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

Dans ce chapitre, il sera question d'expliquer les principes théoriques sur la télégestion, le fonctionnement d'un transformateur électrique ainsi que du réseau CPL.

La télégestion est l'ensemble des produits qui mettent en oeuvre les technologies de

l'informatique, de l'électronique et des télécommunications afin de permettre un contrôle à distance d'installations techniques géographiquement reparties ou isolées. [2]

Le système de télégestion peut être découpé en trois blocs pour permettre d'accéder à l'information, on distingue :

Est une étape cruciale de l'automatisation des taches, dont l'action consiste d'avoir

accès à une grandeur physique. Cette connaissance permet de connaitre l'état physique d'un système et de pouvoir prendre des décisions dans le but de récolter les informations. Dans un système de télégestion les capteurs sont utilisés pour jouer cette fonction.

En fonction de la caractéristique électrique de la grandeur de sortie, les capteurs sont classés en deux grandes catégories [4]:

Un capteur actif fonctionne en générateur, un effet physique prend en charge la

conversion de l'énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à prélever. Cette forme d'énergie peut être thermique, mécanique ou de rayonnement.

Il s'agit généralement de capteurs restrictifs sensibles à la grandeur à mesurer. Ils ont besoin d'être alimenté pour fonctionner. En fonction du mesurande, on utilise plusieurs effets pour réaliser la mesure.

Aujourd'hui avec l'évolution de la technologie, les capteurs sont devenus les éléments importants dans plusieurs domaines. De notre part, nous n'examinerons que les capteurs nécessaires à la réalisation de notre système.

Nous utiliserons des capteurs appropriés à la gestion du transformateur pour prélever les paramètres liés à son fonctionnement. Le courant est le plus important de tous car toutes sont infrastructure est dimensionnés en fonction du courant.

Ø Les bobines de Rogowski :sont des capteurs de courants alternatifs ne possédant pas de circuit magnétique. Ils ne sont donc pas soumis aux phénomènes de saturation ou d'aimantation rémanente, ce qui leur confère une excellente linéarité dans une large plage de courant et immunité vis-à-vis des chocs magnétiques. Ils sont constitués généralement d'enroulements primaire et secondaire, d'un support de bobinage secondaire formé par un matériau non ferromagnétique et d'un blindage magnétique

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

Ø Les transformateurs de courant : Le transformateur de courant traditionnel comprend des bobines primaire et secondaire enroulées sur un circuit magnétique. Il délivre un courant au secondaire proportionnellement au courant primaire. Le secondaire du transformateur est isolé galvaniquement du primaire. Il est généralement destiné à la mesure de courant alternatif à fréquence industrielle.

D'autres types de capteurs sont utilisés, il s'agit des capteurs de courant par mesure de champ magnétique basés sur le principe de la détection du champ magnétique. Il existe deux grands types de capteurs de courant permettant de mesurer des champs magnétiques : les capteurs de courant utilisant des concentrateurs de flux magnétique c'est à dire la présence d'un circuit magnétique et les capteurs de courant sans concentrateur de flux magnétique. [5]

Ø Capteur de courant utilisant des concentrateurs de flux magnétique : Ces capteurs de courant sont composés d'un circuit ferromagnétique positionné autour d'un conducteur porteur du courant à mesurer et d'un capteur magnétique localisé dans un entrefer. L'objectif du circuit est d'augmenter l'induction générée par le courant à mesurer. Cette solution permet ainsi de maximiser le signal utile par rapport à celui généré par les sources électromagnétiques perturbatrices. Le capteur est placé dans l'entrefer du circuit magnétique et fournit une tension proportionnelle au champ magnétique qui est généré par le courant à mesurer. Cette tension délivrée par le capteur magnétique sera traitée et amplifiée avant d'être fournie en sortie du capteur de courant. [5]

Ø Capteur de courant sans utilisation de concentrateur de flux : Ces capteurs de courant sont formés uniquement par les conducteurs traversés par les courants à mesurer et par les capteurs de champ magnétique. Ces structures peuvent être d'une grande simplicité, par contre leur inconvénient principal est qu'ils sont excessivement sensibles aux champs magnétiques perturbateurs puisque le champ utile n'est pas maximisé. [6]

Ø Capteur n'utilisant pas des concentrateurs magnétiques : Ce sont des capteurs dont les flux magnétiques ne sont pas redirigés dans un circuit magnétique. Ces capteurs de courant sont formés uniquement par les conducteurs traversés par les courants à mesurer et par les capteurs de champ magnétique. Ces structures peuvent être d'une grande simplicité (un simple capteur au voisinage d'un conducteur), par contre leur inconvénient principal est qu'ils sont excessivement sensibles aux champs magnétiques perturbateurs puisque le champ utile n'est pas maximisé.

