Validation de la protection contre les désynchronisations à l'aide d'une simulation de défauts en temps réel

Principaux enseignements

• Les paramètres de protection contre les désynchronisations n'ont de sens que s'ils sont liés à une courbe d'impédance réelle issue d'une étude de balancement du système.
• La protection contre les balancements violents doit garantir un blocage sûr lors de balancements stables et un déclenchement intentionnel en cas de séparation instable dans des conditions de boucle fermée.
• Les contrôles statiques des relais sont utiles pour la vérification logique, mais ils ne permettent pas de mettre en évidence les interactions temporelles qui déterminent le comportement d'un relais désynchronisé en cas de perturbation.

Les essais de protection contre les désynchronisations, associés à une simulation de défauts en temps réel, permettront de détecter les erreurs de blocage et de déclenchement avant la mise en service d'un relais.

Lorsqu’une perturbation grave prend fin, la protection à distance doit distinguer une oscillation de puissance récupérable d’une véritable perte de synchronisme, et cette distinction dépend davantage du timing que des simples valeurs de déclenchement. Le ministère américain de Énergie 185 incidents électriques en 2023, ce qui montre à quelle fréquence les réseaux électriques sont confrontés à des conditions de contrainte auxquelles les réglages de protection doivent résister. Les contrôles statiques vérifient les entrées et les sorties, mais ils ne reproduisent pas le mouvement source qui rend la protection contre le désynchronisme difficile à évaluer. Il faut une méthode d’essai qui reproduise en une seule séquence la chute de tension, le décalage d’angle du rotor, l’élimination du défaut et la remise en service après défaut. Les équipes de protection considèrent la simulation en boucle fermée comme une étape de validation indispensable, car les variations stables et instables mettent en évidence les réglages défaillants avant la mise en service.

La protection contre les désynchronisations intervient en cas de perte de synchronisme

La protection contre le désynchronisme se déclenche lorsque deux parties du réseau perdent leur synchronisme et que la courbe d'impédance indique que la synchronisation ne se rétablira pas. Elle protège les machines, les lignes et les liaisons contre les glissements répétés des pôles après l'élimination d'un défaut. Les ingénieurs utilisent ce terme pour désigner une protection qui se déclenche dès que les angles des rotors continuent de s'écarter. C'est ce qu'on appelle, en pratique, la protection contre la perte de synchronisme.

Le cas d'un générateur alimentant un réseau via un long couloir illustre bien ce phénomène. Lorsqu'un défaut triphasé est éliminé, la ligne reste en service, mais la machine continue d'accélérer contre le réseau distant, car le couple électrique ne parvient jamais à rattraper son retard. Le relais détecte alors une variation de l'impédance apparente dans les zones de distance qui avaient été configurées pour les défauts. Si cette variation est instable, une coupure contrôlée à un emplacement choisi permettra de mieux limiter les contraintes qu'un déclenchement aléatoire.

Vous cherchez à préserver la partie du réseau capable de rester cohérente. Vous protégez également les équipements qui ne supportent pas un fonctionnement asynchrone prolongé. Cela revêt une importance particulière au niveau des raccordements élévateurs des générateurs, des interconnexions fortement sollicitées et des corridors fragiles. Le relais contribue autant à la stabilité du réseau qu’aux équipements primaires.

Le blocage des variations de puissance permet de distinguer les défauts des variations d'impédance

Le blocage par oscillation de puissance empêche les éléments de distance de se déclencher lors d'une oscillation stable, lorsque une impédance apparente pénètre dans leurs zones sans qu'il y ait de défaut. Il maintient le relais bloqué pendant que les oscillations s'atténuent après la commutation ou l'élimination du défaut. Dès qu'un défaut apparaît, ce blocage doit être levé. C'est cette distinction qui permet de maintenir une ligne en bon état de fonctionnement.

Un cas courant se produit à la suite du déclenchement d'un défaut à distance sur un couloir d'exportation fortement chargé. L'impédance apparente peut s'enfoncer profondément dans la zone 2 et y rester suffisamment longtemps pour paraître dangereuse. Si le blocage se déclenche et se résorbe au bon moment, la ligne passe sans encombre par la phase de rétablissement. S'il se déclenche trop tard ou se résorbe trop tard, une ligne en bon état peut se déclencher ou un défaut réel peut être retardé.

Les réglages de protection contre les oscillations de puissance privilégient d'abord la sécurité, puis la rapidité. Le blocage doit également être coordonné avec les détecteurs de défaut. Le choix de la phase et les schémas assistés par communication jouent également un rôle important. Une validation rigoureuse permet de vérifier que le relais se verrouille en cas d'oscillation tout en continuant à réagir lorsqu'un défaut survient simultanément.

