Les évolutions récentes des systèmes électriques comme conséquence de la dérégulation du marché et des traités internationaux comme le protocole de Kyoto ont des répercussions importantes sur les réseaux, en particulier, ceux de distribution. En effet, une large part de la production décentralisée est prévue d'être raccordée sur ces derniers. La production décentralisée utilise des sources d'énergie renouvelables hautement imprévisibles et reparties dans la nature. Ce fait ajoute une contrainte forte sur la planification et l'exploitation des réseaux de distribution qui n'ont pas été conçus, à l'origine, pour accueillir de la production d'énergie à large échelle. Ce travail de thèse étudie l'impact de l'incertitude sur les études classiques de planification des réseaux électriques. Les études statiques et dynamiques du réseau ont été réalisées prenant en compte plusieurs sources d'incertitude dans plusieurs réseaux de distribution. Les incertitudes sont modélisées dans les études statiques par les méthodes probabilistes et possibilistes. La méthode possibilistes offre des avantages sur la méthode probabiliste. Il est déterminé le taux de pénétration éolien maximum d'un petit réseau maillé en utilisant la méthode probabiliste, ainsi que les simulations de stabilité dynamique et statique du réseau

Dans le futur, les réseaux de distribution deviendront intelligents et actifs et seront utilisés au plus près de leurs limites car l'avènement de la dérégulation avec l'introduction massive de la production décentralisée induira une optimisation des infrastructures de l'énergie pour des besoins environnementaux d'une part, mais aussi par l'introduction de la concurrence dans un secteur autrefois monopolistique. Si on veut utiliser pleinement le potentiel des productions décentralisées dans les réseaux de distribution, on devra rendre ces réseaux observables au moyen de mesures qui seront intégrées dans les systèmes de supervision et de contrôle car sans observabilité et reconstruction d'état du réseau, le contrôle du réseau est impossible. Pour un grand réseau de distribution (quelques milliers de nœuds), avec un taux d'insertion important de productions décentralisées, l'observabilité en temps-réel devient très difficile. Dans la littérature scientifique, on ne trouve pas de travaux prenant en compte les réseaux intelligents et reconfigurables de demain avec production décentralisée massive. L'enjeu du projet sera donc de développer des algorithmes de reconstruction d'état prenant en compte les spécificités des réseaux du futur, à les valider et à les intégrer dans les outils de gestion des réseaux du distributeur. La reconstruction d'état permettra d'aider à l'automatisation et donc à l'introduction d'intelligence dans les réseaux de distribution du futur ainsi qu'à l'insertion massive de productions décentralisées.________________________________________

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.

Ce travail est lié au système de protection des réseaux de distribution. Les réseaux radiaux dedistribution peuvent être protégés simplement par une protection placée en tête du départ. Maisl'exploitation future des réseaux de distribution, qui se transforment en réseaux intelligents,flexibles et adaptatifs, va sûrement nécessiter une protégeabilité plus complexe. Parconséquent, un nouveau plan de protection pourrait être nécessaire afin d’augmenter la fiabilitédu réseau de distribution et le taux de productions décentralisées. Il pourrait inclure plusieursprotections déployées sur un départ. Le but principal de ce travail est d'étudier comment lesprotections pourraient agir (sur quel genre de grandeurs les protections reposeront, quellecoordination faut-il choisir) et d'analyser les limites de ces nouvelles protections. En déployantplusieurs protections qui divisent le départ en des zones plus petites, le plan de protectionproposé, reposant sur une formulation modifié et optimisée, proche de celle des protections dedistance classiques, déconnectera ainsi moins de consommateurs et de producteurs lors del’apparition de défauts. Cela devrait réduire le temps de coupures brèves et de diminuerl'énergie non fournie. Ce manuscrit présente une solution pour les réseaux HTA radiaux faceaux défauts monophasés. / This work is related to the protection system of distribution networks. Radial MV distributiongrids can be protected by a single protection relay located at the beginning of the feeder. Butthe future operation mode of distribution grids turning into Smart Grids should impose morecomplex operations. Therefore a more advanced protection scheme could be needed, in orderto improve the reliability of the distribution network and to enhance the DG interconnection. Itcould include several protection relays in series on a same MV feeder. The main purpose of thiswork is to investigate how the protection relays could work (on which measurements should theprotection decisions be based, how to coordinate the relays without communication) andanalyze the limits of such new protection schemes. Since the goal is to insert severalprotections that divide the grid into smaller sections, the proposed protection system, based onan adapted and optimized formula, inspired by distance relays algorithm, would thereforedisconnect fewer loads and producers when faults occur in the MV network. This should reducethe clearing operation time and Energy Not Supplied criteria. This paper presents a solution fora radial MV grid facing single-phased faults.

