Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2014/135760
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DISPOSITIF SANS CONTACT DE CARACTERISATION D'UN SIGNAL
ELECTRIQUE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne la caractérisation du signal
électrique circulant dans un conducteur, pour des applications diverses, et
notamment pour la caractérisation de la consommation électrique d'un bâtiment.
Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des capteurs
sans contact pour la réalisation de telles caractérisations, sur un conducteur
qui reste
sous tension et qui n'est pas interrompu, même au moment de la mise en place
du
capteur.
Pour des applications de caractérisation de la consommation
électrique d'un bâtiment, l'invention vise à déterminer la proportion relative
de
chaque type d'équipement parmi la consommation totale, avec un seul point de
mesure, avec des algorithmes exploitant des mesures de courant effectuées en
un
seul et unique point d'une installation électrique, indépendamment de son
architecture de distribution. Ce faisant, ils ne fournissent pas
d'informations sur la
localisation des équipements en cours de fonctionnement, car le signal capté
ne
diffère pas en fonction du chemin parcouru par l'énergie.
Afin de fournir une information complémentaire de consommation
par zone, la breveté a développé un compteur électrique possédant les
avantages
suivants :
= Faible coût
= Non-intrusif
= Hybride : mesure du courant et du facteur de puissance
= Communicant
De manière plus générale, un tel compteur peut être utilisé de
manière individuelle pour mesurer la consommation d'un sous-réseau d'une
installation électrique.
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L'invention concerne particulièrement des capteurs électriques sans
contact interagissant avec un conducteur par induction électromagnétique.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique des capteurs inductifs
constitués par une boucle d'induction pouvant être placées autour d'un
conducteur
électrique, et fournissant un signal représentatif du courant électrique, par
application
de l'effet Maxwell.
On connaît en particulier des systèmes capables de s'interconnecter
à des capteurs de courant pour déterminer la consommation transitant dans le
câble
sur lequel ils sont placés.
La demande de brevet américain US2011074382 présente un
capteur de courant sans contact présentant l'avantage de calculer l'énergie
électrique consommée grâce à une mesure de tension réalisée par contact avec
le
ou les conducteurs électriques étudiés. L'alimentation du dispositif est
réalisée par
conversion de l'énergie captée par la connexion galvanique avec le conducteur
sous
tension.
Cette solution permet de connaître la consommation électrique
précise, sans hypothèse sur la tension, mais nécessite un câblage fastidieux.
La demande de brevet internationale W0201133548 présente un
procédé de mesure de la tension d'un conducteur sans contact en exploitant le
champ électrique rayonné par le conducteur sous tension, l'amplitude de la
tension
du conducteur étudié étant déduite de l'amplitude de la tension aux bornes du
couple
d'armatures formant un condensateur aux propriétés connues.
Cette solution permet de mesurer la tension d'un conducteur en
utilisant un dispositif sur mesure.
La demande de brevet américain US20120074929 présente un
compteur d'énergie mesurant le courant sans contact et la tension par contact,
puis
transmettant les données mesurées par un mode de communication sans fil.
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Cette solution permet de mesurer la consommation électrique d'une
installation et de transmettre l'information à distance, le câblage se
limitant au
raccordement au réseau électrique.
La demande de brevet européen EP1684080 présente un capteur de
courant adapté aux jeux de barres, présentant la particularité de trouver sa
source
d'alimentation en captant l'énergie véhiculée par le champ magnétique rayonné
par
la barre conductrice sur lequel il est posé.
Cette solution assure, de manière autonome, une mesure de courant
et la transmission d'informations sans fil, mais nécessite une conception
mécanique
sur mesure et de multiples composants magnétiques pour assurer son
fonctionnement.
On connaît également la demande de brevet US2005275397
décrivant des systèmes et méthodes pour contrôler la puissance dans un
conducteur.
Un circuit imprimé souple comportant de multiples couches dont une
couche de détection de tension, un bobinage et une couche de mise à la terre.
Le
bobinage entour autour un conducteur lorsque le circuit imprimé souple est
enroulé
autour du conducteur. Le bobinage engendre une tension qui peut être intégrée
pour
déterminer un courant dans le conducteur. Lorsque le circuit imprimé souple
est
enroulé autour du conducteur, la couche de détection de tension est au plus
près du
conducteur. La couche de détection de tension forme un condensateur avec le
conducteur. En utilisant un diviseur de tension capacitif réglable, la tension
du
conducteur peut être déterminée à partir d'un signal de tension reçu de la
couche de
détection de tension.
