Optimiser l’exploitation de réseau à l’aide de modèles

Depuis plusieurs années, BKW Power Grid investit dans des fonctions basées sur des calculs de réseau. Le modèle d’estimation d’état a d’abord été introduit aux niveaux des réseaux de transport et de distribution. Les premiers travaux ont débuté vers 2006, lorsque BKW Power Grid – alors encore gestionnaire de réseau de transport – a commencé à documenter toutes les lignes avec leurs paramètres électrotechniques, à modéliser les transformateurs et leurs changeurs de prises, ainsi qu’à représenter les caractéristiques des centrales hydroélectriques et des générateurs. Les premiers résultats se sont révélés décevants: le modèle ne convergeait pas ou seulement avec de très grands seuils de tolérance. Pendant plusieurs années, des erreurs de mesure et de liaison ont été corrigées, les paramètres des lignes ont été recontrôlés, et les transfor­ma­teurs remodélisés à partir des protocoles d’essai existants. Ce travail a finalement permis d’obtenir un modèle haute tension très précis et fiable.

L’étape suivante a été l’intégration de l’ensemble du réseau moyenne tension. Cette tâche s’est révélée nettement plus complexe – le nombre de nœuds est passé d’environ 400 (HT) à plus de 18'000 (HT + MT) – mais aussi plus transparente, car le réseau MT est peu maillé. Le principal défi résidait dans l’importation des données de modélisation depuis le système d’information géographique (SIG). En raison du volume important de données, une saisie manuelle n’était pas envisageable. Comme les modélisations dans les systèmes Scada et SIG divergeaient fortement, BKW Power Grid a développé un outil interne de correspondance.

Un autre défi majeur était l’absence d’infrastructure de mesure dans le réseau moyenne tension. Seules les mesures aux départs MT des postes de transfor­mation HT/MT étaient disponibles. Pour permettre une estimation d’état malgré cela, des pseudo-mesures ont été introduites: les stations transformatrices ont été dotées de courbes de charge journalières représentatives, basées sur une campagne de mesure de plusieurs années menée sur plus de 80 stations. Ceci a permis de représenter de manière réaliste le comportement de consommation des stations (figure 1).

Le troisième défi concernait la modélisation des injections décentralisées. En raison de la forte croissance des installations photovoltaïques (PV), leur compor­te­ment devait être pris en compte. Les grandes installations PV (>500 kW) ont été connectées au système Scada, ce qui a permis de mesurer leur production en temps réel et de la répartir proportionnellement sur les petites installations. Cela a permis d’obtenir une vue d’ensemble en temps réel de toutes les injections décentralisées dans le réseau de distribution – tant en exploitation qu’en simu­lation (figure 2).

Maîtriser les coûts de puissance réactive dans le réseau

L’Optimal Power Flow (OPF) est une fonction standard des systèmes modernes de conduite de réseau. Alors que les solutions classiques visent à minimiser les pertes réseau, BKW Power Grid a développé une propre variante, qui vise avant tout à réduire les coûts globaux du réseau. Cela inclut les coûts liés aux pertes réseau, aux échanges de puissance réactive et à la production de puissance réactive par les générateurs.

Ce point est particulièrement pertinent dans le contexte du concept complexe de maintien de la tension de Swissgrid (2020), qui exige une surveillance continue. Alors que d’autres outils optimisent uniquement les coûts de participation au maintien de la tension dans le réseau de transport, la solution de BKW Power Grid prend également en compte les coûts nettement plus élevés des pertes réseau – ce qui permet d’obtenir de bien meilleurs résultats.

L’OPF fournit des résultats d’optimisation à la minute. Une mise en œuvre directe à cette fréquence serait toutefois peu pratique et solliciterait trop souvent les équipements (régulateurs à gradins). Un script a donc été développé pour sélectionner les résultats pertinents et les appliquer automatiquement aux transformateurs et générateurs. Cela permet d’atteindre un équilibre optimal entre réduction des coûts et stabilité du système.

