La distribution reste le segment du secteur de l’électricité le moins étudié. Mais les débats s’animent autour d’elle depuis deux ou trois ans quant aux changements structurels possibles du fait notamment de l’émergence amorcée ou annoncée des smart technologies: ils pourraient en effet remettre en cause dans les prochaines années les modèles d’affaires actuels des GRD et leur mode de régulation. Mais de nombreuses incertitudes pèsent sur leurs choix d’investissements. La thèse vise à anticiper les évolutions des modèles d’affaires des GRD en Europe à l’horizon 2030 en tenant compte des paramètres technologiques, macroéconomiques et géographiques. Elle propose une vision théorique et analytique originale, en introduisant tout d’abord la notion de « technologies à potentiel naturel » pour étudier le développement optimal de différentes technologies par contexte géographique et par scénario de référence. A partir de ces résultats, elle définit alors différentes évolutions possibles des activités de la distribution. Le croisement de ces futurs avec les différentes stratégies d’investissement envisageables pour les GRD permet de définir les futurs modèles d’affaires des GRD européens en fonction des combinaisons de smart technologies déployées et des contextes géographiques contrastés. Dans sa dernière partie, la thèse s’intéresse tout particulièrement aux changements prévisibles dans la relation GRD / régulateur sectoriel via une formalisation par la théorie des jeux. Enfin, en s’appuyant notamment sur les études théoriques de Brian Arthur, la thèse identifie les différents effets lock-in qui pourraient entraver l’émergence des smart technologies et les solutions possibles / Distribution activities have been the least studied domain of the electricity sector; over the last few years though, strong debates emerged with regards to the future. Indeed, this activity might soon undergo some deep structural changes, particularly as smart technologies are deployed: theses technologies could strongly impact the current business cases of the DSOs, along with the regulation now in effect, at a time when numerous uncertainties weigh on the distributors choices of investments. This thesis investigates the distributors’ business models evolutions in Europe for the next 20 years, based on technological, macroeconomic and geographical parameters. It proposes an original approach, both theoretical and analytical, to better understand the future world of DSOs. At first, it introduces the notion of “technologies with natural potential” in order to study the optimal development of the different technologies, by geographical context and macroeconomic scenarios. From these results, it then defines various possible evolutions of the distribution activities. Crossing these futures with the various possible investment strategies for the DSOs makes it possible to define the future business models of the European DSOs, according to various combinations of smart technologies displayed and contrasted geographical contexts. In its last part, the thesis studies the predictable changes in the relation DSO / regulator, using a formalization based on the Games Theory; this work is complemented by identifying the different lock-in effects (using the approach described in Brian Arthur’s studies) that could hinder the emergence of smart technologies, and the possible solutions

Afin de maintenir une bonne qualité de l’électricité, les gestionnaires de réseaux doivent maintenir les niveaux de tension harmonique en-dessous de certaines limites spécifiées dans les normes. Les niveaux de tension harmonique résultent des équipements non-linéaires présents dans les installations, qui injectent des courants harmoniques sur le réseau.Dans ce but, une solution consiste à appliquer des limites d’émission à ces installations. Les gestionnaires de réseaux ont besoin pour cela d’un indicateur fiable pour évaluer le niveau d’émission harmonique d’une installation.Dans ce cadre, nous nous sommes tout d’abord intéressés aux différentes méthodes existantes, que nous avons appliqué sur des cas de réseaux simplifiés afin de les évaluer sur plusieurs critères. Nous avons ainsi identifié dans un premier temps les définitions qui répondent le mieux à notre besoin ainsi que leurs limites restectives. Dans un deuxième temps, nous avons amélioré une des définitions retenues en proposant une nouvelle solution : la définition “quatre quadrants”.Cette nouvelle définition permet d’évaluer le courant harmonique émis par une installation sur le réseau en se basant sur les mesures de la tension et du courant au point de livraison de l’installation. Son principal intérêt par rapport aux méthodes existantes est de mieux identifier les installations moyennement perturbatrices sur le réseau. Ce point a été validé en simulation sur un réseau dérivé du benchmark CIGRE. / In order to maintain good power quality, Distribution Systems Operators (DSOs) must keep harmonic voltage levels under limits specified in standards. These harmonic voltages result from non-linear equipment connected in installations, which inject harmonic currents into networks.A possible solution to solve this problem consists to implement emission limits per installation. In order to apply these limits, DSOs need to have an accurate and reliable indicator to assess the harmonic emission of an installation.In this context, we studied different methods from the literature. We implemented each of them on several simplified distribution networks in order to evaluate them on several criteria. First, we identified the most interesting definitions from the literature, and emphasized their respective theorical limits. Then, we improved one of these definitions by proposing a new solution: the “four-quadrants” definition.This new definition is able to assess the harmonic current injected by an installation into the network by using current and voltage measurements at the point of common coupling of this installation. Its main advantage in comparison to other methods is a better detection of “medium” disturbing installations over the network. This advantage has been confirmed by implementing the proposed solution in simulation on a distribution network derived from the CIGRE benchmark.