Ces deux capteurs à utilisation des flux magnétiques, présentent l'inconvénient de l'influence magnétique d'un conducteur voisin qui pourrait empiéter sur la fidélité et la précision du capteur. Pour pallier à cet inconvénient, les capteurs sont couplés à des blindages magnétiques très performants. Le nombre de couches du blindage magnétique ainsi que son épaisseur dépendent de l'environnement du capteur et donc de l'application. [5]

D'une manière générale, Il est possible de mesurer la température de plusieurs façons différentes qui se distinguent par le coût des équipements et la précision ainsi que le temps de réponse. [7]

On distingue les différents types de capteurs, le plus couramment utilisé sont :

Communément appelé les sondes RTD (ResistanceTemperature Detectors) présentent le signal le plus linéaire de tous les capteurs électroniques en matière de température. Toutefois, Ces types de sondes coûtent généralement plus cher que leurs équivalents à cause de leur construction plus délicate et le recours au platine.

Les RTD se caractérisent aussi par un temps de réponse lent et par une faible sensibilité. En outre, parce qu'ils nécessitent une excitation en courant, ils sont sujets à une élévation de température pouvant atteindre 850°C.

Les thermistances, comme les capteurs de température à résistance, sont des conducteurs thermosensibles dont la résistance varie avec la température très élevés au-delà de 200Ù/°C. Bien qu'elles présentent un taux de réponse de l'ordre de la seconde, les thermistances ne peuvent être utilisées que dans une gamme de températures ne dépassant pas 300 °C. [8]

Les thermocouples sont les capteurs les plus souvent utilisés pour la mesure de températures, car ils sont relativement peu onéreux, tout en étant précis, et peuvent fonctionner sur une large gamme de températures. Ils présentent un taux de réponse rapide de l'ordre de la milliseconde.

Les capteurs traditionnels fournissent un signal analogique de sortie et est intraitable par l'ordinateur. Une chaine de traitement est importante pour délivrer un signal numérique.

De nos jours, compte tenu des possibilités offertes par l'électronique et l'informatique, les capteurs délivrent un signal électrique et la quasi-totalité des chaines de mesure sont des chaines électroniques et informatiques. [9]

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

ü Un capteur sensible aux variations d'une grandeur physique et qui, à partir de ces variations, délivre un signal électrique.

ü Circuit de mise en forme du signal dont le rôle principal est l'amplification du signal délivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de numérisation ; cette étape peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal.

ü Une unité de numérisation qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers et affecter un nombre à chaque point d'échantillonnage.

L'intelligence est un terme classique en informatique, qui désigne simplement la capacité de communiquer, de raisonner et de décider. L'évolution de la technologie a permis l'intégration de l'intelligence dans le capteur. [10]

De ce fait, les capteurs intelligents intègrent des fonctionnalités supplémentaires qui leurs permettent de relier le monde physique avec le monde numérique en capturant et en révélant des phénomènes physiques du monde réel et la conversion de ceux-ci dans une forme qui peut être traitée et stockée dans le but d'agir et de prendre une décision ainsi que de les communiquer via les interfaces de communication.

A l'inverse des capteurs classiques, les capteurs intelligents intègrent plusieurs éléments électroniques afin d'être intelligibles. Les compteurs intelligents sont constitués d' :

Ø Un capteur principal spécifique au mesurande avec ses dispositifs d'acquisition et de numérisation du signal de sortie du capteur : transducteur, conditionneur qui adapte le signal électrique en vue de sa transmission, multiplexeur, amplificateur, échantillonneur et convertisseur analogique/numérique ;

Ø Un organe de calcul numérique (microcontrôleur, microprocesseur) servant au calcul et à la gestion de l'acquisition, la correction des effets des grandeurs d'influence au moyen de paramètres stockés en mémoire PROM, la linéarisation, le diagnostic des capteurs ;

Ø Une interface de communication assurant la liaison du capteur à un calculateur central et permettant un dialogue bidirectionnel de données numériques avec le système d'automatisation. Cette interface radio ou filaire est caractérisée par :

Ø Une alimentation assurant une stabilisation des tensions, il est nécessaire à l'électronique de l'instrument. Une batterie peut être envisagée pour maintenir certaines activités en l'absence d'une source d'énergie extérieure.