L'augmentation des densités de puissance et d'énergie des SSE (système de stockage électrique) des véhicules électriques/véhicules hybrides rechargeable (VEs/VHRs), tout en conservant des coûts raisonnables pour l'utilisateur, et le développement de convertisseurs d'énergie électrique à haute densité de puissance volumique, et de plus en plus performant vont favoriser la production en masse de véhicules électrifiés. Une partie de ces véhicules électriques (VEs/VHRs) nécessitent une connexion au réseau pour la recharge des batteries. L’insertion de ces nouvelles charges dans le réseau présentera alors plusieurs enjeux et impacts significatifs pour les réseaux électriques puisqu’ils doivent répondre localement à des demandes de puissance non négligeables. Ce projet de thèse vise à étudier et réduire les impacts des VEs/VHRs sur les réseaux de distribution grâce à la technologie Vehicle-to-Grid (V2G). Le véhicule électrique alimente le réseau en fonction des besoins du système électrique (modèle bidirectionnel) et lui offre un service de flexibilité. Ces travaux de recherche ont pour but d'approfondir les concepts dans lequel l’alimentation des véhicules électriques (VE) et/ou hybrides de type P-VEH est intégrée à la gestion du réseau de distribution et des « hubs énergétiques » du futur. L’objectif de la thèse est d’abord étudier les service systèmes possible à fournir grâce à V2G, ensuite de concevoir un système de supervision qui assurera une gestion énergétique de ces nouvelles charges en choisissant le mode de recharge et/ou décharge adéquat et en prenant également en considération la demande de consommation locale et la présence de production de type renouvelable (photovoltaïque, éolien) dans le réseau de distribution. Cette supervision se fera dans un premier temps « en hors ligne » et par la suite « en ligne ». On aura recours à l’utilisation de méthodes d’intelligence artificielle comme l’apprentissage automatique (Machine Learning) et la logique floue, la commande prédictive ainsi que des méthodes d’optimisation hybrides (stochastiques et déterministes). / The power and energy density increment of the electrical storage system (ESS) of electric vehicles/Plug-in hybrid electric vehicles (EVs/PHEVs), while maintaining reasonable costs for the user, and the development of converters of electrical energy to high power density and more and more powerful, will encourage the mass production of electrified vehicles. Beyond, electric vehicles (EVs/PHEVs) require a connection to the grid for the charging of the batteries. The insertion of these new loads in the grid will then present several issues and significant impacts for electrical networks since they must respond locally to non-negligible power requests. This PhD thesis aims to study and reduce the impacts of the EVs/PHEVs on the distribution grid thanks to the vehicle-to-Grid (V2G) technology. The electric vehicle supplies the grid depending on the needs of the electrical system (bi-directional model) and offers a flexible service. These works of research have aimed to deepen the concepts in which the supply of electric vehicles (EV) and/or hybrids of type PHEV is integrated with the management of the distribution network and the future "energy hubs". The objective of the thesis is at first to examine the possible ancillary services provided by V2G, then to design a system of supervision which will ensure an energy management of these new loads by choosing the adequate mode of charge/discharge and also taking into consideration the request of local consumption and the presence of renewable production of type photovoltaic and wind in the distribution grid. This supervision will be in a first step "offline" and subsequently "online". The methods which are used in this thesis are as follows; artificial intelligence such as machine learning and fuzzy logic, the predictive control as well as the methods of hybrids optimization (stochastic and deterministic).