La demande de brevet internationale W002097454 décrit un
détecteur de tension triphasée à annulation active de la diaphonie.
L'annulation
active de la diaphonie est réalisée à l'aide d'un diviseur capacitif de
tension pour
chacune des phases du système. On obtient une mesure de la tension pour la
phase
désirée et pour chaque phase additionnelle du système. On calcule pour chacune
des phases additionnelles un produit en multipliant la mesure de tension de
chacune
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des phases additionnelles par une constante prédéterminée correspondante, puis
on
soustrait ledit produit de la mesure de tension de la phase désirée.
On connaît aussi le brevet est allemand DD130693 concernant un
transformateur comportant des moyens de mise en court-circuit de la sortie.
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur présentant des moyens de mesure
non intrusifs fournissent une information représentative du courant, mais pas
de la
tension, sauf à associer deux capteurs complémentaires, comme proposé dans la
solution décrite dans la demande de brevet US2005/0275397.
La mesure sans contact de la tension de manière conjointe, pour
caractériser un signal, nécessite une conception très particulière à base de
condensateurs, pour fournir une information relative à l'amplitude très
approximative.
Par ailleurs, toutes les solutions décrites dans l'art antérieur
nécessitent une référence de potentiel absolue, impliquant un raccordement
physique à la terre. Ces capteurs de l'art antérieur ne sont donc pas des
capteurs
sans contact et ne fournissent des informations pertinentes que lorsqu'ils
sont
reliés électriquement à la terre ou à un référentiel de potentiel stable. Cela
n'est pas
toujours possible, ou du moins aisé, car l'implantation du capteur ne permet
pas
toujours de trouver un point électrique constituant un tel référentiel stable.
Cela implique que si l'installateur du capteur utilise comme masse un
référentiel de potentiel qui n'est pas réellement stable, les données fournies
par les
capteurs de l'art antérieur sont erronées.
Les documents de l'art antérieur cités ci-dessous et notamment la
demande W02992/097454, sont destinés à la caractérisation du signal électrique
dans des lignes de très haute tension. Pour de telles applications, il existe
toujours
un point de masse à proximité permettant de fournir un référentiel de
potentiel
absolu.
Solution apportée par l'invention
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L'invention proposée s'attache à définir un système permettant
d'exploiter les signaux fournis par des transformateurs de courant pour
mesurer la
consommation du réseau électrique étudié sans nécessiter de câblage
supplémentaire et ne nécessitant pas de raccordement à une référence de
potentiel.
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Afin de remédier aux inconvénients de l'art antérieur, l'invention
concerne selon son acception la plus générale un dispositif sans contact pour
caractériser le signal électrique transitant dans un conducteur électrique,
comportant
un moyen de couplage électromagnétique inductif apte à entourer ledit
conducteur
caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour mettre en court-
circuit la
sortie dudit moyen de couplage inductif, ladite sortie étant reliée à un
circuit
électronique de mesure de la différence de potentiel par rapport à une masse
flottante pour délivrer un signal représentatif de la tension entre le segment
dudit
conducteur traversant le dispositif, et une référence de potentiel fixe.
Le dispositif est dépourvu de moyens de raccordement à une
référence de potentiel, et en particulier ne nécessite pas de raccordement à
la terre.
Le moyen de couplage électromagnétique inductif est constitué par
un tore en ferrite entourant un conducteur dont on cherche à caractériser le
signal
électrique. Ce tore est lui-même entouré par une bobine dont les deux
extrémités
constituent les sorties reliées au circuit électrique.
Le tore peut être constitué de deux parties raccordables afin de
faciliter la mise en place autour d'un conducteur sans qu'il ne soit
nécessaire de
couper ce dernier pour mettre en place le tore.
Avantageusement, ledit circuit électrique comprend des moyens de
conditionnement du signal mesuré entre la sortie en court-circuit et la masse
flottante, pour amplifier le signal et adapter l'impédance en fonction du
moyen de
mesure de la différence de potentiel.