Avec la forte croissance du e-commerce et l'augmentation continue de la population des villes impliquant des niveaux de congestion plus élevés, les réseaux de distribution doivent déployer des échelons supplémentaires pour offrir un ajustement dynamique aux besoins des entreprises au cours du temps et faire face aux aléas affectant l’activité de distribution. Dans ce contexte, les praticiens s'intéressent aux réseaux de distribution à deux échelons. Dans cette thèse, nous commençons par présenter une revue complète des problèmes de design des réseaux de distribution et souligner des caractéristiques essentielles de modélisation. Ces aspects impliquent la structure à deux échelons, l’aspect multi-période, l’incertitude et les méthodes de résolution. Notre objectif est donc, d’élaborer un cadre complet pour le design d’un réseau de distribution efficace à deux échelons, sous incertitude et multi-périodicité, dans lequel les produits sont acheminés depuis les plateformes de stockage (WP) vers les plateformes de distribution (DP) avant d'être transportés vers les clients. Ce cadre est caractérisé par une hiérarchie temporelle entre le niveau de design impliquant des décisions relatives à la localisation des plateformes et à la capacité allouée aux DPs sur une échelle de temps annuelle, et le niveau opérationnel concernant des décisions journalières de transport. % sur une base journalière.Dans une première étude, nous introduisons le cadre complet pour le problème de design de réseaux de distribution à deux échelons avec une demande incertaine, une demande et un coût variables dans le temps. Le problème est formulé comme un programme stochastique à plusieurs étapes. Il implique au niveau stratégique des décisions de localisation des DPs ainsi que des décisions d'affectation des capacités aux DPs sur plusieurs périodes de design, et au niveau opérationnel des décisions de transport sous forme d'arcs origine-destination. Ensuite, nous proposons deux modèles alternatifs basés sur la programmation stochastique à deux étapes avec recours, et les résolvons par une approche de décomposition de Benders intégrée à une technique d’approximation moyenne d’échantillon (SAA). Par la suite, nous nous intéressons à la livraison du dernier kilomètre dans un contexte urbain où les décisions de transport dans le deuxième échelon sont caractérisées par des tournées de véhicules. Un problème multi-période stochastique de localisation-routage à deux échelons avec capacité (2E-SM-CLRP) est défini, dans lequel les décisions de localisation concernent les WPs et les DPs. Le modèle est un programme stochastique à deux étapes avec recours en nombre entier. Nous développons un algorithme de décomposition de Benders. Les décisions de localisation et de capacité sont déterminées par la solution du problème maître de Benders. Le sous-problème résultant est un problème multi-dépôt de tournées de véhicule avec des dépôts et véhicules capacitaires qui est résolu par un algorithme de branch-cut-and-price.Enfin, nous étudions le cadre à plusieurs étapes proposé pour le problème stochastique multi-période de design de réseaux de distribution à deux échelons et évaluons sa tractabilité. Pour ceci, nous développons une heuristique à horizon glissant qui permet d’obtenir des bornes de bonne qualité et des solutions de design pour le modèle à plusieurs étapes. / With the high growth of e-commerce and the continuous increase in cities population contrasted with the rising levels of congestion, distribution schemes need to deploy additional echelons to offer more dynamic adjustment to the requirement of the business over time and to cope with all the random factors. In this context, a two-echelon distribution network is nowadays investigated by the practitioners.In this thesis, we first present a global survey on distribution network design problems and point out many critical modeling features, namely the two-echelon structure, the multi-period setting, the uncertainty and solution approaches. The aim, here, is to propose a comprehensive framework for the design of an efficient two-echelon distribution network under multi-period and stochastic settings in which products are directed from warehouse platforms (WPs) to distribution platforms (DPs) before being transported to customers. A temporal hierarchy characterizes the design level dealing with facility-location and capacity decisions over a set of design periods, while the operational level involves transportation decisions on a daily basis.Then, we introduce the comprehensive framework for the two-echelon distribution network design problem under uncertain demand, and time-varying demand and cost, formulated as a multi-stage stochastic program. This work looks at a generic case for the deployment of a retailer's distribution network. Thus, the problem involves, at the strategic level, decisions on the number and location of DPs along the set of design periods as well as decisions on the capacity assignment to calibrate DP throughput capacity. The operational decisions related to transportation are modeled as origin-destination arcs. Subsequently, we propose alternative modeling approaches based on two-stage stochastic programming with recourse, and solve the resulting models using a Benders decomposition approach integrated with a sample average approximation (SAA) technique.Next, we are interested in the last-mile delivery in an urban context where transportation decisions involved in the second echelon are addressed through multi-drop routes. A two-echelon stochastic multi-period capacitated location-routing problem (2E-SM-CLRP) is defined in which facility-location decisions concern both WPs and DPs. We model the problem using a two-stage stochastic program with integer recourse. To solve the 2E-SM-CLRP, we develop a Benders decomposition algorithm. The location and capacity decisions are fixed from the solution of the Benders master problem. The resulting subproblem is a capacitated vehicle-routing problem with capacitated multi-depot (CVRP-CMD) and is solved using a branch-cut-and-price algorithm.Finally, we focus on the multi-stage framework proposed for the stochastic multi-period two-echelon distribution network design problem and evaluate its tractability. A scenario tree is built to handle the set of scenarios representing demand uncertainty. We present a compact formulation and develop a rolling horizon heuristic to produce design solutions for the multi-stage model. It provides good quality bounds in a reasonable computational times.