Ø La possibilité d'une configuration à distance via un réseau sécurisé. Uniquement l'administrateur possède le droit de configuration ;

Ø La possibilité de ne transmettre que des informations importantes ce qui le rend moins gourmand en bande passante ainsi qu'en énergie ;

Ø La détection de défaut : cette faculté intègre le test l'hypothèse, calcul, comparaison avec les données réelles d'estimation ;

Ø Diagnostique : Capacité d'un capteur à effectuer l'évaluation les installations afin de déceler un éventuel dysfonctionnement.

En ceux qui concernent la réalisation de notre travail, nous avons proposé d'utiliser le capteur MMT330 généralement relié à un transmetteur pour son bon fonctionnement.

C'est un capteur d'humidité et de température de l'huile de la série Vaisala HUMICAP® utilisé dans les transformateurs. Le MMT330 permet de réaliser des mesures d'humidité et la température fiables dans une large gamme d'applications. Elle est utilisée pour contrôler à distance l'état de l'huile de protection de transformation dans chaque poste d'un transformateur électrique. [13]

C'est un réseau de communications qui a pour objectif l'acheminement les données analogique ou numérique entre différentes entités. [14]

- L'aspect matériel : l'infrastructure et les techniques de transmission de données ;

- L'aspect logiciel : les règles de communication entre les composants et les systèmes interconnectés. Ces règles sont appelées : protocoles de communication.

Dans ce travail nous allons utiliser un réseau courant porteur en ligne pour la transmission de nos informations en utilisant l'infrastructure électrique existante.

Une technologie d'accès à haut débit, qui utilise le réseau électrique moyen et basse tension pour fournir des services de télécommunications en utilisant les techniques de modulation avancées. Cette technologie offre aux utilisateurs une large diversité d'applications et de services comprenant l'internet haut débit, la voix sur IP, les services multimédias.

Sa consiste à superposer au signal électrique de 50 Hz délivré par les prises

électriques, un autre signal à plus haute fréquence. Généralement il est d'une bande de 1,6 à 30 MHz et de faible énergie. Ce deuxième signal se propage sur l'installation électrique peut être reçu et décoder à distance. Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes base fréquence avant le traitement du signal. [15]

Il s'agit d'un couplage qui se réalise au niveau du transformateur entre l'accès internet haut débit qui peut être la fibre optique ou une ligne spécialisée et le réseau de distribution basse tension.

Sa mise en oeuvre est réalisée entre un fournisseur d'aces internet et la coopération du distributeur d'électricité. Ainsi donc, toute la zone alimentée par c'est même transformateur peut bénéficier de cet accès distribué via le réseau électrique. Les équipements

CPL sont mis en oeuvre sur plusieurs sites connecte à l'internet via des lignes électriques moyenne tension. Dans cette infrastructure, chaque utilisateur accède à internet depuis sa ligne électrique. [15]

Ce type d'architecture est réalisé à l'intérieur d'une entreprise, au sein d'un réseau

local à l'accès haut débit de la connexion internet existant. De cette manière, il est possible d'étendre le réseau local et l'accès internet sur toutes les prises électriques de l'installation à partir d'un ordinateur.

L'accès à l'internet est réalisé par un serveur ou un routeur banché à un équipement CPL. Chaque poste client est branché sur un boitier CPL et relié à une prise électrique de l'établissement.

Les installations du réseau CPL doit être bien ajusté au niveau de l'injection du signal sur le réseau électrique. On distingue deux méthodes de couplage :

Est plus utilisé pour le CPL indoor dans les adaptateurs pour des réseaux monophasés. Le couplage capacitif consiste à faire coupler le signal CPL au réseau via une prise électrique, cette équipement est branché en parallèle sur le départ. Sur un tableau électrique on peut réaliser le couplage pour un réseau triphasé.

L'équipement est raccordé sur une ou plusieurs phases du réseau par le biais d'une bobine. Le signal a la possibilité de se propagé sur les autres phases et sur le réseau par effet magnétique. Ce type de couplage est utilisé quand on injecte sur un réseau triphasé, afin d'avoir la même qualité de signal sur les trois phases.

La transmission des données dans toute installation électrique connectée au réseau CPL. De cette manière, le capteur électrique peur constituer un élément d'insécurité. Ainsi donc, tout utilisateur non autorisé voulant se brancher sur la ligne sera considérait comme un espion.

Cette technologie nous offre un moyen pouvant permettre de renforcer la sécurité au niveau des équipements homologues, en effectuant le cryptage DES qui possède une clé de 56 bits. [15]

Est un système de chiffrement par blocs qui consiste à faire le cryptage à clef

secrète. La clef sert à la fois à crypter et décrypter les messages. Cette clef a une taille de 64 bits, c'est-à-dire 8 caractères mais seulement 56 bits sont utilisables.

télécommunication fiable. Le centre de supervision est la partie qui aide l'opérateur à visualiser tout ce qui se passe et de diagnostiquer le réseau. La communication peut être full duplex ou half duplex en fonction des équipements utilisés. La S.N.E.L possède plusieurs serveurs qui sont à Kinshasa dont chacun d'eux a un rôle spécifique dans l'administration de l'entreprise.

