Le réseau électrique connaît actuellement de profondes mutations à travers le monde. En effet les réseaux d’approvisionnement actuels, qui sont centralisés et incorporent une part importante de centrales à combustible fossile, doivent migrer vers une intégration accrue des sources d’énergies renouvelables (EnR). Le paysage énergétique évolue donc vers une production diversifiée et décentralisée. Les gestionnaires de réseau doivent donc être en mesure de connaître en temps réel le profil de production/consommation ainsi que la stabilité du réseau et la qualité de l’énergie électrique distribuée.

Objectifs

L’objectif général du projet européen est le développement d’une infrastructure métrologique, de manière à réussir la mise en œuvre d’un réseau électrique intelligent en Europe 

L’objectif du projet RNMF associé est la réalisation d’un PMU de référence qui puisse être utilisé pour des mesures sur sites et des tests en laboratoire.

Résumé et premiers résultats

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Le caractère intermittent des EnR et le fait de ne pas pouvoir stocker l’énergie électrique imposent de recourir à une structure de communication capable d’aider à maintenir l’équilibre du réseau électrique, c’est-à-dire par la mise en place d’un réseau dit intelligent et communicant : le « réseau électrique intelligent » ou « smart grid ».

Le réseau intelligent se situe donc à la convergence de deux mondes : celui des télécommunications et celui des réseaux électriques traditionnels, dont la surveillance et le contrôle sont assurés grâce à la gestion de flux importants de données. Ces données proviennent de dispositifs judicieusement positionnés sur le réseau : les synchrophaseurs ou PMU (Phasor Measurement Units). Un réseau intelligent peut donc être assimilé à la superposition d'un réseau électrique traditionnel et d’une structure de communication capable d'assurer la stabilité, la fiabilité et la qualité de la fourniture d'électricité, dans un contexte d'interconnexions de réseaux électriques à grande échelle.

Le projet européen s’adresse aussi bien aux concepteurs qu’aux opérateurs de réseaux intelligents pour faciliter la mesure et la gestion des nombreux paramètres relatifs au fonctionnement des réseaux. Il est piloté par le VSL et a pour objectif général de développer une infrastructure métrologique afin de réussir la mise en œuvre d’un réseau électrique intelligent en Europe. Les travaux métrologiques réalisés dans le cadre de ce projet doivent apporter les méthodes et les moyens de garantir la qualité et la comparabilité des mesures effectuées pour assurer la qualité, la stabilité et une intégration fiable de la génération distribuée de l’électricité. Le travail a été réparti entre 22 partenaires (dont quatre universitaires) et a été organisé en 4 lots de tâches :

  • Créer une infrastructure métrologique pour caractériser, évaluer et étalonner les synchrophaseurs (PMU) utilisés pour contrôler la stabilité du réseau électrique ;
  • Assurer et améliorer la traçabilité des mesures d’énergie électrique sur site ;
  • Développer des instruments portables de mesure sur site de la qualité de l’énergie sur le réseau ;
  • Développer des modèles de mesure de la qualité de l’énergie des réseaux de basse et moyenne tension pour en assurer la surveillance et améliorer leur fiabilité.

Le projet a débuté le 1er septembre 2010 et s’est déroulé sur une durée de trois ans. Le LNE s’est engagé dans le premier lot (relatif à l’étalonnage des PMU).

Les actions menées par le LNE ont donc pour objet de réaliser un PMU de référence (au sens métrologique) qui puisse être utilisé pour la caractérisation de matériels commerciaux. Dans cette perspective, il est essentiel que le PMU développé satisfasse dans un premier temps aux exigences de la norme IEEE C37.118-2005 relative aux conditions statiques d’exploitation des réseaux électriques. Le PMU de référence doit donc être caractérisé en accord avec cette norme. Dans un deuxième temps, le PMU de référence doit satisfaire aux exigences de la norme IEEE C37.118-2011, relative aux conditions d’exploitation dynamique des réseaux électriques intelligents. Au-delà des actions menées dans le contexte du JRP, le LNE a mené des actions complémentaires visant à acquérir les connaissances nécessaires et les moyens de disposer d’outils de référence pour ses propres besoins en tant que laboratoire national dans le domaine de la métrologie électrique.

Un PMU, outil utilisé pour la surveillance et le contrôle d'un réseau électrique, permet, à partir de mesures de signaux de tension et de courant sur le réseau, de déterminer leur amplitude (V et I), la fréquence (f) et la phase (φ), ainsi que les paramètres de contrôle de la stabilité du réseau comme la vitesse de variation de la fréquence (Rate of Change of Frequency, ROCOF). L’ensemble des paramètres mesurés et calculés (phaseur, fréquence, phase, ROCOF, TVE, FE et RFE) constituent une image du réseau à un instant donné. Le terme employé dans la norme IEEE C37.118 pour désigner une telle image est « frame ».

