Soutenance mémoire
Mise en œuvre de l’émetteur-récepteur des trames Ethemet et
FT3
Au cours des dernières années, les systèmes reliés à la production, la distribution et l’utilisation de l’ énergie électrique ont subi des changements significatifs dans leur architecture et dans leur infrastructure à cause de plusieurs facteurs, essentiellement : l’utilisation de composants obsolètes (pendant plusieurs années), l’ accroissement de la demande d’énergie, la complexité des réseaux de, distribution existants, l’absence des systèmes autonomes et automatisés, le temps de réaction aux défaillances et la méconnaissance de telles défaillances.
Technologie de l’information
Les fonctions des réseaux électriques intelligents sont étroitement reliées à la technologie de l’ information (Information Technology – IT). Cette technologie contribue à l’amélioration des processus de surveillance, d’ analyse, d’optimisation et de contrôle des systèmes qui font partie du réseau électrique. En plus, cette technologie définit les instructions de gestion et de contrôle et les processus de décisions qui deviennent évidents dans les systèmes physiques du réseau électrique. La Figure 2-5 présente le modèle de référence en matière des différentes IT. Ce modèle montre l’ intégration respective des différentes entités dans les grands domaines de la production, du transport, de la distribution et du consommateur qui se joignent à travers des IT définies et numérotées. Dans le domaine de l’ utilisateur, où se trouve la cible de ce travail, certains processus sont accomplis à l’ aide du ,lien de cOJ;nmunication [19]. Ces processus sont reliés principalement aux fonctions suivantes :
• Contrôle et gestion de l’ énergie dans les microréseaux (production et demande d’ énergie et d’efficacité).
• Surveillance, protection et contrôle local.
• Surveillance et amortissement des oscillations de puissance (stabilité).
• Optimisation de la tension et de la puissance réactive (efficacité énergétique).
• Équilibrage efficient des charges (efficacité énergétique).
• Compensation dynamique de la puissance, en utilisant le stockage d’ énergie et les onduleurs de tension (Voltage Source Inverters – VS!).
• Gestion locale d’ énergie par l’ utilisateur (participation du consommateur et efficacité énergétique).
Modèle standard IEEE pour l ‘échange d ‘information
Les entités comportent des caractéristiques qui permettent l’ échange d’information pour l’opération d’un réseau électrique intelligent.
La norme IEEE 1547.3-2007 propose la méthode pour l’échange d’ informations. Celleci définit les concepts généraux pour la mise en œuvre d’ une architecture de réseau qui comporte les unités de PD, les structures des données, les protocoles de communication et les canaux de communication.
Technologie de communication pour l ‘intégration des DER au microréseau
EssentielIement, les différentes technologies comportent deux moyens de transmission physique : les systèmes de communication par filou sans fil. Dans certains cas, les systèmes sans fil ont des avantages en matière de la portée, de la facilité d’ instalIation et des coûts relatifs à la mise en œuvre. Cependant, les systèmes de communication par fil ne présentent pas des inconvénients en ce qui concerne les interférences électromagnétiques, les obstacles à la ligne de visée et l’ alimentation externe comme la plupart des systèmes sans fil .
Protocoles de communication
La réalisation du modèle d’échange d’ information ainsi que de l’ interface de communication pour les réseaux électriques intelligents dépend largement du protocole de communication choisi [22]. Usuellement, ce sont les compagnies en technologie qui développent les protocoles de communication, mais spécifiquement pour leurs produits. Cependant, plusieurs organisations internationales travaillent dans la normalisation des protocoles visant la conception des systèmes de communication plus ouverts et plus efficaces.
Unité de traitement et contrôle
La technologie FPGA propose une performance de calcul supérieure par rapport aux autres technologies semblables (processeurs de signaux numériques (Digital Signal Processor – DSP) , microprocesseurs, microcontrôleurs, etc.), puisqu ‘ elle présente un modèle d’exécution spatial répartissant le traitement sur un assemblage d’ unités fonctionnelles. Par contre, dans la technologie de microprocesseurs par exemple dans chaque cycle d’horloge, le dispositif définit les unités fonctionnelles actives, les types d’opérations à exécuter ou la transition de données de la mémoire vers les unités fonctionnelles. Les microprocesseurs modernes, issus du modèle Von Neuman, sont plus enclins à l’exécution séquentielle d’un traitement, même s’ ils intègrent un ensemble d’unités fonctionnelles et de longs pipelines pour extraire au mieux le parallélisme présent au niveau des instructions .
