Identification et caractérisation des perturbations affectant les réseaux électriques HTA.

259 Pages·2016·6.34 MB·French

by  Mathieu Caujolle

Identification et caract´erisation des perturbations
affectant les r´eseaux ´electriques HTA.
Mathieu Caujolle
To cite this version:
Mathieu Caujolle. Identification et caract´erisation des perturbations affectant les r´eseaux
´electriques HTA.. Autre. Sup´elec, 2011. Fran¸cais. <NNT : 2011SUPL0008>. <tel-
00650911v2>
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N° d’ordre : 2011-08-TH

THÈSE DE DOCTORAT

SPECIALITE : PHYSIQUE

Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information des
Télécommunications et des Systèmes »

Présentée par :

Mathieu CAUJOLLE

Sujet :

IDENTIFICATION ET CARACTERISATION DES PERTURBATIONS
AFFECTANT LES RESEAUX ELECTRIQUES HTA

Soutenue le 27 septembre 2011 devant les membres du jury :

M. Luc BERTHET EDF R&D Expert - Ingénieur Chercheur, Invité
M. Frédéric BOUILLAULT LGEP Professeur, Président du Jury
M. Gilles FLEURY Supélec Professeur, Encadrant
M. Mack GRADY Texas University Professeur, Rapporteur
M. Jérôme IDIER IRCCyN Nantes Chercheur CNRS, Examinateur
M. Jean MARTINON ERDF Chef de Projet Senior, Examinateur
M. Jean-Claude MAUN Université Libre de BRUXELLES Professeur, Rapporteur
M. Marc PETIT Supélec Enseignant Chercheur, Encadrant

Le succès c'est d'aller d'échec en échec
sans perdre son enthousiasme.
Winston CHURCHILL

Table des matières

Table des matières

TABLE DES MATIERES .......................................................................................................................... 5
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................... 11
PARTIE 1 PERTURBATIONS SUR LES RESEAUX DE DISTRIBUTION HTA ET SYSTEMES DE
RECONNAISSANCE .............................................................................................................................. 13
CHAPITRE 1 – CONTEXTE ................................................................................................................... 15
CHAPITRE 2 – CARACTERISTIQUES DES PERTURBATIONS ......................................................... 17
2.1. RESEAU DE DISTRIBUTION ............................................................................................................... 17
2.1.1. Structure du réseau de distribution ....................................................................................... 17
2.1.2. Régimes de neutre ................................................................................................................ 18
2.1.3. Systèmes de protection du réseau ....................................................................................... 19
2.2. PERTURBATIONS AFFECTANT LES RESEAUX HTA ............................................................................. 20
2.3. DEFAUTS ........................................................................................................................................ 22
2.4. ENCLENCHEMENTS DE TRANSFORMATEURS ET DE DEPARTS ............................................................. 23
2.5. ENCLENCHEMENTS DE BATTERIES DE CONDENSATEURS ................................................................... 26
CHAPITRE 3 – METHODES D’ANALYSE DES PERTURBATIONS ................................................... 28
3.1. ARCHITECTURE DES SYSTEMES DE RECONNAISSANCE ...................................................................... 28
3.2. ANALYSE DES FORMES D’ONDE........................................................................................................ 29
3.2.1. Grandeurs électrotechniques classiques .............................................................................. 29
3.2.2. Estimation de la fréquence fondamentale ............................................................................ 30
3.2.3. Analyse temps-fréquence ..................................................................................................... 30
3.2.4. Estimation spectrale paramétrique ....................................................................................... 33
3.3. PROCEDES DE DECOMPOSITION DES FORMES D’ONDE ...................................................................... 35
3.3.1. Principes et objectifs des procédés de décomposition......................................................... 35
3.3.2. Structure des procédés de segmentation ............................................................................. 36
3.3.3. Fusion des informations de segmentation ............................................................................ 37
3.4. CARACTERISATION DES PERTURBATIONS ......................................................................................... 38
3.5. SYSTEMES D’IDENTIFICATION .......................................................................................................... 39
CHAPITRE 4 – ARCHITECTURE DU SYSTEME DE RECONNAISSANCE ........................................ 42
PARTIE 2 SEGMENTATION ADAPTATIVE DES FORMES D’ONDE ................................................. 47

