Introduction aux réseaux intelligents — Réseaux de distribution prenant en charge le flux d'énergie bidirectionnel avec une couche d'information

Le réseau de distribution traditionnel a été conçu en partant du principe que l'électricité circule dans un seul sens, de la centrale électrique au consommateur. Le rôle du transformateur installé sur le poteau était simplement d'abaisser la haute tension à la basse tension utilisée dans les habitations ; il n'a jamais été conçu pour permettre au courant de circuler dans l'autre sens. Cependant, dès lors que des panneaux solaires photovoltaïques, des batteries domestiques et des véhicules électriques sont raccordés au réseau de distribution, des sections apparaissent où, par un après-midi ensoleillé, l'électricité circule en sens inverse, du consommateur vers le réseau. Un réseau intelligent est un réseau de distribution capable de gérer ce flux d'énergie bidirectionnel en toute sécurité grâce à l'ajout d'une « couche d'information » de comptage, de communication et de contrôle. Le fonctionnement des sous-stations et des lignes de transport d'électricité – l'« ossature » du système – a été abordé dans le Guide des sous-stations et des lignes de transport. Cet article examine les changements qui surviennent ensuite, au niveau de la distribution, à travers quatre piliers : les compteurs intelligents, les protocoles de communication, la gestion de la demande et l'automatisation de la distribution à auto-réparation.

L'essentiel en 30 secondes

• Le réseau de distribution traditionnel était unidirectionnel et vertical. Avec l'augmentation des ressources énergétiques distribuées (solaire, batteries, véhicules électriques), des sections apparaissent où l'électricité circule en sens inverse du consommateur vers le réseau, créant des problèmes — comme la surtension — que l'ancienne conception n'avait pas anticipés.

• Le compteur intelligent (AMI : Infrastructure de comptage avancée) n'est pas qu'un simple appareil qui automatise le relevé des compteurs. C'est un terminal de communication bidirectionnel qui traite des données de consommation précises, telles que les relevés toutes les 30 minutes, le branchement/débranchement à distance et la détection des pannes. Au Japon, le déploiement pour le segment basse tension (ménages, etc.) était considéré comme quasiment achevé à la fin de l'exercice 2024.

• Il existe trois voies de communication : la voie B, qui relie le compteur intelligent au système de gestion de l'énergie domestique (HEMS) ; la voie A, utilisée par le fournisseur d'électricité ; et la voie C, qui transmet les données aux détaillants et aux tiers — chacune avec une méthode de communication et un objectif différents. ECHONET Lite et OpenADR sont des protocoles standards internationaux couvrant différentes couches : le contrôle à domicile et la gestion de la demande interentreprises.

• La gestion de la demande (GD) est un mécanisme qui contrôle à distance les équipements côté demande afin d'ajuster l'offre et la demande, comme si la production d'une centrale électrique avait été augmentée ou diminuée. Il s'agit moins d'une technologie unique que d'un terme générique désignant une opération combinant communication, contrats et organisation du marché.

• L'automatisation de la distribution à auto-réparation, qui isole automatiquement une section défectueuse et rétablit l'alimentation des sections saines via un itinéraire alternatif, est déjà largement utilisée commercialement par les entreprises de services publics japonaises. La nouveauté du réseau intelligent ne réside pas tant dans la restauration automatisée elle-même que dans la granularité et la rapidité des données désormais disponibles pour prendre cette décision.

1. Pourquoi le réseau devait devenir « intelligent »

Le réseau de transport est un univers de centaines de kV, de haute tension et de forte capacité, où le flux d'énergie a longtemps été géré de manière centralisée par les relais de protection des sous-stations et les gestionnaires de réseau. Le réseau de distribution, en revanche, est un monde basse tension situé à l'extrémité du système, conçu à l'origine selon le principe que « l'électricité circule de l'amont vers l'aval ». Ce principe a été remis en question par l'essor rapide des ressources énergétiques distribuées à petite échelle (RED) : panneaux solaires photovoltaïques sur les toits, batteries domestiques et véhicules électriques.

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Figure 1 — Le sens du flux de puissance varie selon la section en fonction de l'équilibre entre la demande et la production d'énergie décentralisée. Les compteurs intelligents et les capteurs de départ transmettent des données de télémétrie à la gestion de la distribution et de l'énergie décentralisée, qui renvoie des commandes de tension, de charge et de réponse à la demande.

