Audits du fonctionnement des protections de réseau

Introduction

La Brochure Technique présente les possibilités, les avantages et les conditions de l'utilisation d'un logiciel propriétaire d'analyse de réseau et de protection, pour réaliser des audits des performances des protections des réseaux de transport et de distribution, portant sur des centaines ou des milliers de dispositifs de protection.

Comme le suggère le mot « audit » dans le titre de la Brochure Technique, le bon fonctionnement de la protection du réseau est examiné sur la base de la qualité de fonctionnement des relais de protection installés dans le réseau, avec leurs réglages de service.

La motivation de la réalisation d'un audit de performance de la protection du réseau peut venir simplement du besoin de confirmer qu'en cas de défaut dans le réseau les relais de protection, avec leurs réglages de service du moment fonctionnent comme attendu, être la conséquence d'une perturbation grave du réseau, être une exigence légale ou statutaire, ou être la conséquence de modifications du réseau et/ou des changements de protection.

Les modifications de réseau peuvent être des reconfigurations du réseau de transport, des adjonctions ou des retraits de moyens de production, et aussi des modifications des interconnexions avec des réseaux de transport voisins, ou des additions. A la suite de toute modification de réseau il est prudent de s'assurer que le fonctionnement satisfaisant des systèmes de protection, existants et nouveaux, est conservé.

Le remplacement de relais de protection obsolètes, ou de relais de protection en fin de vie utile, peut être l'occasion de mettre en place des relais de protection réalisant des fonctions différentes et/ou possédant des caractéristiques différentes. Evaluer la qualité de l'apport de ces fonctions et/ou caractéristiques nouvelles, et vérifier le fonctionnement et la coordination de ces fonctions et/ou caractéristiques, nouvelles avec des relais de protection existants, est une action qui devra être entreprise.

Considérant les changements rapides que les réseaux de transport et de distribution connaissent, et la durée de vie toujours plus courte des relais de protection numériques, la réalisation d'audits de la performance des protections dans le cadre de la gestion de la vie utile des systèmes de protection devient une nécessité.

Les calculs compliqués qu'implique la sélection des réglages de chaque relais de protection, et le temps que demande l'exécution de ces calculs, font qu'il est impossible de procéder à la révision de tous les réglages des protections d'une « zone étendue » d'un réseau de transport ou de distribution en suivant cette approche

Les possibilités, et la disponibilité, des packages logiciels d'analyse des réseaux à fréquence unique en régime permanent et des protections utilisant les phaseurs, permettent de réaliser des audits de performance de protection sur « une zone étendue ». Cette « zone étendue » peut couvrir l'intégralité d'un réseau de transport ou de distribution, compter des centaines ou des milliers de dispositifs de protection, et présenter une large variété de configurations de réseau. Les systèmes de protection objets de l'audit de performance sont les relais à sélectivité relative (non-unit) existants, avec les réglages de protection de service.

Le Groupe de Travail B5.47 a examiné les questions qui sont à prendre en compte quand on envisage un audit de performance de protection, les spécifications des logiciels d'analyse de système électrique et de fonctionnement de protection, ainsi que les méthodes d'évaluation des performances de protection des systèmes électriques très étendus interconnectés.

Domaine couvert et méthodologie

Les audits de performance des protections mettent en œuvre des logiciels propriétaires (« maison ») d'analyse de systèmes électrique et de protection, ce qui facilite la modélisation interactive du comportement des relais de protection en régime permanent du réseau électrique pour différentes conditions de défaut.

Les modèles en régime permanent basés sur les phaseurs utilisent les phaseurs de la tension et du courant à la fréquence fondamentale. La plupart des modèles basés sur les phaseurs présentent des limitations du fait de leur inaptitude à traiter le régime dynamique transitoire affectant les phaseurs à la fréquence fondamentale.

Cependant les packages logiciels d'analyse des réseaux et des protections basées sur les phaseurs à fréquence fondamentale et en régime permanent, permettent d'examiner le fonctionnement des protections pour différents types de défaut (par ex. triphasé, monophasé phase-terre, phase-phase, etc.) pour des conditions de défaut variant par incréments des charges nominales du circuit protégé, pour des défauts barres et pour des défauts présentant différentes valeurs de résistance de défaut. En outre le logiciel peut modéliser des mises hors tension au voisinage du point de défaut (indisponibilités), et constituer un élément additionnel pour la construction de scénarios de défaut.

