vulnérabilité des réseaux électriques aux...

Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid – Institut Polytechnique de Grenoble

Vulnérabilité des réseaux électriquesaux perturbations :

BlackoutsLes pannes d’électricité généralisées

Sixième École Interdisciplinaire de Rennessur les Systèmes Complexes (14-16 oct. 2014)

Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 2

I. Introduction

II. Mécanismes de formation des incidents majeurs

III. Incidents majeurs

IV. Solutions envisageables

V. Conclusions

Plan


I. Introduction




V. Conclusions

Plan

Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble

Les réseaux d’énergie électrique

Production à partir d’énergie primaire(thermique ou hydraulique)à conversion électromécanique

Transport par ligne HTB maisdistribution HTA puis BTà conversion électromagnétique

Utilisation (domestique/industrielle)forme électrique adaptée aux besoinsà conversion électronique

I.-Introduction

4

Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble

Réseau de transport etd’interconnexion français

I.-Introduction

5


La conduite du réseau de transport

I.-Introduction


Complexité des réseaux

n La plus grosse machine construite par l’homme

n Dimension (géographique, mathématique)Ex. cas français :

Réseau de transport ~ 100 000 km lignes – 2 000 nœudsRéseau de distribution ~ 1 100 000 km lignes – 738 000 nœuds en HTA

n Comportement aléatoire/chaotique, équilibre fragile

n Agressions permanentes (foudre, tempête, travaux, vandalisme, etc.)

n Impossibilité de tout prévoir : événements rares

n Infrastructure critique : couplages/interactions avec réseau decommunication et informatique

n Système à couches « additives »

n …

I.-Introduction


Qu’est-ce que la sécurité des réseaux ?

stabilitétransitoire

Sécurité statique

Equilibre production-consommation

Umin < Tensions < Umax

Transits < Ilim ou Plim

Courant des groupes < Inom

Sécurité dynamique

stabilitédynamique

faibles perturbations fortes perturbations

Oscillationsbasse fréquence

- Nature différente des phénomènes- Échelles temporelles différentes- Modèles différents

I.-Introduction


Qu’est-ce qu’un blackout?

n Incident majeur dans les réseaux

n Caractéristiques :

Etendue géographique, nombre de clients non alimentés (profondeur),durée

n Conjonction d’un événement initiateur et de facteurs aggravants

n Conséquences sérieuses:Economiques, sociales, sécurité des consommateurs sensibles

I.-Introduction


nGrandes pannes électriques dans le monde¨ Conscience et préoccupation grandissantes

nRéseaux électriques => infrastructure critique et stratégique¨ Avec réseaux Télécoms et Informatiques

nUn phénomène récurrent!¨ France (19-12-1978): Cascade de surcharges

¨ France (12-01-1987): Perte de génération, écroulement de tension

¨ France (05-12- 1999): Tempête, destruction de lignes

¨ Europe (04-11-2006): On a évité de justesse le plus gros blackout detoute l’histoire !

¨ Brésil (10/11/2009): Tempête tropicale – 70 millions de personnes

¨ Inde (30/31-07/2012) : Le plus grand blackout jamais enregistré : plusde 600 millions de personnes !!!

¨ Monde: Nombreux depuis l’incident majeur de NY 1965

I.-Introduction


Evolution de la charge réalimentée en fonction du temps

Source : RTE 2004

I.-Introduction


EURELECTRIC Task Force Final Report 06-2004Source: S.LINDHAL

LTH, Université LUND

I.-Introduction


I. Introduction




V. Conclusions

Plan


II.-Mécanismes de formation des incidents majeurs

n Règles de base de la conduite¨ Critère de sécurité (N-1)

¨ Seul les perturbations dites « probables »sont pris en compte

¨ Face aux perturbations peu probables:mécanismes d’urgence (protections,délestage de charge, plan national dedéfense, …)

¨ Solidarité du réseau interconnecté(Ex: incident du 04 nov. 2006, Europe)

Source: UCTE


• Causes naturellesTempête, tempête géomagnétique, tremblement de terre, foudre,contact avec arbre,…

• Raisons techniquesCourt-circuits, défaillance de composants, forte charge,maintenance de composants majeurs,…

• Causes humainesErreurs de manœuvres, communications erronées ou inadaptéesentre opérateurs, manque d’entraînement,…

Facteurs aggravants et événements initiateurs :

Combinaison de certaines raisons => effet boule de neige



Dynamiques lentes (mn à 10s mn):

• Cascade de surcharges• Ecroulement de tension

Dynamiques rapides (qq 100s ms à s):

• Ecroulement de fréquence• Perte de synchronisme


Types d’incidents


Phases d’un blackout

Pas de progression statique!

(a) Déclenchements cumulés de lignes, transf. et générateurs pendantla cascade du 14 août 2003 USA-Canada (NERC Steering Group)

(b) Déclenchements cumulés de lignes, transf. etgénérateurs pendant la cascade du 12 janvier 2003, Croatie(N.Dizdarevic, M.Majstrovic)



Pré-conditions

n Système stressé => pics de consommation été ou hiver

n Quelques équipements importants hors-service

n Equipements vieillissants

n Causes naturelles: vent, tempêtes, brouillard, perturbationsgéomagnétiques, feux, etc.