Après une analyse bibliographique des travaux portant sur des PMU et une prospection des différents fabricants, le LNE s’est porté acquéreur d’un PMU qu’il a installé sur son réseau électrique en avril 2011. Cette installation a permis au LNE d’évaluer ses performances sur un cas concret bien qu’une source triphasée sur laquelle on pourrait générer des signaux de formes arbitraires aurait été un bien meilleur outil de test en régime statique et dynamique. Cette première phase du travail a permis de définir les différentes fonctions et caractéristiques du PMU de référence à construire.

Les différents modules matériels du PMU ont été choisis de manière à satisfaire aux exigences en termes de mesure sur site, de transportabilité, de robustesse (résistance aux chocs) et d’immunité aux perturbations externes (fidélité des mesures en termes d’acquisition/génération de données, vitesse, déterminisme). Cet instrument a été construit (matériel de mesure et d’interfaçage avec le réseau et logiciel de traitement des données), mis en œuvre et complètement caractérisé.

Il permet de calculer la fréquence, l’amplitude et la phase du signal incident et le ROCOF (vitesse de variation de la fréquence). Il a été caractérisée en mode statique :

  • Test de variation de la fréquence de la forme d’onde incidente par pas de 1 Hz de 45 Hz à 55 Hz ;
  • Test de variation de l’amplitude de la forme d’onde incidente de 10 % à 120 % de l’amplitude nominale par pas de 10 % ;
  • Test de variation de la phase de la forme d’onde incidente de –180° à +180° par pas de 20° ;
  • Test de mesure de signaux déformés (distorsion harmonique des rangs 1 à 50) de manière à évaluer la robustesse des algorithmes en présence d’harmoniques.

Tous ces tests ont fait l’objet d’un rapport détaillé. Ils ont notamment montré qu’il existait encore des pistes d’amélioration du PMU de référence réalisé, notamment sur les composantes d’incertitude associées à la synchronisation temporelle et à la phase.

Puis, afin de disposer d’une forme d’onde théorique qui se rapproche de celle mesurée sur le réseau pour évaluer les performances du PMU, le LNE a développé une plateforme qui remplit cette fonction. Il s’agit de disposer de signaux répondant aux spécifications des tests en mode statique (norme 2005) et également de celles en mode dynamique (norme de 2011). La plateforme a été développée ainsi que la méthode d’analyse des signaux déformés (signaux constitués de la composante fondamentale et de plusieurs harmoniques fluctuantes).

Ce dernier point sera poursuivi dans le cadre du futur projet européen (SmartGrid 2) qui débutera mi-2014 dans lequel l’accent sera mis sur la caractérisation dynamique des PMU pour les évaluer dans conditions réelles de réseaux, en présence de signaux perturbés par des incidents se produisant de manière aléatoire.

 

Site du projet :

Metrology for smart electrical grids

Impacts scientifiques et industriels

  • Traçabilité des PMU pour la surveillance et la gestion des réseaux électriques largement interconnectés ;
  • Progrès dans le domaine des mesures de l’énergie électrique sur site ;
  •  Modélisation et simulation de fonctionnement des réseaux intelligents pour aider au développement de stratégies de gestion des différentes sources d’approvisionnement.

Publications et communications

NDILIMABAKA H., BLANC I., KURRAT S., BRAUN J.-P. et SIEGENTHALER S., Characterization of a reference PMU according to the IEEE C37.118-2005 Standard”, CPEM 2014.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Design and testing of the reference Phasor Measurement Unit (PMU)”, Euramet/EMRP Metrology for Smart Grids Workshop, Noordwijk, Pays-Bas, 25-26 juin 2013.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Development of a reference Phasor Measurement Unit (PMU) for the monitoring and control of grid stability and quality”, 16e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., Smart electrical grids”, 15e Congrès international de métrologie, Paris, France, 3-6 octobre 2011.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Characteristics of PMU calibrator and PMU architecture”, Progress JRP-SmartGrid meeting, Teddington, Royaume-Uni, mai 2011.

Partenaires

Partenaires du JRP-ENG04 :

  • VSL (Pays-Bas),
  • INM (Roumanie),
  • CEM (Espagne),
  • CMI (République Tchèque), METAS (Suisse),
  • FFII (Espagne), INRIM (Italie), LNE (France),
  • MIKES (Finlande),
  • NPL (Royaume-Uni),
  • PTB (Allemagne),
  • SIQ (Slovénie),
  • SMD (Belgique),
  • SMU (Slovaquie),
  • SP (Suède),
  • Trescal (Danemark),
  • TUBITAK (Turquie),
  • EFZN, 
  • UBS (Allemagne),
  • EIM (Grèce)

Partenaires du LNE :

  • Elspec (fabricant de PMU),
  • EDF (centre de recherche des Renardières)