Jumeau numérique : assurer la stabilité et la fiabilité du réseau électrique de demain - Partie 1 de 3

Note aux lecteurs de Blogue

OPAL-RT a organisé un webinaire en direct intitulé "Digital Twin : Ensuring the Stability and Reliability of Tomorrow's Power Grid" (Jumeau numérique : assurer la stabilité et la fiabilité du réseau électrique de demain).
Ce contenu ayant été très bien accueilli, nous avons choisi de le présenter sous la forme d'une série de Blogue en plusieurs parties.
Voici la première partie sur 3.

L'hôte et les invités étaient les suivants :
- Etienne Leduc, Animateur, Responsable Énergie l'offre/marché de l'énergie, OPAL-RT
- Jean-Nicolas Paquin, chef de division, AXES, OPAL-RT
-Ryan Quint, directeur principal, BPS Security and Grid Transformation, North American Electric Reliability Corporation (NERC)
-Miguel Angel Cova Acosta, spécialiste de la modélisation et de l'analyse des réseaux chez Vestas.
-Tim Cervenjak, Network Modeling & Information Manager | Australian Énergie Market Operator (AEMO)
-Jean Belanger, PDG, OPAL-RT
La page d'accueil du jumelage numérique de l'OPAL-RT est la suivante ici.

Jean-Nicolas Paquin, conférencier AXES @ OPAL-RT, Contexte de l'adoption des jumeaux numériques et défis associés

Évolution des systèmes électriques et outils de simulation pour évaluer la sécurité dynamique

Nous pouvons affirmer avec certitude que les technologies de simulation ont évolué en même temps que les technologies informatiques. Et il a toujours été nécessaire que les outils de simulation évoluent également en même temps que les technologies des réseaux électriques.

Sur une ligne de temps simplifiée telle que celle que je présente ici, nous pouvons voir l'évolution et les objectifs de la simulation EMT, du test HIL et de la simulation Phasor :

• Simulation hors ligne EMT pour l'analyse rapide des transitoires et, de nos jours, de plus en plus pour les études de systèmes avec des systèmes de contrôle complexes
• La simulation numérique EMT en temps réel est apparue pour les tests HIL de contrôle et de protection complexes des répliques de contrôle FACTS et HVDC.
• Aujourd'hui encore, la simulation de type Phasor est largement utilisée pour l'évaluation dynamique de la sécurité et les études de planification, mais les experts commencent à en voir les limites et se tournent vers la simulation EMT pour surmonter ces problèmes.

Cela s'explique en partie par le fait que la simulation des phases suppose que le réseau a une grande inertie et que la plupart des générateurs tournent de manière conventionnelle.Elle suppose également que le système est parfaitement équilibré s'il s'agit d'un outil de simulation de séquence positive. Ces hypothèses peuvent ne plus s'appliquer avec une plus grande pénétration des ressources basées sur les onduleurs (ou IBR) pour évaluer la stabilité du système électrique.

Il existe sans aucun doute des possibilités d'adopter de nouvelles méthodes d'analyse de la sécurité des réseaux, et les jumeaux numériques peuvent être une solution.

La complexité du réseau électrique avec l'augmentation des communications

Dans les réseaux électriques modernes, les interactions entre les systèmes de contrôle et de protection locaux (plus rapides) sont beaucoup plus nombreuses et la coordination avec les systèmes de contrôle et de protection à grande échelle est assurée par des systèmes de communication complexes.

Nous voyons également plus d'IBR dans les centrales électriques centralisées au niveau de la transmission - mais on les trouve également dans tout le système de distribution, et toutes ces sources réduiront l'inertie totale en conséquence. Les temps de réaction des sources connectées seront réduits. Comme elles nécessitent des fonctions de contrôle et de protection plus rapides qui interagissent avec le reste du système, la stabilité peut s'en trouver sérieusement affectée.

Voici donc une définition d'un jumeau numérique qui pourrait nous aider à analyser le système électrique moderne complexe :

Un jumeau numérique est une représentation virtuelle du système permettant de mieux comprendre et prévoir son comportement..

Attributs idéaux/clés d'un jumeau numérique de système électrique

Quels pourraient donc être certains des attributs ou caractéristiques idéaux d'un jumeau numérique de réseau électrique ? Nous proposons ici trois catégories principales : l'adaptabilité en temps réel, l'observabilité et la prévisibilité.

