Les données : la voie vers l’optimisation

Puisque ceux qui planifient ou exploitent les réseaux d'électricité ajoutent de plus en plus de sources d'énergie renouvelable à l'ensemble de leurs ressources, il est plus important et impératif que jamais de comprendre les vraies capacités du stockage de l'énergie. Outre les nombreux avantages qu'il procure au réseau, une des propriétés les plus remarquables du stockage d'énergie est qu'il en accroît la fiabilité et la stabilité, en raison de la rapidité avec laquelle on accède à l'énergie stockée, comparativement au temps qu'il faut pour la produire. Si les maillons de la chaîne de valeur s'entendent généralement pour dire que les technologies de stockage sont très prometteuses, l'expérience vécue par les utilisateurs n'est pas toujours la même. En effet, des difficultés sont survenues lors des projets de démonstration initiaux, par exemple lorsqu'il a fallu établir l'utilité optimale du système, en déterminer ou confirmer la durabilité, ainsi que voir à une intégration idéale des applications au réseau et la valider. Quand de tels problèmes surgissent, il importe de savoir s'ils sont de nature fondamentale, bref s'ils sont associés à la conception, à l'installation, aux communications, aux contrôles ou aux principes d'exploitation, ou s'ils dérivent de l'intégration et de l'exploitation du système en question. La grande question est : comment peut-on être sûr d'avoir bien saisi la racine du problème et de pouvoir optimiser le système afin que d'autres problèmes ne surgissent plus à l'avenir, ou bien qu'on sache que ces problèmes persistent dans les projets de stockage d'énergie en train d'être mis en œuvre?

En résumé, tandis que les créateurs, les propriétaires et les exploitants continuent de déployer leurs systèmes de stockage d'énergie sur le terrain, il est capital qu'on s'unisse pour en optimiser l'exploitation dans des conditions réelles, en recourant aux meilleures techniques d'acquisition et de bonification des données.

L'acquisition des données à son meilleur

L'acquisition des bonnes données suppose la collecte des informations appropriées au moment voulu et dans un format qui permettra à l'information d'être conservée, transférée et interprétée aisément. Cela semblera peut-être simpliste, mais l'acquisition de données fiables sur le réseau d'électricité pose des difficultés particulières et on doit bien en saisir les différentes étapes pour s'assurer que les décisions prises au niveau des opérations soient étayées par des données solides, de qualité.

Les bonnes informations – Face à la complexité des systèmes à l'étude, il est absolument nécessaire d'identifier tous les éléments qui s'y rapportent (dispositifs et commandes électroniques, serveurs, relais, compteurs intelligents, serveurs d'historisation) pour s'assurer que les informations dont on a besoin pour contrôler et valider les opérations sont bien saisies. Actuellement, beaucoup de propriétaires, de fournisseurs d'équipement et d'intégrateurs de systèmes utilisent leurs propres plateformes SCADA (surveillance et acquisition des données) pour recueillir et intégrer l'information des différents systèmes secondaires et appareils, ce qui complique parfois la tâche, car les unités/dispositifs de commande ne sont pas tous connectés au réseau SCADA principal. Par conséquent, il arrive qu'on ne puisse échanger les données qu'indirectement, en passant par un autre dispositif, ce qui crée parfois un engorgement, advenant le cas où l'on a besoin de l'information très rapidement ou que l'échange ne s'effectue pas correctement. De plus, bien que certains appareils comme les onduleurs soient conçus pour fournir des données uniformes, généralement reconnues par l'industrie, qu'on pourra analyser et utiliser pour étayer les décisions d'exploitation prises en temps réel, il n'en va pas autant des systèmes de stockage d'énergie. En effet, ceux-ci ne sont pas tous normalisés de manière à recueillir et à restituer les données essentielles. Bien que certains groupes comme la MESA Standards Alliance progressent dans cette direction, ce manque d'uniformité fait en sorte que maints exploitants n'ont pas les données voulues pour prendre les décisions d'exploitation qui tiendront compte de l'état du système de stockage (disponibilité, performance, capacité) en temps réel, ni pour diagnostiquer les problèmes ou optimiser le rendement. N'importe quel projet de stockage, pour réussir, nécessitera donc un examen soigneux des données disponibles selon les normes et les pratiques exemplaires établies.

Description detaillée du réseau SCADA

Ce diagramme illustre la topologie imbriquée de l'architecture d'un système générique de commande du stockage de l'énergie. La case extérieure, la plus grande, correspond au réseau SCADA, épine dorsale du système. On y trouve des dispositifs comme des wattmètres, des postes SCADA, des contrôleurs du stockage d'énergie et des onduleurs, plus le système d'acquisition des données. Au deuxième niveau se situe le système d'acquisition des données, lequel comprend le système de saisie à haute vitesse, le serveur d'historisation et le concentrateur de données. Enfin, le concentrateur de données réunit des réseaux de commande existants ou exclusifs, notamment ceux qui régissent la production d'énergie, assurent la protection du réseau ou effectuent des tâches particulières relatives à certaines ressources comme des éoliennes.

