Un système expert pour la conception structurale préliminaire des lignes de transport d'énergie électrique /

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UM1

_800-521-0600 8

(

,

UN SYSTEME EXPERT POUR LA

CONCEPTION STRUCTURALE

PRÉLIMINAIRE DES LIGNES DE

TRANSPORT D'ÉNERGIE

_,

ELECTRIQUE

Un mémoire soumis

à

la faculté des études supérieures

et de la recherche en vue de l'obtention du diplôme

de maÎtrise en génie électrique

par

Benoit Picard

Département de Génie Électrique

Université McGiII. Montréal

1+1

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.-

ABSTRACT

The structurai design of power transmission lines rsquires knowledge fram a variety of widely-dispersed expert sources. This thesis demonstrates how an expert system can beefficiently used ta assemble and organize this knowIedgein arder to design a wide range of transmission line models

and

realistically estimate theif costs. This thesis presents

uoe rUne

Intelligent DeveIopment Environment1, a concrete example of an expert system for the preliminary structural design of power transmission lines and it explains how rules and abjects can be used ta integrate the design criteria that come tram various knowledge domains. Results abtained with the expert system are presented in detail andthe importance

of

the choice of conduetor assemblywith respect to other design criteria is emphasized. Finally, this thesis establishes the usefulness of such an expert system within the scape of a more general knowledge-based system devoted to the design of power systems.

.-

"

(

,

,

RESUME

La

conception struduraJe des lignes de transport d'énergie électrique requiert l'utilisation

de

connaissances qui proviennent de sources d'expertise variées et dispersées.

Ce

mémoire démontre comment la technologie des systèmes experts

peut

être utilisée efficacement pour regrouper et organiser cette connaissance afin de concevoir un éventail de modèles de ligne de transport

et

d'en estimer les

coûts

de façon réaliste..

ce

mémoire présente

uoe

("Une Intelligent Design Environmentï,

un

exemple concret de système expert pour la conception structurale préliminaire des lignes de transport d'énergie électrique,

et

il explique comment l'utilisation de règles

et

d'objets permet d'y intégrer les aitères de conception qui proviennent des différents domaines d'expertise.

Ce

mémoire détaille aussi des résultats obtenus

à

l'aide du système expert et souligne l'importance duchOix du faisceau de conducteurs par rapport aux autres critères de conception. Ce mémoire établit finalement l'utilité d'un tel système expert

à

l'intérieur d'un système expert plus général consacré

à

la conception des

réseaux

.-(

REMERCIEMENTS

La réalisation de ce mémoire n'aurait pu se faire sans la participation des personnes suivantes que je tiens

à

remercier.

D'abord, messieurs Francisco Galiana et Donald McGiIIis pour leur

supervision consciencieuse tout au long de ce projet. Leur patience face

à

la longueur de ce

projet,

leur conseils judicieux

et

leur disponibilité lors de la

rédaction de ce mémoire

ont

étédesfacteurs déterminantspourmener ce travail à terme.

Ensuite, messieurs Elias Ghannoum, Brian White, George Papadopouloset Eugène Bourque pour. avoir bien voulu partager leur expertise pour différents

aspects de ce projet.

Le

système expert aurait été incomplet sans leur aide. Aussi, les étudiants du groupe de puissance électriqueàMcGiII et les divers membres du personnel du départementde génie électrique pour avoir fourni un environnement propice

à

la recherche.

Madame Yolande Samson pour avoir bien voulu relire et corriger ce mémoire.

Et finalement, ma famille. qui m'a supporté et encouragé tout au long de ces années.

(

1

2

TABLE DES MATIÈRES

Introduction . . . .. 1

1.1 Principaux objectifs 2 1.2

nDe . . . .. 2

1.3 Motivation. . . .. 3

1.4 Programmes existant pourla conception structuraledes lignes de tr.n.port . . . .. 5 1.4.1 Escoull... 5 1.4.2 TLCADD . . . • . • . . . • . . . .. 5 1.4.3 TLWorkstation 6 1.4.4 Prognlmme norvégien 6 1.4.5 Sommaire... 6 1.5 Méthodologie.. . . ~ . . . .. 7 1.6 Contenu. . . .. 9 Systèmes experts ... _. . . _. . . .. 11 2.1 Définition. . . _. . . .. 11 2.2 Processus de développement 11 2.3 Composition... . . . .. 14 2.3.1 Base de connaissance . . . .. 14 2.3.2 Moteur d'Inférence . . . .. 18

2.3.3 Système degestion de la connaissance . . . .. 18

2.3.4 Système d'explication. . . .. 18

2.3.5 Interface pour l'utilisateur . . . .. 19

2.4 Fonctionnement d'un système expert 19 2.5 Comparaison avec un programme conventionnel 24 2.6 Comparaison avec un expert . . . .. 26

2.7 Sommaire. . . .. 29 3 TIDE 3.1 3.2

3.3

3.4 . . . _ . . . .. 30 Historique 30 Domaine de connaissance . . . .. 32 Fonctionnement . . . .. 36 Sommaire 40 4 LIDE: Domaine de connaissance et processus de conception .. 41

4.1 Conception structurale préliminaire des lignes de transport 41 4.1.1 Conception structurale . . _. . . '.' . . . .. 42

4.1.2 Conception préliminaire .... . . .. 43

4.2 Critères de conception. . . .. 45 4.2.1 Respect des normes environnementales pour les

•

•

5 4.2.1.1 Bruit audible . . .. . .. . . . .. . . . .. . .. . . .. 47 4.2.1.2 CMmp "ectrlque .. .. .. . .. . .. .. .. . . .. . . .. .. 48 4.2.1.3 Perturtmlon radiophonique 49 4.2.1.4

Sommaire... .. .. .. .. .. .. .. .. .. • .. .. .. .. .. .. ..

51

4.2.2 Ajustementde la r...nce mécanique de la ligne de transport .. .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. . .. . .. .. .. .. .. .. .. 53

4.2.3 Con.Id.a6on du nlv. .

u

de pollution . .. .. .. .. .. .. .. ..

57

4.2.4 Respect de .. limite thermique des conducteurs

60

4.2.5 Ajustement de la f.mlile de pyl6n.. au type de terr.ln 61 4.2.8 Mlnlm

on

du collt de construction dei. ligne de tr.nsport o... 62

4.2.7

Sommalr...o...o...o...o...

65

4.3 Processus de conception uctur••• préliminaire 66 4.3.1 Sélection du typede conducteur

et

du nombre de conducteurs .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .... 66

4.3.2 Présélection et ajustement des iamilles de pyl6n.. .. o. o... 70

4.3.3 Sélection de1.famille de pyl6n.. .. o... 70

4.3.4 Calcul d..

coûta

...o... 73

4.3.5 Sélection des meilleurs modèles ...o...o... 77

4.4 Sommaire.. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .... 78

LIDE: Développement

et

fonctionnement. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 79

5.1 Étapes du développement de LIDE ...o... 79

5.2 Outil de développement .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... 81 5.3 Objets et r6gl.. .. .. .. . .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. o... 83 5.3.1 Objets ...o... 83 5.3.1.1 Ugne .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. . .. .. 85 5.3.1.2 COnducteur ...o...