Avantageusement, le dispositif comporte en outre un circuit de
stockage d'énergie alimenté par la sortie dudit moyen de couplage inductif
lorsqu'il
n'est pas en état de court-circuit.
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Selon une variante, le dispositif comporte en outre un moyen de
couplage inductif additionnel pour alimenter un circuit de stockage d'énergie.
De préférence ledit moyen de stockage d'énergie comprend deux
réserves d'énergie en série reliées audit moyen de couplage inductif, l'une
seulement
desdites réserves délivrant une tension d'alimentation du dispositif.
Selon une variante, le dispositif comporte en outre un circuit
électrique pour délivrer un signal représentatif du courant circulant dans
ledit
conducteur, relié à la sortie dudit moyen de couplage inductif.
Selon une autre variante, le dispositif comporte un multiplexeur
analogique délivrant un premier signal pour la mesure de courant, un second
signal
pour la mesure de tension et un troisième signal pour l'alimentation du
dispositif.
Selon une autre variante, il comporte une pluralité de moyens de
couplage inductif reliés audit multiplexeur analogique.
Selon une autre variante, le dispositif comporte en outre un moyen
de transmission sans fil alimenté par ledit moyen de stockage d'énergie.
L'invention concerne également un système comprenant une
pluralité de dispositifs sans contact comportant en outre un circuit d'analyse
des
informations délivrés par chacun desdits dispositifs, pour localiser sur un
réseau
électrique les charges électriques induisant les variations desdites
informations.
Avantageusement, le système selon l'invention comporte en outre un
capteur de consommation générale mesurant les variations de courant et de
tension
d'une alimentation générale du réseau comprenant lesdits dispositifs et
lesdites
charges électriques, ledit capteur de consommation fournissant également une
information de consommation individuelle de chaque type de charge, le système
comportant en outre un circuit pour analyser les corrélations entre les
informations
fournies par ledit capteur de consommation générale et lesdits dispositifs, et
fournir
une information localisée de la consommation des charges du réseau.
Description des figures
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L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui
suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation se référant aux
dessins
annexés où :
= La figure 1 présente le schéma synoptique global du dispositif.
= La figure 2 présente un exemple de processus mis en oeuvre pour mesurer
les grandeurs électriques et transmettre les informations.
= La figure 3 présente un exemple de schéma électronique non exhaustif du
système tel que décrit dans cette invention.
= La figure 4 présente des exemples de caractérisation des puissances
apparentes localisées estimées à partir des mesures du dispositif.
= La figure 5 présente des exemples de caractérisation des puissances
apparentes localisées estimées à partir d'un dispositif de mesure de la
consommation générale du réseau étudié.
Description technique
La présente invention vise à mesurer la consommation électrique
d'un sous-réseau électrique de manière non-intrusive, c'est-à-dire sans
nécessiter ni
de coupure, ni de câblage supplémentaire. L'essentiel de l'invention réside
dans la
capacité du système à extraire son alimentation depuis le ou les
transformateurs de
courant employés pour effectuer la mesure de courant ainsi que son aptitude à
mesurer la tension avec le même capteur.
La figure 1 présente le schéma synoptique global du dispositif.
Le capteur de tension
Sur un réseau électrique alimenté par une tension alternative,
comme c'est le cas en France, la mesure de la consommation électrique d'une
pluralité d'équipements connectés à un sous-réseau nécessite la mesure de
plusieurs grandeurs, a minima les formes d'onde du courant alimentant les
charges
et de la tension présentée à leurs bornes. Ces deux grandeurs permettent de
calculer la puissance active instantanée absorbée par ladite pluralité
d'équipements
et, par intégration, l'énergie active consommée sur une période de temps.
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La simple mesure du courant circulant dans un câble ne suffit donc
pas à déterminer avec précision la consommation d'énergie, car elle présuppose
le
choix de la valeur efficace de la tension et du facteur de puissance.
D'ordinaire, la mesure de la tension observée entre deux
conducteurs électriques nécessite un contact direct avec ce conducteur, soit à
l'aide
de sondes reliées à une impédance de très forte valeur, soit à l'aide d'un
transformateur de tension assurant l'isolation galvanique.
