Analyse fonctionnelle d'un système de télégestion d'un transformateur électrique dans un réseau cpl (cas du quartier makomeno)

UNIVERSITE LIBERTE

FACULTE DES SCIENCES INFORMATIQUES

ANALYSE FONCTIONNELLE D'UN SYSTEME DE TELEGESTION D'UN TRANSFORMATEUR ELECTRIQUE DANS UN RESEAU CPL.

(Cas du QUARTIER MAKOMENO)

Par TSHIMANGA MATAMBA Ygains

Travail présenté et défendu en vue de l'obtention du grade d'ingénieur en sciences informatiques

Option : Réseaux et Télécommunications

JUILLET 2018

I

UNIVERSITE LIBERTE

FACULTE DES SCIENCES INFORMATIQUES

ANALYSE FONCTIONNELLE D'UN SYSTEME DE TELEGESTION D'UN TRANSFORMATEUR ELECTRIQUE DANS UN RESEAU CPL.

(Cas du QUARTIER MAKOMENO)

Par TSHIMANGA MATAMBA Ygains

Dirigé par : Prof. Jean Marie KANDA

Co-dirigé par : Ass. Blaise SABU

ANNEE ACADEMIQUE 2017-2018

EPIGRAPHE

La Télécommunication vis a illustré un Ingénieur dans les recherche en vue des partager les informations

entre différents poste ou site

TSHIMANGA MATAMBA Ygains

DEDICACE

« A toute la communauté scientifique, plus particulièrement aux ingénieurs en réseaux et

télécommunications »

TSHIMANGA MATAMBA Ygains

IN MEMORIAM

A mon feu très cher père MATAMBA WA TSHIMANGA Chrispain dans l'au-delà, si vous étiez au monde de vivants, seriez fière de voir votre cher fils devenir homme utile à la société. Que ton âme repose en paix.

TSHIMANGA MATAMBA Ygains

AVANT-PROPOS

Au seuil de ce travail qui marque la fin de nos études du deuxième cycle, il nous incombe un

impérieux devoir moral d'exprimer notre profonde gratitude à tous ceux qui de loin ou de près ont contribué à son aboutissement.

Ainsi, nos remerciements s'adressent de prime abord à notre directeur monsieur Le Professeur, Ir Jean Marie KANDA et au Co-directeur Monsieur l'Assistant Ir BLAISE SABU, qui en dépit de leurs diverses occupations, ont bien voulu diriger ce travail.

Nous ne pouvons pas passer sous silence au corps professoral et toutes les autorités académiques de l'Université liberté en général et de la faculté de sciences informatique en particulier pour leur encadrement soutenue tout au long de notre formation du premier cycle.

A l'Eternel Dieu tout Puissant créateur du ciel et de la terre, lui qui donne le souffle de vie a permis que nous soyons ce que nous sommes aujourd'hui.

A ma très chère mère META KABEYA Thérèse qui en dépit des contraintes a permis que nous soyons élevés à ce titre.

A toi monsieur KABALA JADIKA Placide pour ton amour et ton soutient matériel et financier.

A mes frères et soeurs, BIBOMBA MATAMBA Bijou, MWANZA MATAMBA Nana, KABEYA KALU Berlin, MISENGA Mainel, KABOMBO Arcel, Ketia KALONGO, Glodie BANZE, Christavie META, Eunice NGUNDA, Yannel MATAMBA, life TSHIUNDA pour vos conseils fraternels.

A mes oncles et tantes : KAPIAMBA WA KAPIAMBA Toto, KAYOWA Therese, KALONJI BOMBO Timo, MUYA Aimé, MPUNGA Pierre, MUSAFIRI KALEMA Patrick, pour votre affection et attachement surtout pendant le moment difficile.

