The method for analysis of the complex system : Application to the strategy of the energy production in the heat and poxer co-generation plant

par Mateusz Slupinski

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Roland De Guio et de Janusz Jezowiecki.

Soutenue en 2007

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) en cotutelle avec Wroclaw - Pologne .

  • Titre traduit

    Méthode d'analyse de système complexe : Application à la stratégie de production d'énergie dans les centrales co-génératrices de chaleur et d'électricité


  • Résumé

    Le problème pratique support de la thèse concerne l’optimisation de la stratégie de production journalière d’énergie électrique et thermique urbaine de la société GENCO. Le support informatique au processus d’optimisation en place à savoir le logiciel BoFiT TEP (Daily Operation Optimization and Portfolio Management) permet de construire un modèle simulant le fonctionnement du réseau de centrales. Le résultat du processus de décision est un scénario de production obtenu par un processus itératif. Pour initier le processus, un expert propose un scénario à partir de données liées au marché. Les caractéristiques des scénarios de production sont fournies au logiciel BoFiT TEP qui dans un premier temps les transforme en un problème d’optimisation de type mixed integer problem (MIP) dont le but est de trouver la combinaison de ressources du réseau à faire fonctionner au moindre coût et dans les contraintes du scénario. L’optimisation est ensuite réalisée par un outil standard CPLEX. L’expert analyse ensuite le résultat pour le valider ou proposer un nouveau scénario. Le processus se poursuit dans un temps limité (1h) et une décision est prise par l’expert. Les temps de calcul sont considérés comme trop long car ils ne permettent pas à l’expert de réaliser suffisamment d’itérations. Les temps de calcul augmentent avec le nombre d’éléments de détails mis dans le modèle. Le problème initial peut être exprimé sous la forme d’une contradiction : nous voulons avoir beaucoup d'éléments dans le modèle afin d'améliorer la stratégie de production (maximisation du bénéfice pour GENCO), et en même temps nous ne voulons pas avoir pas beaucoup d'éléments dans le modèle parce que la consommation de temps du processus de calcul augmente avec le volume de données à traiter. [Figure 1. Processus de production de scénario] La compréhension approfondie du système de production de scénarios en vue de son optimisation n’est pas immédiate pour plusieurs raisons :Le nombre de variables à traiter est important et évolue dans le temps, Le processus de préparation des scénarios relève de connaissances de plusieurs domaines, le marché et les statistiques, les divers modèles de production d’énergie, des processus de calcul. Certaines activités du processus, notamment la production de scénarios et leur validation, relèvent de connaissances implicites. En fait, l’interface entre les modèles cités précédemment n’est pas formalisée. Pour les raisons évoquées précédemment, une perception de l’influence des différents systèmes composant le processus de production de scénarios sur son optimisation s’avère nécessaire. L’un des objectifs de cette thèse est de proposer une démarche et des outils permettant d’identifier les problèmes clés liés à l’évolution du processus de production des scénarios et de donner une vision de leurs liens, d’aider à la prise de décision quant aux tactiques de résolution et, enfin, de mettre en forme cet ensemble de problèmes dans un formalisme permettant l’utilisation itérative d’outils et de méthodes de résolution de problèmes inventifs. Ce dernier point est nécessaires dans notre cas, car l’optimisation individuelle des éléments du système de production de scénario ne permettra pas de satisfaire les performances attendues à terme du système ; il faudra donc modifier le modèle du système, en inventer un nouveau qui résoudra des contradictions inhérentes au système existant. En principe, différents outils et méthodes générales sont disponibles pour atteindre les résultats escomptés cités dans le paragraphe précédent. Deux approches s’opposent pour l’exploitation de ces outils. La première consiste à choisir un outil générique d’analyse de notre système et de l’adapter au problème traité. La seconde approche, que nous avons choisie, est de combiner des méthodes existantes pour tirer profit des valeurs ajoutées de leurs différences. La difficulté lors de l’emploi de cette tactique est de combiner à bon escient et de contrôler l’extraction de l’information utile au traitement de notre problème spécifique. En effet, d’une part les informations issues de ces méthodes se recouvrent partiellement et, d’autre part, les informations de différentes natures issues