La présente invention exploite un transformateur d'intensité (1) en
tant que capteur de tension, ce afin de limiter le nombre de capteurs
nécessaires à la
mesure de la consommation électrique. Un transformateur de courant, dont la
constitution sera détaillée par la suite, est monté de telle sorte que son
circuit
secondaire se trouve en court-circuit. Vu de l'extérieur, le transformateur de
courant
est ainsi réduit à un conducteur unique, tel une antenne. Le bobinage du
circuit
secondaire, placé à proximité du conducteur primaire, interagit avec le champ
électrostatique rayonné par le conducteur sous tension et subit à son tour une
variation de son potentiel électrique qui peut être mesurée par mesure de
tension
entre le secondaire du transformateur de courant mis en court-circuit et une
référence de potentiel.
Il a été démontré que, pour un positionnement connu du conducteur
vis-à-vis du bobinage représentant le circuit secondaire d'un transformateur
d'intensité, la tension efficace et la tension crête-crête du signal issu du
circuit
secondaire mis en court-circuit est purement proportionnel à l'amplitude de la
tension
appliquée au conducteur étudié.
Dans une variante, la position du conducteur par rapport au circuit
secondaire du transformateur d'intensité est connue.
Dans une variante, supposant que seule l'information du déphasage
entre la forme d'onde du courant et la forme d'onde de la tension est
nécessaire, un
capteur capacitif est mis en oeuvre. Un câble subissant une tension
alternative par
rapport à un potentiel fixe rayonne un champ électrique quasi-indépendant du
courant qui y circule. Or, un condensateur est un composant électronique dont
la
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tension à ses bornes est proportionnelle à l'intensité du champ électrique
dans lequel
il est plongé.
Le champ électrique rayonné par ledit câble étant largement
dépendant de la distance qui sépare le récepteur dudit câble, l'amplitude de
la
tension ne peut être fidèlement mesurée par ce biais. En revanche, quel que
soit son
éloignement par rapport au câble, le condensateur présente à ses bornes une
tension dont la forme d'onde est proche de celle de la tension existant entre
ledit
câble et la terre, et dont les passages par zéro sont fidèlement reproduits.
Or, le déphasage entre la forme d'onde de la tension et la forme
d'onde du courant peut être déterminé en calculant la différence de phase
entre les
deux fondamentaux des deux formes d'onde en jeu. La considération comme
référence de phase du passage par zéro du signal fourni par le condensateur
placé
proche du câble, en prenant en compte un éventuel biais constant, rend
possible le
calcul du déphasage et, par conséquent, de la puissance active absorbée par
les
charges connectées en aval de ce câble, la seule erreur possible résidant dans
la
valeur efficace de la tension.
Le dispositif permettant cette mesure est composé d'un
condensateur, d'un câble de raccordement et d'un comparateur. Le condensateur
peut être de plusieurs natures, les meilleurs résultats étant obtenus avec des
condensateurs céramiques de faible valeur, inférieure à 100 pF, ou des
électrodes
planes en vis-à-vis posées de part et d'autres d'un support diélectrique. Le
câble de
raccordement, qui doit être le plus court possible et posséder un blindage
suffisant
pour ne pas subir de perturbations, relie les deux bornes dudit condensateur
aux
entrées d'un comparateur électronique dont le signal de sortie a deux valeurs
distinctes suivant que le condensateur est polarisé dans un sens ou dans
l'autre.
Le signal numérique issu du comparateur est fourni à un
microcontrôleur pour traitement ultérieur.
Selon la variante, le nombre de capteurs capacitifs utilisés peut
varier. Soit un capteur capacitif est utilisé en couple avec chaque capteur de
courant.
Soit un seul capteur capacitif est utilisé avec un seul capteur de courant,
les autres
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capteurs de courant étant positionnés sur des câbles dont la tension est
connue.
Cela est le cas sur tous les câbles d'une installation monophasée, ou sur les
trois
phases d'un réseau triphasé. Dans ce dernier cas, les déphasages sont espacés
de
1200.
5 Les capteurs de courant
Un ou plusieurs transformateurs de courant (1) sont employés pour
mesurer de manière non-intrusive et isolée la forme d'onde du courant
électrique
transitant dans un câble. Ces capteurs, basés sur le principe de conversion du
flux
magnétique généré par le déplacement de charges électriques dans un conducteur
10 appelé circuit primaire en un courant électrique d'amplitude
proportionnelle circulant
dans un bobinage appelé circuit secondaire, sont très employés dans
l'industrie pour
la mesure de courants alternatifs.
