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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie «Mohamed Boudiaf » Oran FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE MEMOIRE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE MAGISTER SPECIALITE : ELECTROTECHNIQUE OPTION : FIABILITE DES SYSTEMES ELECTRO-ENERGETIQUES THEME Présenté et soutenu par Mme : Benayed Fatima Zohra SOUTENUE LE 17 /12 /2012 DEVANT LE JURY COMPOSE DE : Mr. Bouthiba Tahar Professeur USTO-MB Président de jury Mr. RAHLI Mostefa Professeur USTO-MB Directeur de projet Mr. Sebbani Mohamed Professeur U. Essenia Examinateur Mr. Kotni Lahouari MCA USTO-MB Examinateur Année universitaire : 2011-2012 Résumé L’exploitation rationnelle de système électrique dépend de sa configuration. Une configuration optimale évite des dépenses excessives, dans le contexte d’ingénierie, le choix des équipements en fonction de leurs disponibilité, coût et performance est la variable de décision la plus importante pour optimiser un processus. Le travail présenté ici, s’inscrit dans le cadre de la demande scientifique actuelle qui consiste à l’optimisation et à la conception des configurations des systèmes électriques avec des contraintes de fiabilité et de coût. Dans ce contexte, l’optimisation des systèmes parallèles –séries dont la demande se distingue par des niveaux différents qui doivent être satisfaits avec une fiabilité exigée est traitée. Lorsque le système se caractérise par une disponibilité multi –états, une nouvelle méthode d’évaluation de la fiabilité dite « UMGF (Univesal Moment GéneratingFunction) » offre plusieurs avantages par rapport à la méthode classique, et comme le système comporte plusieurs variétés d’éléments, une situation combinatoire de choix d’élément fait appel aux méta – heuristiques qui permettent d’évaluer la structure ,nous nous sommesintéressés dans notre travail à l’algorithme HarmonySearch. REMERCIEMENTS Je remercie ALLAH le Tout-puissant de m’avoir donné le courage, la volonté et la patience de mener à terme ce présent travail. Je tiens tout d’abord à remercier, mon encadreur, Monsieur RAHLIMostefa, Professeur à l'université des Sciences et de la technologie D'Oran Mohamed Boudiaf « USTO », de m’avoir reçu au sein de son laboratoire d’optimisation des réseaux électriques « LORE » de la faculté de génie électrique, pour son encadrement et ces précieux conseils qu’il m’a donné et pour ces connaissances. Je remercie particulièrement Monsieur AbdelhakemKoridakElhouari, Maître de conférences à l’Université des Sciences et de la technologie d’Oran Mohamed Boudiaf « USTO », Pour ses conseils ainsi que ses qualitéshumaines et pour m’avoir apporté toute son énergie et son dynamisme, pour faire de la recherche. Toutes ces qualités ainsi que son savoir ont fortement contribué à la réalisation de ce travail dans des bonnes conditions. J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur,Bouthiba TaharProfesseur à l’Université des Sciences et de la technologie d’Oran Mohamed Boudiaf « USTO », d’avoir accepté de présider le Jury de cette thèse. Je voudrais remercie sincèrement Messieurs, Sebbani MohamedProfesseurà l’UniversitéEssenia et KotniLahouariMaître de conférences Aà l’Universitédes Sciences et de la technologie d’Oran Mohamed Boudiaf « USTO », qui ont accepté de participer à ce Jury, en tant qu’’examinateurs et qui ont pris la peine de lire ce manuscrits avec attention. Mes vifs remerciements s’adressent à toutes les personnes qui ont contribuésde près ou de loin, directement ou indirectement à l’aboutissement de ce travail. Je remercie tous particulièrement mes collègues du laboratoire d’optimisation des réseaux électriques « LORE » de la faculté de génie électrique. Enfin, il m’est particulièrement agréable d’exprimer ma profonde gratitudeà ma famille et à tous ceux qui m’ont permis d’en arriver là. Sommaire SOMMAIRE Chapitres Pages Introduction générale……………………………………………………………………. 1 Chapitre I Généralité sur les réseaux électriques I.1 Introduction…………………………………………………………………………………4 I.2 Structure d’un réseau électrique.....................................................................................…...4 I.2.1 La production………………………………………………………………………...