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Table des matières

CHAPITRE 5 – SEGMENTATION DES PERTURBATIONS ................................................................. 49
CHAPITRE 6 – SEGMENTATION DES REGIMES DE FONCTIONNEMENT ...................................... 51
6.1. PRINCIPE DE LA METHODE DE SEGMENTATION ADAPTATIVE ............................................................... 51
6.2. OBJECTIFS DU PROCEDE DE SEGMENTATION .................................................................................... 52
6.3. ARCHITECTURE DU PROCEDE DE SEGMENTATION ADAPTATIF ............................................................ 55
CHAPITRE 7 – PRE-TRAITEMENT DES FORMES D’ONDE .............................................................. 57
7.1. CRITERES DE SELECTION DES INDICES DE SEGMENTATION ................................................................ 58
7.2. ESTIMATION DE LA FREQUENCE FONDAMENTALE .............................................................................. 59
7.2.1. Intérêt de l’estimation de la fréquence fondamentale........................................................... 59
7.2.2. Estimation de la fréquence à partir des passages par zéro ................................................. 60
7.2.3. Gestion des informations de fréquence ................................................................................ 61
7.3. METHODES DE FILTRAGE DES FORMES D’ONDE ................................................................................ 62
7.3.1. Filtrage anti-harmoniques (AHF) .......................................................................................... 62
7.3.2. Filtrage de Kalman ................................................................................................................ 69
7.4. CALCUL DE L’ENERGIE DU SIGNAL FILTRE ......................................................................................... 75
7.5. ETUDE COMPARATIVE DES INDICES DE SEGMENTATION ..................................................................... 76
CHAPITRE 8 – DETECTION DES TRANSITOIRES DES PERTURBATIONS .................................... 82
8.1. CRITERES D’EVALUATION DE LA DETECTION ..................................................................................... 82
8.2. LIMITES DU SEUILLAGE STATIQUE..................................................................................................... 83
8.3. ALGORITHME DE DETECTION ADAPTATIF ........................................................................................... 85
8.3.1. Adaptation des seuils de détection ....................................................................................... 85
8.3.2. Détection des transitoires ..................................................................................................... 87
CHAPITRE 9 – POST-TRAITEMENT DE LA DECOMPOSITION ........................................................ 89
9.1. COMPENSATION DU RETARD DE SEGMENTATION ............................................................................... 89
9.1.1. Origine du retard de segmentation ....................................................................................... 89
9.1.2. Intérêt de la compensation du retard de la décomposition .................................................. 89
9.1.3. Méthodes de compensation du retard .................................................................................. 91
9.2. FUSION DES SEGMENTATIONS ......................................................................................................... 96
CHAPITRE 10 – SEGMENTATION « EVENEMENTIELLE » ............................................................... 99
10.1. PRINCIPE DE LA SEGMENTATION EVENEMENTIELLE........................................................................ 99
10.2. OBJECTIFS DU PROCEDE DE SEGMENTATION .............................................................................. 100
10.3. ARCHITECTURE DU PROCEDE DE SEGMENTATION EVENEMENTIELLE ............................................. 102
10.4. PRE-TRAITEMENT DES FORMES D’ONDE ..................................................................................... 103
10.4.1. Calcul de la valeur efficace de la tension homopolaire .................................................. 103
10.4.2. Calcul du gradient ........................................................................................................... 105