« Le blocage des oscillations de puissance empêche les éléments de distance de se déclencher lors d'une oscillation stable lorsque une impédance apparente pénètre dans leurs zones sans qu'il y ait de défaut. »

La logique de relais déphasée suit la synchronisation de la trajectoire d'impédance

Un relais de déphasage fonctionne en surveillant l'évolution de l'impédance apparente au niveau des barrières de déphasage et le temps nécessaire pour les franchir. Les variations stables franchissent lentement ces barrières ou s'inversent avant que les critères de déclenchement ne soient remplis. Les variations instables continuent à évoluer et respectent la fenêtre temporelle qui déclenche le déclenchement. Tel est le principe de fonctionnement de base.

Un test pratique sur relais peut montrer qu'une impédance pénètre dans un « blinder » externe et atteint un « blinder » interne 120 ms plus tard. Si l'élément considère cet intervalle comme instable, le circuit de déclenchement s'active et attend la suite du traitement logique. Dans un cas stable, le système ralentira, s'arrêtera ou inversera son sens avant que la deuxième limite ne soit franchie. Une baisse de tension et des conditions de source faible rendent cette distinction plus difficile qu'elle ne le paraît sur un schéma.

La direction et l'ordre des opérations ont également leur importance. Certains relais utilisent la mémoire de tension. D'autres recourent à des détecteurs de défaut pour lever le blocage. D'autres encore appliquent une logique de déclenchement distincte pour chaque côté. Le relais de désynchronisation constitue un parcours coordonné passant par la mesure, la supervision et la logique de sortie.

Les réglages commencent par la trajectoire de swing à travers les zones de relais

Le réglage hors pas commence par la trajectoire d'oscillation que votre système est capable de produire, car la portée des blinders et les temporisateurs n'ont de sens que par rapport à cette trajectoire. Il faut d'abord définir la géométrie, puis le timing, puis la coordination avec les détecteurs de défaut et la logique des disjoncteurs. Cela s'applique aussi bien aux éléments de blocage qu'aux éléments de déclenchement. La trajectoire vient en premier.

Un équivalent à deux sources suffit souvent pour commencer. On trace l'impédance apparente vue depuis l'emplacement du relais pour les perturbations stables et instables, puis on place des « œillères » afin de capturer le chemin instable sans absorber la charge normale. Une liaison de 500 kV fortement chargée nécessite un espacement différent de celui d'une ligne courte et puissante située près d'un bus de générateur. Régler la minuterie avant de connaître le chemin revient à faire des suppositions.

Une fois ce point de contrôle franchi, vous pouvez affiner les paramètres en fonction des conditions d'exploitation extrêmes. Une charge légère peut modifier la trajectoire. Une exportation importante, une source distante faible et une commutation unipolaire peuvent également la modifier. Il faut des paramètres qui restent cohérents dans tous les cas de figure, et non un ensemble de paramètres réglés pour une seule série d'essais.

Les modèles de balancement de puissance devraient reproduire l'écart angulaire croissant entre les rotors

Un modèle de balancement de puissance utile doit reproduire l'écart angulaire entre les générateurs, la puissance de la source, le niveau de transfert et la séquence de coupure qui déclenche le balancement. Il doit également présenter une reprise de tension réaliste et un flux de charge pré-défaillance correct. Le relais perçoit une trajectoire d'impédance déterminée par le modèle que vous élaborez. Ce modèle détermine le résultat du test.

Un cas d'essai valable commence par un calcul de flux de charge résolu, applique un défaut, le résout avec des temps de coupure spécifiés, et laisse les angles des machines réagir au chemin de transfert modifié. Un système à deux zones suffit souvent pour les relais de ligne si les sources intègrent une inertie, une excitation, une réponse du régulateur et une rigidité du réseau réalistes. Si l'on omet ces éléments, le lieu géométrique de l'impédance paraîtra correct alors que le relais détectera un comportement qui ne se produit jamais sur le réseau. Cet écart masque une validation insuffisante.

• Le niveau de transfert avant défaillance doit correspondre à la charge prévue dans le couloir en service.
• L'équivalent de source doit refléter les conditions de système fort et faible aux deux extrémités de la ligne.
• L'emplacement du défaut et le temps de rétablissement devraient permettre d'obtenir l'amplitude de l'oscillation que vous souhaitez tester.
• Les modèles de la machine et de commande doivent reproduire l'accélération et la récupération après un défaut.
• Les E/S des relais doivent rester en boucle fermée afin que les sorties aient une incidence sur le fonctionnement.

