Contribution des technologies CPL bas débit à la supervision des réseaux de distribution d électricité

Transcription

1 Contribution des technologies CPL bas débit à la supervision des réseaux de distribution d électricité Travaux de thèse de Romain LEFORT Anne-Marie POUSSARD Les communications par courant porteur en ligne CPL : du Smart Grid aux applications industriels 4 novembre 2016

2 2 Plan Contexte de l étude Simulation de transmission CPL sur un réseau électrique Transmission du réseau BT vers le réseau HTA Transmission du réseau HTA vers le réseau BT Conclusions et perspectives

3 Contexte de l étude Les objectifs du projet : Piloter la charge des réseaux de distribution Fiabiliser l insertion des VE et des EnR Offrir de nouveaux services aux acteurs des réseaux et aux acteurs des VE Mise en place d une infrastructure communicante : Stratégies de supervision Technologies de communication VERDI : Véhicules électriques et Energies Renouvelables dans un Réseau de Distribution Intelligent 3

4 4 Contexte de l étude Proposition de fonctionnement de l infrastructure communicante VERDI Positionnement de la thèse de Romain LEFORT Architecture de supervision «Automatic Meter Management» (AMM) Gestionnaire Internet (sécurisé) Mobile 2G CPL - BT Superviseur Antenne relais Concentrateur Fournisseur Consommateurs et producteurs

5 Contexte de l étude Les contraintes à la transmission par CPL Modification des signaux CPL par les équipements réseaux Variabilité des réseaux en fonction du temps, de la fréquence et de l espace Comportement des consommateurs Phénomène de multitrajets (Evanouissements en fréquence) Perturbations (Permanentes, apériodiques, périodiques aux 50/60 Hz) Variation du gain du réseau Variation du bruit du réseau Chaque réseau offre un comportement CPL qui lui est propre Mesure réalisée en tête d installation d un client monophasé sur 24h (CENELEC) Variation apériodique au cours du temps Perturbation provenant d un téléviseur LCD 5

6 Contexte de l étude Approche mise en œuvre pour modéliser le gain d un réseau Outdoor Etre applicable à n importe quelle topologie réseau => «Bottom-Up» Etre fonctionnelle dans les bandes CPL actuelles/futures => Modélisation < 1 MHz Approche appliquée sur un réseau alimentant un lotissement de 9 clients Problématique Peu de données des équipements, impédances localisées aux fréquences CPL Travaux entrepris Transformateur de distribution HTA/BT Impédances localisées Câbles de distribution 6

7 7 Plan Contexte de l étude Simulation de transmission CPL sur un réseau électrique Transmission du réseau BT vers le réseau HTA Transmission du réseau HTA vers le réseau BT Conclusions et perspectives

8 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Simulation d un réseau électrique Outdoor (< 1 MHz) Un réseau qui alimente un lotissement de 9 clients Transformateur (modèle à constantes localisées) Câbles souterrains BT (Modèle «cascadé») HTA Réseau HTA (Impédance localisée) BT Clients monophasés (Impédance localisée) 8

9 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau BT vers le réseau HTA Impédance localisée des clients BT et du réseau HTA à 50 Ohms Injection au niveau du client 7 raccordé à la phase A Analyse du gain du réseau sur la phase A Transfo BT Client 1 HTA BT Transfo HTA Client 4 CENELEC IEEE Client 7 (Injection) Du fait de la faible taille du réseau: Le phénomène de multitrajets est positionné haut en fréquence Le passage du transformateur est non négligeable 9

10 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau BT vers le réseau HTA Impédance localisée des clients BT et du réseau HTA à 10 Ohms Injection au niveau du client 7 raccordé à la phase A Analyse du gain du réseau sur la phase A Transfo BT Client 1 HTA BT Transfo HTA Client 4 CENELEC IEEE Client 7 (Injection) Une faible impédance localisée accentue l atténuation du réseau 10

11 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau HTA vers le réseau BT Impédance localisée des clients BT et du réseau HTA à 50 Ohms Injection en amont du transformateur sur la phase A (réseau HTA) Analyse du gain du réseau sur la phase A CENELEC IEEE Transfo BT Client 1 HTA BT Transfo HTA (Injection) Client 4 Client 7 Le passage du transformateur est non négligeable Combiné au phénomène de multitrajets, l atténuation du réseau est importante 11

