Système de surveillance embarqué sur un disjoncteur MT

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1 Système de surveillance embarqué sur un disjoncteur MT Mots clés M43 Surveillance Disponibilité Fiabilité Diagnostic Par Marc NOUVELLON / Alain BILLET / Laurent GUISE / Jean-Christophe IANESELLI Schneider Electric Industries SAS - France Un dispositif embarqué sur un disjoncteur moyenne tension qui permet de surveiller les conditions de son fonctionnement, et dont l exploitation peut se faire en utilisant les techniques et technologies les plus avancées. L E S S E N T I E L Par conception, un disjoncteur moyenne tension requiert de moins en moins de maintenance préventive systématique, mais il joue aussi un rôle capital dans un réseau électrique, et toute défaillance peut avoir des conséquences graves pour l exploitant. La conduite et la surveillance des réseaux électriques se font de plus en plus à l'aide de systèmes de supervision centralisés, et l'émergence des NTIC, y compris les technologies WEB, joue un rôle sans cesse grandissant dans la gestion des équipements et systèmes. Dans cet article, nous présentons un dispositif embarqué sur un disjoncteur moyenne tension qui permet de surveiller les conditions de son fonctionnement, et proposons un schéma d'organisation du transfert et du traitement des données, en utilisant les techniques et technologies les plus avancées. Medium voltage circuit breakers are designed to require less and less preventive, systematic maintenance ; however, MV circuit breaker plays a key role in the electrical network, meaning that any failure can have serious consequences for the user. Control and monitoring of electrical networks is increasingly carried out using centralized supervision systems, and the emergence of NITCs, including WEB technologies, is playing an increasingly major role in managing equipment and systems. In this article, we present a device that is fitted on-board a medium voltage circuit breaker that allows us to monitor its operating conditions and we then go on to propose a system for the transfer and processing of data, using the most advanced techniques and technologies. 1. Introduction Dans le domaine de l alimentation électrique, les utilisateurs sont confrontés à 2 exigences de plus en plus fortes : - Un besoin de disponibilité maximale de l'énergie - Une minimisation de leurs coûts. Bien que les équipements aient un bon niveau de fiabilité, les coûts de maintenance et de perte d exploitation restent un poste important de dépenses qu il est possible de réduire significativement grâce à des politiques adaptées La capacité à anticiper les défaillances de fonctionnement fait partie de ces politiques. Elles peuvent effectivement être anticipées grâce à la surveillance de l'état des équipements, réalisable par la collecte et la mise à disposition, en temps et lieux appropriés, d un ensemble de paramètres pertinents Les équipements et systèmes doivent donc évoluer pour permettre, sans interruption de service, la collecte et le traitement d'un nombre de plus en plus important de données les concernant, et les mettre facilement à la disposition d'un grand nombre d'intervenants. Leur évolution concerne également les fonctions d'interface homme-machine associées, qui doivent notamment prendre en compte la réduction du personnel de maintenance. 1

2 Cet article présente un exemple d'application de cette évolution à la surveillance d'un disjoncteur moyenne tension. Il décrit, d'une part, un dispositif qui permettra de collecter et surveiller en ligne les paramètres indicateurs de bon fonctionnement de l'appareil, d'autre part, la manière de transmettre puis de traiter ces données en utilisant les techniques de communication les plus avancées. 