La modélisation en boucle fermée est importante car le relais réagit à l'état suivant du système, et pas seulement au défaut initial. Un cas stable peut inclure un réenclenchement réussi et une oscillation amortie. Un cas instable peut maintenir la ligne ouverte et laisser les angles continuer à s'écarter. C'est cette séquence qui rend la simulation utile pour la validation des relais.

La simulation en temps réel permet de vérifier les blocages dans les cas de balancement stable

La validation d'une oscillation stable démontre que le blocage de l'oscillation de puissance maintient les éléments de distance en sécurité tandis que l'impédance pénètre dans des zones sensibles puis se retire sans déclencher de coupure. Le test n'est réussi que si le blocage commence suffisamment tôt. Il doit également rester actif tout au long de l'oscillation. Il doit ensuite s'effacer proprement après la récupération.

Un cas de référence courant fait appel à un couloir d'exportation à fort débit, à un défaut triphasé distant et à un déclenchement qui laisse la liaison intacte. Grâce à OPAL-RT, vous pouvez simuler le réseau et les E/S des relais en boucle fermée et vérifier que les zones de distance restent confinées lorsque l'impédance entre et sort de leurs segments. La même simulation devrait montrer la désactivation du blocage une fois l'oscillation stabilisée, sans sortie bloquée. Cette séquence démontre que l'élément de blocage se comporte conformément au schéma global.

Vous devez également simuler un défaut pendant la course. Un défaut phase-terre introduit alors que le blocage est activé permettra de vérifier si le relais libère la retenue suffisamment rapidement pour permettre l'élimination du défaut. Cette vérification est importante car les points faibles se situent souvent à la jonction entre différentes fonctions. Ils ne se trouvent pas toujours au sein d'une seule et même fonction.

Essai de déclenchement par glissement du poteau dans des scénarios de balancement instable

Les essais d'oscillation instable confirment que le relais se déclenchera après la perte de synchronisme et avant que des glissements répétés des pôles n'endommagent les équipements ou n'aggravent le trouble. Le chemin d'impédance doit passer par la caractéristique du relais avec le temps de croisement prévu. La logique de défaut doit également ne pas interférer. Cette séquence permet de vérifier si le déclenchement est intentionnel.

Un cas d'instabilité effective commence par un défaut grave sur une liaison sous charge et se résorbe suffisamment lentement pour que les angles des générateurs continuent à s'écarter. Le relais doit détecter cette oscillation, respecter le délai de désynchronisation prévu et déclencher le déclenchement sélectionné avant qu'un nouveau cycle de glissement ne se développe. Si le schéma prévoit un déclenchement unipolaire ailleurs, il convient de vérifier ici que l'action tripolaire prévue est bien respectée. L'essai doit correspondre au schéma qui sera mis en service.

Plusieurs types de défaillance n'apparaissent que lors de cet essai. Un temporisateur réglé sur une durée trop longue ne détectera pas le premier glissement. Des « œillères » trop étroites peuvent ne pas repérer la trajectoire réelle lorsque la source est faible. La supervision directionnelle doit également être alignée sur le point de séparation prévu.

Les essais statiques des relais ne permettent pas de détecter les erreurs de synchronisation avant la mise en service sur site

« L'injection secondaire statique permet de vérifier les valeurs de détection et les états logiques, mais elle ne permet pas de détecter les erreurs de synchronisation couplées qui apparaissent lors d'un cycle réel. »

La protection contre les désynchronisations dépend du mouvement, de la séquence et de l'interaction entre les éléments. La validation dynamique fait partie intégrante des travaux de protection, car c'est la séquence qui détermine le résultat. Les vérifications statiques ne suffisent pas à elles seules à trancher cette question.

La panne d’électricité d’août 2003 a touché environ 50 millions de personnes aux États-Unis et au Canada. Cet événement nous rappelle que la variation d’impédance apparente peut interagir de manière néfaste avec la protection à distance lorsqu’un réseau est soumis à des contraintes. Un essai au banc consistant à injecter des phasors constants dans une entrée de relais ne permettra pas de mettre en évidence la concurrence entre la détection d’oscillation, la supervision des défauts et la logique de déclenchement. Ce sont les cas en boucle fermée qui permettent de mettre en évidence cette concurrence.

Une validation minutieuse s'avère payante, car le relais doit être confronté aux mêmes chemins récupérables et instables que ceux qu'il rencontrera sur le réseau. OPAL-RT est parfaitement adapté à cette tâche, car il reproduit la séquence, la synchronisation et les retours d'information que les tests statiques ne prennent pas en compte. Le fichier de configuration constitue ainsi un choix technique justifié avant le début des travaux sur site. Il fournit également une base plus claire pour l'homologation de la mise en service.