Blackouts – pics d’été et d’hiver

Summer peak35%

Winter peak30%

Other conditions35%

Summer peak Winter peak Other conditions


=> 35% des blackouts en conditions « normales »


Evénements initiateurs



345 kV

500 kV

138 kV

287 kV

230 kV

TEVA 109

PARD 142

CAST 37

OLIV 44

DIAB 98

CAST 38

ELDO 132

ELDO 131

HAYD 9

SAN 15

VICT 61

TEVA 112

GATE 99

TEVA 127

GATE 128

MIDW 168

VINC 146

TEVA 110

DIAB 97

TEVA 125

TEVA 111

TEVA 126

MIDW 103

MIDW 102

MIDW 171

MIDW 172

MIDW 167

MIDW 169

MIDW 170

VINC 147

MOHA 141

MIRA 137

MOHA 140

CORO 2

MIRA 138

MIRA 139

LUGO 135

SERR 144

VALL 145

DEVE 129

EAGL 130

RINA 47OWEN 45

SYLM 58

PARD 143

SYLM 59

MESA 136

LITE 134

RINA 46

STA 57

ADEL 36

VALL 60

ADEL 35

STA 53

STA 56

PALO 13

HAYN 41

LITE 133

PALO 14

VICT 62

STA 54

GLEN 39

HAYN 40

RIVE 48

WEST 17

FOUR 26

FOUR 27

MOEN 12

NAVA 11

FCNG 7

CORO 1 FOUR 6

FOUR 8

FOUR 5

MOEN 24MOEN 25

NAVA 20

MOEN 22

NAVA 19

NAVA 18

MOEN 23

NAVA 10

NAVA 21

STA 50

STA 49

STA 51

STA 55

STA 52

E

B

A

1

324

56

78

99

1011

13

14 15

17 17

17

17

18

19

20

2121

23

23

2425

26

27

28

2831

2727

27

30

30

3030 30

12

Cascade d’événementsII.-Mécanismes de formation des incidents majeurs


Périodes des blackouts


Blackouts Cascade lente Cascade rapide Reconstruction

14/08/2003United States and Canada 1 h 5 min 3 min ~24 h

28/09/2003Italy 24 min 9 min 20 h

12/01/2003Croatia sans 30 s > 3 h 15 min

14/03/2005South Australia sans 6 min 1.5 h

12/07/2004Greece 13 min 2 min 3 h

02/07/1996United States sans 60 s > 6 h

10/08/1996United States 1 h 38 min 7 min ~ 9 h

19/12/1978France 47 min 6 min 10 h


Types d’incidents dans les blackoutsII.-Mécanismes de formation des incidents majeurs

BlackoutsTypes of incidents

1 2 3 4 59/11/1965 United States √

19/12/1978 France √ √12/01/1987 Western France √

2/7/1996 United States √ √07/08/1996 United States √ √

12/01/2003 Croatia √14/08/2003 Northeast United States and Canada √ √

23/09/2003 Eastern Denmark and Southern Sweden √ √28/09/2003 Italy √ √ √

12/07/2004 Athens and Southern Greece √14/03/2005 South Australia √

04/11/2006 European power system √Total : 12 7 1 8 1 2

1 - Voltage collapse, 2 - Frequency collapse, 3 - Cascade overload, 4 - System unsymmetrical, 5 - Loss of synchronism.


Conclusions partielles

n Période de progression statique => longue (qq mn – qq h)Période de cascade rapide => très courte (qq s – qq mn)

n Arrêter le blackout => actions efficaces => avant les événementsdéclenchant la cascade rapide

n Ecroulement de tension et cascade de surcharge => de loin lesplus fréquents



I. Introduction




V. Conclusions

Plan


III.- Incidents majeurs

n Différents incidents dans le monde en 2003 et 2004¨ USA (14-08-2003)

¨ Londres (28-08-2003)

¨ Italie (28-09-2003)

¨ Suède & Danemark (23-09-2003)

¨ Iran (31-03-2003)

¨ Finlande (23-08-2003)

¨ Algérie (03-02-2003)

¨ Australie (2004)

¨ Grèce (2004)

¨ Jordanie (2004),

¨ Bahrein (2004)


nImpacts¨Plus de 50 millions de personnes affectées

¨60000 – 65000 MW

¨24 heures pour la reprise de service

¨Dégâts matériels auprès des industriels

¨Plus de 400 générateurs déconnectés

nStatistiques¨Début déclenchement de ligne: 15h05

¨Début déclenchement en cascade: 16h06

¨Durée événements en cascade: 3 mn

¨Des milliers d’événements « discrets 1/0 »

nEvénements¨Perte de trois centrales

¨Perte d’une ligne de transport (court-circuit)