Exploitation asynchrone des transformateurs

Dans le cadre de l’optimisation du réseau, BKW Power Grid a étudié l’exploi­ta­tion asynchrone des transformateurs de couplage entre le réseau de transport et celui de distribution. Alors que les transformateurs étaient jusqu’ici exploités de manière synchrone – avec un rapport de transformation identique –, l’exploi­ta­tion asynchrone permet des niveaux de gradins différents, offrant ainsi plusieurs avantages:

• une régulation de tension plus fine;
• un échange de puissance réactive plus flexible;
• une réduction des coûts d’exploitation;
• une amélioration du bilan de puissance réactive.

En contrepartie, des inconvénients potentiels existent, tels que des pertes supplémentaires et un échauffement, qui peuvent à leur tour entraîner un vieillissement plus rapide dû aux courants de circulation inductifs. Après les adaptations logicielles nécessaires, l’OPF a pu intégrer l’exploitation asynchrone et calculer un optimum économique.

Projet pilote

Un projet pilote avec les transformateurs 220/132 kV de Mühleberg a combiné des simulations de flux de charge avec des tests pratiques (figure 3). Des capteurs de température supplémentaires ont confirmé de légères hausses de tem­pé­ra­ture, mais sans valeurs critiques. La différence de niveau de gradin a été limitée à deux gradins (environ 20 Mvar de circulation par gradin). Ceci a permis une com­pensation efficace de 1,5 à 4 Mvar. L’OPF a intégré ces effets dans son opti­mi­sa­tion continue et a automatiquement ajusté les niveaux de gradin.

Les résultats observés pour les mois de juin à août 2024 (figure 4):

• 70% du temps sans différence de gradin;
• 16% avec un gradin de différence;
• 14% avec deux gradins de différence.

La facture de puissance réactive a pu être réduite d’environ 2,25%, soit 6500 CHF par mois. Les pertes supplémentaires de 30 à 60 kW étaient négligeables tant sur le plan thermique qu’économique.

L’exploitation asynchrone des transformateurs constitue une mesure com­plé­men­taire au système OPF utilisé par BKW Power Grid. Elle permet une opti­mi­sa­tion de l’utilisation des infrastructures existantes tout en contribuant à la réduc­tion des coûts liés à la tension et à la puissance réactive. D’autres applications sont actuellement à l’étude afin d’étendre ce mode d’exploitation à davantage de points d’injection.

Perspectives

Les modèles de réseau de BKW Power Grid joueront un rôle encore plus important à l’avenir. Étant donné que le réseau MT est en grande partie non mesuré, la gestion des situations d’urgence reposera sur l’estimation d’état. Les surcharges et violations de tension pourront ainsi être détectées et corrigées par des interventions ciblées sur les installations pilotables (PV, pompes à chaleur, bornes de recharge, batteries). Dès 2026, ce module logiciel soutiendra activement l’exploitation du réseau.

Parallèlement, la précision des modèles sera encore améliorée: alors qu’aujour­d’hui des courbes de charge génériques sont utilisées, les compteurs intelligents permettront à l’avenir d’agréger les mesures au niveau des boucles de trans­for­ma­teurs. Cela permettra d’obtenir des profils de charge plus précis et d’aug­men­ter considérablement la fiabilité des modèles.

Conclusion

Le développement continu de l’estimation d’état et de l’OPF constitue un pilier central de la modernisation de l’exploitation du réseau chez BKW Power Grid. À partir de modèles initialement sujets à erreurs, une représentation très précise des réseaux de transport et de distribution a été élaborée. Grâce aux pseudo-mesures, à la modélisation des injections décentralisées et à des stratégies OPF innovantes, une vue d’ensemble en temps réel a été obtenue et la structure des coûts optimisée.

Le succès du projet pilote sur l’exploitation asynchrone des transformateurs montre en outre comment de nouveaux modes d’exploitation peuvent libérer un potentiel supplémentaire en matière d’efficacité et de flexibilité.

Ainsi, les modèles mathématiques utilisés constituent non seulement la base de l’exploitation actuelle, mais aussi celle des futures gestions d’urgence et d’un pilotage performant de l’injection et de la consommation dans le cadre de la transition énergétique.