…6 I.2.2 Transport d’énergie électrique…………………………………………………………7 I.2.3 Distribution……………………………………………………………………………..8 I.3 Constitution du réseau …………………………………………………………………….8 I.3.1 Poste Electrique………………………………………………………………………...8 I.3.2 Les lignes électriques………………………………………………………………….10 I.3.2.1 Composants des lignes aériennes………………………………………………….10 I.3.2.2 Les lignes souterraines…………………………………………………………….12 I.4 La conduite du réseau électrique ………………………………………………………...12 I.4.1 Fluctuations de la consommation……………………………………………………..13 I.4.2 Difficultés de prévision de la consommation…………………………………………13 I.5 Conclusion………………………………………………………………………………...15 Chapitre II Fiabilité des systèmes II.1 Introduction………………………………………………………………………………16 II.2 Systèmes………………………………………………………………………………….16 II.2.1 Différentes configuration du système………………………………………………17 Sommaire II.2.2 Mesure de l'efficacité des systèmes……………………………………………………19 II.3 Les mesures associées à la fiabilité………………………………………………………20 II.3.1 Fonction de répartition, Densité de probabilité……………………………………...20 II.3.2 Taux de défaillance instantané………………………………………………………22 II.4 Technique d'évaluation de la fiabilité……………………………………………………25 II.4.1. Arbre de défaillance………………………………………………………………...25 II.4.2 Diagramme de fiabilité………………………………………………………………26 II.4.3 Modèle de Markov…………………………………………………………………..27 II.5 Fiabilité du système électrique…………………………………………………………...28 II.5.1 la sécurité du système électrique…………………………………………………….28 II.5.2 Adéquation du système électrique…………………………………………………...28 II.6 Hiérarchisation du système électrique dans l’évaluation de la fiabilité des systèmes électriques…………………………………………………………………………………….29 II.7 Services auxiliaires……………………………………………………………………….30 II .8 Reserve d’énergie………………………………………………………………………..31 II.8.1 Reserve opérationnelle……………………………………………………………...31 II.8.2 Reserve tournante…………………………………………………………………...31 II.8.3 Reserve non tournante………………………………………………………………32 II.9 Conclusion………………………………………………………………………………..32 Chapitre III Système multi-états III.1 Introduction……………………………………………………………………………...33 III.2 Généralité sur le modèle du système multi- états………………………………………..33 III.3 Estimation de la fiabilité des systèmes multi états basée sur la méthode UMGF (Universal Moment GeneratingFunction)……………………………………………………35 III. 3.1 Estimation de la fiabilité des systèmes séries……………………………………..37 III. 3. 2Estimation de la fiabilité des systèmes parallèles…………………………………38 Sommaire III. 3. 3 Élément avec défaillance partielle………………………………………………..39 III. 3. 4 Composant avec défaillance totale……………………………………………….40 III .4 Algorithme de la technique d’Ushakov………………………………………………...41 III.5 Exemple illustratif……………………………………………………………………….43 III.5.1 Cas de deux états………………………………………………………………….43 III.5.2 Cas de multi états………………………………………………………………….45 III.6 Conclusion………………………………………………………………………………47 Chapitre IV Les méthodes d’optimisation IV.1 Introduction……………………………………………………………………………...48 IV.2 Généralités sur les algorithmes d’optimisation………………………………………….48 IV.2.1 Variables du problème……………………………………………………………..48 IV.2.2 Espace de recherche (domaine admissible)……………………………………….49 IV.2.3 Fonction d’adaptation……………………………………………………………...49 IV.2.4. Problème d’optimisation…………………………………………………………..49 IV.2.5 Algorithme d’optimisation pour la conception assistée par ordinateur…………...50 IV.3 Classification des méthodes d’optimisation…………………………………………….51 IV.3.1 Recherche d’un extremum…………………………………………………………51 IV.3.2. Méthodes locales et globales……………………………………………………...52 IV. 4 Quelques méthodes d’optimisation heuristiques……………………………………….54 IV.4.1 Recuit simulé……………………………………………………………………..54 IV.4.2 Recherche Tabou………………………………………………………………...54 IV.4.3 Algorithme génétique…………………………………………………………….54 IV.4.4 Colonie de fourmis……………………………………………………………….55 IV.4. 5 Algorithmed’Harmony Search…………………………………………………..55 IV.4.5. 1 Description des étapes……………………………………………………...57 Sommaire IV.4.5.2 L’organigramme des étapes de l’harmonySearch………………………….60 IV.5 Conclusion………………………………………………………………………………61 Chapitre V Application et Interprétation V.1 Système série-parallèle………………………………………………………………...…62 V.1.1 Approche mathématique du système……………………………………………...62 V.2 Formulation du problème…………….………………………….……………………….63 V.3 Description du système à optimiser……………………………………………………...63 V.3.1 Sous-système 01(Production)…………………………………………………...…64 V.3.2 Sous-système 02 (transformateurs élévateurs)…………………………………….65 V.3.3 Sous-système 03 (lignes de transport HT)………………………………………...65 V.3.4 Sous-système 04 (Transformateurs abaisseurs)…………………………………...65 V.3.5 Sous-système 05 (lignes de répartition)…………………………………………..66 V.4 Résultats obtenues par l’algorithme HarmonySearch……...