Simulation de réseau pour les services publics et les études d'interconnexion

Principaux enseignements

• Le modèle de réseau est l'élément essentiel sur lequel repose un programme d'étude des services publics, et la qualité de l'étude dépend du degré d'actualisation de ce modèle.
• La planification, l'exploitation et l'analyse des interconnexions posent des questions différentes concernant un même réseau ; ainsi, un seul dossier bien tenu vaut mieux que trois copies distinctes.
• Le débit d'interconnexion s'améliore davantage lorsque les modèles dynamiques validés sont prêts avant l'arrivée d'une requête plutôt que d'être élaborés en cours d'étude.

Un logiciel de simulation de réseau électrique fonctionne de manière optimale lorsqu’un seul modèle de réseau, régulièrement mis à jour, permet de répondre aux questions de planification, d’exploitation et aux demandes d’interconnexion sans devoir être recréé à chaque étude.

Ce modèle est soumis à une charge de travail considérable. Fin 2025, plus de 2 060 GW de capacité de production et de stockage faisaient l’objet d’une demande de raccordement au réseau de transport, répartis sur environ 8 200 projets, et chaque demande est placée dans une file d’attente d’études que quelqu’un doit traiter. Un volume de cette ampleur distingue le gestionnaire de réseau qui considère son modèle de réseau comme un actif à entretenir de celui qui doit constituer un dossier spécifique pour chaque projet.

La simulation du réseau électrique au sein d’un gestionnaire de réseau ne consiste pas tant à choisir un solveur qu’à mener un programme d’études cohérent, depuis un scénario de planification à l’horizon 2035 jusqu’à la signature d’un accord d’interconnexion. Le modèle est un atout à part entière. La qualité des études, le débit des files d’attente et la confiance des opérateurs dépendent tous de la manière dont il est entretenu.

Ce que couvre la simulation de réseau dans le cadre d'un programme d'études sur les services publics

La simulation de réseau consiste à modéliser mathématiquement un réseau électrique afin de prévoir comment les tensions, les courants, la fréquence et les dispositifs de protection réagissent à une perturbation ou à un nouveau raccordement. Au sein d'un gestionnaire de réseau, elle sert à trois missions permanentes : la planification à long terme, le soutien à l'exploitation et l'examen technique des demandes de raccordement de générateurs.

Ces postes ont pratiquement tout en commun sur le fond. Qu’il s’agisse d’un planificateur vérifiant les pics de consommation estivaux sur un couloir de 230 kV, d’un ingénieur d’exploitation fixant les limites pour le lendemain après une panne de ligne ou d’un ingénieur en interconnexion étudiant une demande de 200 MW combinant énergie solaire et stockage, tous s’appuient sur les mêmes données relatives aux barres omnibus, aux dérivations et aux générateurs. Lorsque chaque équipe conserve sa propre copie, les résultats ne concordent plus.

Le fait d’exploiter le programme comme un système de référence unique modifie les priorités de vos ingénieurs. Ils cessent de comparer les dossiers entre eux et commencent à débattre des résultats, ce qui est le véritable sujet de discussion. Cela raccourcit également le parcours d’intégration d’un nouveau planificateur, car il n’y a plus qu’un seul historique de dossier à maîtriser au lieu de trois. La plupart des services publics estiment que cette consolidation est plus difficile sur le plan politique que sur le plan technique.

En quoi les études de planification et les études opérationnelles diffèrent-elles en termes d'objectif ?

La principale différence entre les études de planification et les études d'exploitation réside dans la question à laquelle chacune d'elles apporte une réponse. Les études de planification visent à déterminer si le réseau tiendra le coup dans 5 à 15 ans, compte tenu de l'augmentation de la charge et des nouvelles capacités de production. Les études d'exploitation visent à déterminer s'il tiendra le coup ce soir, compte tenu des équipements en service et des coupures déjà programmées.

Le horizon temporel conditionne tous les choix en aval. Un scénario élaboré pour un pic estival de 2035 repose sur des prévisions de charge et un parc de production qui n’existent pas encore ; il peut donc s’appuyer sur des hypothèses. Un scénario à un jour, en revanche, s’appuie sur le calendrier réel des indisponibilités, l’engagement réel des unités et un instantané de l’estimateur d’état, et ne tolère pratiquement aucune hypothèse.

