Les réseaux d’énergie intelligents

3 juillet, 2019 | Blogue

Raphael Beaulieu

RAPHAËL BEAULIEU, ing.

Ingénieur électrique, Réseaux d'énergie intelligents

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Francisco Beltran

FRANCISCO BELTRAN, ing. jr

Ingénieur électrique junior, Réseaux d'énergie intelligents

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Marc-André Perron

MARC-ANDRÉ PERRON, ing.

Ingénieur électrique, Réseaux d'énergie intelligents

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Depuis quelques années, en Amérique du Nord, nous observons une utilisation accrue des signaux numérisés dans les installations de réseaux d’énergie. Ces réseaux d’énergie intelligents intègrent les nouvelles technologies présentes dans les capteurs, l’appareillage et les dispositifs électroniques. Ils sont transmis par des réseaux de communication qui respectent, entre autres, les protocoles prescrits dans la norme CEI 61850.

La norme CEI 61850 est principalement liée au secteur de l’énergie électrique et utilisée dans la conception de systèmes d’automatismes, de commande et de protection pour les applications suivantes :

  • Sous-stations électriques
  • Centres de distribution électrique
  • Centrales hydroélectriques
  • Parcs éoliens, solaires et autres énergies renouvelables
  • Lignes de transport et automatismes de ligne
  • Bâtiments (mesurage)
  • Microréseaux (production d’énergie décentralisée)
  • Communications poste à poste et poste à centre de contrôle

Bien que le virage vers la numérisation des signaux soit entamé, on retrouve une variété de technologies dans les installations électriques qui datent de plusieurs époques. Ce blogue vous présente les différentes approches selon l’évolution des technologies.

Les technologies à travers le temps

Pour assurer la pérennité des installations, il est utile de comprendre les technologies qui existent sur le marché, leur évolution et les bénéfices qu’elles offrent en lien avec les enjeux actuels, principalement lorsque vient le temps de planifier la modernisation d’installations existantes et de prolonger leur durée de vie pour plusieurs années.

Les évolutions technologiques ont été regroupées en quatre approches distinctes pour simplifier la compréhension.

1. L’approche locale

Cette approche existe depuis la venue des réseaux électriques, où tout était supervisé et contrôlé par des dispositifs physiques locaux et où tout était câblé, des équipements sur le terrain jusqu’au centre de contrôle. Cette approche a très peu évolué.

Inconvénients

  • Coûts élevés des composants
  • Requiert beaucoup d’espace
  • Contacts de rechange non utilisés
  • Peu ou pas de données centralisées
  • Peu ou pas d’autodiagnostic des équipements
  • Routine d’entretien et arrêt de maintenance obligatoires
  • Requiert plus de personnel sur place pour l’opération
  • Risques pour la sécurité du personnel

Avantages

  • Facile à opérer
  • Diagnostic simple, peu ou pas de logiciels requis
  • N’est pas affectée par les pertes de communication

2. L’approche PLC

Cette approche remonte aux années 1990, au moment où les PLC se sont répandus dans l’industrie. Elle permet d’effectuer de l’acquisition de données et de la commande à distance. Les PLC munis de processeurs et de cartes d’entrée et de sortie ont fait leur apparition, et les protocoles de communication série étaient utilisés pour échanger des informations. Par la suite, ils ont fait place aux protocoles de communication UDP et TCP/IP, mais les signaux critiques demeuraient câblés entre les différentes unités de contrôle.

Inconvénients

  • Requiert de la filerie pour la majorité des points
  • Utilisation d’une grande quantité de câbles
  • Essais du câblage doivent être faits uniquement en chantier
  • Limitation des signaux aux quantités d’entrées et de sorties (E/S) et aux protocoles disponibles
  • Horodatage des données plus complexe
  • Requiert de l’espace pour l’armoire PLC

Avantages

  • Données critiques centralisées
  • Commandes à distance possibles par communication
  • Peut être mis en commun avec l’interface homme-machine (IHM) du procédé

3. L’approche par communication de première génération (ex. Modbus, DNP3)

Cette approche date de la fin des années 1990, alors que les relais de protection électromécanique ont fait place aux relais de protection numérique, dotés de capacités de communication en réseau. Tous les dispositifs de protection ou d’automatismes étaient munis de ports série ou Ethernet, ce qui permettait la supervision et l’envoi de commandes par communication. Certains protocoles de communication étaient favorisés, tels que DNP3, du fait qu’ils pouvaient encapsuler le temps d’un événement dans leurs messages, les rendant tolérants aux latences du signal entre le temps de l’événement et le temps de réception au centre de contrôle responsable de l’enregistreur d’événements.