D’autre part, les FPGA n’ont pas besoin d’un système d’exploitation pour fonctionner. Ceux-ci minimisent les problèmes de fiabilité, puisqu’ ils assurent une exécution véritablement parallèle et offrent une architecture reconfigurable au traitement de données. Pour ces raisons, ils sont capables de s’adapter aux modifications éventuellement nécessaires. Tel est le cas des spécifications des protocoles de communication qui changent rapidement.
Au niveau des systèmes de contrôle, l’implantation matérielle des algorithmes sur les FPGA est considérée pour la validation expérimentale dans le b.ut d’exploiter le parallélisme lors de l’ implantation. Une même puce de circuit intégré peut être utilisée pour la mise en œuvre des algorithmes de contrôle, de détection d’îlotage, d’analyse de la qualité de l’onde ainsi que des interfaces de communication. L’idée principale pour l’ implantation est la conception d’ un système multifonctionnel dans un seul dispositif numérique .
Capteurs pour le mesurage des grandeurs physiques
Le circuit de mesurage des grandeurs physiques utilise des capteurs à effet Hall, ce qui permet d’ avoir une isolation galvanique entre le système de mesure et celui de puissance. Les capteurs choisis sont le capteur LV25-P pour la grandeur de tension, et les capteurs LAH50-P et RAS 100-S pour la grandeur de courant. Chaque capteur de courant est choisi selon les niveaux du courant de la ligne de puissance. L’isolation galvanique entre le circuit de mesure et le circuit CAN est un élément appréciable de sécurité puisqu’elle permet de rejeter l’influence du mode commun sur la mesure et la protection du circuit numérique des transitoires de tension présentes dans le circuit de puissance.
Conditionnement des signaux
Une caractéristique très importante des circuits de conversion est qu’ ils exigent des signaux continus et des fréquences stables. La plupart de ces circuits-ci offrent une plage de mesure dans un niveau limité qui ne dépasse pas 1 OV. Ces exigences imposent la conception d’un système de conditionnement de signaux qui permet d’ajuster la plage de mesure des signaux pour ensuite les traiter .
Conversion analogique-numérique (CAN)
Le circuit CAN est choisi selon la fréquence d’échantillonnage et la résolution (nombre de bits) désirées. À cet effet, le dispositif AD7656 de l’entreprise Analog Deviees a été choisi. Ce dispositif comporte six convertisseurs analogique-numérique par approximations successives à 16 bits de réponse rapide. La puce est conçue sous la technologie métaloxyde-semiconducteur complémentaire de type industriel (Industrial Complementary Metal Oxide Semieonduetor – iCMOS). Cette technologie est un processus qui combine le silicium à haute tension avec la technologie CMOS et les technologies bipolaires complémentaires. Elle permet le développement d’un large ensemble de circuits intégrés pour l’ application dans les systèmes analogiques à haute performance. Ces circuits sont capables de fonctionner jusqu’ aux tensions de 33V, contrairement aux circuits intégrés de
processus CMOS traditionnels, les composants iCMOS peuvent accepter des signaux d’entrée bipolaires . Cette caractéristique augmente la performance et réduit la consommation ainsi que la taille du composant.
Le débit de conversion de l’AD7656 peut atteindre 250000 échantillons par seconde, c’est-à-dire la période d’échantillonnage minimale est 4 us. Le processus de conversion et d’acquisition de données est contrôlé utilisant des signaux logiques et un oscillateur interne. L’AD7656 possède des interfaces en parallèle et en série de haut débit pour permettre la connexion avec des microprocesseurs ou des dispositifs numériques pour le traitement des signaux.
Fonctionnement du protocole de réseau distribué
Le DNP3 utilise le terme « point » pour évoquer des entrées, des sorties ou des compteurs reliés au système. Les points comportent des attributs tels qu’un nom, un facteur d’échelle, une valeur de seuil, entre autres. Les points sont catégorisés à partir de leurs caractéristiques, leurs fonctionnalités et leur relation avec le système physique. Le DNP3 définit une complète ontologie de points en termes d’indices, de groupes et de variations.