Ces deux types d'études découlent du même modèle mis à jour. La planification projette le scénario de base dans le futur, tandis que les opérations l'adaptent aux conditions actuelles. C'est ce qui permet à un ingénieur de la salle de contrôle de se fier à une limite établie sur la base d'une hypothèse formulée trois ans plus tôt.

Élaboration du modèle de réseau de référence sur lequel s'appuie un service public

Un scénario de référence est un instantané validé du réseau qui sert de point de départ à toute étude. Il contient les paramètres électriques du système physique ainsi que les réglages qui déterminent le comportement des équipements en cas de dysfonctionnement, et il est constitué à partir de données dispersées dans plusieurs systèmes des services publics.

La plupart de ces données existent déjà quelque part. Le travail consiste à les rassembler en un seul endroit et à vérifier qu'elles concordent.

• Données relatives à l'impédance des lignes et des câbles tirées des plans d'exécution plutôt que d'estimations de conception
• Caractéristiques nominales indiquées sur la plaque signalétique des transformateurs, plages de prises et configurations d'enroulements à chaque niveau de tension
• Les réglages des relais de protection et les temps de déclenchement des disjoncteurs correspondent à ce qui a été programmé par les équipes de terrain
• Composition de la charge par alimentateur, y compris la part des moteurs, car ceux-ci dominent la récupération de tension
• Les paramètres de commande de l'onduleur ont été vérifiés à l'aide des rapports d'essais réalisés sur site plutôt qu'à partir des fiches techniques

C'est sur ce dernier point que la plupart des programmes perdent du terrain. Les données nominales sont faciles à collecter, mais ce n'est pas le cas des paramètres de contrôle, car ceux-ci changent lors de la mise en service, puis à chaque mise à jour du micrologiciel. Un utilitaire qui les capture une seule fois lors de la mise sous tension intègre un modèle qui s'écarte progressivement de la réalité de l'installation, jusqu'à ce qu'une simulation de perturbation ne corresponde plus à l'enregistrement.

Maintenir la précision du modèle de réseau d'un cycle d'étude à l'autre

La précision d'un modèle diminue d'elle-même. Les équipements sont remplacés, les paramètres de protection sont réajustés, les micrologiciels des onduleurs sont mis à jour, mais aucun de ces changements n'est répercuté dans l'étude tant que personne ne les y intègre. La maintenance du modèle consiste à suivre un cycle de mise à jour défini, avec des responsables désignés, plutôt qu'à actualiser les données lorsqu'une étude échoue.

Les résultats de l'audit montrent à quel point l'écart se creuse. Sur les 150 installations de production équipées d'onduleurs examinées par le NERC, les paramètres de maintien de tension ne correspondaient aux réglages sur site que dans 35 % à 44 % des cas, et le gain de droop ne correspondait que dans 45 % des cas. Or, ce sont précisément ces paramètres sur lesquels repose une étude de résistance aux défauts ; par conséquent, un décalage ne conduit pas simplement à une réponse légèrement erronée. Il conduit à une réponse erronée, mais présentée avec une telle assurance qu’elle passe le contrôle.

Certaines entreprises de services publics associent les mises à jour des modèles au processus de contrôle des modifications régissant les réglages des relais ; ainsi, un réglage ne peut être validé sur le terrain sans qu’il existe un enregistrement correspondant dans le modèle. D’autres procèdent à une validation annuelle, en reproduisant les perturbations enregistrées et en comparant la réponse simulée aux données de mesure phasorielles. Ces deux approches s’avèrent efficaces à long terme. En revanche, considérer la mise à jour des modèles comme une tâche à réaliser à la dernière minute ne l’est pas.

« Ce sont là les paramètres sur lesquels repose une étude de résistance aux pannes ; par conséquent, un décalage ne donne pas un résultat légèrement erroné. »

Ce qui est requis à chaque étape du processus d'étude d'interconnexion

Le déroulement d'une étude d'interconnexion passe progressivement de la phase de présélection à celle de l'ingénierie détaillée, chaque étape portant sur un aspect plus précis du modèle. Les premières étapes visent à vérifier si un projet est globalement réalisable. Les étapes suivantes permettent de définir la répartition des coûts et les spécifications techniques des équipements, qui sont ensuite consignées dans un accord signé.