85

5.3.1.3 Faisceau... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .... 86 5.3.1.4 Support ...o... 87 5.3.1.5 Pyl6ne ...o...o...o... 87 5.3.2 Règles 87 5.3.2.1 Règles pour la conception .. .. . . .. .. .. .. .. .. .. ..o. 88 5.3.2.2 Règles pour les calculs ...o... 89

5.3.2.3 Règles pour la gestion des données 90 5.3.2.4 A6gles pour la gestion des écrins .. .. .. .. .. 90

5.4 Exempl. d'une séance de travail 91 5.4.1 Alde .. .. • .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 92

5.4.2 Paramètr. . de conception 93 5.4.3

Base

de cIonnées des

compos.nts

de la ligne de transport ..o... 98 5.4.4 Mise en marche du processus de conception 100

.--'

Figure 38: Figure 39: Figure 40: Figure 41: Figure 42: Figure 43: Figure 44: Figure 45: Figure 46: Figure 47: Figure 48:

Écran des coûts des composants des modèles de ligne de

transport . . . • . . . • . . .. 102 Écran des autres coûts des modèlesde ligne de transport .. 103 Écran des composants des modèles de ligne de transport .. 103 Écran des paramètres structuraux des modèles de ligne de

transport . . • • . • . . . .. 1()4.

Écran des paramètres électriques des modèles de ligne de

transport . . . .. 104 Écran des paramètres environnementaux des modèles de

l!9ne detransport . . . • . • • • . . . .• 105 Ecran de gestion des bases de données . . . . • . . . .. 105 Écran des langues

et

répertoires . • . . . • . .. 106

Coût

de

construction

et coQt des pertes électriques d'une

ligne de transport en fonction du diamètre des conducteurs . 122

Conception structurale préliminaire 130

Coût de construction et coût des pertes électriques d'une

USTE

DES TABLEAUX

Tableau 1: Comparaison de la conception préliminaire et de la

conception complète . . . • . . • . . . 44 Tableau 2: Critères de conception .... . . .. 45 Tableau 3: Valeurs de bruit audible par mauvais temps . . . .. 48 Tableau 4: Valeurs du

champ

électrique maximal au niveau du sol sous

une ligne de transport 50

Tableau 5: Niveau de perturbation radiophonique acceptable par beau

temps mesuré

à

1 MHz

à

15 mètres dela phase externe 51 Tableau 6: Valeurs de perturbation radiophonique

par

beau temps 52

Tableau7: Conditions climatiques pourleQuébec 54

Tableau 8: Sommaire des cas de charge . . . .. 56 Tableau 9: capacité isolante des chaines d'isolateurs en fonction du

niveau de pollution . . . .. 59 Tableau 10: Longueurdes chaines d'isolateurs en fonction du niveau de

polltJtion 60

Tableau 11: COurant admissible pour quelques conducteurs .. . . .. 61

Tableau 12: Types de terrain considérés

par

uoe

62

Tableau 13:

coûts

d'une ligne de transport de 735 kV 65

Tableau 14: Principales propriétés des lignes de transport. . . .. 85

Tableau 15: Principales propriétés des conducteurs 88

Tableau 16: Principales propriétés des faisceaux 86

Tableau 17: Principales propriétés des supports . . . .. 87

Tableau 18: Principales propriétés des pylônes 88

Tableau 19: Règles pour la conception 89

Tableau 20: Règles pour les calculs. . . .. 90

Tableau 21: Règles de gestion des données 91

Tableau 22: Données pour les conducteurs . . . .. 109

Tableau 23: Données pour les pylOnes 111

Tableau 24: Données pour les règles de tension électrique . .. 112

Tableau 25: COnditions climatiques pour le Québec 113

Tableau 26: Coût d'installation des conducteurs . . . .. 115

Tableau 27: Coûts dépendant de la tension électrique 115

Tableau 28:

coûts

fixes .. __ . . . .. 116 Tableau 29: Résultats pourlatension électrique de 735 kV, des conditions

climatiques delazone2. une pollution moyenneetuntypede

terrain montagneux 117

Tableau 30: Résultats pourlatension électrique de 735 kV, des conditions climatiques delazone 2, une pollution moyenne et untypede

(

Tableau 32: Résultats de la variation du diamètre des condudeurs pour des conditions climatiques de la zone 2, une pollution

moyenne et un type de terrain selon le tableau 31 121 Tableau 33: Résultats de la variation des conditions ctimatiques pour une

pollution moyenneetdes diamètres de conducteursettypes

de terrain selon le tableau 31 . . . • . . . 123 Tableau 34: Résultats de la variation du niveau de pollution pour des

conditions climatiques de la zone 2 et des diamètres de

conducteurs ettypes de terrain selon le tableau 31 124 Tableau 35: Résultats de la variation du type de terrain pour des

conditions dirnatiques dela zone 2, une pollution moyenne et

des diamètresde conducteurs selon letableau 31 125 Tableau 36: Résultatsdelavariationdescoûtsdes pertes électriquespour

les conditions indiquées au tableau 31 . . . .. 127 Tableau 37: Résultats de la variation des niveaux de tension électrique

pourles conditions indiquées au tableau 31 . . . .. 128 Tableau 38: Résultats de la variation des niveaux de tension électrique

pour lesconditions indiquées au tableau 31 . . . .. 135 Tableau 39: Résultats pour la tension électrique de 735 kV . . . .. 145 Tableau 40: Résultats pour la tension électrique de 500 kV . . . .. 146 Tableau 41: Résultats pour la tension électrique de 315 kV 147 Tableau 42: Résultats pour les pertes électriques . . . .. 148

1

Introduction

Une ligne de transport d'énergie électrique est une structure physique qui sert

à

transporter une quantité d'énergie donnée sur une distance donnée. L'énergie est transférée en faisant

passer

un courant électrique au travers defils métalliques appelés ·conducteurs·. En plus de produire un transfert d'énergie. ce courant électrique provoque aussi la production d'un champ électrique intense autour des conducteurs. Comme ce champ électrique a un impact négatif sur Itenvironnement de la ligne de transport. on limite

son

intensité au niveau du sol en élevant les conducteurs dans les airs. C'est au moyen de structures appelées ·pylônes· que les conducteurs sont suspendus au-dessus du sol. Étant donné que les pylônes sont faits de matériaux métalliques. il faut les isoler des conducteurs qu"ils soutiennent en utilisant des chaînes d'isolateurs

et

en établissant des espacements minimaux entre les conducteurs et la masse des pylônes.

Lorsqu'une ligne de transport d'énergie électrique est construite. il y a des compromis

à

faire au niveau du choix du diamètre des conducteurs. du nombre de conducteurs et de la hauteur des pylônes afin d'obtenir la ligne de transport la moins coûteuse possible. Par exemple. des conducteurs de plus grand diamètre permettent de transporter plus d'énergie. Ils sont cependant plus coûteux que des conducteurs de plus petit diamètre. De même. des pylônes plus hauts réduisent le champ électrique au niveau du sol, mais ils sont plus coûteux que des pylônes moins hauts. Il faut donc trouver la meilleure combinaison de diamètre des conducteurs" de nombre de condudeurs

et

de hauteur des pylônes. C'est ce genre d'optimisation qui est requis lors de la conception des lignes de transport d"énergie électrique et qui est abordé dans ce mémoire.

(

1.1

Principaux objectifs

L'objectif principal de ce mémoire estdedévelopper une méthodologie pour effectuer la conception structurale préliminaire des lignes de transport d'énergie électrique. Cette conception structurale préliminaire consiste

à

élaborer des modèles de ligne de transport qui ont le plus de probabilité de transmettre la puissance voulue au moindre

coût.

Étantdonné

que

laconception deslignesde transport nécessitelagestion de connaissances spécialisées

et

difficilement accessibles, un second objectif consiste

à

utiliser la technologie des systèmes experts pour le développement de cette méthodologie. Cette technologie sera expliquée en détail au chapitre 2.