A vous mes compagnons et compagnes de lutte Rivelly BADJE BIABO, Etienne Mukonkole, Steve KITENGE, Etienne BUBEMDE, Tony MULUMDA, Esther Bangu, Cedrick MULUMBWA, Madras BUKASA, Teddy KAHITE, Cedrick MULUMBA, Gracia KALUNGA, Esther BANZA KISIMBA ; pour votre soutien moral.

Que tous ceux qui nous ont soutenus, de près ou de loin, puissent trouver ici l'expression de notre profonde gratitude.

TSHIMANGA MATAMBA Ygains LISTE DES FIGURES

Figure 1: Schéma bloc d'un capteur. .......................................................................................... 6

Figure 2: Schema de principe d'une bobine de Rogowski munie d'intégrateur. [6] ................... 7

Figure 3: Schema de principe d'un transformateur de courant. [6] ............................................ 8

Figure 4 Capteur de courant avec concentrateur magnétique .................................................... 9

Figure 5 Structure de blindage d'un câble triphasé. [5] ............................................................ 10

Figure 6: Schéma du capteur de température à résistance. [8] ................................................. 10

Figure 7: Schéma correspond aux thermistances. [8] .............................................................. 11

Figure 8: Capteur du type thermocouple. [8] ........................................................................... 11

Figure 9: Le schéma bloc d'une chaine de transmission. [9] .................................................... 12

Figure 10: Architecture matérielle d'un capteur intelligent. [11] ............................................. 14

Figure 11: Schéma sur le super positionnement du signal CPL. [16] ...................................... 16

Figure 12: Schéma d'une configuration de CPL en OUTDOOR. [16] .................................... 17

Figure 13: Schéma d'une configuration de CPL en INDOOR. [16] ........................................ 17

Figure 14: Constitution d'un transformateur. ........................................................................... 22

Figure 16: Schéma d'un flux magnétique. ................................................................................ 23

Figure 16: Topologie réseau électrique de la SNEL. ............................................................... 24 Figure 17: Représentation de pannes lies aux transformateurs de la SNEL le plus couramment

observé. .................................................................................................................................... 30 Figure 18: Architecture réseau proposé. .................................................................................. 31

Figure 19: Montage du transmetteur MMT330 dans la cabine N°104 .................................... 35

Figure 20: Architecture du réseau interne CPL. ....................................................................... 37

Figure 21: Kits d'adaptateurs CPL. .......................................................................................... 38

Figure 22: Diagramme de Gantt qui exprime le temps que prendra notre projet. .................... 39

Figure 23: Diagramme de cas d'utilisation système de télégestion. ......................................... 43

Figure 24: Diagramme de séquence du cas d'utilisation traiter l'info. ..................................... 44

Figure 25: Diagramme du cas d'utilisation gérer l'huile. .......................................................... 45

Figure 26: Composition d'une carte arduinouno. [32]............................................................. 47

Figure 27: Les possibilités d'alimenter la carte arduino. [32] .................................................. 47

Figure 28: Le capteur DHT11 pour d'humidité et la température. ........................................... 49

Figure 29: Présentation du programme sketch ......................................................................... 50 Figure 30: l'écran de bord du système simuler. ........................................................................ 51 LISTE DE TABLEAUX

Tableau 1: les éléments constitutif d'un transformateur. 1

Tableau 2: La quantité d'eau solidifiée en fonction de la température. 29

Tableau 3: Les caractéristiques de MMT330. 35

Tableau 4: Evaluation financier des équipements à utilisées. 41

LISTE DES ABREVIATIONS

CPL : Courant Porteur en Ligne

T.H.T : Très Haute Tension

H.T : Haute Tension

B.T : Basse Tension

S.N.E.L : Société National d'Electricité

G.C.M : Générale de Carrière et de Mine

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Depuis plusieurs décennies, l'énergie électrique est considérée comme un des facteurs importants pour le développement d'un pays et aucune nation ne peut s'en passer. De la production à la distribution de l'énergie électrique, toutes les techniques doivent être mises en oeuvre pour assurer la qualité. Les bons résultats de gestion passent aussi par la mise en place des infrastructures constituées d'un ensemble des réseaux électriques permettant d'acheminer cette énergie jusqu'aux consommateurs. Le transport et la distribution s'appuient sur une architecture spécifique reposant sur deux réseaux de moyenne tension et basse tension.