Cette démarche privilégie la préparation plutôt que la rapidité. Un gestionnaire disposant déjà de modèles dynamiques validés pour le parc environnant réalise une étude d’impact sur le réseau en quelques semaines, tandis qu’un autre, qui doit se procurer les modèles des fabricants pour chaque centrale voisine, consacre ce temps à la collecte de données. La plupart des études qui s'enlisent échouent à cause des données plutôt que de l'analyse ; ainsi, les services publics qui rejettent dès le départ les ensembles de modèles incomplets perdent moins de semaines à devoir refaire l'étude par la suite. Une étude d'installation portant sur une zone à forte concentration d'onduleurs nécessite également des détails sur les transitoires électromagnétiques qu'un outil de flux de charge ne peut pas fournir ; c'est pourquoi OPAL-RT a développé HYPERSIM et ePHASORSIM afin que vous puissiez passer d'un niveau de détail à l'autre sans avoir à refaire toute l'étude.

La place de l'analyse de la capacité d'accueil dans les travaux de planification des services publics

L'analyse de la capacité d'accueil permet de déterminer la quantité de production supplémentaire qu'une ligne d'alimentation ou un poste électrique peut prendre en charge avant que les limites de tension, thermiques ou de protection ne soient dépassées. Elle est réalisée en amont de toute demande spécifique, ce qui permet aux développeurs et aux planificateurs d'identifier les marges disponibles sans avoir à lancer une étude officielle.

Les gestionnaires de réseaux de distribution publient ces résultats sous forme de cartes accessibles au public, et l'effet de filtrage est immédiat. Un promoteur qui repère une ligne d'alimentation de 12 kV disposant d'une marge de 4 MW choisira de s'implanter à cet endroit plutôt que sur une ligne saturée située à deux kilomètres de là. Une demande que personne ne dépose, c'est un cycle d'étude que votre équipe peut économiser.

La fiabilité d’une analyse dépend entièrement de celle du modèle sur lequel elle repose. Les modèles de raccordement reposant sur des estimations de la longueur des conducteurs et des paramètres de régulation manquants donnent lieu à des marges de sécurité qui s’effondrent dès la première étude approfondie, et c’est le service public qui en paie le prix en termes de crédibilité. La mise à jour régulière des résultats, selon un cycle fixe, à partir du même modèle que celui utilisé par les planificateurs, permet de garantir la cohérence entre les chiffres publiés et ceux issus des études.

Ce qu'apportent des programmes d'études rigoureux sur toute la durée de vie d'un système

Un programme d'étude des services publics gagne la confiance petit à petit, mais la perd en un clin d'œil. Les avantages tirés de modèles mis à jour, de cas classés par version et d'une séquence d'étude documentée se traduisent par des réponses qui tiennent la route lorsqu'un développeur les remet en question, lorsqu'un organisme de régulation les examine et lorsqu'un opérateur les met en œuvre à trois heures du matin.

Il ne s'agit en rien d'ingénierie de pointe. C'est simplement la gestion des dossiers appliquée à un actif technique, et les services publics qui l'ont bien menée ont confié cette tâche à une personne en particulier. Les ingénieurs chargés de ces programmes vous diront que le plus difficile n'a jamais été la simulation. Le plus difficile a été de parvenir à ce que les propriétaires de centrales, le groupe de protection et les planificateurs s'accordent sur un ensemble de chiffres.

Le rôle de l'outil est de ne pas gêner le processus. Une « plateforme » imposant la création de modèles distincts pour les analyses en régime permanent, les analyses transitoires et les tests matériels alourdit chaque cycle ; c'est pourquoi OPAL-RT s'articule autour d'une lignée de modèles unique, réutilisée pour l'ensemble de ces applications. 

« Choisissez le bon modèle, veillez à ce qu’il reste adapté, et votre programme d’études cessera d’être le goulot d’étranglement dont se plaint votre file d’attente. »