Inconvénients

  • Communication point à point (unicast)
  • Autodiagnostic des équipements limité
  • Signaux par communication ne peuvent pas être utilisés pour des fonctions de protection
  • Nécessite de la filerie entre les dispositifs de protection
  • Pas d’horodatage (Modbus)

Avantages

  • Peut être mis en commun avec l’interface homme-machine (IHM) du procédé
  • Concentrateur de données – Rapidité d’installation des câbles de communication
  • Horodatage des données (DNP3.0)
  • Plus grande quantité de données disponibles
  • Réduction du câblage dans la salle électrique

4. L’approche par communication selon le standard CEI 61850

Cette approche a été conçue par un groupe de travail réunissant plusieurs intervenants de l’industrie. Ces derniers ont élaboré non seulement des protocoles de communication, mais aussi une philosophie d’ingénierie spécifique aux réseaux d’énergie. Cette approche répond aux besoins actuels exprimés par le marché et tient compte de l’évolution future des technologies. Elle est au cœur des réseaux d’énergie intelligents. Initialement conçue il y a près de 20 ans, cette approche continue d’évoluer et est largement utilisée sur le marché mondial. Elle est entièrement déployée sur des réseaux de communication Ethernet et supporte différents protocoles (MMS, GOOSE, SV) afin d’optimiser les échanges de données en fonction de leur criticité et des performances requises.

Ainsi, on utilise principalement le protocole MMS (Manufacturing Message Specification) pour l’acquisition de données et l’envoi de commandes, le protocole GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) pour les signaux de déclenchement et automatismes critiques et le protocole SV (Sampled Values) pour la numérisation des signaux (échantillonnage) en temps réel, tels que les signaux de courant et de tension.

Inconvénients

  • Connaissance approfondie de la norme CEI 61850 requise
  • Attention particulière au réseau de communication, au cœur du système
  • Requiert la plupart du temps une passerelle pour acheminer les données vers une interface homme-machine (IHM) de procédés

Avantages

  • Sécurité du personnel
  • Conception standardisé par une norme
  • Coûts réduits et échéancier raccourci
  • Essais peuvent être réalisés hors site dans un environnement contrôlé
  • Optimisation de l’espace dans la salle électrique
  • Fiabilité et robustesse accrues
  • Rapidité d’intervention lors d’arrêts non planifiés
  • Maintenance
  • Flexibilité lors d’ajouts ou de modifications futures
  • Interopérabilité entre les différents manufacturiers
  • Sauvegarde des événements à distance
  • Optimisation maximale du câblage
  • Signaux de protection via le réseau de communication
  • Communication multipoint (multicast)

Conclusion

L’approche par communication selon le standard CEI 61850, qui est au cœur des réseaux d’énergie intelligents, est enracinée. La norme CEI 61850 a été conçue en tenant en compte des avancements technologiques futurs, en prônant l’interopérabilité entre les manufacturiers et en mettant en place une philosophie d’ingénierie complète qui répond aux besoins du marché, dans une perspective de  pérennité. La plupart des pays industrialisés de l’Asie, de l’Europe et de l’Amérique du Sud ont adopté cette norme, tout comme l’Amérique du Nord. On observe d’ailleurs depuis deux ou trois ans des efforts concertés entre les manufacturiers, les fournisseurs d’électricité et les grands consommateurs pour déployer des systèmes d’automatismes, de commande et de protection fondés sur la norme CEI 61850 et profiter ainsi des avantages indéniables de cette approche.

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