Chacun de ces réseaux est constitué d'une infrastructure physique répondant aux normes universelles. Ces deux réseaux sont reliés par des transformateurs de puissance dimensionnés selon le besoin de fourniture des consommateurs en aval. À ce niveau aussi, la qualité de l'énergie distribuée aux consommateurs demande non seulement une bonne maintenance préventive et corrective des transformateurs mais aussi et surtout le suivi de certains paramètres clés telle que l'humidité de l'huile minérale ainsi que sa température.

Avec l'avènement de l'informatique dans le domaine de réseaux et télécommunications, il devient possible de faire la télégestion d'un transformateur électrique avec un centre de contrôle en utilisant des capteurs intelligents capables de relever les informations en temps réel. La transmission ces données peut utiliser plusieurs types de réseaux de transport parmi lesquels le réseau courant porteur en ligne CPL. Le transformateur électrique est considéré comme un équipement très important dans la desserte de l'énergie électrique ; sa gestion permanente est indispensable en fin d'assurer sa protection. En scrutant notre environnement, nous avons constaté que la durée de vie des transformateurs est trop faible et cela prive de temps en autres les consommateurs de l'énergie électrique. A la base de cette situation, nous avons découvert que la plupart de problèmes qui surgissent sur la gestion des transformateurs sont dus à la mauvaise gestion de l'huile minérale qui se détériore sans qu'on ne s'en rende compte. Dans l'objectif de palier à ce genre de problèmes, nous allons dans cette étude émettre notre raisonnement sur l'analyse fonctionnelle d'un système de télégestion d'un transformateur électrique dans un réseau CPL.

En effet, l'huile minérale est l'élément moteur dans la protection d'un transformateur électrique, car elle évacue la chaleur jusqu'aux parois de la cuve. Avec le temps, l'huile perd ces propriétés diélectriques suite à l'humidité et affecte la durée de vie du transformateur.

Dans ces conditions, la télégestion de la qualité de l'huile en fonction du teneur de l'humidité est nécessaire afin de garantir la qualité de service dans la desserte de l'énergie électrique.

Ainsi le choix et la motivation de notre sujet s'inscrivent dans le souci d'assurer le maintien des transformateurs exposés aux multiples pannes, surcharges. Etant d'abord un ingénieur de réseaux et télécommunication, ce sujet nous permettra d'améliorer notre connaissance et approfondir les notions en rapport avec le réseau intelligent et la transmission de données dans un réseau courant porteur en ligne CPL.

L'intérêt de notre étude s'inscrit dans une perspective d'avenir afin de permettre aux gestionnaires de l'énergie électrique de procéder à la maintenance préventive et garantir le bon fonctionnement du transformateur en intervenant au bon moment en cas d'un disfonctionnement lié à la qualité de l'huile minérale. Sur le plan social, ce sujet intéressera la société nationale d'électricité SNEL qui l'utilisera comme soubassement pour améliorer la gestion des cabines électriques.

Afin de mieux pénétrer l'intelligence de notre sujet et trouver une solution adéquate à la gestion des cabines à distance, nous avons émis la problématique suivante :

Ø Comment acquérir les informations relatives à l'huile minérale sur un transformateur ?

Ø Face aux contraintes de coût, quel est le meilleur réseau de transport pour l'acheminement des informations vers le centre de supervision ?

Ø Quelle est la solution technologique qui nous permettra de traiter les informations reçues du transformateur ?

C'est autour de ces trois questions que nous allons devoir développer la suite de ce sujet sous examen. Ainsi, les questions posées dans la problématique nous amènent à répondre d'une manière provisoire sous forme des hypothèses.