Les réseaux électriques subissent actuellement des changements dus à la dérégulation du marché, à l'intégration de productions décentralisées et à l'augmentation de la consommation. En conséquence, ils vont subir plus de contraintes et les charges électriques seront amenées à contribuer à leur soulagement. Leur pilotage est donc envisagé pour participer à la conduite des réseaux et à la fourniture de services. Les travaux de cette thèse ont pour but de présenter des possibilités de pilotage de charges dans ce contexte en évolution. Les contributions des charges thermiques résidentielles et électroménagères à la gestion des conséquences d'incidents y sont évaluées. Ces études permettent de conclure que ces charges présentent un potentiel de pilotage intéressant aussi bien en contrôle prévisionnel qu'en contrôle en temps réel. Les résultats obtenus et la nouveauté de ce thème d'étude permettent d'envisager des travaux futurs vers l'élargissement des champs d'action avec d'autres charges à piloter et d'autres services à fournir.

Les dérégulations du marché de l'énergie, suivies de nombreuses privatisations, et les désintégrations verticales ont amené une restructuration complète du secteur électrique avec de nouvelles formes d'organisation. L'ouverture des marchés de l'énergie ainsi que les développements technologiques des moyens de production de petite et moyenne puissance encouragent fortement cette évolution. Une méthodologie d'étude systématique de transmission d'impact entre la basse et moyenne tension est d'abord proposée, après un rapide état de l'art des différents impacts possibles. Le plan de tension est alors identifié comme l'impact le plus critique. Cette criticité est appuyée par des études quantitatives sur des réseaux typiques français, et confirmée par la littérature associée. Afin de solutionner cet impact, une recherche des moyens d'action sur le plan de tension du réseau de distribution ainsi que leur modélisation est réalisée. Les grandeurs de consigne des moyens de réglage disponibles étant discrètes ou continues, des outils spécifiques sont développées pour les coordonner. Cette coordination s'appuie sur des algorithmes d'optimisation développés en tenant compte de la spécificité inhérente aux grandeurs de réglage. Une méthodologie de choix ou de localisation optimale des moyens de réglage associés à une gestion du plan de tension est présentée. Enfin, des stratégies « décentralisées » de coordination des moyens de réglage et une proposition pour la validation expérimentale sont présentés, grâce à un simulateur temps réel, permettant de tester les stratégies de coordination et les moyens de communication nécessaires.

Des solutions innovantes doivent être développées pour envisager l'avenir des systèmes électriques face à un nombre grandissant de contraintes. En particulier, le stockage d'énergie est pressenti comme un soutien indispensable à l'essor massif dans les réseaux de distribution de sources de production exploitant les énergies renouvelables. Les présents travaux visent à apporter des éléments de réflexion sur cette option technique qui arrive à maturité et suscite l'intérêt. Dans un premier temps, des méthodes d'étude sont proposées pour cerner