2. La Maintenance d un disjoncteur Moyenne Tension Le besoin de maintenance d'un disjoncteur a considérablement évolué avec l'évolution de la technique de coupure. Les disjoncteurs à coupure dans l'huile ou dans l'air nécessitaient des opérations d'entretien régulier en raison notamment de l'usure des contacts. Ces opérations n'empêchaient malheureusement pas les défaillances. Avec les technologies de coupure dans le SF6 ou dans le vide, les disjoncteurs actuels atteignent un bon niveau de fiabilité et permettent aux constructeurs de les déclarer : "sans maintenance". En prenant ce slogan commercial au pied de la lettre, le client pourrait considérer qu'il devient totalement inutile de se préoccuper de son disjoncteur. Peut-être serait-il plus exact de dire : "sans maintenance préventive systématique", pour autant qu'il soit exploité dans les conditions dites "normales" pour lesquelles il a été conçu. Le disjoncteur joue un rôle capital dans un réseau électrique, un dysfonctionnement pouvant avoir des répercussions sans commune mesure avec sa valeur propre : atteinte à la sécurité des personnes ou des biens, perte de production ou arrêt de livraison d'énergie. Jusqu à présent, lors des interventions de maintenance préventive, deux types d opérations étaient en fait réalisées de manière imbriquée : - les actions de maintenance proprement dites ; - des inspections de points de contrôle permettant de vérifier l état de l appareil. Le risque, avec les nouvelles gammes dites «sans maintenance», est de ne plus procéder de manière régulière aux inspections et ce d autant plus facilement qu'un disjoncteur ne manifeste sa présence que dans les cas peu fréquents de défaut. De plus, sa durée de vie étant de l'ordre de 20 à 30 années, et rien ne permettant, pendant son exploitation, de vérifier s'il conserve sa capacité à remplir son rôle de protection, il apparaît nécessaire de remplacer cette notion d inspection (physique) par une fonction de surveillance permanente. C'est ce que nous proposons de réaliser avec le "Module de surveillance" embarqué sur le disjoncteur. 3. Le module de surveillance 3.1 Principe de fonctionnement Le principe général du module de surveillance est de collecter des données afin de pouvoir établir un diagnostic d'état de l'appareil. Le contrôle du bon fonctionnement du disjoncteur se fait à 2 niveaux : Le contrôle des conditions d'utilisation: le bon fonctionnement de l'appareil est tributaire de conditions externes telles que la tension des auxiliaires, ou les caractéristiques de son environnement. S'assurer que les conditions d'utilisation correspondent bien à celles pour lesquelles il a été conçu s'avère nécessaire La surveillance du comportement dans le temps : sur le plan interne au disjoncteur, il faut recueillir les paramètres significatifs de son comportement dans le temps. Leur analyse permettra d'établir un diagnostic de son état de fonctionnement. Il est relativement facile de positionner les conditions (externes) d'utilisation par rapport à une plage d'acceptabilité définie par les concepteurs de l'appareil. En revanche, compte tenu de la multiplicité des facteurs influençant les caractéristiques mesurées, leur modélisation n'est pas encore suffisamment fiable pour permettre de diagnostiquer automatiquement un état du disjoncteur. A ce jour, l'intervention d'un expert du disjoncteur est encore nécessaire pour interpréter le résultat des mesures et en tirer des conclusions sur le comportement de l'appareil. Par ailleurs, outre la valeur intrinsèque des paramètres mesurés, l'expert s'appuiera sur leur évolution dans le temps, et plus l'historique des relevés sera important, plus le diagnostic sera précis. Il sera donc particulièrement intéressant que le module de surveillance soit opérationnel dès la 1 ère mise en service du disjoncteur. Pour que le module de surveillance devenu la "mémoire" du disjoncteur y reste associé pendant toute sa durée de vie, il sera utile de l'"embarquer" sur l'appareil. 2