Le système expert développé dans

ce

mémoire est appelé UOE ("Une Intelligent Design Environment")

et

fera partie de TlDE ("Transmission Intelligent Design Environment-). un système expert plus général consacré au domaine de la planification des réseaux électriques. nOE contient plusieurs modules qui collaborent en concevant chacun une partie différente d'un réseau électrique et LI DE estresponsable de fournir

à

ces autres modules des modèles préliminaires de ligne de transport. Un dernier objectif consiste donc

à

s'assurer que lIDE répondra aux besoins des autres modules de TlDE.

1.2

YIDE

TIDE aété développé conjointement par "universitéMcGiII et la compagnie d'électricité Hydro-Québec

à

partir de 1988 [1; 2]. Ce système expert fait la conception préliminaire des réseaux électriques point-à-point pour le transport d'électricité.

À partir de la puissance

à

transmettre et de la distance sur laquelle le transport doit avoir lieu, TlDE choisit un

ou

plusieurs niveaux de tension électrique et synthétise différents scénarios de réseaux point-à-point.

ces

scénarios sont

basés sur le nombrede lignes de

transport,

Iè nombre de postes, la quantité de compensation série. de compensation statique

et

d'inductance shunt. Ils

sont

analysés

du

point

de

vue

du comportement

du réseau en régime permanent

et

transitoire et les résultatsdes

scénarios

valables sont présentés

à

l'utilisateurpar ordre croissant de coût.

Tel qu'illustré

à

la figure 1, TlDE n'est pas composé d'un seul bloc. mais plutôt de plusieurs modules qui prennent en charge différentes parties de la conception. Le module TIOE-eA CCourantatternatif) effectue la cànception des réseaux point-à-point en courant alternatif. TloE-CC ("Courant continu·) voit

à

la conception en courant continu

et

TloE-MCI rModule de coordination de l'isolement") [3] s'occupe de la coordination de l'isolement Un autre module. compris dans TIDE-cAetTlDE-cC introduit la notion de fiabilité dans le processus de conception.

Deux modules doivent encore être ajoutés

à

TIDE. Le premier, un module pour la conception de postes. est présentement en préparation. Lesecond. UDE. qui traite de la conception des lignes de transport, est décrit dans ce mémoire.

1.3

Motivation

La principale motivation pour développer

uoe

prov!ent de la nécessité de répondre à certaines exigences des différents modules qui composent déjà TIOE.

_..-.-.. -..-...

...

Figure 1: Modules de

noe

TIDE

,

·

··.

",.'_, 1 , ,

.

_, ..

UOE

Conception delignes ..._.._..-.~ ...~..-.-.-.. SIDE Conception de postes

-.-._.--

..

..

_.

L 1 , ! , " , , .._.. L 1 1 1 1 , ,

Pour être raisonnable, une estimation doit tenir compte des facteurs les plus critiques parmi

ceux

qui affectent le coût d'une ligne de transport.

Ensuite,nOEdoit avoir accès

à

un choix assez vaste de lignes de transport pour résoudre les cas auxquels ilest confronté. Ce choix de lignes de transport doit être optimisé de façon

à

ce

quela solution la plus économique soit trouvée sans avoir à analyser un trop grand nombre de lignes de transport.

C'est donc TIDE qui motive le projet d'un module de conception structurale préliminaire des lignes de transport. cependant, avant de se lancer dans un tel projet, il est bon de vérifier si un autre logiciel pourrait répondre aux besoins de TIDE.

(

1.4

Programmes existant pour la conception structurale de.

lignes de transport

Certains programmes servant au calcul structural des lignes de transport existent déjà.

1.4.1

Escouli

Escouli

est

un programme développé par Hydro-Ouébec pour une utilisation interne. Il analyse un projet préliminaire de ligne de transport bien défini et en estime le coût

à

partir des données fournies par l'utilisateur. Les données requises comprennent, entre autres, les propriétés d'un conducteur et d'un câble de garde, les cas de charge pour les conditions climatiques appropriées et les coûts unitaires des différents éléments de la ligne de transport.

À

partir de ces informations, Escouli calcule les charges critiques qui agissent sur la ligne de transport, la géométrie des pylônes, la

portée

optimale entre les pylônes et le détail des coûts.

1.4.2

TLCADD

TLCADD est un programme commercial développé par Bates Engineering [4]. Àpartir des informations foumies par l'utilisateur, ce programme propose un projet de ligne de transport et en donne les caractéristiques détaillées. les entrées de ce programme incluent des familles de pylônes et des familles de conducteurs ainsi que leurs caractéristiques, les dégagements requis entre les conducteurs et les structures, une description détaillée du terrain et les cas de charge résultant des conditions climatiques. Les résultats comprennent le choix des pylônes et des conducteurs, la position exacte des pylônes sur le terrain et le coût global de la ligne de transport.

1.4.3

TLWorkslation

TLWorkstation a été développé pour l'EPRI ("Electric Power Research InstituteU

) [5: 6; 7; 8]. C'est un programme qui comprend plusieurs modules

ec

qui

propose lui aussi un modèle de ligne de transport pour des conditions précises. Certaines informations proviennent de modules et peuvent être modifiées par l'utilisateur tandis que d'autres ne peuvent être fournies que par l'utilisateur. Parmi ces dernières, on retrouve une description du terrain

et

des obstacles qui s'y trouvent,lescaradéristiquesdesconducteurs

et

des pyl6nesetlescasdecharge pour les conditions climatiques rencontrées. Une fois ces données recueillies. les différents modules entrent

en

adion pour choisir l'emplacement des pylÔnes. faire la conception des pylônes et des fondations, sélectionner le condudeur et calculer les coûts.

1.4.4

Programme norvégien

Un programme a

été

bâti conjointement par deux organismes norvégiens. le SINTEF (fondation de recherche scientifique et industrielle de l'institut de la technologie norvégienne) et le STATKRAFT (conseil de l'énergie électrique de l'état norvégien) [9]. Ce programme est développé, lui aussi, par modules et il

nécessite des données précises pour les cas de charge, les différents coûts. les propriétés des pylônes

et

les caractéristiques du terrain,

y

compris les obstacles qui s'y trouvent. Parmi les calculs effectués par ce programme, on retrowe la position des pylônes, leur hauteur et les coûts associés à la ligne de transport.

1.4.5

Sommaire

Il semble donc que beaucoup de travail a déjà été fait dans le domaine de la production de logiciels pour la conception des lignes de transport et que les

(

logiciels présentés plus haut répondent très bien

à

la première exigence de TlDE. soit celle de fournir un

estimé

raisonnable du coût d'une ligne de transport.

Cependant,

aucun

des logiciels ne répond

à

la deuxième exigence de nDe puisqu"aucun d'eux ne foumit plus d'un résultat. alors qU'un choix de plusieurs lignes de transport est nécessaire

à

TIDE. Deplus, presque tous

ces

programmes exigent une description très

détaillée

du terrain. cette description n'est pas toujours disponible lorsdespremières phasesdela conception parce quele

tracé

exact dela ligne de transport n'est

pas

encore connu.

En général, ces programmes sont trop détaillés pour une utilisation avec TIDE. Un programme plus simple serait plus utile et un programme plus approximatif serait plus satisfaisant.

Par conséquent, même si certaines informations peuvent être tirées des programmes cités plus

haut.

aucun de ceux-ci ne peut servir directement

à

TIDE. Le développement de UOE est donc justifié.

1.5

Méthodologie

Afin de développer le module de conception structurale préliminaire des lignes de transport d'énergie électrique, la méthodologie décrite ci-dessous est adoptée.

La première étRpe consiste à obtenir les principales parties de la connaissance associées

à

la conception structurale des lignes de transport. Trois experts ont d"abord été consultés pour cela: messieurs Donald McGillis au cours de réunions, Elias Ghannoum, fors d'un cours

et

de consultations, et Brian White.