Le bon moment – Un des avantages des systèmes de stockage, comparativement à beaucoup d'installations produisant de l'énergie, est leur très faible inertie, qui permet de gérer les épisodes transitoires beaucoup plus rapidement. Avec des réseaux de communication très déterministes et l'optimisation des programmes de contrôle, on peut atteindre un temps de réponse inférieur au cycle. Le réseau d'électricité y gagne en stabilité et en fiabilité (on évite les pannes). Pour valider et peaufiner la réponse des installations de stockage, la collecte ultrarapide des données gagne en importance. En effet, si l'on n'a pas accès aux données infracycliques, régler et optimiser le système pour qu'il réponde efficacement aux épisodes transitoires devient plus difficile. Heureusement, dans la plupart des installations, les systèmes SCADA et les bases de données sur le stockage prélèvent souvent les données à une fréquence inférieure à la seconde. Par conséquent, on pourrait avoir besoin d'équipement et de protocoles d'échange des données spéciaux pour recueillir l'information à faible et à haut débit.

La description détaillée de ce diagramme suit
Description détaillée des variations passagères (infracycliques) gérées par le système de stockage d'énergie à batteries

Ce graphique illustre une variation transitoire de tension de 100 ms se produisant à une fréquence d'environ 150 millisecondes. Il indique comment un système de stockage de l'énergie à batteries réagit rapidement pour gérer ces variations passagères dans le réseau afin d'en rehausser la fiabilité générale.

Le bon format – Enfin, élaborer une méthode pour télécharger les données de plusieurs plateformes sans que la sécurité et l'intégration des appareils des divers fournisseurs et propriétaires s'en trouvent compromises peut s'avérer un réel défi. Comme elles sont réparties sur différents appareils et plateformes, les données relatives au système de stockage et au réseau auquel il est relié ne seront vraisemblablement pas intégrées ni conservées dans des formats compatibles. Bien que l'usage de logiciels commerciaux et une mise en œuvre adéquate atténuent en partie ce problème, un deuxième, plus important, surgit quand on essaie d'analyser et d'optimiser le système, les horloges des dispositifs et des plateformes n'étant pas synchronisées. Il s'ensuit qu'après la collecte, les données doivent être synchronisées manuellement d'après un événement connu, comme une panne de courant ou le démarrage d'une génératrice, si l'on veut que le logiciel ou l'instrument d'analyse fasse son travail dans le processus d'optimisation.

De toute évidence, bien que l'acquisition des données suscite des difficultés, il est possible de les surmonter ou de les minimiser si l'on prête attention à la conception au départ ou optimise le système après son installation.

Tirer parti des données pour optimiser la performance du système

Aussi intéressants que soient ces détails sur la collecte et l'optimisation des données, au bout du compte, le propriétaire aussi bien que l'exploitant du système de stockage d'énergie veut avant tout et surtout s'assurer que ses installations fonctionnent efficacement et de manière sécuritaire, et appuient tous les services qui confèrent au système son utilité. Comment y parvient-on? Ici aussi, il est impératif de mettre en place un cadre solide de collecte et de gestion des données, car c'est lui qui garantira la robustesse du processus de validation et d'optimisation. Dans le moindre des cas, on devra passer les étapes que voici pour y arriver.

  1. Modéliser – Commencer avec de bons modèles du réseau d'électricité et du système de commande, décrivant correctement le réseau à l'étude.
  2. Simuler – Utiliser les modèles mentionnés plus haut pour simuler la performance du système de stockage d'énergie dans diverses situations transitoires, parallèlement à la transmission des données à un débit élevé.
  3. Analyser – Pendant la simulation et l'exploitation, examiner comment le système réagit en situation normale et pendant les épisodes transitoires, et comparer cette réaction à celle qu'il devrait avoir normalement.
  4. Affiner – La dernière étape consiste à ajuster les paramètres techniques et les protocoles d'après les résultats de l'analyse qui précède en vue d'optimiser la performance du système de stockage au sein du réseau.

Modéliser – Quoique la stratégie soit relativement simple, la mettre en œuvre peut s'avérer compliqué. Tout dépend si l'on souhaite optimiser le protocole (la demande de services émanant de l'utilisateur) ou le réseau (la précision avec laquelle on satisfait cette demande). Dans un cas comme dans l'autre, les modèles employés pour optimiser le processus sont de deux sortes : (1) le modèle du réseau d'électricité, qui englobe le système de stockage de l'énergie et (2) le modèle du système de commande (voir le diagramme ci-dessous). Notons que l'objectif ici ne se borne pas à maximiser la performance du système, mais aussi sa vie utile. De cette façon, on acquerra une solide connaissance du fonctionnement des composants électriques et de la réaction des technologies de stockage à des contraintes précises ou à des méthodes de contrôle. Il s'agit d'une importante considération qu'on néglige souvent avant d'entreprendre la mise en œuvre.