L'exploitation des données ne se fera pas directement, il sied d'être sauvegardé afin

d'avoir les archives. Le serveur que nous utiliserons est le serveur de base de données connecté sur intranet. Ce serveur utilise le système d'exploitation Windows serveur 2013.

Les protocoles qui tournent sur les serveurs ainsi que les équipements de supervision sont :

Simple Network Management Protocole, en sigle SNMP, est un protocole de communication qui permet aux administrateurs réseau de gérer les équipements du réseau, de superviser et de diagnostiquer des problèmes réseaux et matériels à distance. [17]

Terminal network est un protocole client/ serveur qui permet à un utilisateur de se connecter à distance sur un ordinateur, pourvu que cet utilisateur y dispose d'un accès autorisé. Il permet de prendre un contrôle partiel sur la machine distante. TELNET utilise le protocole TCP au port 23.

Le protocole HTTP (Hypertext Transfer Protocol) est le protocole d'application utilisé pour véhiculer les textes au format HTML. Le transport des fichiers est assuré au niveau transport par le protocole TCP au port 80. [17]

Le protocole SSH (Secure Shell) fournit une méthode alternative sécurisée pour

accéder au serveur. Ce protocole permet une connexion à distance sécurisée et d'autres services réseau. Il permet également une authentification plus forte qu'avec Telnet et prend en charge le transport des données de session à l'aide du chiffrement. [18]

Le protocole DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) est un protocole réseau

dont le rôle est d'assurer la configuration automatique des paramètres IP d'une machine. Il assure aussi l'attribution automatique une adresse IP et un masque de sous réseau.

Est un protocole de communication non propriétaire, utilisé pour des réseaux d'automates programmables. Opérant au niveau du 7éme couche du modèle OSI. Ce protocole est basé sur une structure hiérarchisée entre un client unique et plusieurs serveurs. [19]

Tout au long de ce chapitre, nous nous sommes étales sur les concepts de base qui

cadrent avec le système de télégestion. Ce développement nous a permis d'avoir une vision sur les types de capteurs utilisée pour la supervision de la température et de l'humidité en passant par un réseau CPL, jusqu'au centre de contrôle. Notre équipement à telegerer est un transformateur électrique N°104 du quartier MAKOMENO, qui va faire l'objet du second chapitre.

CHAPITRE II. DISTRIBUTION DE L'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE DANS LE QUARTIER MAKOMENO

De nos jours, l'évolution de la technologie a rendu possible la gestion d'un transformateur électrique à distance pour satisfaire aux besoins de l'homme.

Dans ce chapitre, nous allons se focaliser sur le principe théorique du fonctionnement d'un transformateur électrique. Puis il sera question de décrire le transformateur N°104 du quartier MAKOMENO qui autrefois réalisées par la société G.C.M, gérée par les belges et actuellement par la S.N.E.L.

Un transformateur électrique est une machine permettant de modifier les valeurs de

tension et d'intensité de courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant de valeurs différents mais de même fréquence et de même forme. [20]

Ø Des bobines : sont des enroulements qui permettent de créer un champ magnétique. le nombre de spires est proportionnel à la tension supportée et sont généralement en bon conducteur, faite en cuivre ou aluminium. [21] Les enroulements constituent une partie primaire qui est celle connectée au secteur et la partie secondaire qui est celle connectée aux utilisateurs.

Ø Le circuit magnétique : est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ magnétique. Objectif ici est de palier aux problèmes de pertes par courant de Foucault qui stipule que tout masse métallique placer dans un champ magnétique variable est le siège de la propagation de la chaleur en d'autre terme se sont des courants électriques qui sont volontairement ou involontairement induits dans un conducteur. [22]

Ø L'isolation : Est la substance ou la partie qui sert à isoler les conducteurs entre eux afin d'éviter un court-circuit. Elle désigne l'ensemble des méthodes employées afin de limiter les transferts de la chaleur entre deux milieux ayant des températures différentes.

Dans un transformateur l'un des deux bobinages joue le rôle de primaire, il est alimenté par une tension variable et donne naissance à un flux magnétique variable dans le circuit magnétique. Le circuit magnétique conduit avec le moins de réluctance possible les lignes de champ magnétique créées par le primaire dans les spires de l'enroulement secondaire. D'après la loi de Faraday, ce flux magnétique variable induit une force électromotrice dans le deuxième bobinage appelé secondaire du transformateur. [23]

De par son principe, le transformateur ne peut pas fonctionner s'il est alimenté par une tension continue. Le flux doit être variable pour induire une f.é.m. au secondaire, il faut donc que la tension primaire soit variable c'est-à-dire alternatif.