12 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau HTA vers le réseau BT Impédance localisée des clients BT et du réseau HTA à 10 Ohms Injection en amont du transformateur sur la phase A (réseau HTA) Analyse du gain du réseau sur la phase A CENELEC IEEE Transfo BT Client 1 HTA BT Transfo HTA (Injection) Client 4 Client 7 Même constat que précédemment pour la transmission BT vers HTA avec 10 ohms. 12

13 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau HTA vers le réseau BT Etude de la fiabilité dans la bande de fréquence CENELEC (10 khz 150 khz) Niveau CPL HTA = 120 dbµv (Injection parfaite) Transfo HTA (Injection) Client 7 Atténuation du réseau au client 7 Qualité du réseau obtenu (SNR) SNR : Signal Ratio Noise Perturbation au niveau du client 13

14 Temps (h) SNR (db) Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau HTA vers le réseau BT Etude de la fiabilité dans la bande de fréquence CENELEC (10 khz 150 khz) Fréquence (khz) Qualité du réseau (SNR) obtenue au client 7 SNR : Signal Ratio Noise 14

15 Simulation de transmissions CPL sur un réseau électrique Transmission CPL du réseau HTA vers le réseau BT Etude de la fiabilité dans la bande de fréquences CENELEC (10 khz 150 khz) G3 Alliance : définition d un niveau de fiabilité acceptable à un TEB de 10-4 Modulation G1 (S-FSK) G3 (D8PSK) G3 (DQPSK) G3 (DBPSK) G3 (Robo) Seuil SNR (TEB : 10-4 ) 12 db 9,6 db 5,6 db 2,5 db -1,2 db Fiabilité de transmission CPL G1 et G3 sur le SNR obtenu précédemment Fréquences Horaires SNR moyen CPL G1 (TEB < 10-4 ) CPL G3 (TEB < 10-4 ) 10 khz à 60 khz 60 khz à 70 khz 70 khz à 150 khz TEB : Taux d Erreur Binaire 12h-23h 23h-10h 12h-23h 23h-10h 12h-23h 23h-10h 0,4 db 4 db -12,9 db 10,3 db 4,7 db 10,1 db 15

16 Conclusions et perspectives L atténuation des réseaux BT est régie par le phénomène de multitrajets Dépend de la valeur des impédances localisées Dans le cas du réseau électrique étudié, d une faible taille du réseau (< 100m) Bande CENELEC : multitrajets faiblement présent Bande ajoutée par l IEEE : multitrajets plus important Dans le cas de réseau électrique de plus grande taille Phénomène de multitrajets perceptible plus bas en fréquence Mais l atténuation des câbles sera plus importante Contributions Mise en place d un modèle «cascadé» jusqu à la fréquence de 1 MHz Appliqué à un câble de distribution souterrain BT (150mm²-70mm²) Validation du modèle Par des mesures d impédance et des mesures de transmission HF (50 Ohms) Expérimentation de mesures de perturbations en tête d installation client sur 24 H Variation apériodique du bruit de fond 16

17 Conclusions et perspectives Perspectives à l étude CPL Approfondir la modélisation HF des équipements réseaux Optimiser les modèles transformateurs/câbles Appliquer les modèles à d autres transformateurs/câbles/équipements Réaliser des transmissions sur les équipements à leur fonctionnement nominal Approfondir l analyse des perturbations Définir des bibliothèques de perturbations HTA et BT Etudier la variation des impédances localisées Réaliser des expérimentations sur plusieurs heures, jours => en déduire des modèles Définir des bibliothèques d impédances localisées HTA et BT selon des critères réseaux Développer une plateforme CPL complète à destination du gestionnaire de réseau 17

18 Merci de votre attention

19 Modélisation HF des transformateurs de distribution Rôle d un transformateur Modifier la tension/courant d un «signal» électrique entre primaire et secondaire Conception (de façon générale) Enroulement primaire Enroulement secondaire Fonctionnement Circuit magnétique Transformateur monophasé 1. Un courant circule dans l enroulement primaire 2. Entraine un flux magnétique dans le circuit magnétique 3. Induit un courant dans l enroulement secondaire 19