à

contribution: George Papadopoulos et Eugène Bourque. Des informations supplémentaires ont ensuite été fournies par le logiciel Escouli au cours de séances de simulation. Finaleme~,.la lecture de différents articles de revuesetde quelques livres complète l'acquisition de l'expertise.

Ladeuxième étape comprend la formalisation des connaissances obtenues en règles heuristiques pour résoudre des

cas

pratiques de conception.

cette

étape comprend aussi le développement d'une hiérarchie d'objets

servant

à

représenter des informations comme les conditions climatiques, les données du terrain et les composants d'une ligne de transport. Les règles doivent agir sur ces objets.

Latroisième

étape

englobe l'intégration des règles et des objets sous forme de logiciel et la vérification du fonctionnement de ce logiciel. C'est durant cette étape qu'un environnement spécifique

est

choisi pour la programmation. Les règles et les objets sont traduits sous une forme compatibleàcet environnement. Une fois la connaissance codée. il faut aussi ajouter des mécanismes permettant au logiciel de bien fonctionner. Des exemples de ces mécanismes sont un système d'acquisition des données et un système de gestion des données.

La dernière étape consiste

à

valider le logiciel. Une façon de le faire est de comparer les résultats calculés par le logiciel avec des résultats qui proviennent d1

autres sources. Un autre façon est de faire essayer le logiciel

à

l'expert qui a été consulté afin de voir s'il reproduit fidèlement son processus cognitif.

(

1.6

Contenu

Les chapitres suivants donnent l'information nécessaire pour comprendre comment UOE a été développé

et

quels résultats sont obtenus lors de son utilisation.

Le chapitre 2 traite des systèmes experts. Il en donne la définition, en explique la composition

et

en décrit le fonctionnement. Il résume aussi le processus de

développement

d'un

système

expert. Fmalement, il compare les systèmes experts aux programmes conventionnels

et

aux experts eux·mêmes.

Le chapitre 3 fournit des informations

à

propos de TlDE, le système expert pour lequel LIDE a été créé. Il donne un historique du développement de TlDE et décrit son domaine de connaissance ainsi que son fonctionnement. Finalement, il élabore les raisons qui ont conduit au développement de UDE.

Le chapitre 4 traite du domaine de connaissance de LIDE. Il explique ce qu'est la conception structurale préliminaire, puis les critères de conception. Pour terminert il décrit les étapes du processus de conception.

Le chapitre 5 analyse le fonctionnement de UDE. Il explique les étapes de son développement. les outils utilisés pour son développement et les objets

et

règles incorporés dans UDE. Il fait également le survol d'une séance d'utilisation typique.

Le chapitre 6 présente des résultats obtenus

à

l'aide de LIDE. Il décrit, pour commencer, les données qui doivent être fournies à LlDE. Puis. il présente les résultats obtenus au cours. d'une séance d'utilisation spécifique. Il analyse

•

finalement tous les résultats obtenus au cours de nombreuses séances de simulation pour tenter de dégager certaines conclusions.

Le chapitre 7 résume le mémoire. Il détermine d'abord les objectifs atteints. 1/ reprend ensuite les principaux résultats obtenus par le développement de

uoe

et termine en élaborant sur les limites decette recherche et sur les orientations

possibles du travail.

Le chapitre 8 etOture ce travail en reprenant les principales conclusionsdu mémoire.

•

2

Systèmes experts

Tel que mentionné dans l'introduction, un des objectifs de ce mémoire est d'appliquer la technologie des systèmes experts pour réaliser UDE. Il convient donc, avant de traiter de UDE, de darifierlanotion de systèmeexpertet d'évaluer le potentiel de l'application des systèmes experts pour la conception structurafe des lignes de transport d'énergie électrique.

Ce chapitre débute en donnant la définitiond'unsystème expert. Il élabore ensuite sur le processus de développement. les différents

composants

etlemode de fonctionnement d'un système expert. Il poursuit par une comparaison des caractéristiques d'un système expert avec celles d'un programme informatique conventionnel et celles d'un expert humain. Finalement. il se conclut par un jugement sur l'utilité de la technologie des systèmes experts pourlaréalisation de LIDE.

2.1

Définition

Un système expert est un programme informatique qui modélise le processus cognitif d'un expert humain. Il résout donc des problèmes en se servant de connaissances et de techniques de raisonnement [10]. Tout comme un expert, il oeuvre dans un domaine spécialisé où les problèmes

à

traiter sont complexes.

2.2

Processus de développement

lors de ra création d'un système expert, le but visé est de reproduire "expertise d'un être humain dans un ordinateur. Étant donné qu"il est

ordinateur d'un seul coup, le processusdedéveloppement

est

une suite d'étapes qui permettent peu

à

peu d'arriver

à

ce but. ces étapes sont représentées graphiquement

à

la figure 2 [11].

Documentpartiel delaCOMaissance

Figure 2: Etapes du développement d'un système expert

( La première étape consiste

à

transmettre la connaissance de l'expert

à

un ingénieur de la connaissance ou cogniticien. le cogniticien formalise alors la connaissance reçue

à

l'aide d'un modèle de représentation des connaissances. Cette façon de procéder a deux avantages: elle permet de structurer la connaissance sous une forme très rapprochée de celle qu'elle aura dans l'ordinateur et elle permet

à

l'expert de vérifier que la connaissance est correctement reçue par le cogniticien. le résultat de cette étape est un document partiel de la connaissance.

La deuxième étape consiste à construire un prototype du système expert. Le prototype est un système expert qui est capable de traiter une partie d'un problème

à

résoudre ou qui peut traiter quelques cas typiques parmi tous les problèmes qui peuvent être rencontrés. Le prototype permet

à

l'expert d'avoir une idée de ce que sera le produit final et lui permet de s'initier

à

la technologie des

.--

systèmes experts. Il permet aussi de voir si le système expert sera accepté par

les utilisateurs auxquels il est destiné. Il permet enfin de juger si le projet vaut la peine d'être continué.

La troisième

étape,

s'il y

a

lieu, consiste

à

compléter la transmission de la connaissance de l'expert au cogniticien. Elle permet d'améliorer la compréhension de la connaissance par le cogniticien

et

de combler les lacunes.

C'est

à

ce

moment que la méthode de représentation de la connaissance est confirmée

et

qu·un outil de programmation est choisi.. Le résultat de cette

étape est

un document de la connaissance complet.

À

la quatrième étape, il s'agit de programmer la connaissance formalisée dans un ordinateur. C'est un programmeur qui effectue cette tâche

à

l'aide de l'outil de programmation sélectionné

à

la troisième étape. cet outil doit être compatible avec la méthode de représentation de la connaissance choisie pour que la transition de l'information se fasse facilement. Le résultat de cette étape est un système expert opérationnel.

Durant la cinquième étape, le système expert est évalué. Ce sont principalement l'expert et les utilisateurs qui effectuent cette tâche. L'expert vérifie que la connaissance contenue dans le système expert est correcte et complète alors que les utilisateurs s'assurent que le système est utile et facile

à

utiliser.

Le système expert est alors mis

à

ladisposition de tous les utilisateurs et

la dernière étape consiste

à

garder le système expert en bon état de fonctionnement en corrigeant les erreurs qui apparaissent, en apportant des améliorations ou en mettant ses connaissances

à

jour pour qu'iI reste toujours utife.

•

(

Toutes les étapes mentionnées plus haut sont généralement entreprisesles unes

à

la suite des autres.

cependant.

comme le domaine traité est un domaine d'expertise, il est normal que la connaissance ne se transmette pas parfaitement de l'expert jusqu'àla machine en un seul essai. Il est donc possible qu'il y aitdes retours en arrière pour corriger la formalisation d6 certains concepts, reprogrammer différemmentune partiedela connaissance ou améliorer l'interface avec l'utilisateur.