La description détaillée de ce diagramme suit.
Description détaillée du flux de l'information

Ce schéma montre le flux de l'information requise pour développer et optimiser le modèle d'un réseau d'électricité combiné (génération/stockage) et de son système de commande. La case de gauche correspond aux intrants, qui passent à la case suivante, illustrant le modèle du réseau. La troisième case est celle du modèle représentant le système de commande, qui prélève les données issues du modèle du réseau et les analyse. La dernière case, à droite, est celle des résultats finaux, soit les paramètres d'optimisation et de réglage, découlant du processus intégral de simulation et d'analyse.

Simuler – Tout le monde, ou presque, sait qu'on peut concevoir, optimiser, et analyser les modèles de façon uniquement virtuelle, ou avec des logiciels et de l'équipement dans des simulateurs en boucle. Parmi les modèles de réseau n'employant que des logiciels figurent des logiciels courants comme PSCAD, Simulink de MatLab et ainsi de suite. Bien que la création et l'évaluation d'un modèle avec des logiciels seulement semble raisonnable comme approche, et convienne dans de nombreux cas, un des inconvénients les plus apparents est qu'un tel modèle ne comprend aucune des interfaces avec l'équipement susceptibles de modifier la façon dont le système réagit quand les informations et une simulation infracycliques sont cruciales. Pour introduire du matériel dans la boucle, on bâtit donc souvent le modèle au moyen d'un simulateur numérique en temps réel (RTDS, pour Real Time Digital Power Simulator) et de logiciels RSCAD dotés d'interfaces avec le système de commande réel. Ces deux approches sont valables et peuvent être appliquées à la plupart des réseaux, en fonction des besoins précis et de la configuration requise. Le point capital est qu'on comprenne bien les scénarios examinés, les paramètres d'exploitation et la réaction voulue du système. Il suffira d'échafauder un plan d'optimisation solide par la suite, lors de la mise en service et de l'exploitation.

Analyser et affiner – Une fois que les modèles appropriés ont été bâtis et qu'on a saisi les données réelles aux points voulus, et avec la rapidité d'échantillonnage désirée, le processus de simulation et d'optimisation peut apporter d'importants avantages pourvu qu'on adopte un plan solide d'acquisition des données.

Si le but ultime consiste à optimiser ce que l'exploitant demande au système de stockage, on analysera les corrélations entre les événements pour s'assurer qu'on dispose des données complètes et déterminer comment le processus peut être amélioré. Comprendre les écarts entre la disponibilité théorique et la disponibilité réelle des composants du système de stockage débouchera sur une meilleure planification des commandes et des alertes. Cette analyse des corrélations événements/fonctionnement entre l'efficacité et la capacité disponible du système de stockage et le fonctionnement véritable du réseau fournit les précieuses informations sans lesquelles on ne pourra élaborer les normes qui régiront l'intégration du stockage de l'énergie au réseau d'électricité. Comme indiqué plus haut, une telle normalisation engendrera de meilleures données, plus uniformes, sur le stockage, ce qui permettra une analyse plus complète, donc l'optimisation de l'exploitation, et une intégration plus harmonieuse des installations de stockage aux services publics et aux applications industrielles.

Si le but ultime consiste à optimiser la manière dont le réseau réagit aux demandes de l'utilisateur sur le plan de la performance, on analysera la réaction et le comportement du système de façon répétitive, puis comparera les résultats à la performance réelle de l'équipement. Les exploitants pourront alors adopter un programme qui affinera le système. Il s'agit d'un processus continu par lequel le propriétaire/l'exploitant peut prévoir le comportement du réseau et l'ajuster selon les circonstances. Quand un écart survient entre les résultats prévus et les résultats réels, on ajuste le modèle en suivant le même processus et affine le réseau en conséquence.

Et ensuite?

Tel qu'indiqué précédemment, la collecte des données, la simulation, l'analyse et l'optimisation sont des processus indispensables aux systèmes de stockage de l'énergie, non seulement à l'étape de la conception, mais aussi pendant l'exploitation. S'assurer que les nouvelles installations ou les installations existantes fonctionnent de la façon prévue et répondent aux critères de sécurité et contractuels tout en en optimisant le rendement et la durabilité est une démarche permanente. La modélisation du système de stockage, sa surveillance en temps réel, l'analyse de la performance et de la fiabilité, ainsi que l'optimisation du système ne sont que quelques aspects sur lesquels le CNRC effectue actuellement des recherches avec les parties prenantes, l'objectif étant de s'assurer que les pièces s'emboîteront toutes correctement et de faire en sorte que l'exploitant retire le maximum de son réseau. Au nombre des projets en cours, il vaut la peine de mentionner les deux que voici.

Pour en savoir plus sur la façon dont votre organisation pourrait profiter de ces projets et d'autres initiatives relatives à l'acquisition des données et au fonctionnement des systèmes, prenez contact avec nous et participez.

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