Les évolutions récentes des systèmes électriques comme conséquence de la dérégulation du marché et des traités internationaux comme le protocole de Kyoto ont des répercussions importantes sur les réseaux, en particulier, ceux de distribution. En effet, une large part de la production décentralisée est prévue d'être raccordée sur ces derniers. La production décentralisée utilise des sources d'énergie renouvelables hautement imprévisibles et reparties dans la nature. Ce fait ajoute une contrainte forte sur la planification et l'exploitation des réseaux de distribution qui n'ont pas été conçus, à l'origine, pour accueillir de la production d'énergie à large échelle. Ce travail de thèse étudie l'impact de l'incertitude sur les études classiques de planification des réseaux électriques. Les études statiques et dynamiques du réseau ont été réalisées prenant en compte plusieurs sources d'incertitude dans plusieurs réseaux de distribution. Les incertitudes sont modélisées dans les études statiques par les méthodes probabilistes et possibilistes. La méthode possibilistes offre des avantages sur la méthode probabiliste. Il est déterminé le taux de pénétration éolien maximum d'un petit réseau maillé en utilisant la méthode probabiliste, ainsi que les simulations de stabilité dynamique et statique du réseau / The recent developments in power systems, as consequence of the market deregulation and the international treaties, as the ones originated by the Kyoto Protocol, have serious repercussions in power networks. Particularly on distribution networks, given that a large amount of distributed generation units are connected in the grid. For instance, renewable energy sources, that are used as distributed generation, are well-known for being distributed in nature and highly unpredictable. This fact adds a strong constraint on planning and operating the distribution networks that were not originally designed to accommodate distributed generation on a large scale. To this aim, this thesis examines the impact of uncertainties on classical power system planning studies, where classical static and dynamic planning studies are carried out in several power networks taking into account some sources of uncertainty. These uncertainties are modeled in the static studies using a probabilistic and a possibilistic approach. The possibilistic approach offers good advantages over the probabilistic method in terms of time consumption and precision. The maximum wind power penetration is determined for a small mesh network by the probabilistic method using dynamic and static stability simulations of the power system.

La gestion prévisionnelle des réseaux de distribution imposée par les codes de réseaux européens nécessite une connaissance approfondie de leur comportement et implique de prendre en compte la volatilité des énergies renouvelables et les capacités de prévision à l’horizon J-1 de la consommation et de la production. En effet, les valeurs déterministes les plus probables des prévisions ne sont plus suffisantes pour pouvoir prédire et gérer à l’avance un réseau. Une modélisation et une optimisation stochastiques permettent un choix, au plus juste, de paramètres de contrôle.La thèse se concentre la prise en compte, dans la modélisation et l’optimisation, des incertitudes des réseaux de distribution. Une modélisation stochastique de réseau est proposée, elle intègre les incertitudes liées au régleur en charge et aux prévisions de consommation et de production. Les contrôleurs des générateurs, le régleur en charge et les gradins de condensateurs permettent de limiter les fluctuations des tensions des nœuds et de la puissance réactive à l’interface et de respecter les exigences contractuelles. Industriellement, les contrôleurs des générateurs sont caractérisés par des lois de commande linéaires ou linéaires par morceaux. En effectuant des hypothèses sur la nature stochastique des données, on peut montrer que les tensions aux nœuds sont des variables gaussiennes ou des sommes de variables gaussiennes par morceaux. Une optimisation stochastique basée sur ces modèles permet de choisir les paramètres des contrôleurs qui minimisent les risques de surtension et des efforts de générateurs, sans avoir à mettre en œuvre des méthodes coûteuses en temps de calcul de type Monte Carlo / The voltage profiles inside the network and power flows at the transport-distribution interface are modified under the massive insertion of renewable sources in distribution grids. The system’s uncertainties cannot be handled by local controllers which parameters are tuned at the actuator installation stage. A solution, widely accepted in the literature, consists of achieving a centralized optimization of the actuators references (distributed generators reactive powers, reference voltage of the On Load Tap Changer, capacitor banks reactive power). Within this framework, a supervisor computes all references at the same time and delivers the references to each actuators, which requires an efficient and reliable communication system.The main contribution of the thesis is to design an alternative approach which keeps the local control structures which settings will be updated on an hourly basis. The optimization relies on a stochastic representation of the grid that accounts for the On Load Tap Changer uncertainties and day ahead forecasts of the productions and consumptions. It is shown that every variable of the system can be represented by Gaussian or sum of truncated Gaussian variables. A stochastic optimization allows to select the controllers settings that minimize overvoltages and control efforts, without using time-consuming algorithms such as Monte-Carlo methods. This work will demonstrate that an appropriate management of uncertainties spares unnecessary and costly oversizing