L'augmentation du flux de puissance inverse peut entraîner une hausse de la tension sur la ligne de distribution, ce qui soulève des inquiétudes quant au respect des obligations de maintien de la tension prévues par la loi japonaise sur les activités liées à l'électricité (101 ± 6 V en basse tension, 202 ± 20 V, etc.). La tension était traditionnellement gérée par un changeur de prises en charge (OLTC) de sous-station ou par des régulateurs automatiques de tension (SVR) au niveau des sections. Cependant, ces systèmes de contrôle supposent un flux d'électricité de l'amont vers l'aval. Lorsque les variations de production solaire et de demande surviennent simultanément sur une même ligne de distribution, la simple gestion des prises ne suffit plus. Le terme « réseau intelligent » désigne l'ensemble des efforts déployés pour intégrer le comptage, la communication et le contrôle distribué au réseau de distribution afin de répondre à cette évolution physique.

2. Le compteur intelligent (AMI) — De la relève du compteur à une plateforme de données bidirectionnelle

Un compteur intelligent ne se contente pas de mesurer la consommation d'électricité à la place d'un releveur. Il constitue le point d'arrivée d'un réseau de communication complet appelé AMI (Infrastructure de comptage avancée), dont les rôles sont notamment les suivants :

• Comptage à intervalles précis : il enregistre les données de consommation à intervalles réguliers, par exemple toutes les 30 minutes, et les transmet au fournisseur d'électricité. Ces données servent de base à la tarification en fonction des heures d'utilisation et permettent de mesurer l'impact de la gestion de la demande.

• Connexion/déconnexion à distance : ce système permet de contrôler la fourniture ou la coupure d’électricité à distance, sans intervention sur site, pour diverses raisons, allant des modifications de contrat aux factures impayées, en passant par les mesures de sécurité en cas de catastrophe.

• Détection de panne : grâce à l’envoi d’un dernier signal par le compteur, le fournisseur d’électricité peut évaluer l’étendue d’une panne sans attendre les appels des clients.

Au Japon, conformément à la politique du ministère de l’Économie, du Commerce et de l’Industrie, les fournisseurs d’électricité ont accéléré le déploiement des compteurs intelligents. Ce déploiement était quasiment achevé pour le segment haute tension (usines, etc.) en 2016 et pour le segment basse tension (ménages, etc.) à la fin de l’exercice 2024. Un vaste réseau de comptage national est ainsi en place. L’Agence des ressources naturelles et de l’énergie étudie également la prochaine étape : un système de compteurs intelligents de nouvelle génération, conçu comme l’infrastructure de nouveaux services (transformation numérique du secteur de l’énergie) basés sur les données de consommation électrique.

Les données des compteurs intelligents transitent par trois voies de communication distinctes, chacune dédiée à un usage spécifique.

Grâce aux données de consommation transmises au SGBD via la voie B, il est possible de gérer les panneaux solaires, les batteries et la climatisation d'une maison comme un seul système, en visualisant et en contrôlant automatiquement la consommation d'énergie.

3. Les couches des protocoles de communication — Contrôle à domicile et coordination interentreprises : des couches distinctes

La communication au sein d'un réseau intelligent ne repose pas sur un protocole unique. Le contrôle des appareils domestiques et la communication entre les fournisseurs d'énergie/agrégateurs nécessitent des propriétés différentes.

• ECHONET Lite : protocole de contrôle des équipements d'une maison intelligente, développé par le consortium ECHONET. Basé sur UDP/IP, il définit plus de 90 classes d'appareils, notamment les climatiseurs, les chauffe-eau, les batteries et les bornes de recharge pour véhicules électriques. Normalisé internationalement par la norme ISO/IEC, il gère la liaison « dernier kilomètre » entre le système de gestion de l'énergie domestique (HEMS) et les appareils domestiques.

• OpenADR (Open Automated Demand Response) : protocole standard international permettant l'échange automatique de signaux de réponse à la demande entre les fournisseurs d'énergie/agrégateurs et les consommateurs (ou leurs passerelles). OpenADR 2.0b est une spécification représentative utilisée pour l'automatisation de la réponse à la demande interentreprises. - Protocoles côté réseau et sous-station : la protection et le contrôle au sein d'une sous-station utilisent la norme CEI 61850 (voir le Guide d'introduction aux sous-stations et aux lignes de transport pour plus de détails). La surveillance et le contrôle du réseau de distribution utilisent parfois des normes de communication telles que la CEI 60870-5-104 ou DNP3, utilisées dans les systèmes SCADA.