Le

processus de création d'un système expert est donc

itératif.

Cependant, une fois le processus terminé, la connaissance nécessaire pour résoudre les problèmes du domaine

visé

doit être complètement contenue dans le système expert. les éléments qui constituent un système expert complet sont décrits

à

la section suivante.

2.3

Composition

Un système expert est composé d'une base de connaissance, d'un moteur d'inférence,

d'un

système de gestion de la

connaissance,

d'un système d'explication et d'ooe interface pour l'utilisateur [11]. La figure 3 représente schématiquementles relations entre les composants d'un système expert.

2.3.1

Base de connaissance

La base de connaissance est l'élément central d'un système expert. Elle contient toute la connaissance transmise par l'expert. Cette connaissance est présente sous différentes formes selon le modèle choisi de représentation des connaissances etroutil de programmation sélectionné.

Le modèle le plus courant de représentation des connaissances est celui des faits et des règles. Dans ce modèle, les faits représentent des informations qui s'appliquent au problème

à

résoudre. Des exemples de faits pourraient être

Interface pour

l'utilisateur

Système de gestion

de la connaissance

Système

d'explication

(

Base

de connaissance

Moteur d'inférence

Figure 3: COmposants d'un

système

expert

les suivants.

BERSFORT est un conducteur qui a un diamètre de 35.6 mm.

La tension électrique

est

de 735 kV.

La perturbation radiophonique a une valeur limite qui est de 63 dB.

Les règles permettent d'ajouter ou de retirer des faits, ou encore de modifier l'ensemble des faits pour trower une réponse

à

un problème. Une règle a toujours la forme suivante:

Si <condition 1>, <condition 2>, <condition 3>, etc...

Si

et alors

le conducteur a un diamètre plus petit ou égal

à

35.6 mm, la

tension

électrique

est

de 735 kV

la perturbation radiophonique limite est de 63 dB,

il faut au moins quatre conducteurs dans un faisceau pour respecter la perturbation radiophonique limite.

Le modèle des faits et des règles a l'avantage d'être très explicite

et

de correspondre de très près

à

la manière de penser des êtres humains.

Un autremodèle de représentationdesconnaissances est celui desobjets. Ceux-ci ont des propriétés et des routines et ils peuvent être regroupés

par

classes. Les objets qui font partie de la même classe peuvent hériter des propriétés de cette classe et des valeurs de ces propriétés. L'encadré qui suit présente un exemple d'objet.

/ ! Objet: BERSFORT Classe: conducteurs Propriétés: Valeurs: diamètre masse linéaire coût unitaire 35.6mm 2.369 kg/m 2.10 $/kg

Routine: Pour obtenir le coût du conducteur, il faut multiplier ensemble le coût unitaire. la masse linéaire et la longueur du

conducteur.

Le modèle des objets permet d'avoir une base de connaissance

très

structurée car les objets peuvent être reliés entre eux comme le démontre la figure 4. Il permet aussi d'économiser de l'espace mémoire puisque les propriétés

communes d'une mêmeclassene"sont

pas

sauvegardées pour chacun desobjets de cette classe.

Figure 4: Modèle de représentation des connaissances par des objets

Ilexisteplusieursautres modèlesde représentation des connaissances: les schémas, les réseaux sémantiques, les réseaux de neurones, etc. [12]. Ils ont tous des avantages et des désavantages différents et aucun n'est supérieur aux autres dans tous les cas. Il fautdonc, pour choisir un modèle de représentation des connaissances, considérer le domaine d'expertise spécifique visé et déterminer te modèle le plus apte

à

représenter les connaissances dans ce domaine.

•

2.3.2

Moteur d'inférence

Le moteur d'inférence

est

un autre élément important d'un système expert. 1/ exécute les règles, ajoute les faits

et

les retire lors de l'exécution du système expert. Il contient les stratégies pour contrOler la sélection et l'utilisation des connaissances au cours de la résolution d'un problème. Son r61e consiste souvent

à

déterminer quelle sera la prochaine règle qui sera appliquée parmi toutes celles qui peuvent l'être.

2.3.3

Système dé gestion de la connaissance

(

Le système de gestion de la comaissance'

permet

de modifier le contenu de la base de connaissance. C'est par son intermédiaire que les nouvelles connaissances d'un domaine sont introduites dans le système expert afin de le mettre

à

jour. Il vérifie aussi que ces informations ne sontpas contradictoires avec celles déjà contenues dans la base de connaissance.

ce

système permet de garder le système expert à jour dans un monde

où

les connaissances évoluent constamment

2.3.4

Système d'explication

Le .système d'explication

permet

à

l'utilisateur de savoir comment un système expert est arrivé

à

ses condusions. Il est spécialement utile

à

un novice qui veut acquérir l'expertise d'un domaine de connaissance et pour qui la façon dtarriver

à

une solutionestaussi importante que la solution elle·même. Il estaussi utile pour la vérification du système

expert.

Il permet de s'assurer que le processus de raisonnement est correct

et,

au besoin, de trouverplus facilement les erreurs de raisonnement du système expert.

.-

2.3.5

Interface pour l'utilisateur

(

L'interface pour l'utilisateur sert de traducteur entre le système expert

et

l'utilisateur. Elle transforme les demandes d'information

et

les résultats du système expert de façon

à

les rendre compréhensibles pour l'utilisateur. Elle reformule aussi les réponses et les questions de l'utilisateurde façon

à

ce que le système expertpuisse les traiter. Elle est l'intermédiaire

par

lequel le système de gestion de la connaissance

et

le système d'explication communiquent avec l'utilisateur. L'interface

pour

l'utilisateur se sert d'un langage qui ressemble le plus possible

à

celui d'un expert humain.

Les cinq éléments décrits plus

haut sont

conçus puis

améliorés tout au long

du développement d'un systèmeexpert. Ils peuvent prendre différentes

formes,

mais tous sont importants pour le bon fonctionnement du système expert. Ce fonctionnement est décrit

à

la section suivante.

2.4

Fonctionnement d'un système expert

Le fonctionnement d'un système expert peut être représenté sous la forme d'un espace d'état. comme

à

la figure 5 [13]. Un espace d'état permet de symboliserle cheminement suivi lors de la recherche d'une solution.

Quatre éléments servent

à

construire un espace d'étaL Les

états

initiaux sont les différents points de départ pouvant être choisis pour attaquer un problème. Les états potentiels de solution partielle représentent les étapes

à

franchir lors de la résolution du problème. Les états finals correspondent aux solutions qui peuvent être trouvées. Finalement des liens joignent les états entre

,

Etat final

#3

,

.

Etat

final

#2

État

potentiel

#5

État

potentiel

#4

État

potentiel

#3

État final

#1

•

Figure 5: Espace d'état

Il Y

a

plusieurs mécanismes qui permettent de faire la recherche d'une solution dans un espace d'états: le chainage avant, le chaÎnage arrière ou un mélange des deux.

Le chaÎnage avant (ou guidé

par

les faits) consiste àpartir d'un état initial etàpasser d'état en état pour parvenir

à

l'état final. Pour que ce mécanisme soit efficace, il faut qu'il

y

ait peu defaits disponibles au début de la recherche pour limiter le nombre depoints de départ possibles. Il est spécialement utile lorsqu'il y a beaucoup d'états finals possibles.

.-(

Le chaînage arrière (ou guidépar les buts) consiste

à

partir d'un

état

final et

à

passer d'état en état pour parvenir

à

l'état initial. Pourque ce mécanisme soit efficace, il faut qu'il y ait peu d'états finals possibles.