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Table des matières

10.5. PROCEDE DE DECOMPOSITION ................................................................................................... 106
10.6. POST-TRAITEMENT DES SEGMENTATIONS ................................................................................... 111
CHAPITRE 11 – PERFORMANCES DU PROCEDE DE SEGMENTATION ...................................... 114
11.1. DESCRIPTION DE LA BASE D’EVALUATION .................................................................................... 114
11.2. PERFORMANCES DE LA SEGMENTATION ADAPTATIVE ................................................................... 116
11.3. PERFORMANCES DE LA SEGMENTATION EVENEMENTIELLE ........................................................... 119
PARTIE 3 CARACTERISATION DES PERTURBATIONS ................................................................. 121
CHAPITRE 12 – CARACTERISATION DES PERTURBATIONS ....................................................... 123
12.1. OBJECTIFS DE LA CARACTERISATION .......................................................................................... 123
12.1.1. Principe de la caractérisation .......................................................................................... 123
12.1.2. Cadre d’utilisation des indicateurs .................................................................................. 124
12.1.3. Sélection et mise en œuvre des indicateurs ................................................................... 124
12.2. ANALYSE DIFFERENCIEE DES REGIMES DE FONCTIONNEMENT ...................................................... 125
CHAPITRE 13 – ANALYSE DES REGIMES PERMANENTS ............................................................. 128
13.1. GRANDEURS ELECTROTECHNIQUES UTILISEES PAR LES INDICATEURS .......................................... 128
13.2. INDICATEURS DE REGIMES PERMANENTS .................................................................................... 128
13.3. REFERENCEMENT DES VARIATIONS ............................................................................................ 130
CHAPITRE 14 – ANALYSE DES REGIMES TRANSITOIRES ........................................................... 132
14.1. FAMILLES D’INDICATEURS UTILISEES .......................................................................................... 132
14.2. EXPLOITATION DES VARIATIONS LOCALES ................................................................................... 132
14.2.1. Mise en œuvre des indicateurs « classiques » ............................................................... 133
14.2.2. Analyse des composantes symétriques .......................................................................... 135
14.2.3. Analyse des puissances réactives .................................................................................. 136
14.2.4. Analyse des valeurs moyennes ...................................................................................... 137
14.2.5. Analyse des valeurs efficaces calculées sur une base ......................................... 138
14.2.6. Analyse des formes d’onde par filtrage anti-harmoniques ............................................. 140
𝑻𝟎/𝟐
14.3. IDENTIFICATION DE MODELES COMPORTEMENTAUX ..................................................................... 144
14.3.1. Modèle comportemental exponentiel .............................................................................. 145
14.3.2. Modèle comportemental sinusoïdal amorti ..................................................................... 147
CHAPITRE 15 – SENSIBILITE AUX ERREURS DE SEGMENTATION ............................................ 155
15.1. IMPACT SUR LA CARACTERISATION DES REGIMES PERMANENTS ................................................... 155
15.2. IMPACT SUR LA CARACTERISATION DES REGIMES TRANSITOIRES.................................................. 156
15.2.1. Enclenchements de batteries de compensation ............................................................. 157
15.2.2. Réenclenchements de départs ....................................................................................... 161

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Table des matières

PARTIE 4 SYSTEME DE RECONNAISSANCE .................................................................................. 163
CHAPITRE 16 – RECONNAISSANCE DES PERTURBATIONS ....................................................... 165
CHAPITRE 17 – ARCHITECTURE DU SYSTEME DE RECONNAISSANCE .................................... 167
17.1. UNE STRUCTURE EN DEUX PARTIES............................................................................................ 167
17.2. CLASSES D’EVENEMENTS RECHERCHES ..................................................................................... 168
17.3. RECONNAISSANCE DES EVENEMENTS PERMANENTS ................................................................... 170
17.4. RECONNAISSANCE DES EVENEMENTS TRANSITOIRES .................................................................. 171
17.5. SYSTEMES DE DECISION ............................................................................................................ 175
17.5.1. Système de décision expert ............................................................................................ 175
17.5.2. Système de décision à apprentissage supervisé ............................................................ 178
CHAPITRE 18 – CONSTITUTION DES BASES DE CONNAISSANCES .......................................... 181
18.1. OBJECTIFS ............................................................................................................................... 181
18.2. CONFIGURATIONS DES RESEAUX D’ETUDE .................................................................................. 182
18.3. DEMARCHE DES SIMULATIONS PARAMETRIQUES ......................................................................... 184
18.4. OPTIMISATION DE LA STRATEGIE DE SIMULATIONS ....................................................................... 186
18.4.1. Contexte d’utilisation ....................................................................................................... 186
18.4.2. Commande des simulations ............................................................................................ 188
CHAPITRE 19 – MISE AU POINT DES SYSTEMES DE DECISION ................................................. 191
19.1. CALIBRAGE DES CRITERES DES SYSTEMES EXPERTS ................................................................... 191
19.1.1. Objectifs de l’optimisation des systèmes expert ............................................................. 192
19.1.2. Définition des critères de reconnaissance ...................................................................... 195
19.1.3. Définition de la structure de reconnaissance .................................................................. 197
19.1.4. Impact des cas d’utilisation ............................................................................................. 199
19.1.5. Evaluation et analyse des performances ........................................................................ 200
19.2. RECHERCHE DES CLASSIFIEURS SVM OPTIMAUX ........................................................................ 202
19.2.1. Traitement de la base de données ................................................................................. 202
19.2.2. Optimisation des performances du classifieur SVM ....................................................... 203
19.2.3. Impact des cas d’utilisation ............................................................................................. 206
19.2.4. Evaluation et analyse des performances ........................................................................ 207
CHAPITRE 20 – PERFORMANCES DU SYSTEME DE RECONNAISSANCE ................................. 210
20.1. BASE DE DONNEES D’ENREGISTREMENTS REELS ........................................................................ 210
20.2. ARCHITECTURE REPOSANT SUR LES SYSTEMES EXPERTS ........................................................... 212
20.2.1. Evaluation des performances du système expert ........................................................... 212
20.2.2. Analyse des performances .............................................................................................. 213
20.3. ARCHITECTURE REPOSANT SUR LES CLASSIFIEURS SVM ............................................................ 214