Le transformateur est réversible, chaque bobinage peut jouer le rôle de primaire ou de secondaire. Le transformateur peut être abaisseur ou élévateur de tension. Voir même un isolant quand il crée un isolement électrique entre plusieurs circuits pour des raisons bien de sécurité ou de résolution de problèmes techniques.

En toute rigueur, il y a bien quelques pertes entre la puissance que consomme l'enroulement primaire et celle qui sort du secondaire mais en théorie nous pouvons dire que :

D'une manière générale, les transformateurs ont un très bon rendement de l'ordre de 99%

Les flux magnétiques produit par les courants primaires et secondaires s'annulent. Le flux généré par une bobine étant proportionnel au courant et au nombre de spires, on peut comprendre que :

N.B : Dans un transformateur la tension alternative est représentée par V et U pour celui de la tension continue.

Est un appareil électrique qui permet d'obtenir des niveaux de tension électrique. Dans son principe de fonctionnement, le courant alternatif qui traverse le primaire engendre un champ magnétique. [24]

Ce champ alternatif engendre à son tour un courant dans l'enroulement secondaire. La tension aux bornes de chaque spire est la même au primaire et au secondaire. Ainsi, la tension aux bornes d'une bobine est donc fonction du nombre de spires.

Il est plus utilisé dans le transport et la distribution de l'énergie électrique. Le principe de fonctionnement pour un transformateur triphasé est équivalent à trois transformateurs monophasés. La différence tient essentiellement aux modes de couplage des enroulements d'un transformateur triphasé.

Dans la pratique, l'utilisation de transformateurs triphasés ou un seul appareil regroupe les 3 phases est généralisée. Cette solution permet la conception de transformateurs bien moins coûteux, avec en particulier des économies au niveau du circuit magnétique. Ces différentes connexions peuvent être en étoile, en triangle et en zigzag sont appelées couplage. 2.3. Architecture du réseau électrique existante

L'énergie fournie par le transformateur électrique dans nos habitations passe par plusieurs phases. Tel que :

L'énergie électrique est générée par une centrale électrique ; il en existe plusieurs

types. Notre transformateur est alimenté par l'énergie électrique provenant de la centrale hydroélectrique de MWADINGUSHA, ZILO et SEKE. Son objectif est de transformer l'énergie cinétique créée grâce à la pression d'eau en énergie mécanique par une turbine. Un alternateur est accouplé à une turbine dans l'objectif de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique.

Les centrales électriques rendent souvent service à des utilisateurs éloignés. La phase de transport est assurée par la ville de LIKASI. Cette phase est composée de deux parties :

La distribution comprend les lignes et les postes de transformation servant à alimenter les utilisateurs de la moyenne tension et de la basse tension. La ville de Lubumbashi possède un réseau de distribution qui est composé de deux grandes parties essentielles :

? La moyenne tension : Une ligne moyenne tension comprend une tension qui varie entre 2,4 KV à 69 KV. Elle relie les usagers de la M.T qui sont les industries et les hôpitaux du poste de transformation principal de la compagnie électrique.

? La basse tension : Une ligne basse tension possède une tension qui varie entre 120/220 V en monophasé et à 600 V en triphasé. Un poste de transformation alimente tous les abonnés bas tension. C'est ici se trouve notre transformateur électrique ou nous allons appliquer notre technologie.

Le tableau ci-dessus représente les différentes performances qui constituent le transformateur électrique N° 104 du quartier MAKOMENO.

DECRIPTION	DESIGNATON
Type	T0315/05043
Puissance	315 KVA
Phase	3
Impédance à 75 °C	4,01 %
Fréquence	50 HZ
Série No	6052010
Tension primaire	6600 Volt
Tension secondaire	400 Volt
Courant primaire	27,56 Ampère
Courant secondaire	454,7 Ampère
Volume d'huile	300 Litres
Masse totale	1100 Kg
Bobine ou enroulement maximal	65 Kg
Température ambiante maximal	40 °C
Noyau et masse d'enroulement	560 Kg
Elévation maximal de l'enroulement	65 Kg
Elévation supérieure de la température d'huile	60 Kg
Matériel d'enroulement	Cu
Année de fabrication	2005

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

CHAPITRE I. GÉNÉRALITÉS SUR LE SYSTÈME DE TELEGESTION