Table Of ContentSmartGrids
SmartGrids
Edited by
Nouredine Hadjsaïd
Jean-Claude Sabonnadière
Firstpublished2012inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
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©ISTELtd2012
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workhavebeenassertedbythem inaccordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988.
____________________________________________________________________________________
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Smartgrids/editedbyNouredineHadjsaïd,Jean-ClaudeSabonnadière.
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-1-84821-261-9
1. Smartpowergrids. I.Hadjsaïd,Nouredine.II.Sabonnadière,Jean-Claude.
TK3105.S5452012
333.793'2--dc23
2012006916
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN:978-1-84821-261-9
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Foreword. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
RonnieBELMANS
Chapter1.SmartGrids:Motivation,StakesandPerspectives . . . . . . . . 1
NouredineHADJSAÏDandJean-ClaudeSABONNADIÈRE
1.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1.Thenewenergyparadigm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Informationandcommunicationtechnologiesserving
theelectricalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.Integrationofadvancedtechnologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.TheEuropeanenergyperspective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.Shifttoelectricityasanenergycarrier(vector) . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.MaintriggersofthedevelopmentofSmartGrids. . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.DefinitionsofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8.ObjectivesaddressedbytheSmartGridconcept . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.1.Specificcaseoftransmissiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.2.Specificcaseofdistributiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8.3.Thedesireddevelopmentofdistributionnetworks:
towardssmartergrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.9.Socio-economicandenvironmentalobjectives. . . . . . . . . . . . . . . 21
1.10.Stakeholdersinvolvedtheimplementationofthe
SmartGridconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.11.ResearchandscientificaspectsoftheSmartGrid. . . . . . . . . . . . . 23
1.11.1.Examplesofthedevelopmentofinnovativeconcepts. . . . . . . . 23
1.11.2.Scientific,technological,commercialand
sociologicalchallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.12.Preparingthecompetencesneededforthedevelopment
ofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
vi SmartGrids
1.13.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.14.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Chapter2.FromtheSmartGridtotheSmartCustomer:
theParadigmShift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
CatherineFAILLIET
2.1.Keytrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1.Thecrisis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2.Environmentalawareness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.3.Newtechnologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.Theevolutionoftheindividual’srelationshiptoenergy . . . . . . . . . 37
2.2.1.Curiosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2.Theneedfortransparency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3.Responsibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.Thehistoricalmodelofenergycompanies . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1.Incumbentsinanaturalmonopoly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2.Aclearfocusontechnicalknowledge. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3.Undevelopedcustomerrelationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.SmartGridsfromthecustomer’spointofview. . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1.Thefirststep:thedatarevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2.Thesecondstep:theestablishmentofasmartecosystem . . . . . . 45
2.4.3.Theconsumers’reluctance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.Whataboutpossiblebusinessmodels?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.1.Anunprecedentedglobalbuzz…andthesearchfora
businessmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.2.Governmentresearchintoavirtuousmodelofregulation. . . . . . 52
2.5.3.Anopeningfornewstakeholders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Chapter3.TransmissionGrids:StakeholdersinSmartGrids . . . . . . . . 57
HervéMIGNON
3.1.Achangingenergycontext:thedevelopment
ofrenewableenergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.Achangingenergycontext:newmodesofconsumption. . . . . . . . . 62
3.3.Newchallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.Anevolvingtransmissiongrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
TableofContents vii
Chapter4.SmartGridsandEnergyManagementSystems . . . . . . . . . . 79
Jean-LouisCOULLON
4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.Managingdistributedproductionresources:renewableenergies . . . . 80
4.2.1.Characterizationofdistributedrenewableproduction . . . . . . . . 81
4.2.2.Integratingrenewableenergiesintothemanagementprocess. . . . 83
4.3.Demandresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.Developmentofstorage,microgridsandelectricvehicles . . . . . . . . 90
4.4.1.Newstoragemethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.2.Microgrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.3.Electricvehicles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.Managinghighvoltagedirectcurrentconnections. . . . . . . . . . . . . 92
4.6.Gridreliabilityanalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.1.Model-basedstabilityanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.2.Continuousmeasurements-basedanalysis:phasor
measurementunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6.3.Dynamiclimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6.4.Self-healinggrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.7.Smartassetmanagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.8.Smartgridrollout:regulatoryneeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8.1.Theneedforpilotprojects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8.2.Incentivesforinvestmentingridreliability . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.3.Renewables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.4.Investmentincentivesforenergyefficiency . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.5.Cost/profitallocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8.6.Newregulatoryframeworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.9.Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.9.1.Thecaseofsmartgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.9.2.Workinprogress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.9.3.Cooperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.10.Systemarchitectureitems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.10.1.Broadenthevision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.10.2.Takingverticalchangesintoconsideration. . . . . . . . . . . . . . 112
