Les modèles
Outils de simulation dynamique des réseaux électriques

Dans cet article, on désignera par réseau électrique s’il n’y a pas d’ambiguïté, ou alors par système électrique, l’ensemble des réseaux proprement dit (incluant lignes, câbles, postes électriques, transformateurs), des moyens de production active et réactive et des consommations.

Le lecteur peu familiarisé avec l’étude des réseaux électriques trouvera intérêt à consulter, en guise d’introduction, l’article D 4 090 « Réseaux de transport et d’interconnexion de l’énergie électrique. Fonctionnement et réglage » des Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique, exposant les bases du fonctionnement et du réglage des réseaux.

Si les lois physiques régissant le fonctionnement statique des réseaux électriques sont bien connues et permettent donc de construire un modèle mathématique précis, le fonctionnement du système en dehors de l’équilibre ne peut être décrit qu’en tenant compte du comportement dynamique des moyens de production et de la charge, souvent mal connu. En outre, l’étude des grandes perturbations conduit à analyser des fonctionnements très éloignés des conditions normales d’exploitation et exige donc des modèles dont le domaine de validité est très étendu.

Malgré la difficulté intrinsèque de modélisation, le recours à la simulation dynamique est de plus en plus fréquent et nécessaire pour pouvoir satisfaire, au moindre coût, à des exigences toujours plus sévères. Cette tendance résulte de l’évolution du contexte de l’industrie électrique illustrée à titre d’exemple par les points suivants :

• des exigences plus fortes des clients relatives au « produit » électricité (qualité de la tension, de la fréquence, absence d’interruptions de service...) ;

• le formidable développement de l’interconnexion des réseaux, symbole de convergence politique où en Europe par exemple, émerge en cette fin de siècle un réseau synchrone du Maghreb aux frontières de la Russie avec l’ambition de l’étendre à la quasi-totalité des pays de l’ex-URSS ;

• la pression environnementale qui oblige les compagnies à retarder voire à annuler des investissements pourtant justifiés pour faire face à la demande et donc à exiger plus des installations existantes ;

• la déréglementation du secteur économique de l’électricité et l’émergence d’une production indépendante et de l’accès de tierces parties au réseau ;

• le développement de nouveaux matériels et de nouvelles techniques (composants basés sur l’électronique de puissance ou les supraconducteurs, moyens de calculs, techniques de mesure et de transmission de l’information). Ces nouveaux moyens permettent un pilotage plus fin du système et le développement de régulateurs et d’automates dont le fonctionnement de plus en plus sophistiqué doit être maîtrisé en toutes circonstances.

Toutes ces évolutions ont un effet commun : les réseaux sont exploités plus près de leur limite physique qu’il faut donc connaître de plus en plus précisément pour assurer leur bonne marche. L’étude du comportement dynamique des réseaux devient une étape obligée de la planification à long terme, du développement de nouveaux composants et de leurs régulations, de l’exploitation des réseaux et de la formation des opérateurs.

Un réseau électrique en fonctionnement peut subir une grande variété de perturbations ou d’incidents, tels que :

• la variation de la charge au cours de la journée ;

• la manœuvre d’un ouvrage de couplage ;

• le déclenchement d’une unité de production ou d’une charge ;

• la foudre atteignant une ligne ;

• un court-circuit en réseau.

Ces perturbations provoquent des phénomènes physiques très variés au sein du réseau, tels que :

• la propagation d’ondes de surtension ;

• la ferrorésonance ;

• la circulation de courants de court-circuit ;

• les oscillations rotoriques des alternateurs et la perte du synchronisme ;

• les phénomènes d’écroulement de la fréquence ou de la tension.

Ces divers phénomènes mettent en jeu des constantes de temps très différentes allant de la microseconde à l’heure, comme indiqué à la figure 1.

Pour l’exploitant, ces phénomènes sont pris en considération prioritairement dans des domaines différents de son activité, même si la séparation de ces domaines est souvent bien perméable.

On distingue (voir figure 1) :

• la protection, qui vise à prévenir les risques physiques des personnes, les dégâts au matériel tout en minimisant l’impact de la perturbation sur la marche du système ;

• le réglage automatique ou manuel qui vise à maintenir le système, en dépit des perturbations, autour d’un point de fonctionnement ou d’une trajectoire définie en fonction de critères économiques, de qualité de service ou de sécurité ;

• la conduite, qui garantit la disponibilité des ouvrages, aligne les moyens de réglages, afin de permettre à tout moment l’équilibre production-consommation et de maintenir au niveau requis les marges de sécurité tout en minimisant les coûts d’exploitation. L’analyse en ligne de la sécurité dynamique est dans ce domaine une application nouvelle qui permet au personnel de conduite d’agir sur le risque d’instabilité du réseau.

Enfin, on retrouve la problématique du fonctionnement dynamique dans la planification des investissements sur des horizons de plusieurs années, et dans la gestion prévisionnelle.