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Table des matières

20.3.1. Evaluation des performances des classifieurs SVM ....................................................... 214
20.3.2. Analyse des performances .............................................................................................. 215
20.4. COMPARAISON DES DEUX SYSTEMES DE CLASSIFICATION ............................................................ 217
CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................. 221
ANNEXES ............................................................................................................................................. 227
ANNEXE A – IMPACT DES FREQUENCES FONDAMENTALE ET D’ECHANTILLONNAGE ........ 229
A.1. IMPACT SUR LE COMPORTEMENT DE LA VALEUR EFFICACE .............................................................. 229
A.2. IMPACT SUR LE FILTRAGE ANTI-HARMONIQUES ............................................................................... 230
ANNEXE B – DESCRIPTION DES RESEAUX-TYPES ....................................................................... 231
B.1. POINTS DE MESURE CONSIDERES .................................................................................................. 231
B.2. CONFIGURATIONS DES PERTURBATIONS SIMULEES ......................................................................... 232
B.3. ARCHITECTURE DES RESEAUX-TYPES ............................................................................................ 232
B.3.1. Structure des réseaux ......................................................................................................... 232
B.3.2. Structure des départs .......................................................................................................... 233
ANNEXE C – COMMANDE DES SIMULATIONS PARAMETRIQUES .............................................. 235
C.1. INTERPOLATION SPATIALE PAR KRIGEAGE ...................................................................................... 235
C.1.1. Principe de l’interpolation par krigeage .............................................................................. 235
C.1.2. Structures de dépendance spatiale .................................................................................... 236
C.1.3. Algorithme d’interpolation par krigeage .............................................................................. 237
C.1.4. Application à l’observation des indicateurs ......................................................................... 237
C.2. METHODE D’OPTIMISATION « EXPECTED IMPROVEMENT » .............................................................. 239
C.2.1. Présentation de la méthode EI ........................................................................................... 239
C.2.2. Application à la commande des simulations paramétriques .............................................. 240
ANNEXE D – CLASSIFIEURS SVM .................................................................................................... 242
D.1. DETERMINATION DE L’HYPERPLAN DE SEPARATION OPTIMAL ........................................................... 242
D.2. EXTENSION AUX PROBLEMES LINEAIREMENT NON SEPARABLES ....................................................... 243
D.3. GENERALISATION DANS LES ESPACES DE GRANDE DIMENSION ........................................................ 244
D.4. SVM ET PROBLEMES DE DISCRIMINATION MULTI-CLASSES .............................................................. 245
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................ 247
LISTE DES FIGURES ........................................................................................................................... 253
LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................................... 258

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