Optimisation de l'architecture des réseaux de distribution de l’énergie électrique

Résumé :

Pour faire face aux mutations du paysage énergétique, les réseaux de distribution d’électricité sont soumis à des exigences de fonctionnement avec des indices de fiabilité à garantir. Dans les années à venir, de grands investissements sont prévus pour la construction des réseaux électriques flexibles, cohérents et efficaces, basés sur de nouvelles architectures et des solutions techniques innovantes, adaptatifs à l’essor des énergies renouvelables. En prenant en compte ces besoins industriels sur le développement des réseaux de distribution du futur, nous proposons, dans cette thèse, une approche reposant sur la théorie des graphes et l’optimisation combinatoire pour la conception de nouvelles architectures pour les réseaux de distribution.

Notre démarche consiste à étudier le problème général de recherche d’une architecture optimale qui respecte l’ensemble de contraintes topologiques (redondance) et électrotechniques (courant maximal, plan de tension) selon des critères d’optimisation bien précis : minimisation du coût d’exploitation (OPEX) et minimisation de l’investissement (CAPEX). Ainsi donc, les deux familles des problèmes combinatoires (et leurs relaxations) ont été explorées pour proposer des résolutions efficaces (exactes ou approchées) du problème de planification des réseaux de distribution en utilisant une formulation adaptée. Nous nous sommes intéressés particulièrement aux graphes 2-connexes et au problème de flot arborescent avec pertes quadratiques minimales. Les résultats comparatifs de tests sur les instances de réseaux (fictifs et réels) pour les méthodes proposées ont été présentés.

Mots clés :

Architectures des Réseaux de Distribution, Smart Grid, Planification, Optimisation Combinatoire, Théorie des Graphes, Modélisation, Programmation Linéaire, Programmation Quadratique, Programmation Convexe, Graphes 2-connexes, Flot Arborescent avec Pertes Quadratiques Minimales.

JURY :

    * M. Olivier PETON Maître Assistant, HDR, Ecole des Mines de Nantes, Rapporteur
    * M. Geert DECONINCK Professeur Dr. Ir., KU LEUVEN, Rapporteur
    * M. Bertrand RAISON Professeur des Universités, Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse
    * M. Wojciech BIENIA Maître de Conférences, Grenoble INP, Co-encadrant
    * M. Raphaël CAIRE Maître de Conférences, HDR, Grenoble INP, Co-encadrant
    * M. Bruno FRANCOIS Professeur, Ecole Centrale de Lille, Examinateur
    * Mme Fatiha BENDALI-MAILFERT Maître de Conférences, HDR, l'Université Blaise Pascal Clermont-Ferrand, Examinatrice
    * M. Yann KIEFFER Maître de Conférences, ESISAR Valence (Grenoble INP), Examinateur
    * M. Jérôme COULET Chef d'Agence Maîtrise d'Ouvrage, ERDF Chambéry, Invité

TITLE: OPTIMIZATION OF ARCHITECTURE OF POWER DISTRIBUTION NETWORKS

ABSTRACT:

To cope with the changes in the energy landscape, electrical distribution networks are submitted to operational requirements in order to guarantee reliability indices. In the coming years, big investments are planned for the construction of flexible, consistent and effective electrical networks, based on the new architectures, innovative technical solutions and in response to the development of renewable energy.

Taking into account the industrial needs of the development of future distribution networks, we propose in this thesis an approach based on the graph theory and combinatorial optimization for the design of new architectures for distribution networks. Our approach is to study the general problem of finding an optimal architecture which respects a set of topological (redundancy) and electrical (maximum current, voltage plan) constraints according to precise optimization criteria: minimization of operating cost (OPEX) and minimization of investment (CAPEX).
Thus, the two families of combinatorial problems (and their relaxations) were explored to propose effective resolutions (exact or approximate) of the distribution network planning problem using an adapted formulation. We are particularly interested in 2-connected graphs and the arborescent flow problem with minimum quadratic losses. The comparative results of tests on the network instances (fictional and real) for the proposed methods were presented.

KEYWORDS:

Distribution Networks, Smart Grid, Power Distribution System Planning, Combinatorial Optimization, Graph Theory, Modelization, Linear Programming, Quadratic Programming, Convex Programming, 2-connected graphs, Arborescent Flow with Quadratic Losses.