Outils pour l’optimisation du dimensionnement des infrastructures d’alimentation électrique de tramway ou de métro

Tools for optimizing the sizing of tram or metro power supply infrastructure

• Auteur / Autrice : Anass Boukir
• Direction : Florence Ossart, Jean Bigeon, Vincent Reinbold
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Dessante
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Sareni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Hubert, Dominique Chamoret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Électrification

Alimentation en énergie

Tramways

Transports ferroviaires

Mots clés libres

Tramway

Infrastructures électriques

Dimensionnement

Optimisation

Algorithmes génétique

Simulation

Electrical sizing

Optimization

Urban railway

Résumé

L'électrification des transports collectifs urbains, tels que le tramway, constitue un enjeu environnemental majeur. Les études technico-financières pour ces projets couvrent différents aspects de l'infrastructure, tels que le terrassement, les ouvrages d'art, les plateformes de voie ferrée, les bâtiments voyageurs, la technologie électrique, etc. L'objectif de ces études est de proposer des solutions techniques tout en évaluant les coûts, tant en termes d'investissement que de fonctionnement. L'infrastructure de traction électrique est un élément primordial dans cette équation, présentant un coût significatif. Elle doit répondre aux besoins de transport tout en respectant des objectifs financiers et environnementaux. Le dimensionnement de cette infrastructure vise à garantir la disponibilité de la ligne tout en optimisant les coûts. Les études techniques pour concevoir un système d'alimentation électrique impliquent le choix et le dimensionnement des composants qui permettent de transporter l'énergie du réseau public au matériel roulant, à savoir les sous-stations de traction, la ligne aérienne de contact, l'alimentation par le sol et les éléments de liaison. Ces choix s'appuient sur des études en simulation, exigeant des modèles et des outils précis pour éviter la surdimensionnement des infrastructures en raison d'incertitudes sur les résultats de la simulation. Par ailleurs, il faut faire des compromis entre les coûts d’investissement et de fonctionnement d’une part, et la capacité de l’infrastructure à faire face aux aléas de trafic d’autre part. L'objectif de la thèse est de développer une démarche d'optimisation multi-objectifs pour améliorer le dimensionnement des infrastructures électriques, en suivant deux axes de travail : i/ développement d’un simulateur électrique ferroviaire ayant une précision et une vitesse d’exécution compatibles avec une utilisation dans une boucle d’optimisation, ii/ développement d’une méthode d’optimisation du dimensionnement prenant en compte des objectifs concurrents. Le mémoire est structuré en six chapitres. Après un premier chapitre d’introduction générale, le deuxième chapitre détaille la problématique du dimensionnement des infrastructures électriques ferroviaires et fait un état de l’art sur le sujet. Le troisième chapitre porte sur le simulateur ferroviaire développé dans le cadre de la thèse. Les principes généraux, les modèles et les méthodes de résolution sont exposés, ainsi que le post-traitement des résultats de simulation. Le quatrième chapitre concerne la démarche d'optimisation d'infrastructure proposée. Il détaille la transformation du problème métier en un problème d'optimisation bi-objectifs, ainsi que le choix d'une résolution par algorithme génétique NSGA2. Les choix de mise en œuvre de cette méthode sont ensuite présentés. Dans le cinquième chapitre, la démarche d’optimisation proposée est appliquée à deux cas d’étude. Le premier est un cas d’école dont les résultats sont intuitifs. Cela permet de tester la démarche et d’affiner le choix des opérateurs de croisement et de mutation. Le deuxième cas d’étude correspond à un projet de ligne plus complexe, dérivé d'une véritable étude industrielle. Les résultats obtenus par optimisation sont meilleurs que ceux de la recherche par essais-erreurs faite en bureau d’étude. En particulier, l’optimiseur est capable de proposer un ensemble de solutions réalisant différents compromis entre coût et fiabilité, fournissant à l’ingénieur des critères d’aide à la décision objectifs. Pour donner une vue d’ensemble, l'objectif ultime est de créer un outil capable d'optimiser le dimensionnement des infrastructures électriques du tramway en respectant le cahier des charges technique.

The electrification of urban public transportation, such as trams, represents a major environmental challenge. The technical and financial studies for these projects cover various aspects of the infrastructure, such as excavation, civil engineering structures, railway track platforms, passenger buildings, electrical technology, and more. The objective of these studies is to propose technical solutions while evaluating costs, both in terms of investment and operation. The electric traction infrastructure is an important element in this equation, presenting a significant cost. It must meet transportation needs while adhering to financial and environmental goals. The sizing of this infrastructure aims to ensure the line's availability while optimizing costs. Technical studies for designing an electrical power supply system involve the selection and sizing of components that transport energy from the public grid to rolling stock, including traction substations, overhead contact lines, ground-level power supply, and connecting elements. These choices are based on simulation studies that require precise models and tools to avoid over-sizing the infrastructure due to uncertainties in simulation results. Moreover, compromises must be made between investment and operational costs on one hand and the infrastructure's capacity to handle traffic uncertainties on the other. The thesis's objective is to develop a multi-objective optimization approach to improve the sizing of electrical infrastructure, focusing on two main aspects: i/ the development of a railway electrical simulator with precision and execution speed compatible with optimization loop usage, and ii/ the development of a dimensioning optimization method that considers competing objectives. The thesis is structured into six chapters. After an initial general introduction, the second chapter delves into the issue of railway electrical infrastructure sizing and provides a review of the subject. The third chapter focuses on the railway simulator developed as part of the thesis. It covers the general principles, models, resolution methods, and post-processing of simulation results. The fourth chapter discusses the proposed infrastructure optimization approach, detailing the transformation of the business problem into a bi-objective optimization problem and the choice of the NSGA2 genetic algorithm for resolution. The implementation choices for this method are then presented. In the fifth chapter, the proposed optimization approach is applied to two case studies. The first is a simple test case with intuitive results, allowing for testing and refining the choice of crossover and mutation operators. The second case study involves a more complex real-project. The optimization results outperform those obtained through trial-and-error. Specifically, the optimizer can suggest a range of solutions that strike different balances between cost and reliability, providing engineers with objective decision-making criteria. In summary, the ultimate goal is to create a tool capable of optimizing the sizing of tramway electrical infrastructure while respecting technical specification.