¨Puis perte du système en cascade:lignes, générateurs (instabilité) ettensions basses (sans écroulement detension)

¨Disfonctionnement « Estimateur d’état »

¨Absence d’alarmes

¨Formation d’îles locales (équilibreproduction - consommation)

Etats-Unis 2003

III.- Derniers incidents majeurs


n Image satellite 14-08-2003


Etats-Unis 2003


n Perte de génération (1.2 GW)

n Courts-circuits: déclenchement des ligneset d’une centrale nucléaire (1.8 GW)

n Pertes des lignes¨ Division de la Suède en 2 parties:production

dans le nord, consommation dans le sud

¨ Écroulement de tension dans le sud de la Suède(100 s entre les événements initiaux et la pertedu système)


Danemark – Suède 2003


Danemark – Suède 2003

290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 40049

49.5

50

50.5

Time in seconds after 2003-09-23 12:30

Freq

uenc

y[H

z]

290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 4000.4

0.6

0.8

1

Time in seconds after 2003-09-23 12:30

Vol

tage

[pu]

Source ABBProjet CRISP



Italie dans le noir20 min. après le déclenchement

de la première ligne : Perted’une deuxième ligne… ensuite,effet «château de cartes»


Italie 2003



Italie 2003


Italie 2003

n Image satellite de l’Italie lors de la panne



Quelques leçons

¨ Italie• Dépendance énergétique du système interconnecté• Influence néfaste de la protection de découplage (production décentralisée)• Manque de coordination entre opérateurs de transport• Manque d’observabilité des lignes frontalières

¨ USA• Absence d’une coordination entre les opérateurs pour éviter la propagation

de l’ incident;• Perte « software » et des alarmes du système;• Mauvais entretien de la végétation• Formation insuffisante des opérateurs en situation d’urgence



I. Introduction




V. Conclusions

Plan


V.- Quelques solutions envisageables

n Liaisons à courant continu (HVDC) pour arrêter la propagation desperturbations

n Installation de PMU (Phasor Measurement Units)=> WAMS / WACS (Wide Area Measurement / Control System)

n FACTS (dispositifs à base d’électronique de puissance pour meilleuremaîtrise des flux de puissance)

n Reconfiguration du système en îles énergétiquement autonomes –concept de cellules et d’intelligence répartie

n Production décentralisée

n Système auto-cicatrisant


n Solutions hybrides: AC + DC

n Chine: AC + 18 HVDC Russian Power Grid

North Power Grid

Center Power Grid

LanchangjiangRiver

JinshajiangRiver

NWCPG

NCPGWangqu Plant

Yangcheng Plant

NECPG

SPPG

CSPG Three GorgesECPG

CCPG

Tailand Power Grid

SCPG

South Power GridHPPG

Gezhouba-ShanghaiTianGuang3G-ECPG IGuiGuang3G-Guangdong

3 x B2B10 x HVDCLong DistanceTransmission

Exis

ting

New

18H

VDC

Inte

rcon

nexi

ons

Source SIEMENSICPS China 09/2001


Liaison à courant continu


Supergrid

Source : SUPERGRID 2013

Ó Yvon Bésanger – Nouredine Hadjsaid - Institut Polytechnique de Grenoble 41Source: BPA

WAMS / WACS



I. Introduction



IV. Plans de défense et de reconstruction

V. Solutions envisageables

VI. Conclusions

Plan


VI.-Conclusionsn Un des systèmes les plus complexes construit par l’homme

¨ Complexité difficilement maîtrisable

¨ Besoin d’une forte compétence

n L’électricité est vitale pour nos sociétés modernes (infrastructurecritique) & de – en – de tolérance aux pannes

n Une infrastructure relativement « vieille »: âge moyen 30-40 ans

n Des investissements coûteux, rentabilité à long terme

n Un système à couches « additives »

n L’enjeu de l’information et coordination entre les systèmes

n Impossibilité de tout prévoir: événements rares

n Des solutions techniques existent mais le risque « zéro » non

n Question d’investissements– Ratio: Investissement/Risque– Incitations adéquates (Communauté Européenne)


Référencesn RTE: « Memento sûreté » 2004

n Université de LUND & WISCONSIN: « Wide Area Measurements for Systemprotection »

n SIEMENS: « Bottlenecks in Transmission Systems, Blackouts USA & Europe:Consequences and Countermeasures »

n CIGRE SC C2: « Workshops on Large Disturbances, 1998,2000, 2002, 2004 »

n Techniques de l‘Ingénieur: D4807 « Plan de défense contre les incidentsmajeurs »

n Rapport EURELECTRIC, « Power outages in 2003 »

n Rapports blackout Italie, UCTE

n Rapports blackout USA, NERC

n Michel CRAPPE, « Stabilité et sauvegarde des réseaux électriques »

n Michel CRAPPE, « Rapport Commission Ampère »

n BPA et Washington State University «WACS : R&D and Online demonstration »

n SUPERGRID 2013 http://www.fosg-event.eu/

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