de ces méthodes sont à mettre en cohérence. Le second objectif de cette thèse est d’apporter une contribution méthodologique aux démarches générales d’analyse de systèmes complexes en vue de la résolution des contradictions associées à leur évolution (i. E : les résultats de l’analyse doivent permettre l’utilisation des méthodes de résolution de problème issues des théories de résolution des problèmes inventifs). En terme de conception de méthode, le conflit à résoudre est résumé sur la figure 2 ci-dessous. [Figure 2: Contradiction associée à la construction de la méthode d’analyse] La méthode proposée en résultat de nos travaux repose sur la maîtrise et le contrôle des différents outils utilisés à partir d’une classification en trois familles: Les outils d’exploration qui permettent de décrire et d’explorer le système étudié, Les outils permettant d’orienter et de guider vers les étapes suivantes, Les outils de gestion de l’information et d’évaluation. Le mémoire se compose de 6 chapitres. Le chapitre 1 décrit les approches connues d'analyse des systèmes complexes et formule le problème méthodologique abordé dans cette étude. Le chapitre 2 présente le système préparation et de validation de scénarios de production d’énergie. Le chapitre 3 présente la catégorisation des outils d’analyse utilisés pour le traitement du cas d’étude. Le chapitre 4 aborde l’utilisation d’outils d’analyse proposés sur le cas de la génération d’une stratégie de production. Le chapitre 5 présente la méthode proposée. La conclusion et les perspectives du travail sont présentées dans le chapitre 6. Portée et buts L'introduction présente en détail les propriétés de quelques approches de résolution de problème et d’analyse de système complexe (théorie des agents, théorie des systèmes dynamiques, etc. . ). Les caractéristiques principales d’un système complexe sont présentées sur l'exemple des systèmes traités en ingénierie de l’environnement. La comparaison des approches existantes et des caractéristiques des systèmes complexes est employée pour formuler le but et la portée de notre recherche. Le système de préparation de la stratégie journalière de production Le système de préparation des stratégies de production journalière est introduit dans ce chapitre. Le système est décrit de plusieurs points de vue : sa position dans l’environnement, le processus de prise de décision. L’utilisation du modèle technologique et des scénarios par le logiciel BoFiT TEP sont également présentés. Outils d'analyse - introduction Les outils d'analyse utilisés sont classés dans les catégories suivantes : des théories, des méthodes, des techniques, des procédures, des règles, des modèles et des concepts. Des outils d'analyse appliqués dans le chapitre suivant sont classés selon la description de l'objectif et du domaine d'application. Analyse du problème de préparation de scénarios L'analyse du problème de la préparation de la génération d'énergie débute par l'application d’outils simples permettant de collecter l’information de base sur le système. Ce type d’outils est appelé par la suite « outils d’exploration ». Ces outils sont complétés par des outils d’organisation des résultats de l’analyse. Synthèse et généralisation : l’approche proposée La construction de cette approche a été effectuée pendant lors de l’analyse du système de préparation des scénarios. La méthode d’analyse peut elle aussi être considérée comme un système d’activités. L’analyse de ce système montre qu’il lui manque un système de contrôle. Ce système de contrôle de l’analyse est porte sur trois points : l’exploration du système, une aide à l’orientation des activités suivantes, et enfin la gestion des informations. Le rôle du système de contrôle est de combiner judicieusement et d’aligner les méthodes existantes au cas particulier traité. Ainsi les outils existants utilisés lors d’une étude ne sont pas connus au départ de l’application de la méthode. Conclusion et perspectives La méthode proposée permet de tirer parti de l’utilisation de plusieurs méthodes sans en avoir les inconvénients pratiques grâce au système de contrôle de l’information. Cette approche permet de construire en temps réel la démarche adaptée à un système donné. Cette approche a permis dans le cas de la préparation des stratégies journalières de production d’énergie d’améliorer la communication avec les experts de divers domaines, d’avoir une compréhension globale et partagée entre experts des problèmes clés, et enfin d’avoir une meilleure compréhension des sous problèmes.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (169 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 147-150

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2007;5448
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