le potentiel et les opportunités du stockage distribué. Une grille de caractérisation des technologies est introduite et sa mise en œuvre souligne des performances intéressantes à des coûts qui, cependant, demeurent élevés. Pour rendre leur utilisation réaliste, la valeur de ces dispositifs pour les systèmes électriques est donc critique. Nous l'analysons en deux étapes : une classification de leurs services pour les différents acteurs en présence est définie avant d'aborder la mutualisation de fonctions, requise pour favoriser l'atteinte d'une rentabilité, via une approche originale. Cette démarche aboutit à l'identification de configurations porteuses qui méritent des études plus poussées. Pour ce faire, un modèle général de comportement des unités de stockage est développé dans un second temps. Interfacé à un logiciel de simulation dynamique des réseaux, il permet d'évaluer l'utilisation de telles installations pour diverses offres de services. Ces outils sont appliqués et validés expérimentalement sur la caractérisation d'une réserve impulsionnelle fournie par le stockage pour réduire les délestages dans les systèmes insulaires

La thèse répond à deux problématiques, d'une part la quantification des effacements de consommation d'électricité par technologies gaz dans l'habitat et d'autre part de l'intégration de leurs valorisations dans une perspective de planification des infrastructures. Ces travaux se justifient dans un contexte d'augmentation de la pointe électrique, à l'origine d'une hausse du risque de défaillance du système, et de la baisse des consommations de gaz naturel conduisant à une sous utilisation du réseau de distribution. Pourtant, alors que la demande en gaz naturel croît du fait de l'installation de centrales à cycle combiné sur le réseau de transport, l'interaction des réseaux de distribution gaz/électricité n'est pas exploitée.Ce manuscrit envisage l'intégration des technologies gaz comme moyen de Maîtrise de la Demande en Électricité dans le processus de planification des réseaux. Ainsi les effacements de consommations d'électricité lors des périodes dimensionnantes par des micro-cogénérateurs ou des chaudières hybrides sont des solutions alternatives aux solutions de renforcement de réseaux.Pour quantifier le gisement d'effacement, nous nous intéressons à l'impact marginal des systèmes sur la demande en termes de modification de la quantité d'Énergie Non Distribuée potentielle. Les estimations des impacts de systèmes de chauffage sur la demande sont donc des prérequis à cette approche. Nous modélisons les courbes de charge régionales par une approche Bottom-Up permettant de déterminer les profils de demande marginale de chauffage en fonction des systèmes. La mise en application de cette méthode est à fiabiliser par des études socio-technico-économiques permettant de réduire les incertitudes sur les déterminants des besoins de chauffage. Une calibration en puissance des profils générés a été proposée mais n'a pu être réalisée. En revanche, nous apportons une contribution à l'analyse des courbes de charge agrégées en montrant que le modèle d'estimation actuellement utilisé par le gestionnaire de réseau s'apparente à un modèle simplifié de bâtiment