Les travaux de la thèse se focalisent sur la protection des réseaux de distribution HTA en présence des générateurs distribués (éoliennes, fermes solaires,...). Dans un premier temps, un état de l’art a été réalisé sur les comportements des générateurs en creux de tension, leurs impacts sur le système de protection et les pistes de solution proposées pour y remédier. L’étape suivante est la mise au point d’algorithmes directionnels de détection de défauts, sans mesure de tension. Ces algorithmes s’appuient sur la décomposition en composantes symétriques des courants mesurés. Ces relais doivent empêcher le déclenchement intempestif de protections de surintensité dû au courant de défaut provenant des générateurs distribués. Ils sont moins coûteux par rapport à ceux traditionnels car les capteurs de tension, qui sont indispensables pour ces derniers, peuvent être enlevés. Après détection d’un défaut sur critère de seuil simple (max de I ou max de I résiduel), la direction est évaluée à l’aide d’un algorithme en delta basé sur les rapports courants inverse-homopolaire ou inverse-direct, selon le type de défaut (monophasé ou biphasé). En se basant sur ces rapports, un classifieur SVM (Support Vector Machines), entrainé préalablement à partir des simulations, donne ensuite l’estimation de la direction du défaut (amont ou aval par rapport au relais). La bonne performance de ces algorithmes a été montrée dans la thèse pour différents paramètres du réseau et en présence de différents types de générateurs. Le développement de tels algorithmes favorise la mise en œuvre des protections en réseau, qui pourraient être installées dans les futurs Smart Grids. / This research focuses on the protection of MV distribution networks with Distributed Generators (DGs), such as wind farms or photovoltaic farms, etc. First, the state of art is carried out on fault behaviour of DGs, their impacts on protection system and the mitigation solutions. Next, algorithms are developed for directional relays without voltage sensors. Based on the symmetrical component method, these algorithms help the overcurrent protections to avoid the false tripping issue due to fault contribution of DGs. With the suppression of voltage sensors, such directional relays become cheaper in comparison with the traditional ones. Following the fault detection (the phase or residual current reaches the pick-up value) and depending on fault type (line-to-ground or line-to-line fault), the ratios between the variation (before and during fault) of negative-zero sequence or negative-positive sequence currents are calculated. From these ratios, a SVM (Support Vector Machines) classifier estimates the fault direction (upstream or downstream the detector). The classifier is trained beforehand from transient simulations. This survey shows good performances of the directional algorithms with different network parameters and different kinds of DGs. Such algorithms could be implemented in protections along the feeders in the future smart grids.

Les réseaux électriques sont actuellement en pleine mutation du fait de la dérégulation du secteur électrique. L'une des conséquences de la dérégulation est l'apparition de génération d'énergie dispersée dans les réseaux de distribution. Cette introduction de production d'énergie au sein des réseaux de distribution existants n'est pas sans effet sur ceux-ci. Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a permis d'identifier et d'étudier les principaux impacts de la génération d'énergie dispersée sur les réseaux de distribution (impact sur le plan de tension, sur les courants de courtcircuit, sur la stabilité, sur les temps d'élimination critique de défaut, etc.). Ces impacts sont mis en évidence par des simulations numériques et des outils de la théorie petits signaux (valeurs propres et facteurs de participation). De ce travail d'identification, des algorithmes d'optimisation sont utilisés afin d'insérer au mieux cette génération d'énergie dispersée dans les réseaux de distribution. Les algorithmes d'optimisation (algorithme du Minimax, génétique, simplexe et recuit simulé) sont mis en oeuvre pour améliorer le profil de tension des réseaux de distribution en présence de génération d'énergie dispersée. Certains de ces algorithmes sont aussi utilisés pour coordonner les gains contenus dans les régulations des générations d'énergie dispersées afin d'améliorer la stabilité des réseaux. Des indices d'influence sont aussi définis afin d'identifier les zones d'influence de la génération d'énergie dispersée sur les réseaux de distribution.

La mise à la terre du point neutre des réseaux de distribution par une bobine de compensation réduit le courant de défaut lors d'un défaut monophasé, ce qui est le type de défaut le plus souvent rencontré dans l'exploitation. Cette mesure améliore la qualité de service, mats rend la détection et la localisation de défauts plus difficiles. Cette thèse traite de la localisation de défauts à faible résistance, auto-extincteurs ou permanents dans les réseaux compensés arborescents. Les phénomènes transitoires lors d'un défaut sont étudiés et une nouvelle approche pour la localisation est développée. L'approche est basée sur l'exploitation des signaux au niveau du poste de transformation HT/MT à une fréquence de résonance caractéristique. Un algorithme de localisation de défaut a été conçu, réalisé et testé. Son fonctionnement est validé avec des simulations de réseau et avec des enregistrements de défauts réels. L'influence des différents paramètres sur la précision de l'algorithme est examinée et expliquée.