20 Modélisation HF des transformateurs de distribution Rôle d un transformateur Modifier la tension/courant d un «signal» électrique entre primaire et secondaire Conception (de façon générale) Enroulement primaire Enroulement secondaire Pertes dans les enroulements Transformateur parfait Primaire Secondaire Fonctionnement Un courant circule dans l enroulement primaire Entraine un flux magnétique dans le circuit magnétique Induit un courant dans l enroulement secondaire Le transfert d énergie n est pas parfait Circuit magnétique Pertes dans le circuit magnétique 20

21 Modélisation HF des transformateurs de distribution Evolution de ces phénomènes en fonction de la fréquence Deux mesures sont nécessaires (ici réalisées du coté secondaire) En circuit ouvert : permet d observer l ensemble des phénomènes En court-circuit : permet de shunter les phénomènes liés au circuit magnétique Principe des mesures sur un transformateur monophasé Mesure en circuit ouvert Mesure en court-circuit Mesures appliquées sur un transformateur de distribution 21

22 Modélisation HF des transformateurs de distribution Evolution de ces phénomènes en fonction de la fréquence Deux mesures sont nécessaires (ici réalisées du coté secondaire) En circuit ouvert : permet d observer l ensemble des phénomènes En court-circuit : permet de shunter les phénomènes liés au circuit magnétique En BF : les pertes dans le circuit magnétique prédominent En HF : les pertes dans les enroulements et capacités parasites prédominent 22

23 Modélisation HF des transformateurs de distribution Modélisation HF entreprise - Objectifs : Comparer la faisabilité des deux modèles Comparer leur précision vis-à-vis de la mesure Etudier le gain du transformateur aux fréquences CPL Appliquée sur un transformateur de distribution de puissance 100 kva Abaisse la tension du réseau HTA (20kV) vers le réseau BT (410V) Bornes BT (3 phases + neutre) Bornes HTA (3 phases) Carcasse (reliée à la terre) Tapis isolant 23

24 Modélisation HF des transformateurs de distribution Elaboration d un modèle à constantes localisées 1. Représentation en basses fréquences du transformateur 100 kva 2. Ajout de l augmentation des pertes dans les enroulements 3. Ajout de capacités parasites pour un fonctionnement jusqu à 1 MHz 4. Ajout d un bloc RLC coté BT pour modéliser une résonnance à quelques kilohertz 5. Les constantes localisées sont déterminées à partir de mesures spécifiques 24

25 Modélisation HF des transformateurs de distribution Validation du modèle à constantes localisées Mesure d impédance effectuée du coté BT avec la HTA en circuit ouvert CENELEC CENELEC IEEE IEEE Le modèle offre un comportement proche de la mesure Pour augmenter la précision du modèle : Intégration de constantes localisées supplémentaires 25

26 Modélisation HF des transformateurs de distribution Elaboration d un modèle «boite noire» Relier la tension et le courant de chacune des bornes => Matrice d admittance Etape 1 : Le transformateur est représenté par 28 impédances fictives reliant ses bornes Etape 2 : Celles-ci sont déterminées à partir de mesures d impédances externes (28) Etape 4 : La matrice est interpolée par un algorithme pour être utilisable en simulation Etape 3 : La matrice d admittance est déduite grâce aux impédances fictives Modèle «boite noire» = Système d équations Algorithme d approximation 26

27 Modélisation HF des transformateurs de distribution Validation du modèle «boite noire» Mesure d impédance effectuée du coté BT avec la HTA en circuit ouvert CENELEC CENELEC IEEE IEEE Les phénomènes liés au circuit magnétique sont mal pris en compte Le modèle offre une très grande précision à partir de 6 khz 27

