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Analyse et évaluation de la sécurité dynamique du réseau électrique par le forage des mesures synchrones

Kaci, Anissa (2016). Analyse et évaluation de la sécurité dynamique du réseau électrique par le forage des mesures synchrones. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les synchrophaseurs (Phasor Measurement Units PMUs) sont considérés aujourd'hui comme des appareils de mesure les plus importants dans l'avenir des réseaux électriques. Dans l’optique de surveiller la sécurité du réseau de transport d’énergie et spécifiquement de fournir à l’opérateur une visibilité étendue du réseau de transport (wide-area grid visibility), les synchrophaseurs ont connu une utilisation importante en Amérique du nord. Ainsi, aux États-Unis seulement, l’installation de ces appareils est passée de 166 à 1 043 de 2010 à 2014.

Cette thèse a pour objectif de répondre à la problématique du procédé d’utilisation des mesures des synchrophaseurs pour tirer leur plein potentiel lors de leur intégration dans l’environnement opérationnel de la sécurité du réseau de transport. En effet, en vertu des qualités de mesure des synchrophaseurs telles que la précision, la latence et la visibilité, il y a le grand volume de données en temps réel à savoir gérer. À cet effet, une procédure systématique, en trois étapes, de développement des modèles de surveillance de la sécurité du réseau par le biais de phaseurs synchrones est proposée. Cette démarche s’inscrit dans le cadre d’apprentissage statistique. Le jeu de données analysé est extrait de la base de données EMS/SCADA d’Hydro-Québec (HQ) et s’échelonne sur quatre ans, à un intervalle d’une minute.

En premier lieu, suite à une étude purement statistique de la base de données, nous avons identifié les angles de phase de tension comme prédicteurs de stabilité et en conséquence, défini des limites des angles de phase où le réseau de transport semble stable. En second lieu, avec l’algorithme des forêts aléatoires (FA), nous avons établi des modèles de prévision des marges de sécurité et des transits actifs à base des prédicteurs définis. Puis une étude complète de validation a été effectuée. En troisième abord, avec l’algorithme GLM (modèle linéaire généralisé), nous avons élaboré des modèles de prévision des angles de phase de tension en fonction de leurs états antérieurs : une heure, quatre heures ou vingt-quatre heures au préalable. Le mappage de ces angles prédits sur les modèles établis par les FA nous a permis d’anticiper l’évaluation de nouvelles valeurs limites de stabilité une heure, quatre heures ou vingt-quatre heures en avance.

Notre première contribution est axée principalement sur l’utilisation d’une base de données réelle du réseau de transport d’HQ pour la conception et la validation de nos modèles. Notre deuxième contribution concerne l’utilisation des techniques de forage de données pour proposer une solution à l’évaluation rapide des limites de stabilité dynamique d’un réseau de transport. Notre troisième contribution consiste en l’identification des écarts angulaires en tant que prédicteurs de transit de puissance ainsi que des limites de stabilité dynamique associées. Par ailleurs, la quatrième contribution se résume à la conception d’une nouvelle approche reflétant le comportement dynamique réel du réseau de transport à partir des données de synchrophaseurs. Finalement, notre apport d’un point de vue économique consiste en la bonification de l’approche conventionnelle de surveillance de la sécurité dynamique par simulation avec l’apport des mesures synchronisées.

Ce travail ouvre plusieurs perspectives de recherches, à savoir : généraliser l’approche adoptée à des réseaux maillés ou non ; introduire de nouvelles fonctionnalités aux écarts angulaires (réserves réactives, injections de puissance active et réactive, les barres critiques, etc.); combiner les FA avec la logique floue afin d’améliorer la prévision des angles de phase de tension ; et enfin réaliser une étude similaire pour identifier d’autres signatures de défauts.

Titre traduit

Analysis and evaluation electrical network dynamic security by synchrophasor measures data mining

Résumé traduit

Phasor Measurement Units (PMUs) are nowadays considered as the most important measuring devices in the future of power networks. In order to monitor the energy security and specifically to provide a wide-area grid visibility to the operator, the PMUs have seen significant use in North America. In the United States alone, the number of PMUs is increased from 166 networked devices in 2010 to 1,043 in 2014.

This thesis aims to address the issue of the process of using PMUs measures to achieve their full potential during their integration in the operational environment of transmission power system security. Indeed at PMU measures qualities such as accuracy, latency and visibility, there is the large volume of real-time data to know manage. To this end, based on phasor measurements, a systematic procedure development of security monitoring models in three teps is proposed.

This process is in the context of a statistical learning framework. The analyzed data set is extracted from the database EMS/SCADA of Hydro-Québec (HQ), and spread over four years, at an interval of one minute. First, following a statistical study of the database, we identified the voltage phase angles as predictors of stability and consequently, defined the limits of the phase angles where the transmission power system appears stable. Second, with random forests (RF) algorithm in the statistical learning framework, we established forecast models security margins and power transfers with defined predictors. Then, a comprehensive validation study was performed. Third, with a generalized linear model (GLM) algorithm, we developed forecast models of voltages phase angles from day-ahead to hour-ahead time frames. The mapping of these voltages phase angles predicted on models established by the FA, allowed us to anticipate the computation of new stability limit values from day-ahead to hour-ahead time frames.

Our first contribution is mainly focused on the use of a real database of HQ’s network for design and validation of our models. Our second contribution is the use of data mining techniques to propose a solution for the rapid assessment of the limits of dynamic stability. Our third contribution is the identification of the angular deviations as power flow predictors as well as associated dynamic stability limits. Furthermore, the fourth contribution is related to the design of a new approach reflecting real dynamic behavior of the transmission network from Synchrophasors data. Finally, from an economic viewpoint, this thesis contributes to the improvement of the conventional approach based on the simulation of the monitoring of the dynamic security with synchronized measurements inputs.

Our work provides many research perspectives, namely: generalize the used approach to mesh networks or not; introduce new features to the angular deviations (reactive reserves, active and reactive power injections, critics ’bars, etc.); combine RF with fuzzy logic in order to improve the prediction of phase angles voltage; and finally conduct a similar study to identify other defected models.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 209-221.
Mots-clés libres: Électricité Distribution Sécurité Mesures. Réseaux électriques (Énergie) Stabilité. Données volumineuses Gestion. Exploration de données (Informatique) Forêts d'arbres décisionnels. Modèles linéaires généralisés. phaseur, synchrone, synchrophaseur, sécurité des réseaux électriques, évaluation de la sécurité dynamique (DSA), unité de mesure synchrophaseur (PMU), fouille de données, forêts aléatoires
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Dessaint, Louis-A.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Kamwa, Innocent
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 29 avr. 2016 18:02
Dernière modification: 03 oct. 2016 20:41
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1661

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