Les deux types de chainage peuvent être utilisés

à

tour de rôle selon l'espace d'état auquel le système expert est confronté. Ils peuvent aussi être utilisés simultanément lorsqu'aucun des mécanismes n'a un avantage surl'autre. Dans ce cas, un état initial

et

un

état

final

sont

choisis. On procède parchainage avant et par chainage arrière jusqu'à ce qu'un étatintermédiaire joigne les deux recherches.

Lorsque le chainage avant ou arrière est exécuté, il peut être difficile de déterminer le prochain état vers laquella recherche sera dirigée. Il existe plusieurs façons de procéder dont la recherche en largeur. la recherche en profondeur et la recherche heuristique.

La recherche en largeur consiste

à

visiter tous les états par couches successives en s'éloignant de plus en plus de l'état de départ. La figure 6 démontre un exemple de cetypede recherche. Les états sont visités dans l'ordre numérique. Le processus se poursuit jusqu'à ce qu'un état final soit atteint. cette méthode a l'avantage d'assurer de trouver une solution si le nombre d'états est fini. EUe permet aussi de trouver la solution la plus proche de l'état initial. Cependant, cette méthode requiert beaucoup d'espace mémoire s'ilya plusieurs liens entre chaque état. Elle n'est donc efficace que dans le cas où il existe peu de liens entre chaque état et où l'espace d'état est restreint.

Larecherche en profondeur consiste

à

visiter les états en s'éloignant le plus rapidement possible de l'état initial. Si la recherche aboutit

à

un état qui ne

~tat

potentiel

•

État

potentiel

État

État

État

potentiel potentiel final

État

potentiel

État

État

État

potentiel potentiel potentiel

(

Figure 6: Recherche en largeur

arrière jusqu'à un état où d'autres liens existent. Cette méthode est illustrée à la figure 7. Tout comme la recherche en largeur, cette méthode donne l'assurance de trouver une solution si le nombre d'états est fini. Elle a aussi l'avantage de nécessiter moins d'espace mémoire que la recherche en largeur pour un même état d'espace. cependant, il n'est pas assuré que la solution la plus proche de l'état initial soit trowée.. Cette méthode

est

efficace lorsqu'il y a plusieurs liens à chaque état et lorsque l'espace d'état est restreint.

La recherche heuristique consiste

à

visiter les états en choisissantceuxqui semblent offrir le plus de chances de succès. Ici également, si un état ne débouche sur aucun autre, il faut retourner en arrière jusqu'à ce que soit trouvé un état où d'autres liens existent. La figure 8 représente une recherche

.--État

potentiel

État potentiel

État

potentiel

État

potentiel

État

potentiel État potentiel

Figure 7: Rechercheeh profondeur

État

État État État

final potentiel potentiel potentiel

heuristique. Contrairement aux autres méthodes, celle-ci ne garantit: pas de trouver une réponse, même si l'espace

d'état

est fini parce que les états ne sont pas visités systématiquement. Elle nécessite aussi l'utilisation d'un critère pour déterminer quel état sera choisi parmi ceux qui sont accessibles. Du côté des avantages, cette méthode requiert peu d'espace mémoire et ressemble le plus

à

la façon de procéder d'un expert.

Lafaçon de décrire :e fonctionnement d'un système expert, telle qultexposée plus haut, est symbolique mais représentative d'un système

à

base de faits et de règles. C'est le moteur d'inférence qui détermine quelle est la façon de fonctionner d'un système expert.

~tat final

État

potentiel État potentiel État potentiel

•

Figure 8: Recherche heuristique

Pour terminer le tour d'horizon sur les systèmes experts, les deux dernières sectionscomparent les systèmes experts aux programmes conventionnels et aux

experts humains.

2.5

Comparaison avec un programme conventionne.

Les systèmes experts et les programmes conventionnelssonttous les deux

des programmes informatiques. Pour bien comprendre ce que sont les systèmes experts, il est utile de les comparer avec les programmes conventionnels qui sont mieux connus [12].

•

(

Un programme conventionnel traite généralement des problèmes assez simples, mais qui requièrent beaucoup de manipulationsdedonnées ou de tâches répétitives; par exemple, des calculs mathématiques, la dassifieation d·éléments dans des listes ou encore larecherche d'information dans une base de données. Un système expert traite plutôt des problèmes complexes qui requièrent l'utilisation de connaissance et d'expertise;

par

exemple, la conception d'un système, le diagnostic d·une panne ou le contr6le d'un procédé.

Un programme conventionnel procède de façon algorithmique pour résoudre les problèmes. Un ordre d'exécution bien défini

est

suivi

et

ftest possible de savoir

à

l'avance quelles commandes seront exécutées. Par contre, un système expert procède de façon heuristique. L'ordre d'exéeutïon dépend des connaissances qui sont disponibles et il est

très

difficilede savoir d'avance quelles parties de la connaissance seront utilisées. Un système expert peut arriver

à

une même solution par différents chemins.

Un programme conventionnel utilise un algorithme éprouvé. Les problèmes traités étant relativement simples, l'algorithme permet de trouver la meilleure solution possible pour un problème donné. Un système expert utilise des règles heuristiques. Les problèmes traités sont généralement complexes et l'espace de recherche des solutions est souvent gigantesque. Les règles heuristiques limitent l'espace de recherche

et

permettent souvent de trouver une solution acceptable au problème donné. mais ne garantissent pas de trOLNer la meilleure solution.

Un programme conventionnel ne peut pas terir compte de l'incertitude contenue dans les données qu'il reçoit tout comme il ne peut pas continuer la

résolution d·un problème s'il lui manque des données. Un système expert peut tenir compte de l'incertitude d'une information en lui assignant un facteur de certitude. Il utilisera alors cette information mais attribuera aussi un facteur de

•

processus de raisonnement s'il manque une information en essayant d'obtenir d'autres informations qui lui permettront d'arriver

à

laréponse.

Dans un programme conventionnet, il n'y a qu'un code exécutable qui contient

à

la fois les informations nécessaires pour résoudre un problème et les mécanismes de contrôle qui agissent sur

ces

informations. Dans un système expert, les connaissances sont contenues dans une base de connaissance séparée physiquement du moteur d'inférence qui contient les mécanismes pour agir sur la connaissance. cette organisation

pennet

d'utiliserlesmécanismes qui agissent sur les connaissances dans plusieurs domaines de connaissance différents. De plus. les connaissances peuvent être modifiées indépendamment des mécanismes de contrOle, ce qui est beaucoup plus difficile

à

faire dans un programme conventionnel.

Un programme conventionnel n'a habituellement qu'un seul rôle,

à

savoir. résoudre des problèmes. cependant, un système expert

peut

jouer un autre rôle. En plus de résoudre des problèmes, un système expert

peut

servir

à

former un novice dans un domaine particulier. Le système d'explication permet au novice d'apprendre et de comprendre le processus de raisonnement contenu dans le système expert.

Ces comparaisons permettent d'avoir une meilleure idée de ce qu'est un système expert. Un autre point de vue est foumi par la comparaison avec un expert.

2.6

Comparaison avec un expert

Selon la définition donnée au début de ce chapitre. un système expert modélise le processus cognitif d'un expert. Les comparaisons suivantes

•

démontrent les principales différences qui existent entre l'expert

et

le système expert ainsi que les avantages

et

les désavantages

à

utiliser ce dernier [14].

Un expert acquiert beaucoup de connaissances

à

mesure qu'il prend de l'expérience. Cette connaissance est emmagasinée dans samémoir~

et

dans son subconscient. L'expert

est

capable d'utiliser cette connaissance, mais a souvent du mal

à

la transmettre parce qu'il ne l'a jamais vraiment formalisée. Dans le cas d'un système expert, fa connaissance a dû être formalisée avant d'être programmée. Elle est donc plus facilement transférable. Le système d'explication du système expert rend cette transmission encore plus facile.