……………………………67 V.5 Interprétations des résultats d’optimisation par l’HarmonySearch……………………...69 Conclusion générale…………….……………………………………………………….71 Bibliographie……..……………………………………………………………………….73 Liste des figures LISTES DES FIGURES Figure I.1 Structure générale d’un réseau électrique…………………………………. 05 Figure I.2 Poste électrique aériennes…………………………………………………. 09 Figure I.3 Photo d’une ligne à très haute tension (pylône en acier)………………...... 10 Figure I.4 Photo d’une ligne à haute tension sur poteaux en bois………………….… 11 Figure I.5 Photo d’une ligne à moyenne tension sur poteaux en bois………………... 11 Figure I.6 Photo d’une ligne à basse tension sur poteaux en bois……………………. 11 Figure I.7 Photo d’une fibre optique insérée dans un câble de garde……………… 11 Figure I.8 Différence entre prévision et consommation (Prév. < cons.)……………….. 14 Figure I.9 Différence entre prévision et consommation (Prév. > cons.)……………... 14 Figure II.1 Système série……………………………………………………………. 17 Figure II.2 Les pylônes représentent un système série ………………………………. 17 Figure II.3 Système parallèle………………………………………………………….. 17 Figure II.4 Les transformateurs représentent un système parallèle…………………… 17 Figure II.5 Système à structure série-parallèle………………………………………... 18 Figure II.6 Système à structure parallèle-série………………………………………... 18 Figure II.7 Courbe de survie ou de fiabilité………………………………………….... 20 Figure II.8 Exemple de densité de probabilité……………………................................ 21 Figure II.9 Exemple de la fonction de répartition……………………………………... 22 Figure II.10 Taux de défaillance en fonction du temps………………………………… 23 Figure II.11 Courbe ……………………………………………………… 24 Figure II.12 Durée moyenne……………………………………………………………. 25 Figure II.13 Exemple d’un arbre de défaillance………………………………………... 26 Liste des figures Figure II.14 Calcul de fiabilité d’un système parallèle –série …………………………. 27 Figure II.15 Hiérarchisation du système électrique…………………………………….. 29 Figure III.1 Système Série……………………………………………………………... 38 Figure III.2 Système parallèle………………………………………………………….. 39 Figure IV.1 Algorithme d’optimisation……………………………………………………….. 51 Figure IV.2 Convergence vers un extremum local…………………………………….. 52 Figure IV.3 Domaine admissible comportant des extremums locaux et globaux……… 53 Figure IV.4 Méthodes déterministes locales…………………………………………… 54 Figure IV.5 Principe de l’harmony search et analogie en optimisation……………….. 57 Figure V.1 Système parallèle-série……………………………………………………. 63 Figure V .2 Exemple réel d’un système parallèle-série………………………………... 64 Liste des Tableaux LISTE DES TABLEAUX Tableau III.1 Les paramètres du système électrique…………………………………. 43 Tableau III.2 Les caractéristiques de la charge………………………………………. 43 Tableau III.3 les paramètres du système électrique…………………………………... 45 Tableau III.4 les caractéristiques de la charge………………………………………... 45 Tableau V.1 Caractérisation de sous-système de production……………………….. 64 TableauV.2 Caractérisation de sous-système « transformateur élévateurs MT/HT ». 65 Tableau V.3 Caractérisation de sous-système «Lignes de transport HT »…………... 65 Tableau V.4 Caractérisation de sous-système «Transformateurs abaisseursHT/MT» 66 Tableau V.5 Caractérisation de sous-système «Lignes de répartition MT »………… 66 Tableau V.6 Les caractéristiques de la demande…………………………………….. 67 Tableau V.7 La conception optimale du système pour R0 68 = 0.92…………………… Tableau V. 8 La conception optimale du système pour R0 68 = 0.95…………………… Tableau V.7 La conception optimale du système pour R0 68 = 0.98…………………… INTRODUCTION Générale Introduction générale 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE L’industrie de l’électricité est l’industrie la plus importante. Son produit,l’électricité, est essentiel à la société d’aujourd’hui. L’électricité fait partie intégrante de notrevie quotidienne. Elle alimente les appareils ménagers, soutient nos vastes réseaux decommunications et d’information, éclaire nos cités et nos villes et elle est considérablementutilisée dans de nombreuses grandes entreprises. Un service d’approvisionnement en électricitéfiable et économique est indispensable au bien-être de la population et des entreprises. Le système électrique est un réseau-source alimentant un très grand nombre de clients à partir d’un petit nombre de centrales uploads/Science et Technologie/ these-de-magister-pdf.pdf