Hybrid ANFIS-Based Fuzzy-PID Controller Design for Multi-Area Load Frequency Control in the Northwest Ethiopian Power Grid

Résumé Technique : Conception d'un contrôleur hybride de type Fuzzy-PID basé sur l'ANFIS pour le contrôle de la fréquence de charge multi-zones du réseau électrique du nord-ouest de l'Éthiopie

Énoncé du problème
Le réseau électrique éthiopien, particulièrement dans la région du Nord-Ouest, repose sur un contrôleur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID) conventionnel pour le contrôle de la fréquence de charge (LFC) primaire. Bien que le PID soit un mécanisme standard, ses paramètres de gain statiques sont difficiles à ajuster en temps réel, ce qui limite son efficacité face aux perturbations dynamiques du système et aux non-linéarités. À mesure que la demande d'électricité augmente, les déséquilibres entre la production et la charge provoquent des écarts de fréquence par rapport à la valeur nominale de 50 Hz, menaçant la stabilité du système. Le Centre National de Répartition de la Charge (NLDC) existant surveille l'état du système mais manque d'un mécanisme supplémentaire sophistiqué pour réguler centralement la fréquence et le flux de puissance des lignes d'interconnexion lors de fautes extrêmes ou de variations de charge significatives. Cette étude répond au besoin d'une stratégie de LFC supplémentaire et robuste, capable d'un ajustement de paramètres en temps réel pour remplacer ou augmenter le mécanisme PID primaire existant.

Méthodologie
La recherche a développé un modèle mathématique d'un système hydroélectrique interconnecté de trois zones représentant le réseau électrique du nord-ouest de l'Éthiopie (Tana Beles, Fincha et Tis Abay-2). Le modèle a incorporé des dynamiques de régulateur distinctes pour chaque zone : un régulateur mécanique-hydraulique (Zone 1), un régulateur électro-hydraulique (Zone 2) et un régulateur de type PID programmable électro-hydraulique (Zone 3).

Quatre stratégies de contrôle ont été conçues et simulées dans MATLAB/Simulink :

1. PID Conventionnel : Réglé à l'aide de la méthode d'oscillation entretenue de Ziegler-Nichols.
2. Fuzzy-PID (FPID) : Un hybride où un système de logique floue ajuste dynamiquement les gains PID ($K_p, K_i, K_d$) en fonction de l'Erreur de Contrôle de la Zone (ACE) et de son taux de variation ($\Delta ACE$).
3. Contrôleur ANFIS : Un système d'inférence neuro-flou adaptatif utilisant une structure de type Sugeno pour apprendre des données et ajuster les signaux de commande.
4. FPID Hybride basé sur l'ANFIS : La contribution centrale proposée. Cette architecture intègre la capacité d'apprentissage de l'ANFIS avec l'adaptabilité basée sur des règles du FPID. La sortie entraînée de l'ANFIS sert d'entrée ACE pour le contrôleur FPID, qui génère ensuite le signal de référence final du régulateur.

Les contrôleurs ont été évalués en utilisant l'Intégrale du Temps du Carré de l'Erreur Absolue (ITAE) comme fonction objectif principale, parallèlement au temps de stabilisation, au dépassement maximal et au creux maximal. Les performances ont été testées selon trois scénarios :

• Scénario 1 : Une perturbation de charge de 0,01 p.u. dans la Zone 1.
• Scénario 2 : Perturbations multi-zones simultanées (0,46 p.u. dans la Zone 1, 0,0268 p.u. dans la Zone 2 et 0,016 p.u. dans la Zone 3).
• Scénario 3 : Analyse de robustesse avec des variations de $\pm 25\%$ des paramètres du système (constantes de temps du régulateur, constantes de temps de l'eau, inertie et statisme).

Résultats Clés
Le contrôleur hybride FPID basé sur l'ANFIS a démontré une performance supérieure dans tous les scénarios par rapport aux contrôleurs PID, FPID et ANFIS autonome :

• Perturbation de zone unique (Scénario 1) : Le contrôleur proposé a réduit le temps de stabilisation de l'écart de fréquence à 12,959 s (contre 48,8824 s pour le PID) et a atteint un ITAE de 0,00565 (contre 0,0838 pour le PID). Le creux de puissance de la ligne d'interconnexion dans la Zone 1 a été réduit de -0,00805 p.u. (PID) à -0,00339 p.u. (Hybride).
• Perturbation multi-zones (Scénario 2) : Sous des variations de charge importantes et simultanées, le contrôleur hybride a maintenu l'ITAE le plus bas de 0,02375, surpassant nettement l'ITAE de 0,97080 du contrôleur PID. Il a systématiquement atteint les plus faibles valeurs de dépassement et de creux maximal à travers les trois zones.
• Robustesse (Scénio 3) : Le système est resté stable sous des variations de paramètres de $\pm 25\%$, l'ITAE restant dans une plage étroite de 0,00541 à 0,00580, confirmant la résilience du contrôleur aux incertitudes du modèle.

Signification et Revendications
L'article affirme que le contrôleur FPID hybride basé sur l'ANFIS offre une voie techniquement viable pour améliorer la fiabilité du réseau en Éthiopie. En combinant la capacité d'apprentissage adaptatif de l'ANFIS avec la gestion non linéaire du FPID, le système gère efficacement les incertitudes et les conditions dynamiques que les contrôleurs PID statiques ne peuvent traiter. L'étude positionne ce contrôleur non pas comme un remplacement du LFC primaire, mais comme un mécanisme supplémentaire et centralisé nécessaire à être déployé au niveau du NLDC.

Les auteurs soulignent que cette approche permet une adaptation en temps réel au paysage énergétique fluctuant du réseau sans réajustement manuel, évitant potentiellement les pannes de courant et protégeant les infrastructures. Cependant, l'article reconnaît modestement des défis de mise en œuvre importants, notamment la charge de calcul de l'ANFIS, la « malédiction de la dimensionnalité », ainsi que la nécessité de protocoles de communication mis à niveau et de ressources humaines spécialisées au NLDC. Les auteurs déclarent explicitement que la validation actuelle est limitée à la simulation (MATLAB/Simulink) et n'inclut pas encore les contraintes non linéaires comme les bandes mortes des régulateurs (GDB) ou les contraintes de taux de génération (GRC), ni l'intégration de centrales thermiques ou éoliennes.

Conclusion
L'étude conclut que le contrôleur FPID hybride basé sur l'ANFIS surpasse de manière significative les mécanismes existants en termes de temps de stabilisation, de réduction du dépassement et de robustesse. Elle recommande à l'Ethiopian Electric Power (EEP) d'envisager de piloter ce contrôleur pour une transition vers une stratégie de LFC centralisée plus résiliente, à condition que des investissements stratégiques soient réalisés dans la modernisation et la formation des ingénieurs. Les travaux futurs sont orientés vers des tests Hardware-in-the-Loop (HIL), l'extension du modèle pour inclure des sources de production plus diverses et l'intégration des considérations de cybersécurité.