En résumé, ECHONET Lite gère les communications domestiques, OpenADR gère les signaux de gestion de la demande (DR) interentreprises et les protocoles de la famille CEI 61850 gèrent l'infrastructure de transport/distribution. Le réseau intelligent est un système où plusieurs protocoles aux fonctions différentes sont superposés. On croit souvent, à tort, qu'il existe un seul « protocole pour les réseaux intelligents » ; or, il n'en existe pas.

4. Gestion de la demande (GD) — Utiliser la demande comme une « centrale électrique »

La gestion de la demande (GD) est un mécanisme qui contrôle les équipements des consommateurs afin de produire sur le réseau le même effet qu'une modification de la production d'une centrale électrique. On distingue la « GD à la baisse », qui réduit la demande lorsque l'électricité est rare, et la « GD à la hausse », qui l'augmente lorsque l'électricité est excédentaire, par exemple lors des pics de production solaire en milieu de journée.

Sur le plan institutionnel, on distingue deux grandes catégories :

• GD incitative : un fournisseur d'électricité ou un agrégateur contrôle directement et à distance les équipements des consommateurs ayant signé un contrat, en leur versant une compensation proportionnelle à la réponse.

• GD tarifaire : les tarifs de l'électricité varient selon l'heure de la journée ou lors des périodes de forte tension entre l'offre et la demande, permettant ainsi aux consommateurs de moduler leur consommation.

Le regroupement des solutions de GD, afin de pouvoir les négocier sur le marché comme s'il s'agissait d'une centrale électrique unique, est le principe des centrales électriques virtuelles (CEV), qui seront abordées dans le prochain article. Le fonctionnement de la gestion de la demande (DR) en tant que produit de marché est détaillé dans le Guide d'introduction aux centrales électriques virtuelles (VPP).

5. Réseaux de distribution autoréparateurs

Le mécanisme qui isole rapidement la section défectueuse lors d'un défaut sur une ligne de transport correspond précisément au rôle des relais de protection, abordé dans le Guide d'introduction aux postes et lignes de transport. Un concept similaire existe au niveau de la distribution : l'automatisation de la distribution. Ce concept est déjà largement utilisé par les entreprises de services publics japonaises. Par exemple, le système de contrôle automatique des lignes de distribution de Kyushu Electric Power Transmission and Distribution détecte automatiquement la section défectueuse et rétablit rapidement l'alimentation des sections saines via un itinéraire alternatif.

Un schéma représentatif est le rétablissement séquentiel temporisé. En cas de défaut, le disjoncteur du poste coupe d'abord complètement l'alimentation, puis les interrupteurs automatiques installés dans chaque section se ferment séquentiellement depuis le poste, l'un après l'autre, avec un délai prédéfini. Si un courant de défaut est à nouveau détecté sur une section donnée, l'interrupteur situé juste avant reste ouvert, isolant ainsi uniquement la section défectueuse ; l'alimentation des sections saines en aval est alors acheminée par un chemin alternatif (une ligne de distribution adjacente et interconnectée).

Figure 2 — L'automatisation de la distribution ouvre automatiquement les interrupteurs de part et d'autre d'une section défectueuse pour l'isoler, puis redirige l'alimentation depuis une ligne de distribution adjacente saine (le système d'un autre poste de transformation), minimisant ainsi la durée de coupure en dehors de la section défectueuse elle-même. Le mécanisme qui permet cette décision et cette commutation rapides sans intervention humaine est appelé « auto-réparation ».

Ce type d'automatisation existait avant les réseaux intelligents, mais l'ajout de la détection des pannes par les compteurs intelligents et des données de capteurs en temps réel a amélioré à la fois la précision de l'estimation de la section défectueuse et la rapidité de la remise en service. Qu'y a-t-il de nouveau dans ce terme ? Le terme « réseau autoréparateur » ne désigne pas tant la restauration automatique en elle-même que le fait que les données permettant cette évaluation proviennent désormais du consommateur.