Un expert ne

peut

pas être

à

plusieurs endroits

à

la fois. Il est rarement disponible 24 heures par jour et 7 jours par semaine. Un système expert peut être reproduit facilement et moyennant l'équipement informatique nécessaire, son utilisation simultanée est possible

à

plusieurs endroits

à

la fois et en tout temps. Un système expert est donc plus accessible qu'un expert.

Un expert peut prendre sa pension ou quitter son emploi. Un expert peut aussi perdre son expérience s'il ne pratique pas pendant une fongue période de temps. Bref, les connaissances contenues dans un expert humain peuvent se perdre

à

cause du passage du temps. Par contre, ce ne sont pas des considérations temporelles qui déterminent l'arrêt de l'utilisation d'un système expert. Ce sont plutôt des considérations économiques ou technologiques. De plus, un système expert ne décide pas lui-même de quitter une compagnie. Donc, les connaissances contenues dans un système expert ne disparaissent pas avec le temps s'il n'est pas utilisé.

Un expert peut être distrait ou préoccupé par des problèmes qui ne sont pas reliés à celui qu'il doit traiter. Il peut donc oublier des informations lorsqu'il

•

(

"

peut arriver qu'il donne deux solutions différentes pourlemême problème lorsque traité

à

des moments différents. Un système expert n'oublie pas les informations qu'il possède. Il donne la même solution lorsqu'il rencontre le même problème une deuxième fois, même si un grand intervalle de temps s'est écoulé depuis qu'il a rencontré ce problème poli" la première fois. Il

peut

traiter un plus grand nombre d'informations plus rapidement qu'un expert et il n'est pas sujet

à

la fatigue. Un système

expert

a donc plus de chances d'être plus constant et plus rapide dans ses décisions qu'oo expert humain.

Un expert

est

un être humain

et

il

peut

donc faire preuve de créativité. Il peut trouver de nouvelles façons de résoudre un problème. Il

peut

adapter les méthodes de solutions qui proviennent de d'autres domaines pour les utiliser dans son domaine. Un système expert n'a ni cette créativité ni cette flexibilité.

Un

expert

humain

possède

des connaissances dans

des

domaines connexes àson domaine d'expertise et il emmagasine aussi une grande quantité de connaissances générales sur le monde physique qui l'entoure. Un système expert est généralement dénué de

ces

connaissances. Il

est

confinéàun domaine d'expertise précis. C'est un désavantage dans le cas où le -gros bon sens- sert à résoudre un problème rapidement ou dans le cas où le -gros bon sens· permet de détecter qu'iln'ya pas de solution possible. C'est aussi un désavantage dans le cas où des informations manquantes peuvent être estimées

à

partir de connaissances provenant d'autres domaines.

Ces quelques comparaisons illustrent les différences retrouvées entre un expert et le système expert qui le modélise.

•

(

2.7

Sommair•

La technologie des systèmes experts a été présentée dans ce chapitre. Après l'avoir observée de plus près, il est maintenant possible de comprendre son utilité pour la réalisation de UDE.

En effet. la conception des lignes de transport est un domaine spécialisé

où

les problèmes sont complexes

et

où

l'expertise

est

nécessaire. Il y a

même

plusieurs sources d'expertise

à

intégrer

à

la fois:

par

exemple, ('expertise reliée à la sélection des conducteurs

et

celle reliée

à

la sélection des pylOnes.

C'est aussi un domaine où il n'y a

pas

d'algorithme disponible pour résoudre les problèmes. Il faut procéder de façon heuristique en utilisant les connaissances.

.

Un dernier point en faveur de l'utilisation de la technologie des systèmes experts

est

d'assurer une compatibilité avec TIDE dont tous les modules ont

été

•

3

TIDE

(

Tel que mentionné dans l'introduction, LlDEest intégré dans une famillede systèmes experts appelée TIDE. Plusieurs aspects de TlDE ont influencé le développement de LlDE et il est donc important de présenter TlDE plus en profondeur.

Pour cela, un bref historique de la naissance et de l'évolution deTlDEest d'abord présenté. Le chapitre se poursuit avec une description du domaine d'expertise deTlDE. Le fonctionnement deTlDE

est

ensuite élaboré. Finalement, pour clore ce chapitre, les conditions qui expliquent la venue de UCE sont

expliquées.

3.1

Historique

Le développement de TIDE a débuté en 1988 sous la forme d'un projet conjoint de la compagnie d'électricité Hydro-Québec et de "université McGiII. Il s'agissait de créer un système expert pour la conception préliminaire des réseaux de transport d'énergie électrique. Les initiateurs du projet furent messieurs Francisco Galiana de l'université McGiII et Donald McGillis d'Hydra-Québec. Jean... Pierre Bernard d'Hydro-Québec s'est joint

à

eux peu après pour agir

à

titre d'

ingénieur de la connaissance et de programmeur. Radu Manoliu d'Hydro-Ouébec administrait le projet.

La première étape du projet a consisté en l'acquisition de la connaissance et la programmation d'un prototype qui a été réalisé pour la fin de 1988.

ce

prototype comprenait le moduleTIDE-eA qui effectuait la conception préliminaire de réseaux de transport d'énergie électrique en courant alternatif [15]. Ilétaitécrit en langage LISP à l'aide de l'environnement de développement GoidWorks.

ce

•

(

prototype fut testépardes ingénieurs oeuvrant dans le domainedela conception de réseaux de transport d'énergie

électrique.

Suite aux commentaires reçus, des modifications furent apportées au module TIOE-eA et d'autres modules furent développés.

Il yeu d'abord TlDE-MCI terminé

en

juin 1990 [16].

ce

module avait pour fonction de déterminer la coordination de l'isolement pour les lignes de transport et les postes. Il

était

écrit,

lui aussi, en langage USP

à

l'aide de l'environnement de développement GoIdWorks. Ensuite vint TlDE-ec qui faisait la conception préliminaire des réseaux de transport

en

courant

continu

[17].

ce

module, écrit

en langage C

à

l'aide de l'environnement de développement Nexpert Object, fut complété en juillet 1991.

Parallèlement au développement de TIDE-ec, TIDE-eA fut reprogrammé avec Nexpert Object

et

ces deux modules furent intégrés ensemble pour former une prem.ière version de TlDE-CA/CC qui fut achevée

à

la fin de l'année 1991 [18].

Par la suite, un module traitant de fiabilité duréseau a été conçu et intégré directement avec TIDE-eA/CC

et

complété en mai 1993. Par la même occasion. deux fonctions ont étés ajoutées

à

TIDE-eA/CC.

La

première permet de faire une analyse de sensibilité

du

coût

d'un réseau au coût de ses

composants.

La seconde permet de trouverdesmodèles généraux pour un intervalle de puissance et pour un intervalle de distance.

D'autres modules doivent encore s'ajouter

à

TIDE. Le but ultime est d'en faire un système expert complet qui considère tous les aspects nécessaires

à

la conception préliminaire des réseaux de transport d'énergie électrique.

•

La figure 1 (p. 4) montre les différents modules qui composent présentement TIDE etd'autres modules qui sont en préparation.

3.2

Domaine de connaissance

La conception préliminaire des réseaux de transport d'énergie électrique constitue le domaine d'expertise visé par TlDE.

Un problème typique rencontré dans ce domaine est de relier une ou plusieurs stations de production d'une certaine puissance

à

un point de charge situé

à

une distance donnée au moyen d'une ou plusieurs lignes de transport d'énergie électrique. Le point de charge représente habituellement un poste dans un réseau existant.

