Smart Grids (ISTE)

379 Pages·2012·10.955 MB·English

by  Nouredine Hadjsaїd

SmartGrids

SmartGrids
Edited by
Nouredine Hadjsaïd
Jean-Claude Sabonnadière
Firstpublished2012inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
permittedundertheCopyright,DesignsandPatentsAct1988,thispublicationmayonlybereproduced,
storedortransmitted,inanyformorbyanymeans,withthepriorpermissioninwritingofthepublishers,
or in the case of reprographic reproduction in accordance with the terms and licenses issued by the
CLA. Enquiries concerning reproduction outside these terms should be sent to the publishers at the
undermentionedaddress:
ISTELtd JohnWiley&Sons,Inc.
27-37StGeorge’sRoad 111RiverStreet
LondonSW194EU Hoboken,NJ07030
UK USA
www.iste.co.uk www.wiley.com
©ISTELtd2012
The rights of Nouredine Hadjsaïd and Jean-Claude Sabonnadière to be identified as theauthor of this
workhavebeenassertedbythem inaccordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988.
____________________________________________________________________________________
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Smartgrids/editedbyNouredineHadjsaïd,Jean-ClaudeSabonnadière.
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-1-84821-261-9
1. Smartpowergrids. I.Hadjsaïd,Nouredine.II.Sabonnadière,Jean-Claude.
TK3105.S5452012
333.793'2--dc23
2012006916
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-261-9
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Foreword. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
RonnieBELMANS
Chapter1.SmartGrids:Motivation,StakesandPerspectives . . . . . . . . 1
NouredineHADJSAÏDandJean-ClaudeSABONNADIÈRE
1.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1.Thenewenergyparadigm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Informationandcommunicationtechnologiesserving
theelectricalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.Integrationofadvancedtechnologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.TheEuropeanenergyperspective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.Shifttoelectricityasanenergycarrier(vector) . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.MaintriggersofthedevelopmentofSmartGrids. . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.DefinitionsofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8.ObjectivesaddressedbytheSmartGridconcept . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.1.Specificcaseoftransmissiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.2.Specificcaseofdistributiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8.3.Thedesireddevelopmentofdistributionnetworks:
towardssmartergrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.9.Socio-economicandenvironmentalobjectives. . . . . . . . . . . . . . . 21
1.10.Stakeholdersinvolvedtheimplementationofthe
SmartGridconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.11.ResearchandscientificaspectsoftheSmartGrid. . . . . . . . . . . . . 23
1.11.1.Examplesofthedevelopmentofinnovativeconcepts. . . . . . . . 23
1.11.2.Scientific,technological,commercialand
sociologicalchallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.12.Preparingthecompetencesneededforthedevelopment
ofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
vi SmartGrids
1.13.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.14.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Chapter2.FromtheSmartGridtotheSmartCustomer:
theParadigmShift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
CatherineFAILLIET
2.1.Keytrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1.Thecrisis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2.Environmentalawareness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.3.Newtechnologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.Theevolutionoftheindividual’srelationshiptoenergy . . . . . . . . . 37
2.2.1.Curiosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2.Theneedfortransparency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3.Responsibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.Thehistoricalmodelofenergycompanies . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1.Incumbentsinanaturalmonopoly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2.Aclearfocusontechnicalknowledge. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3.Undevelopedcustomerrelationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.SmartGridsfromthecustomer’spointofview. . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1.Thefirststep:thedatarevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2.Thesecondstep:theestablishmentofasmartecosystem . . . . . . 45
2.4.3.Theconsumers’reluctance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.Whataboutpossiblebusinessmodels?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.1.Anunprecedentedglobalbuzz…andthesearchfora
businessmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.2.Governmentresearchintoavirtuousmodelofregulation. . . . . . 52
2.5.3.Anopeningfornewstakeholders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Chapter3.TransmissionGrids:StakeholdersinSmartGrids . . . . . . . . 57
HervéMIGNON
3.1.Achangingenergycontext:thedevelopment
ofrenewableenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.Achangingenergycontext:newmodesofconsumption. . . . . . . . . 62
3.3.Newchallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.Anevolvingtransmissiongrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
TableofContents vii
Chapter4.SmartGridsandEnergyManagementSystems . . . . . . . . . . 79
Jean-LouisCOULLON
4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.Managingdistributedproductionresources:renewableenergies . . . . 80
4.2.1.Characterizationofdistributedrenewableproduction . . . . . . . . 81
4.2.2.Integratingrenewableenergiesintothemanagementprocess. . . . 83
4.3.Demandresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.Developmentofstorage,microgridsandelectricvehicles . . . . . . . . 90
4.4.1.Newstoragemethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.2.Microgrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.3.Electricvehicles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.Managinghighvoltagedirectcurrentconnections. . . . . . . . . . . . . 92
4.6.Gridreliabilityanalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.1.Model-basedstabilityanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.2.Continuousmeasurements-basedanalysis:phasor
measurementunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6.3.Dynamiclimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6.4.Self-healinggrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.7.Smartassetmanagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.8.Smartgridrollout:regulatoryneeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8.1.Theneedforpilotprojects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8.2.Incentivesforinvestmentingridreliability . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.3.Renewables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.4.Investmentincentivesforenergyefficiency . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.5.Cost/profitallocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8.6.Newregulatoryframeworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.9.Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.9.1.Thecaseofsmartgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.9.2.Workinprogress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.9.3.Cooperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.10.Systemarchitectureitems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.10.1.Broadenthevision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.10.2.Takingverticalchangesintoconsideration. . . . . . . . . . . . . . 112
4.10.3.Developingintegrationtools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.11.Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.12.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Chapter5.TheDistributionSystemOperatorattheHeart
oftheSmartGridRevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
PierreMALLET
5.1.Briefoverviewofsomeofthegeneralelementsof
electricaldistributiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
viii SmartGrids
5.2.Thecurrentchanges:towardgreatercomplexity. . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.Smartgridsenablethetransitiontocarbon-freeenergy. . . . . . . . . . 118
5.4.ThedifferentconstituentsofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.5.SmartLife. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.SmartOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.7.SmartMetering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.7.1.TheLinkyproject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.7.2.Newservicesforcustomers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.7.3.Smartmeterscansignificantlymodernizegridmanagement . . . . 122
5.8.SmartServices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.9.Smartlocaloptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.9.1.Distributedgeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.9.2.Activemanagementofdemand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.9.3.Meansofdistributedstorage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.9.4.Newusesincludingelectricvehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.9.5.Localoptimizationofthesystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.10.ThedistributorERDFisattheheartoffutureSmartGrids . . . . . . . 128
5.11.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Chapter6.Architecture,PlanningandReconfiguration
ofDistributionGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Marie-CécileALVAREZ,RaphaëlCAIREandBertrandRAISON
6.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.Thestructureofdistributiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.1.Highvoltage/mediumvoltagedeliverystations . . . . . . . . . . . . 133
6.2.2.Meshedandloopedgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.3.Typesofconductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2.4.Underground/overhead. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.5.MV/LVsubstations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.Planningofthedistributiongrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.1.Principlesofplanning/engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.2.Allcriteriatobemetbytheproposedarchitectures. . . . . . . . . . 143
6.3.3.Exampleonasecuredfeedergrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.3.4.Long-termandshort-termplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.3.5.TheimpactofconnectingDGsontheMVgridstructure . . . . . . 155
6.3.6.IncreasingtheDGinsertionrateinthegrid . . . . . . . . . . . . . . 162
6.3.7.Proposalforanewloopedarchitecture:thehybridstructure . . . . 164
6.4.Reconfigurationforthereductionofpowerlosses. . . . . . . . . . . . . 166
6.4.1.Theproblemofcopperlosses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.4.2.Mathematicformulationoftheoptimizationproblem . . . . . . . . 169
6.4.3.Combinatorialoptimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4.4.Differentapproachestofindingtheoptimalconfiguration. . . . . . 181
TableofContents ix
6.4.5.Reconfigurationofthepartiallymeshedgrids. . . . . . . . . . . . . 191
6.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Chapter7.EnergyManagementandDecision-aidingTools. . . . . . . . . . 197
YvonBÉSANGER,BertrandRAISON,RaphaëlCAIREandTran-QuocTUAN
7.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.2.Voltagecontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2.1.Introductiontovoltagecontrolindistributionnetworks . . . . . . . 198
7.2.2.Voltagecontrolincurrentdistributionnetworks . . . . . . . . . . . 199
7.2.3.Voltagecontrolindistributionnetworkswith
dispersedgeneration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.4.Voltagecontrolconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.3.Protectionschemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3.1.MVprotectionscheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.2.Neutralgroundingmodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.3.Faultcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.3.4.Poweroutages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3.5.Impactofdecentralizedproductionontheoperationof
protectionsofthefeeder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.4.Reconfigurationafterafault:resultsoftheINTEGRALproject . . . . 221
7.4.1.GoalsoftheINTEGRALproject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.4.2.Demonstratordescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.4.3.Generalself-healingprinciples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.4.4.Someresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.5.Reliability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.5.1.BasicconceptsoftheMonteCarlosimulation. . . . . . . . . . . . . 232
7.5.2.Conclusiononreliability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Chapter8.IntegrationofVehicleswithRechargeableBatteriesinto
DistributionNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
FlorentCADOUXandGeorgeGROSS
8.1.Therevolutionofindividualelectricaltransport . . . . . . . . . . . . . . 244
8.1.1.Anincreasinglycredibletechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.1.2.Example:theFluenceZE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.1.3.Whataretheconsequencesontheelectricalnetwork?. . . . . . . . 245
8.1.4.Demandmanagementandvehicle-to-grid . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.2Vehiclesas“activeloads”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.2.1.Energeticservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.2.2.Frequencyregulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.3.Loadreserveandshedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.4.Otherservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249