer

new transformer.Bassa Phases=3 Windings=2 Xhl=7 ppm=0

• windings=1 bus=sourcebus conn=Delta kv=90 kva=20000 %r=0.0005 ! %r very low
• windings=2 bus=BassaBus conn=wye kv=15 kva=20000 %r=0.0005

L’utilisateur définit le nombre de phase et d’enroulement (windings). Avec « kv= » et « kva »

l’on définit la tension et la puissance apparente de chaque enroulement (primaire et secondaire).

« xhl= » permet de définir la réactance des enroulements primaire et secondaire. Le pourcentage de perte du transformateur est définit par « %r ».

Un régulateur de transformateur peut être défini par :

new regcontrol.RegExample transformer=ExampleTrans winding=2 vreg=122 band=2 ptratio=20 ctprim=700 R=3 X=9″.

Avec « ptratio= » qui spécifie le ratio du potentiel transformateur qui converti la tension de l’enroulement à la tension du régulateur.

Les lignes

Pour définir les lignes du réseau de distribution, nous devons d’abord configurer le « linecode »

qui spécifie la matrice d’admittance.

! define a linecode for the lines – unbalanced 336 MCM ACSR connection new linecode.336matrix nphases=3 units = km ! horizontal flat construction

• rmatrix=(0.868455 | 0.0298305 0.887966 | 0.288883 0.298305 0.608455)
• xmatrix=(0.2025449 | 0.0847210 0.1961452 | 0.0719161 0.0847210 0.2025449)
• cmatrix=(2.74 | -0.70 2.96| -0.34 -0.71 2.74)
• Normamps = 400 Emergamps=600

Pour définir une ligne, il est nécessaire d’établir deux connexions de bus et la longueur de la ligne.

! define the lines (Make sure they have unique names!)

new line.line1 BassaBus GuinnessBus 336matrix Length=2.25 new line.line2 GuinnessBus SotucBus 336matrix Length=0.25

Les charges

L’élément de charge est définit à travers sa puissance active, sa tension et son facteur de puissance.

! put some loads on the transformers

new load.load01 bus1=GuinnessBus0 phases=3 kv=0.4 kw=250.0 pf=0.88 model=1 class=1 duty=day

new load.load02 bus1=SotucBus0 phases=3 kv=0.4 kw=250.0 pf=0.88 model=1 class=1 duty=day

Les modes de solution

On peut configurer le type de solution du réseau avec la commande « solve mode= ». Pour résoudre un réseau sans une spécifique variation dans le temps, le mode direct peut être utilisé.

Les moniteurs et les capteurs

Les moniteurs sont connectés à un terminal du réseau. Ils affichent les valeurs de tension, courant et puissance sur toutes les phases. Le moniteur exporte les données en fichier csv.

New Monitor.load_guiness_power element=load.load01 terminal=1 mode=1 ppolar=no New Monitor.load_guiness_voltage element=load.load01 terminal=1 mode=0

« element » permet de spécifier où le moniteur est connecté. «terminal » est le terminal de l’élément du réseau qui peut être 1 ou 2. Le moniteur peut observer diverses valeurs dépendant de la configuration. « mode= 0» permet d’observer la tension et le courant et « mode= 1» permet d’observer la puissance.

La commande New Energymeter.M1 transformer.Bassa terminal=1 permet de configurer le capteur d’énergie à tout point du réseau.

La commande plot profile phases=all permet d’avoir le profil de tension des lignes.

La commande plot Loadshape Object=Shape1 permet d’avoir le profil de consommation des charges.

La commande BusCoords IEEE37_BusXY.csv permet de configurer les coordonnées géographiques du réseau. La figure 2.5 nous donne les scripts de certains résultats du système.

Source:

La figure 2.6 présente la visualisation de courant dans un transformateur du réseau 123 nœuds.

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La figure 2.7 présente la visualisation de la tension d’une charge du réseau 123 nœuds.

Source:

La figure 2.8 montre la répartition de la puissance dans le réseau 123 nœuds.

Source:

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⁵ Référence à compléter. ↑