3 Pour être acceptable, le surcoût généré par l'intégration du module ne doit pas excéder 5 à 10% du coût du disjoncteur. Pour y parvenir, il a fallu limiter le nombre de paramètres à surveiller au "juste nécessaire", c'est-à-dire ceux qui permettent de déceler les défaillances mécaniques potentielles (qui représentent 80% des cas de défaillances des disjoncteurs) Les fonctions du module de surveillance Fonction de base : Le module de surveillance mesure les grandeurs des conditions d'utilisation telles que : - tension des auxiliaires - température ambiante - nombre de manœuvres et signale tout dépassement par rapport à une plage paramétrée de valeurs acceptables. Cette fonction est mise à la disposition de l'utilisateur, totalement autonome quant à son exploitation Fonction avancée : On a vu précédemment qu'un diagnostic devait s'appuyer sur la surveillance de grandeurs mesurées, mais surtout sur leur évolution dans le temps Le module de surveillance va donc jouer le rôle de la "boîte noire", en enregistrant : Les conditions d'exploitation de l'appareil : les mini et maxi des grandeurs retenues sont mémorisées toutes les 24h ; Pour chaque manœuvre, la valeur des grandeurs mécaniques propres au fonctionnement de l'appareil, telles que les temps d'ouverture, de fermeture ou de chargement de la commande. En outre, on relèvera la date et les conditions précises d'exploitation lors de ces évènements. Les données ainsi enregistrées seront relevées à intervalles réguliers et rapatriées vers un centre de compétences techniques disposant d'une base de connaissances sur l'ensemble de la gamme de disjoncteurs. Un expert sera ainsi en mesure d'analyser les données et d'établir un diagnostic de fonctionnement de l'appareil. Le cas échéant, il préconisera une investigation approfondie sur site qui permettra d'affiner le diagnostic Fonctions complémentaires : le Blocnotes de maintenance L'introduction de l'électronique permet désormais de mettre à disposition des fonctionnalités nouvelles. Dans ce module, il a été retenu une fonction "Blocnotes", qui permet à l'exploitant d enregistrer les interventions réalisées sur l'appareil Installation Le module peut être installé à tout moment ; idéalement, le disjoncteur doit en être équipé dès sa 1ère mise en service Utilisation Quelle que soit la fonction du module, l ensemble des informations est disponible : - en local (sur le disjoncteur ou dans le caisson basse tension) - sur tout système de surveillance relié à un réseau local MODBUS RS485, notamment le système TM (décrit plus loin), en utilisant les technologies WEB. L'utilisateur peut ainsi : - consulter les visualisations en face avant du module - exploiter le relais de défaut - saisir les différents paramètres de fonctionnement et de surveillance à l aide d un logiciel d IHM, fourni avec le module et installé sur un PC portable ; - à l aide de ce même logiciel, extraire et visualiser en local les différents enregistrements ; - exploiter, ou faire analyser les enregistrements à distance à partir du système de surveillance Application au parc installé Si ces fonctions de surveillance apparaissent comme nécessaires à la maîtrise de la performance des appareils nouveaux, leur intérêt est bien entendu tout aussi important pour des équipements déjà installés : - Plus les appareils vieillissent, plus le risque de défaut augmente, - L historique des interventions réalisées sur les équipements n est pas toujours accessible et en conséquence l état des appareils reste une évaluation «intuitive». D où l idée d un module similaire, adaptable à tout disjoncteur MT, qui propose une partie des fonctionnalités précédentes. Cela permet d instrumenter l ensemble des équipements de l installation et de 3

4 construire ainsi une base de données qui servira à définir un plan de maintenance optimum. L'expertise s'enrichit au fur et à mesure de la collecte des données (plus il y a de données, plus le diagnostic s'affine). Le Plan de Maintenance sera d'autant plus pertinent que la "couverture" des disjoncteurs sous surveillance sera importante. Dans cette perspective, les modules de surveillance doivent être connectés à un système d information permettant de manière transparente la collecte et l interprétation des données. 