28 Modélisation HF des transformateurs de distribution Simulation de transmission à travers le transformateur 100 kva Transmission de la BT vers la HTA (50 Hz 1 MHz) L analyse des résultats se focalise sur la phase A Réception borne HTA_A Injection borne BT_A Générateur de signal (50 Ohms 2V = 6dBV) Etude 1 : Comparaison des modèles entre eux et avec la mesure Les bornes sont chargées par des impédances de 50 Ohms Etude 2 : Influence des impédances aux bornes du transformateur Les impédances des bornes sont variées simultanément de 10, 50 et 100 Ohms 28

29 Modélisation HF des transformateurs de distribution Simulation de transmission HF à travers le transformateur (BT => HTA) Etude 1 : Comparaison des modèles entre eux et avec la mesure (50 Ohms) CENELEC CENELEC Perte d injection Injection Borne BT_A IEEE Réception Borne HTA_A IEEE Les modèles ont un comportement similaire Le modèle «boite noire» est plus précis En BF => Gain ; en HF => Atténuation 29

30 Modélisation HF des transformateurs de distribution Simulation de transmission HF à travers le transformateur (BT => HTA) Etude 2 : Influence des impédances aux bornes du transformateur CENELEC CENELEC Modèle boite noire IEEE Modèle à constantes localisées IEEE Les modèles réagissent de façon similaire La variation d impédance agit comme un offset 30

31 Modélisation HF des câbles de distribution Rôle d un câble Acheminer le «signal» électrique aux équipements qui lui sont raccordés Modélisation d un câble La théorie des lignes de transmission 2 hypothèses : d homogénéité et de conservation de courant Modèle à constantes réparties (distribution infinie d une cellule élémentaire) Les paramètres de la cellule dépendent de la fréquence Câble bifilaire En pratique Modèle à constantes réparties => Modèle «cascadé» Distribution finie d une cellule élémentaire Cellule élémentaire du modèle à constantes réparties 31

32 32 Modélisation HF des câbles de distribution Application sur un câble de distribution BT(150mm² - 70mm²) Le plus répandu sur les réseaux BT souterrains, mais plus déployé Isolant en polyéthylène réticulé Ruban en acier Conducteur de phase (Alu) Conducteur de neutre (Alu) Gaine de plomb Gaine PVC Proposition d un modèle «cascadé» pour un fonctionnement jusqu à 1 MHz Cellule élémentaire du modèle «cascadé»

33 33 Modélisation HF des câbles de distribution Méthodologie mise en œuvre pour obtenir un modèle «cascadé» Etape 1 : Identification des paramètres de la cellule élémentaire Mesures en circuit ouvert et en en court-circuit Paramètres équivalents mesurés Définir la longueur de la cellule Equations reliant : Paramètres équivalents mesurés Paramètres propres de la cellule élémentaire Paramètres propres de la cellule élémentaire Etape 2 : Interpolation des paramètres de la cellule élémentaire (à partir d une fonction mathématique)

34 Modélisation HF des câbles de distribution Validation du modèle «cascadé» Mesure d impédances entre les trois phases et le neutre sur le câble BT de 2m CC : Court-circuit CO : Circuit-ouvert 34

35 Modélisation HF des câbles de distribution Validation du modèle «cascadé» Mesure d impédances entre les trois phases et le neutre sur le câble BT de 2m CENELEC IEEE CENELEC IEEE CC : Court-circuit CO : Circuit-ouvert 35

36 Modélisation HF des câbles de distribution Simulation de transmission HF à travers le câble de distribution BT Etude 1 : Influence de la longueur du câble Etude 2 : Influence des impédances aux extrémités du câble 36

37 Modélisation HF des câbles de distribution Simulation de transmission HF à travers le câble de distribution BT Etude 1 : Influence de la longueur du câble Injection Réception Générateur de signal (50 Ohms 2V = 6dBV) Impédance R = 50 Ohms Longueur : 100, 250, 500 et 1000 mètres CENELEC IEEE Evanouissement en fréquence 37

38 Modélisation HF des câbles de distribution Simulation de transmission HF à travers le câble de distribution BT Etude 2 : Influence des impédances aux extrémités du câble Injection Réception Générateur de signal (50 Ohms 2V = 6dBV) Impédance R : 10, 50 et 100 Ohms Longueur = 500 mètres CENELEC IEEE