Nous proposons de placer des capteurs dans la cuve à huile minérale pour permettre de prélever la valeur de l'humidité et de la température de l'huile du transformateur. Ceci nous permet de répondre efficacement au contrôle de la fluidité, la conductivité de l'huile et prévenir rapidement les pannes. Grâce au réseau de transport CPL, nous acheminerons ainsi les informations prélevées en les superposant sur la ligne électrique de 50 HZ et ceci est un gain par rapport à l'implantation d'un autre réseau de transport car nous utiliserons les infrastructures électriques existantes.

Le traitement des informations se fera par un microcontrôleur ARDUINO que nous programmerons en C⁺⁺ et qui nous permettra de générer deux types de signalisation dont le rouge pour déclarer qu'on est hors spécification avec l'humidité et la température de l'huile minérale et le vert en cas de bons paramètres. Pour être complet, nous allons intégrer un ordinateur comme interface Homme-Machine pour un pilotage efficace du procédé

(transformateur).

Il serait très audacieux de prétendre être le premier à avoir abordé cette étude alors qu'il y'a des scientifiques qui nous ont déjà précède. Dans les lignes qui suivent nous allons évoquer quelques études réalisées :

ü Romain LEFORT, dans sa thèse intitulé « Contribution des technologies CPL et sans fil à la supervision des réseaux de distribution d'électricité ».

Pour l'auteur, il est normal pour un pays de remplir les normes dans le domaine électrique de déployer un système de comptage avancé permettant un pilotage à distance de ces nouveaux compteurs communicants. Ceci est possible grâce à une architecture de communication reposant sur la technologie filaire CPL (Courants porteurs en ligne) et les technologies radio issus des réseaux mobiles (2G, 3G et 4G) couplé à un système de supervision.

ü MADJIMBA KAWAYA Prince, dont le sujetest « Étude de mise en place d'un système de gestion d'énergie électrique à distance avec les smart grids, cas de la SNEL/ Lubumbashi ».

L'auteur a mis accent sur le traitement d'adaptation de la production en fonction de la demande en intégrant l'énergie renouvelable dans le réseau électrique fournit par la SNEL, de la lutte contre les fraudes et une facturation exacte grâce à l'utilisation des compteurs intelligents et l'intégration du système de stockage d'énergie électrique ;

Par rapport à ces travaux précités, notre originalité est le fait que nous voulons garantir la desserte de l'énergie électrique par une bonne gestion des transformateurs.

Dans le cadre de notre travail nous allons recourir aux méthodes ci-après :

Ø Méthode de dimensionnement réseau : cette méthode va nous permettre de se baser sur la qualité du réseau existante, pour arriver à améliorer la qualité du service dans le nouveau réseau.

Ø Méthode d'agile du langage UML (UnifiedModelingLanguage) : c'est un langage qui nous permettra de modéliser graphiquement notre système de télégestion à base de pictogramme.

Pour le cas de notre étude, nous avons fait recours aux techniques suivantes :

Ø Technique de conception de systèmes de télécommunication : qui nous a permis d'analyser, de spécifier et de concevoir notre système de télégestion.

Ø La technique de simulation qui désigne l'exécution d'un programme informatique sur un ordinateur ou sur un réseau en vue de simuler un phénomène physique réel et complexe. [1] Cette technique nous permet de rentre notre travail plus pratique que théorique.

Hormis l'introduction et la conclusion générale, notre travail sera subdivisé en quatre chapitres, dont le Premier parlera des généralités sur le système de télégestion. Le deuxième quand-à-lui sera consacré sur la distribution de l'énergie électrique dans le quartier MAKOMENO. Le troisième chapitre sera focalisé sur le cahier des charges du système de télégestion. Le quatrième chapitre sera consacré à la modélisation du système et contrôle par microcontrôleur.