• Adaptabilité en temps réel implique que le DT soit synchronisé et connecté au réseau. Il doit être capable de s'adapter aux conditions d'exploitation actuelles en temps réel ou presque. Il doit ou peut ajuster ses modèles internes sur la base de méthodes d'estimation des paramètres.
• L'attribut d'observabilité consiste à de dire que le fait de disposer d'une réplique numérique du système réel peut permettre une meilleure évaluation de tous les états du système, ce que la surveillance seule ne peut pas offrir. Les variables observées sur les jumeaux numériques peuvent être analysées plus en détail, avec des taux d'échantillonnage plus élevés, et avec moins de limitations de trafic et de latence de l'infrastructure de surveillance et de communication.
• Prévisibilité, parce qu'un DT devrait évaluer en permanence les scénarios de défaillance potentiels les plus critiques et contribuer à prévenir l'effondrement du système. À titre d'exemple, il pourrait évaluer plusieurs scénarios basés sur les conditions réelles d'exploitation toutes les 5 à 10 minutes.

Exemple de composants de jumelage numérique de systèmes d'alimentation

Voici un exemple de système électrique Digital Twin avec les attributs que je viens d'évoquer.

Nous pouvons voir qu'il a une capacité d'adaptation en temps réel, et comme il est synchronisé et connecté au système électrique, il s'adapte aux conditions changeantes et inclut le réglage des paramètres.

Ici, l'observabilité et la prévisibilité seraient assurées principalement grâce à la RO en temps réel, plus rapide que la simulation en temps réel, sur le nuage ou sur un ordinateur à haute performance. Le DT fournit des données supplémentaires à l'opérateur par le biais d'évaluations de scénarios multiples, ce qui l'aidera à prendre des décisions.

Cela peut sembler difficile à réaliser, en particulier pour un jumeau numérique qui utiliserait des modèles EMT détaillés, mais la réalité est que les technologies de traitement et de simulation sont maintenant disponibles pour déployer ce concept.

Défis liés aux outils de modélisation et à la gestion des données de modélisation

Mais la fidélité du modèle reste un défi très important.

Certains services publics disposent de quantités limitées de données provenant des équipementiers. La pratique actuelle consiste à utiliser des modèles génériques dans le domaine du phasage, et les conseils de fiabilité tels que le NERC appliquent des règles qui exigent la validation des modèles par des essais sur site. Ces règles peuvent avoir considérablement amélioré l'évaluation dynamique avec des modèles de générateurs conventionnels, mais les modèles génériques proposés en mode phasique ne représentent pas nécessairement les contrôles et les protections de l'électronique de puissance de manière appropriée lorsqu'il s'agit d'IBR.

Dans certains cas, les services publics demandent aux fabricants de fournir des modèles de boîte noire utilisant le code réel de leurs contrôleurs, mais ces modèles ne sont actuellement pas interopérables d'un outil de simulation à l'autre.

Il pourrait donc être nécessaire de proposer de nouvelles règles concernant les modèles OEM, voire d'adopter de nouvelles normes pour les modèles acceptés et interopérables qui peuvent être utilisés pour l'évaluation de la sécurité du réseau.

En outre, ces modèles peuvent exister en plusieurs versions avec des ensembles de paramètres différents. Il n'y a aucune garantie que les paramètres du modèle soient toujours les mêmes que ceux de la centrale électrique à tout moment. Il peut également y avoir différents services d'une même compagnie d'électricité qui travaillent sur des études de système et qui doivent utiliser les mêmes modèles dans leurs contextes respectifs. Il convient donc d'envisager l'utilisation de bases de données de modèles centralisées au sein des compagnies d'électricité. 

Défis liés à l'évaluation dynamique de la sécurité

Un autre défi important que j'ai mentionné plus haut est le caractère discutable des techniques de simulation actuellement utilisées pour l'évaluation de la sécurité. La simulation du phasage présente à elle seule des limites importantes lorsqu'il s'agit de simuler des systèmes à forte pénétration d'IBR, et l'EMT fait l'objet d'une grande attention.

Il est donc important d'envisager une évolution vers la simulation EMT ou une combinaison de simulations de phasers et EMT. L'utilisation d'une technologie de simulation en temps réel qui permet les deux domaines de simulation semble être une solution prometteuse.

Il existe également des défis liés à la couverture des tests et à l'analyse des imprévus, que j'aborderai à l'aide de l'illustration suivante.

Concept d'évaluation dynamique de la sécurité basée sur l'IA à l'aide de jumeaux numériques de systèmes électriques

Lorsqu'il s'agit de simuler des centaines ou des milliers de scénarios, en particulier lorsque l'on ajoute la simulation EMT, le calcul intensif et l'informatique en nuage peuvent aider à déployer des simulations parallèles, par exemple, mais s'il n'y a pas de sélection intelligente des scénarios, nous sommes toujours confrontés à un compromis entre la vitesse d'exécution des tests et les ressources informatiques disponibles.

Il existe donc une opportunité majeure de commencer à utiliser l'intelligence artificielle pour optimiser les simulations et identifier les cas les plus critiques.

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