4. L'intégration dans TRANSPARENT READY TM TM est le nom du concept présenté par Schneider Electric, qui vise à offrir toute la Transparence sur l information d un système automatisé par le biais des technologies Web. Plus spécifiquement, ce concept repose sur une architecture «seamless» dont la messagerie constitue l ossature ( sur ligne série, sur Ethernet), et qui est combinée aux protocoles (HTTP, FTP, POP, SMTP, SNMP) et technologies du Web (HTML, XML, mail, SMS ). Cette combinaison se révèle particulièrement pertinente dans les systèmes de surveillance des réseaux électriques offrant à l opérateur : - Une nouvelle approche de la surveillance de réseau à un coût en totale rupture avec les installations conventionnelles - Une réelle transparence de la communication - Une adaptabilité totale au besoin en permettant le choix du médium optimal (ligne série ou Ethernet) - Une réelle transparence de l information : il ne suffit plus désormais à l opérateur, que d un PC équipé d un navigateur (browser) type Internet Explorer, pour accéder à l information - Une totale liberté dans le mode d exploitation de l information. Basée sur IP, ces technologies se moquent des distances, et peuvent bien sûr utiliser l Internet comme moyen de transport. En conséquence, l accès aux informations peut se faire indifféremment en local, à distance mais sur le site, à distance hors du site. - Une garantie d interopérabilité et d évolutivité, l ensemble des technologies utilisées étant de vrais standards mondiaux et ouverts. - La capacité de réutiliser une infrastructure de communication existante (Ethernet par exemple) Associé à TM, il est aussi important de considérer la notion de classe de service attendue par l exploitant final (ou les exploitants finaux). Par classe de service nous entendons l ensemble des services que l opérateur attend que le système lui rende : - Surveillance - Surveillance et alarme - Surveillance, alarme et tendance, - Surveillance, alarme, tendance et commande - Et/ou surveillance en temps différé via un fournisseur de service Par ses choix techniques d interface, le module de surveillance s intègre parfaitement dans une architecture TM et bénéficie donc potentiellement de l ensemble de ces services. Il peut, certes, constituer la base d un système orienté vers le diagnostic de l installation, comme il peut constituer un apport complémentaire à un système assurant par ailleurs des fonctions de protection, mesure ou commande : Cas d un système TM orienté exclusivement vers les fonctions de diagnostic et donc sur la base du module de surveillance (SD4) dans une classe de service permettant l accès direct à l information: Standard remote Web browser Diagnostic oriented system Internet Pull SD4 SD4 SD4 Standard local Web browser Intranet (Ethernet/IP) SD4 SD4 SD4 L. Guise 8 Des pages Web sont servies par un serveur Web embarqué dans l Equipement. Une fois chargées dans le navigateur de l opérateur, les données se mettent automatiquement à jour. Ce mode opératoire peut se mettre en œuvre localement ou à distance via l Intranet ou l Internet. 4

5 Cas d un système TM les services de surveillance et diagnostic Monitoring and Diagnostic system mixant Toutefois, un tel dispositif peut bien sûr s intégrer dans un système conventionnel de surveillance de réseau électrique, et donc faire appel à un dispositif centralisé assurant cette fonction : Standard remote Web browser Internet Standard local Web browser Real-time conventional monitoring Intranet (Ethernet/IP) Pull Conventional supervisor Push (SL or over Ethernet/IP) SD4 SD4 SD4 Sepam Sepam MV protection MV protection Power Meter L. Guise 7 SD4 SD4 SD4 Sepam Sepam MV protectionmv protection Power Meter Architecture similaire à la précédente mais agissant sur un périmètre fonctionnel plus large, embrassant notamment les fonctions de protection et de mesure de relais de protection multifonction comme le Sepam. Cas d un système TM faisant appel à un fournisseur de services (par exemple maintenance) à distance : Service provider Advanced maintenance through remote expert service provider Internet Push SD4 SD4 SD4 Sepam Sepam MV protectionmv protection Power Meter L. Guise 4 Dans ce cas l information est collectée par le serveur, qui régulièrement prend l initiative de pousser ces informations vers les bases du fournisseur de service. Reposant sur la collecte systématique de données, le fournisseur de service peut élaborer une information de synthèse à destination de l exploitant. Un tel serveur peut être globalisé au niveau de l installation complète. L. Guise 5 Il est à noter que le prix d acquisition d un tel système conventionnel peut se révèler jusqu à dix fois supérieur au prix d une installation réellement basée sur les nouvelles technologies (cas du système Transparent Ready TM ). Il apparaît clair, désormais, que les nouvelles technologies du Web sont la base d une rupture de nos façons de penser. L emploi approprié de ces nouvelles technologies peut rendre de nouveaux services à l exploitant final, lui offrir notamment un accès à l information dans des conditions encore inimaginables il y a quelques années. Ces nouvelles conditions d accès à l information décuplent l intérêt d un module de surveillance disjoncteur. 