Le comportement des protections du réseau en réponse à cette gamme très large de défauts et d'indisponibilités peut révéler des fonctionnements inattendus et des déficiences du système de protection qu'on n'aurait pas détecté autrement, jusqu'au moment d'un mauvais fonctionnement de protection, ou de l'absence de fonctionnement, constaté en réponse à un défaut en réseau.

Les modèles basés sur les transitoires peuvent prendre en compte des transitoires, tels que les effets des offsets CC, la non linéarité des TC et des TT capacitifs, la saturation, les courants d'appel magnétisants des transformateurs, etc. La prise en compte des transitoires temporels et des phénomènes dynamiques pourrait impliquer un niveau d'investigation plus poussé que celui qui est considéré comme nécessaire pour un audit de protection. La complexité, des modèles de réseau tout particulièrement, et des modèles des protections, serait fortement accrue par rapport à celle des analyses basées sur les phaseurs. Pour les modèles basés sur les transitoires il est plus important de restreindre l'étendue de l'investigation (par ex. se limiter à l'étude d'un seul incident de réseau) et de limiter les phénomènes temporels à prendre en compte pour obtenir des résultats fiables.

Description de la Brochure Technique

Dans la Brochure Technique on examine les possibilités que peuvent offrir les modèles en régime permanent de réseaux et de protections, utilisés pour les audits de fonctionnement des protections de réseau, et leurs limitations. On fournit également des directives générales en matière de spécifications des données et de processus d'audit, et sur les techniques d'automatisation envisageables.

Les systèmes de protection les plus impactés par les modifications de configuration du système primaire, ou par des modifications touchant les productions raccordées, sont les protections à sélectivité relative (par ex. protection de distance, protection de surintensité -directionnelle et non directionnelle- et protection contre les défauts à la terre). Les audits de fonctionnement des protections ciblent par conséquent le fonctionnement des systèmes de protection à sélectivité relative. Ceci inclut le fonctionnement des protections de distance dans l'hypothèse où les liaisons de communication associées aux schémas mettant en œuvre des protections de distance (par ex. des schémas à autorisation ou à verrouillage) sont hors service.

Le modèle du réseau électrique est la base de l'audit de fonctionnement des protections. La topologie du réseau et l'ensemble des paramètres des éléments du réseau doivent être modélisés. Des instructions concernant les spécifications des données concernant les équipements primaires sont données.

Sont également requises les données concernant les systèmes de protection, dont le type des relais, les informations sur les TC et TT, ainsi que les réglages appliqués.

On examine les options et les aspects regardant la collecte des paramètres des circuits et des équipements, les réglages des protections en exploitation, et les informations concernant les TC et TT.

L'utilisation des logiciels d'analyse de réseau électrique et de protection dans les audits de fonctionnement des protections demande une approche systématique et l'appel à des techniques d'automatisation, pour la simulation des défauts et l'évaluation du bon fonctionnement des protections.

La Brochure Technique passe en revue les cinq étapes importantes successives à suivre pour réaliser un audit typique du fonctionnement des protections du réseau :

• Etape 1 : Collecte des données et définition des objectifs.
• Etape 2 : Modélisation et Simulation.
• Etape 3 : Evaluation et Qualification.
• Etape 4 : Recommandations et propositions de nouveaux réglages.
• Etape 5 : Confirmation et ajustement fin.

Un réseau de transport ou de distribution comprend des centaines ou des milliers de relais de protection. Pour réaliser un audit de fonctionnement des protections il faut simuler une variété de défauts (monophasé à la terre, triphasé, biphasé, etc.), de façon systématique et à intervalles réguliers (soit 5% ou 10%) sur chaque circuit et sur chaque jeu de barres protégés. En plus il faut pour les défauts à la terre évaluer la réponse des relais de protection pour des valeurs variables de résistance du défaut.