6. Élévation de tension et régulation de tension par onduleur

Le premier défi technique qui apparaît avec l'augmentation des ressources énergétiques distribuées est l'élévation de tension sur la ligne de distribution. En notant l'impédance de la ligne de distribution R+jX, la puissance active fournie P et la puissance réactive Q, la différence de tension entre les extrémités d'émission et de réception peut être approximée comme suit :

Lorsque la production solaire dépasse la demande, P pointe du côté consommateur vers le réseau (le signe s'inverse), ce qui tend à augmenter la tension à l'extrémité de la ligne de distribution. Pour limiter ce phénomène, plusieurs mesures sont mises en œuvre : des fonctions de régulation automatique de tension permettant au régulateur de puissance (PCS) d'ajuster automatiquement la puissance réactive Q, des corrections… à la logique de commande des SVR et des régulateurs automatiques de tension, ainsi qu'à la réduction de la production via les batteries. Le maintien de la tension est « le défi le moins glamour, mais aussi le plus fondamental, du réseau intelligent », et la précision de cette commande dépend de la granularité des données AMI.

7. Technologies actuelles et axes de recherche

• Compteurs intelligents de nouvelle génération : une étude est en cours pour réexaminer les normes de communication et les fonctionnalités des AMI actuelles, dans le but d'acquérir des données à plus haute fréquence et de renforcer la sécurité.

• Jumeaux numériques des réseaux de distribution : simulation des flux de puissance et de tension sur les lignes de distribution afin d'évaluer, à l'avance, la quantité de production décentralisée pouvant être interconnectée.

• Marchés et contrôle plus sophistiqués au niveau de la distribution : examen d'une fonction de type gestionnaire de réseau de distribution (GRD) prenant en compte les contraintes de tension et de flux de puissance.

• Cybersécurité : avec des dizaines de millions de compteurs intelligents et leurs réseaux de communication, la surface d'attaque est importante, et l'authentification, le chiffrement et la détection des anomalies sont désormais des conditions préalables au fonctionnement.

• DERMS (Système de gestion des ressources énergétiques distribuées)** : une plateforme logicielle qui coordonne et contrôle un grand nombre d’installations solaires, de batteries et de véhicules électriques, en tenant compte des contraintes du réseau de distribution.

Résumé : Le réseau intelligent est « un réseau de distribution doté d’un système d’information multicouche »

Le réseau intelligent ne se résume pas à une technologie unique ; il s’agit d’un système composé de plusieurs mécanismes multicouches : le comptage via des compteurs intelligents, de multiples protocoles de communication, la gestion de la demande par le biais de la réponse à la demande et l’automatisation de la distribution avec autoréparation. Leur point commun est la volonté de gérer, grâce à un flux d’informations bidirectionnel, un flux d’énergie que les ressources énergétiques distribuées ont déjà rendu physiquement bidirectionnel.

Lors de l’analyse des initiatives de réseau intelligent d’une région, il est pertinent de vérifier les points suivants :

1. Quel itinéraire et protocole de communication est utilisé pour l’échange de données ?

2. Qui gère la tension (PCS, SVR, batterie) et à quelle fréquence ?

3. La réponse à la demande est-elle incitative ou tarifaire ? À quel marché ou contrat est-elle rattachée ?

4. Quel est le taux de rétablissement automatique lors d’une panne ? Intervention humaine ?

Grâce à ces quatre points, vous pouvez aller au-delà d'un titre comme « Les compteurs intelligents se multiplient » et comprendre la philosophie de conception du réseau de distribution sous-jacent.

Références

• Agence pour les ressources naturelles et l'énergie — Résumé du groupe d'étude sur le système de compteurs intelligents de nouvelle génération

• Agence pour les ressources naturelles et l'énergie — À propos de la possibilité de refuser les compteurs intelligents

• Spécifications/Présentation d'ECHONET Lite

• [Transport et distribution d'énergie électrique de Kyushu — Contrôle automatique des lignes de distribution] Système](https://www.kyuden.co.jp/td/supply/effort/auto-system.html)

• Agence des ressources naturelles et de l'énergie — Modernisation du réseau électrique

• Organisation japonaise de coordination interrégionale des gestionnaires de réseau de transport (OCCTO)

• CEI 61850 — Réseaux et systèmes de communication pour l'automatisation des services publics d'électricité

• NREL — Modernisation du réseau