Couche d ‘application
La couche d’ application est celle de plus haut ruveau. Celle-ci fournit l’interface nécessaire pour la collection de points de données reliées à l’ application. Les stations maîtresses génèrent les messages de requête de certains points au niveau de l’application pour les transmettre aux stations distantes. Les stations distantes génèrent les messages de réponses avec les points demandés pour les transmettre aux stations maîtresses lors d’une transaction de données. Ces données peuvent être reliées aux alarmes, aux évènements, ainsi qu’aux variables d’état, de configuration, d’entrées ou de sorti ès du système.
La couche d’application regroupe les données de la collection de points en blocs de données de taille fixe. Ces blocs sont appelés unités des données du service d’application (Application Service Data Unit – ASDU). En y ajoutant des en-têtes d’application (Application Header – AH), qui contiennent l’ information de contrôle du protocole d’application (Application Protocol Control Information – APCI), s’obtient l’unité de données du protocole d’ application (Application Protocol Data Unit – APDU).
Conclusion générale
L’objectif de ce travail a été la conception des interfaces de contrôle ainsi que la proposition de l’architecture de communication pour les modules électriques intelligents d’un microréseau électrique. L’utilisation de technologies de pointe, telle que FPGA, permet l’étude d’une des technologies d’ intégration à très grande échelle et aussi du langage de description matérielle des circuits électroniques intégrés à très haute vitesse (VHDL).
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Table des matières
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Problématique
1.2 Objectifs
1.2.1 Objectif général
1.2.2 Objectifs spécifiques
1.3 Méthodologie
1.3.1 Étape 1 : Revue bibliographique
1.3.2 Étape 2 : Proposition logique et matérielle
1.3.3 Étape 3 : Définition et implantation de l’interface intelligente
1.3.4 Étape 4: Validation expérimentale de la proposition
1.4 Organisation du mémoire
Chapitre 2 – Réseaux électriques intelligents
2.1 Module d’intégration intelligent
2.2 Technologie de l’information
2.2.1 Modèle standard IEEE pour l’échange d’information
2.3 Technologie de la communication
2.3.1 Technologie de communication pour l’ intégration des DER au
microréseau
2.3.2 Protocoles de communication
2.3.3 Perfonnance du temps de livraison de la communication
2.4 Conclusion
Chapitre 3 – Interface pour l’ intégration des sources d’énergie renouvelables
3.1 Unité de traitement et contrôle
3.2 Système de mesure
3.3 Capteurs pour le mesurage des grandeurs physiques
3.4 Conditionnement des signaux
3.5 Conversion analogique-numérique (CAN)
3.6 Interface de contrôle et de mesure
3.7 Conclusion
Chapitre 4 – Protocole de réseau distribué (DNP3) sur Ethernet
4.1 Modèle de fonctionnement par couches
4.2 Fonctionnement du protocole de réseau distribué
4.2.1 Couche d’ application
4.2.2 Fonction de transport
4.2.3 Couche de liaison de données
4.2.4 Couche physique
4.3 Mise en œuvre du protocole DNP3 sur Ethemet (E-DNP3)
4.3.1 Mise en œuvre des fonctions reliées à la couche Ethemet
DLL/PHY
4.3.2 Mise en œuvre de l’émetteur-récepteur des trames Ethemet et
FT3
4.3.3 Mise en œuvre du contrôle de la couche de liaison de données
DNP3
4.3.4 Mise en œuvre du contrôle de la couche d’ application DNP3
4.4 Conclusion
Chapitre 5 – Résultats expérimentaux
5.1 Validation de l’interface de contrôle et le système de mesure
5.l.1 Test de l’ onduleur alimentant une charge résistive variable
5.l.2 Utilisation de ressources pour l’ interface d’ acquisition de
données
5.2 Validation de l’ interface de communication
5.2.1 Utilisation de ressources pour l’interface de communication
5.2.2 Temps de livraison versus quantité de données
5.2.3 Temps de livraison versus le nombre de stations
interconnectées
5.2.4 Validation de la faisabilité de l’ architecture de communication
5.3 Comparaison avec d’autres propositions dans la littérature
5.4 Conclusion
Chapitre 6 – Conclusion générale
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