Le but de cette thèse est l'exploration du domaine de l'optimisation de la topologie radiale d'un réseau de distribution en temps réel pour différents régimes d'exploitation. Nous avons ainsi développé différents outils de calcul performants, en particulier une approche unifiée qui se prête d'une part pour l'optimisation pour le régime normal d'exploitation, d'autre part pour établir un plan de reprise de service pour les zones îlotées suite à la défaillance d'un élément du réseau. Afin de satisfaire la contrainte temps réel, nous nous sommes basés sur des méthodes heuristiques permettant de s'approcher au plus de l'optimum global en un temps de calcul très court. La vérification de la qualité des solutions obtenues par des méthodes heuristiques est effectuée à l'aide d'autres méthodes d'optimisation plus dédiées à la recherche de l'optimum global. En validant la méthodologie proposée sur des réseaux de distribution réels à grande taille, nous avons montré l'efficacité de notre approche tant au niveau de la qualité des résultats qu'au niveau du temps de calcul.

Ces travaux proposent des améliorations de méthodes de localisation desdéfauts électriques sur les réseaux électriques de distribution. Les réseaux de transportont rapidement été instrumenté en élément de protection. En effet, un incident survenantsur le réseau de transport peut entrainer de graves conséquences s’il n’est pas traité rapidement.Les réseaux de distribution quand à eux possèdent un schéma de protectionminimal. Cependant le développement des smart grids (ou réseaux intelligents) amène denouvelles possibilités avec l’ajout d’équipements de mesures sur le réseau de distribution.Les travaux présentés dans cette thèse développent deux méthodes de localisation de défaut.La première permet de mieux utiliser l’équipement déjà en place (indicateurs depassage de défaut) afin d’isoler de manière rapide et fiable la zone concernée par le défaut.La deuxième permet une localisation précise (en distance) des différents lieux de défautspossibles à partir de mesures électriques. / This thesis proposes to improve fault localization methods for electricalpower distribution networks. Transmission networks were quickly equipped with protectionand fault localization equipments. Indeed, faults on the transmission network need tobe dealt with quickly in order to avoid serious consequences. Unlike transmission networks,distribution networks have a minimal protection scheme. The smart grid developmentsbring new possibilities with the installation of new equipments giving access to many newvariables. The work presented in this thesis develop two fault localization method. Thefirst aims in using the equipment already installed (fault indicators) in order to isolatequickly and efficiently the zone concerned by the fault. The second method performs aprecise localization (in distance) of the different possible fault locations from the electricalmeasurements made on the network.

La distribution reste le segment du secteur de l'électricité le moins étudié. Mais les débats s'animent autour d'elle depuis deux ou trois ans quant aux changements structurels possibles du fait notamment de l'émergence amorcée ou annoncée des smart technologies: ils pourraient en effet remettre en cause dans les prochaines années les modèles d'affaires actuels des GRD et leur mode de régulation. Mais de nombreuses incertitudes pèsent sur leurs choix d'investissements. La thèse vise à anticiper les évolutions des modèles d'affaires des GRD en Europe à l'horizon 2030 en tenant compte des paramètres technologiques, macroéconomiques et géographiques. Elle propose une vision théorique et analytique originale, en introduisant tout d'abord la notion de " technologies à potentiel naturel " pour étudier le développement optimal de différentes technologies par contexte géographique et par scénario de référence. A partir de ces résultats, elle définit alors différentes évolutions possibles des activités de la distribution. Le croisement de ces futurs avec les différentes stratégies d'investissement envisageables pour les GRD permet de définir les futurs modèles d'affaires des GRD européens en fonction des combinaisons de smart technologies déployées et des contextes géographiques contrastés. Dans sa dernière partie, la thèse s'intéresse tout particulièrement aux changements prévisibles dans la relation GRD / régulateur sectoriel via une formalisation par la théorie des jeux. Enfin, en s'appuyant notamment sur les études théoriques de Brian Arthur, la thèse identifie les différents effets lock-in qui pourraient entraver l'émergence des smart technologies et les solutions possibles