Pour résoudre ce problème, un expert doit d'abord obtenir un modèle de l'alternateur et de la charge, tel qu'illustré

à

la figure 9. Le modèle de l'alternateur, sous sa forme la plus simple, est constitué d'une réactance avec une source de tension électrique. Il est caractérisé par une valeur de réactance synchrone, une valeur de réactance transitoire et une constante d'inertie. La charge est représentée, sous sa forme la plus simple, par une réactance constante et une source de tension électrique constante.

Une fois ces modèles obtenus, il faut choisir des lignes de transport, des transformateurs et des postes pour relier l'alternateur

à

la charge.

Les lignes de transport servent

à

transmettre la puissance électrique. La modélisation des lignes de transport se fait principalement par leurs paramètres électriques: la tension, la susceptibilité, la résistance. la réactance. la charge d'impédance caractéristique, l'impédance caractéristique et aussi la longueur.

•

• •

• •

• 1

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--Alternateur

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•

• 1 1 • • , ,

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_.•.

_._._._._._._._._._.~

Transformateur

Transformateur

Figure 9: Schéma d'un réseau électrique point

à

point

Les transformateurs servent

à

augmenter la tension électrique pour permettre un plus grand transport d'électricité et pour réduire le rapport entre les pertes électriques et l'énergie électrique transmise. Les transformateurs sont décrits par leur tension électrique et leur réactance.

Les postes permettent d'installer des appareils qui compensent la ligne de transport pour augmenter sa capacité. Ils permettent également d'installer des appareils pour isoler une section de ligne de transport en cas de panne. Les postes intermédiaires permettent aussi de joindre le milieu d'une ligne de transport avec le milieu d'une autre pour augmenter la fiabilité du réseau. Les postes sont décrits par leur tension électrique.

•

Si un coût unitaire

est

ajouté

à

chacun des modèles, alors ils sont suffisants dans le cadre d'une étude préliminaire.

Après avoir sélectionné ces composants, un expert doit aussi déterminer quels éléments seront installés danslespostes ou sur les lignes de transport pour les compenser et quelle quantité de compensation sera utilisée.

Quatre éléments servent typiquement

à

la compensation: (1) Les condensateurs en série qui permettent d'augmenter la capacité d'une ligne de

transport. (2) Les inducteurs shunt qui servent

à

maintenirla tension électrique constante tout le long de la ligne de transport en absorbant de la puissance réactive, particulièrement lors des périodes de charge légère. Ils servent aussi

à

réduire les surtensions lors des manoeuvres et des coups de foudre. (3) Les condensateurs statiques shunt qui servent

à

maintenir la tension électrique constante tout le long de la ligne de transport en foumissant de la puissance réactive durant les périodes de charge de pointe. (4) Finalement, les compensateurs synchrones qui servent

à

maintenir la tension électrique constante tout le long de la ligne de transport en fournissant de la puissance réactive durant les périodes de charge de pointe et en absorbant de la puissance réactive durant les périodes de charge légère.

L'étape qui suit la sélection des composants de la ligne de transport consiste

à

s'assurer que le réseau conçu satisfait bien les contraintes et les critères de conception. Un expert utilise généralement un programme d'écoulement de puissance pour calculer les différentes tensions électriquesetles différents courants qui circulent dans le réseau. Il faut vérifier qu'aucun des éléments du réseau ne transporte un courant plus élevé que sa capacité ou ne soit soumis

à

une tension électrique plus grande qu'il ne peut tolérer. Finalement, c'està cette étape que la compensation est ajustée pour satisfaire aux contraintes

••

et aux critères du réseau. La pertetotale d'énergie électrique estaussi mesurée

pour savoir si elle est acceptable.

Pour compléter le processus de conception, un expert analyse la

performance du réseau avec certains critères de fiabilité et de stabilité.

Les critères de fiabilitéontpourbutde minimiser la probabilité que le réseau électrique ne puisse pas rencontrer la demande d'électricité

à

cause de la défaillance d'un composant.

ces

critèreS

sont souvent mesurés

à

partir de facteurs comme la probabilité de perte de charge (lOLP -Loss of Load

Probability-) et la prévisiondepertede charge (LOLE -LossofLoadExpectation-).

Lafiabilité des alternateursetla configuration du réseau influencent ces facteurs.

Les critères de stabilité ont pour but de confirmer que le réseau pourra résister

à

certains types de perturbation électrique et pourra continuer à fonctionner par la suite. Ces critères sonthabituellement formulés par des types

de perturbation (une phase, trois phases) etdes durées de perturbation (nombre

de cycles).

Finalement, le coûttotal du réseau est calculé pour pouvoir comparer un modèle avec les autres.

Ce processus représente une façon de résoudre un problème de conception préliminaire de réseau de transport d'énergie électrique. Ilcontient les principaux éléments du processus utilisé dans nOE dont le fonctionnement est décrit à la section suivante.

.-(

3.3

Fonctionnement

Le fonctionnement de nOE

peut

être résumé en trois étapes distinctes. Il y a d'abord l'étape de l'acquisition et de la modification des données. Celle-ci est suivie de la conception de différents modèles du réseau et du calcul des coûts pour ces modèles. Il y a finalementla présentation des résultats

à

l'utilisateur

et

l'analyse des résultats par celui-ci.

Lorsque

noe

débute, l'utilisateur doit sélectionner une base de

données.

Celle-ci contient les caradéristiques des équipements qui pourront être utilisés durant fa conception: lignes de

transport,

condensateurs série, inducteurs shunt. compensateurs statiques, postes

et

transformateurs. Les caractéristiques de l'alternateur et de la charge y sontaussi contenues.

En plus des caractéristiques des équipements, des valeurs pour les critères de conception sont contenues dans la base de données: puissance transmise, distance de transport, coût de la production, tensions électriques nominales, surtensions maximales permises, critères de fiabilité, critères de sécurité, fréquence électrique, critères de contrôle de simulation, tension électrique requise selon la puissance

à

transmettre et la

distance

de transport et la valeur minimale pour une augmentation ou diminution du pourcentage de compensation. Toutescesvaleurs peuvent être modifiées puis sauvegardées

par

l'utilisateur.

Une fois ces données entrées. l'utilisateur peut réellement mettre le système expert en fonction. Celui-ci procède donc

à

la conception du réseau. Les fonctions qui sont accomplies

à

ce

moment sont illustrées

à

la figure 10et décrites ci-dessous.

•

Règles pour es••• V.

ne.

np MgIea pour

...,..,.

~ V.neetnp R6gIes pour

=:

~(---I

V.ncetnp c.IcuIa

~[

cr~

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de puIIIana8.

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pelformance -de . . . .1IIon elcleltlb. .

~

Mgleapour

...

(

...

_Ct."etCc1O (

c.:

capadtance . . . . CsTa:compensationItalique

Is: Induetanœshunt

LOLP: probabITrtédepertededwge ne:nombrededn::uIIs

np:nombredepostel

V:tensionMecIrique

Figure 10: Fonctionnement de TlDE

CakUs de LOLP. de pertM etde caOt

Le système expert estime d'abord deux niveaux de tension électrique qui sont suffisants pour transporter la puissance voulue sur une distance donnée. Pour cefa, il utilise une table contenant deux niveaux de tension électrique pour des intervalles prédéterminés de puissance et de distance. Il crée alors deux objets dans la base de connaissance pour représenter deux modèles qui utilisent chacun un des deux niveaux de tension électrique sélectionnés. Pour chacun de ces modèles, le système expert calcule le nombre de lignes de transport et le nombre de postes nécessaires

à

l'aide de critères de stabilité.

Puis le système expert utilise certaines règles pour estimer les quantités de capacitance série, d'inductance shunt et de compensation statique qui sont