5. Aspect économique Examinons l'impact économique des choix retenus et qui viennent d'être décrits : La limitation du nombre de paramètres à surveiller a pour objectif de se centrer sur l'essentiel afin de minimiser le surcoût du disjoncteur. L'intégration de fonctions on-line plus riches permettraient sans doute une analyse plus fine de l'état du disjoncteur, mais ne supprimerait pas le besoin d'une intervention humaine pour interpréter les résultats. 5

6 Le recours à un expert pour établir un diagnostic semble être une solution optimale sur le plan technicoéconomique : - Il est peu fréquent - Grâce aux NTIC, il peut se faire à distance, et avec des moyens standards, donc relativement peu coûteux Grâce, d'une part à la mémoire des disjoncteurs, et d'autre part, à la base d'expérience acquise à partir d'un parc important d'appareils, l'expert aura les moyens d'émettre un diagnostic précis. Quant à la rentabilité du dispositif, son calcul dépend beaucoup de l'installation dans laquelle il est intégré. Parmi les éléments à prendre en considération on notera : - Le nombre de disjoncteurs à surveiller - Le type d'équipements de communication - La politique de maintenance et de surveillance - L'impact d'une défaillance Ce dernier paramètre est sans doute l'un des plus déterminants, mais il reste souvent le plus difficile à évaluer. A cet égard, l'investissement est comparable à celui d'une assurance. 6. Conclusion Dans le dispositif qui vient d'être présenté, il a été recherché le compromis technico-économique rendant compatible la surveillance avec un niveau de coût faible. L'intégration de fonctions nouvelles pour aller vers un système "d'auto-diagnostic" dépendra : - des progrès techniques qui permettront d'en réduire les coûts - de l'intérêt porté par le clients, intérêt qui serait, pour les constructeurs, une motivation forte à poursuivre leurs investigations. Toutefois les performances techniques ne sont pas une fin en soi : au-delà des fonctions de surveillance proprement dites, c'est l'ensemble des services attendus par le client qu'il faut développer. C'est dans cet esprit que le module de surveillance a été conçu, en incluant notamment la possibilité de son intégration dans une architecture du type Transparent Ready TM. Références : - Maintenance and refurbishment strategies for MV Substations G.Balzer ; O.Schmitt ; M.Halfmann ; A.Höble - CIRED Utilisation de la méthode OMF à l'élaboration de la nouvelle politique de maintenance des matériels HT de réseaux électriques A.Girard ; M.LeBlon ; J.Aupied - REE (Jan 2002) - Circuit-breakers with on-line condition monitoring John Reason Electrical world (Feb 1995). Les auteurs Marc Nouvellon, ingénieur IEG, est entré chez Schneider Electric en Après plusieurs années dans le département «Contracting», il occupe un poste de responsable marketing de l activité Services. Il est actuellement en charge de marketing produit dans le département Moyenne Tension. Alain Billet, ingénieur électronicien, est entré chez Schneider Electric en 1970, au département Automates Programmables. Depuis 1990, il est chef de projets au sein du département Protection et Contrôle des réseaux MT. Jean-Christophe Ianeselli : Titulaire d un doctorat en informatique, option Intelligence Artificielle, il intègre Schneider Electric en 1985 dans l'entité de Recherche Corporate du groupe où il met en œuvre des techniques d'intelligence Artificielle pour des systèmes opérationnels de Diagnostic. Puis il prend en charge une activité opérationnelle liée à une offre de supervision pour la distribution électrique. Il est actuellement responsable du développement de l'offre de Services. 6