4.10.3.Developingintegrationtools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.11.Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.12.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Chapter5.TheDistributionSystemOperatorattheHeart
oftheSmartGridRevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
PierreMALLET
5.1.Briefoverviewofsomeofthegeneralelementsof
electricaldistributiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
viii SmartGrids
5.2.Thecurrentchanges:towardgreatercomplexity. . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.Smartgridsenablethetransitiontocarbon-freeenergy. . . . . . . . . . 118
5.4.ThedifferentconstituentsofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.5.SmartLife. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.SmartOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.7.SmartMetering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.7.1.TheLinkyproject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.7.2.Newservicesforcustomers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.7.3.Smartmeterscansignificantlymodernizegridmanagement . . . . 122
5.8.SmartServices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.9.Smartlocaloptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.9.1.Distributedgeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.9.2.Activemanagementofdemand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.9.3.Meansofdistributedstorage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.9.4.Newusesincludingelectricvehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.9.5.Localoptimizationofthesystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.10.ThedistributorERDFisattheheartoffutureSmartGrids . . . . . . . 128
5.11.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Chapter6.Architecture,PlanningandReconfiguration
ofDistributionGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Marie-CécileALVAREZ,RaphaëlCAIREandBertrandRAISON
6.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.Thestructureofdistributiongrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.1.Highvoltage/mediumvoltagedeliverystations . . . . . . . . . . . . 133
6.2.2.Meshedandloopedgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.3.Typesofconductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2.4.Underground/overhead. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.5.MV/LVsubstations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.Planningofthedistributiongrids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.1.Principlesofplanning/engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.2.Allcriteriatobemetbytheproposedarchitectures. . . . . . . . . . 143
6.3.3.Exampleonasecuredfeedergrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.3.4.Long-termandshort-termplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.3.5.TheimpactofconnectingDGsontheMVgridstructure . . . . . . 155
6.3.6.IncreasingtheDGinsertionrateinthegrid . . . . . . . . . . . . . . 162
6.3.7.Proposalforanewloopedarchitecture:thehybridstructure . . . . 164
6.4.Reconfigurationforthereductionofpowerlosses. . . . . . . . . . . . . 166
6.4.1.Theproblemofcopperlosses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.4.2.Mathematicformulationoftheoptimizationproblem . . . . . . . . 169
6.4.3.Combinatorialoptimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4.4.Differentapproachestofindingtheoptimalconfiguration. . . . . . 181
TableofContents ix
6.4.5.Reconfigurationofthepartiallymeshedgrids. . . . . . . . . . . . . 191
6.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Chapter7.EnergyManagementandDecision-aidingTools. . . . . . . . . . 197
YvonBÉSANGER,BertrandRAISON,RaphaëlCAIREandTran-QuocTUAN
7.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.2.Voltagecontrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2.1.Introductiontovoltagecontrolindistributionnetworks . . . . . . . 198
7.2.2.Voltagecontrolincurrentdistributionnetworks . . . . . . . . . . . 199
7.2.3.Voltagecontrolindistributionnetworkswith
dispersedgeneration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.4.Voltagecontrolconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.3.Protectionschemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3.1.MVprotectionscheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.3.2.Neutralgroundingmodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.3.Faultcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.3.4.Poweroutages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.3.5.Impactofdecentralizedproductionontheoperationof
protectionsofthefeeder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.4.Reconfigurationafterafault:resultsoftheINTEGRALproject . . . . 221
7.4.1.GoalsoftheINTEGRALproject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.4.2.Demonstratordescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.4.3.Generalself-healingprinciples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.4.4.Someresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.5.Reliability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.5.1.BasicconceptsoftheMonteCarlosimulation. . . . . . . . . . . . . 232
7.5.2.Conclusiononreliability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Chapter8.IntegrationofVehicleswithRechargeableBatteriesinto
DistributionNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
FlorentCADOUXandGeorgeGROSS
8.1.Therevolutionofindividualelectricaltransport . . . . . . . . . . . . . . 244
8.1.1.Anincreasinglycredibletechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.1.2.Example:theFluenceZE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.1.3.Whataretheconsequencesontheelectricalnetwork?. . . . . . . . 245
8.1.4.Demandmanagementandvehicle-to-grid . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.2Vehiclesas“activeloads”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.2.1.Energeticservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.2.2.Frequencyregulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.3.Loadreserveandshedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.2.4.Otherservices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249