Chaque défaut est appliqué comme une étape, c’est-à-dire qu'après l'application du défaut, le premier relais de protection fonctionne et ordonne l'ouverture du disjoncteur qui lui est associé, le défaut est réappliqué et la protection suivante ordonne l'ouverture de son disjoncteur, le processus étant répété jusqu'à élimination du défaut ou jusqu'au point où aucune protection supplémentaire ne fonctionne.

Pour l'analyse des fonctionnements des protections, chaque fonctionnement doit être évalué en regard de critères de coordination, tels que les marges de coordination des temps, la portée des protections de distance, les spécifications du temps critique d'élimination de défaut, etc. Le logiciel doit offrir à l'ingénieur de protection la possibilité de définir les critères d'évaluation de la protection.

A l'évidence l'application d'un tel grand nombre de défauts, et l'évaluation de la réponse d'une multitude de relais de protection pour chacun des défauts, imposent l'utilisation de techniques d'automatisation.

Le logiciel d'analyse du réseau électrique et des protections utilisé pour l'audit de fonctionnement des protections doit prévoir des dispositions pour l'écriture de scripts ou de macros qui faciliteront l'automatisation de l'application des défauts, de l'analyse et des comptes rendus.

De plus il faut prévoir une technique de visualisation de toutes les actions de protections liées à un défaut particulier. Parmi le très grand nombre de fonctionnements de protection qui se produisent lors de l'application des défauts, la visualisation doit permettre à l'ingénieur de protection d'identifier facilement quels relais de protection n'ont pas fonctionné comme attendu et lesquels requièrent un examen complémentaire.

Une visualisation de ce genre, provenant d'un package logiciel d'évaluation du fonctionnement de protection disponible dans le commerce, fait l'objet de la Figure 1. Un code couleur, associé au niveau de non-conformité sur les exigences de coordination et le temps de fonctionnement, qualifie le comportement de la protection en réponse à un défaut donné.

Les résultats d'un audit du fonctionnement des protections du réseau devraient identifier les réglages détectés comme ne conduisant pas à un fonctionnement acceptable, devraient recommander des modifications de réglage et des remplacements de TC ou TT, ou la mise en place de relais de protection supplémentaires ou différents qui sont nécessaires pour améliorer la coordination des protections. Les recommandations devraient assurer une élimination des défauts, sensible, sélective et rapide, et contribuer ainsi à accroître la fiabilité opérationnelle du réseau électrique.

Conclusions

Un audit du fonctionnement des protections du réseau est un outil, parmi plusieurs, qui permet d'évaluer le comportement des relais de protection. Le retour d'expérience des fonctionnements de protection en exploitation et les analyses de défauts passés, dont l'examen des données des enregistreurs numériques de défauts sont des approches complémentaires pour évaluer la performance des relais de protection et pour améliorer la fiabilité du réseau électrique.

Bien que ces outils complémentaires puissant être utilisés, et le sont, pour vérifier le fonctionnement d'exemplaires de relais de protections, un audit de fonctionnement des protections de réseau sur une « zone étendue » est le seul outil qui soit capable de vérifier le fonctionnement des centaines, ou des milliers, de relais de protection à sélectivité relative installés dans un grand réseau sans interférer avec l'exploitation du réseau.

Le principal avantage d'un audit de fonctionnement des protections de réseau vient de ce qu'il permet de détecter les problèmes latents de mauvaise coordination avant qu'ils compromettent la fiabilité de l'exploitation du réseau électrique. Un autre intérêt réside dans le fait que le modèle du réseau électrique et des protections développées pour un audit peut être utilisé pour des vérifications de routine du fonctionnement des protections au moment des développements du réseau.

L'énorme volume des données nécessaires pour la réalisation d'un audit de fonctionnement des protections du réseau rend indispensables les techniques d'automatisation, en particulier pour l'automatisation du processus d'entrée des données incluant des contrôles de plausibilité, pour le traitement a posteriori de l'évaluation de la coordination des protections, et la visualisation synthétique des résultats.

Sans techniques d'automatisation, des moyens importants et beaucoup de temps seraient requis pour réaliser manuellement l'audit de fonctionnement des protections du réseau. Des audits automatisés apportent des gains de coût, de temps et de ressources humaines et, du fait du très grand nombre des scénarios de défaut pris en compte, peuvent aussi détecter des problèmes de protection qui n'auraient pas été normalement détectés.