Dans une variante, ces transformateurs possèdent un matériau aux
bonnes propriétés permettant de canaliser le flux magnétique et de le diriger
vers le
bobinage secondaire. Ce matériau peut être de la ferrite.
Dans une variante, ledit matériau forme un anneau autour du circuit
primaire.
Dans une variante, ledit matériau, formant un anneau autour du
circuit primaire, est séparé en deux parties afin de permettre son
positionnement
autour du circuit primaire sans nécessiter de sectionnement et donc
d'ouverture du
circuit primaire. Cela constitue un avantage de non-intrusivité.
De manière générale, et dans le cas d'un bon dimensionnement du
transformateur, le courant circulant dans le circuit secondaire est
proportionnel au
courant circulant dans le circuit primaire, le facteur de proportionnalité
étant le
rapport du nombre de spires effectuées par le circuit primaire par rapport au
nombre
de spires effectuées par le circuit secondaire.
L'usage général d'un tel transformateur est de l'employer en tant que
capteur de courant. Le circuit secondaire est alors fermé sur une charge
connue, par
exemple un résistor, et la tension naissant aux bornes de cette charge
représente
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une image du courant circulant dans le circuit secondaire et, par conséquent,
du
courant circulant dans le circuit primaire.
Ces capteurs de courant présentent l'avantage d'être passifs, c'est-
à-dire qu'ils ne nécessitent pas de source d'alimentation pour délivrer leur
signal de
sortie. Ce n'est pas le cas des capteurs par effet Hall, par exemple.
Dans une variante, les circuits secondaires des transformateurs de
courant sont équipés de protections limitant les surtensions pouvant
apparaître entre
leurs bornes.
Mesure de courant
Dans le système décrit ici, l'acquisition des valeurs du courant
transitant dans le circuit primaire est effectuée en chargeant le circuit
secondaire
d'un ou plusieurs transformateurs de courant par un résistor dont la valeur de
résistance est connue. Ce résistor peut porter le nom de shunt.
Un convertisseur analogique-numérique (5) est utilisé pour convertir
les signaux analogiques de la tension aux bornes de la résistance de shunt.
Un circuit électronique de conditionnement peut être mis en oeuvre
pour adapter les niveaux du signal analogique afin qu'il convienne aux plages
d'entrée du convertisseur analogique-numérique.
Dans le cas de l'utilisation de plusieurs capteurs de courant, comme
il est commun pour l'étude de réseaux triphasés, un étage de multiplexage (3)
des
canaux de mesure est assuré en commutant des interrupteurs à base de
transistors.
Ce multiplexage peut être monovoie s'il n'y a pas de contrainte de
synchronisme
entre voies, ou multivoie sinon.
Microcontrôleur
Un microcontrôleur (8) centralise les mesures analogiques
converties et les signaux indiquant l'amplitude ou le signe des tensions. Ce
dispositif
effectue les calculs souhaités par l'utilisateur et stocke les résultats dans
une
mémoire locale.
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Communication sans fil
La communication du système est assurée par un étage de
communication radio (10) permettant de transmettre à distance et sans support
matériel les données récoltées. De manière non limitative, une ou plusieurs
des
technologies suivantes peuvent être intégrées : EnOcean, WMbus, 6IoWPAN.
Le dispositif de communication est a minima un émetteur (10),
comportant une antenne (11) et un circuit électronique adapté. On considère
comme
antenne toute structure métallique capable de rayonner un champ
électromagnétique.
Dans une variante, le dispositif de communication est un émetteur-
récepteur et fait évoluer son comportement en fonction des données reçues.
Dans une variante, un indicateur lumineux (13) est employé pour
indiquer à l'utilisateur la phase d'émission et de réception de données.
Auto-alimentation
Le système décrit ici a pour objet de ne pas être connecté
électriquement et adopte donc un système d'alimentation autonome.
Pour assurer le faible coût de revient et la longévité du système, une
réserve d'énergie à base de batterie d'accumulateurs ou de piles n'est pas
suffisante.
Un procédé de captation de l'énergie véhiculée par le champ
magnétique rayonné par le circuit primaire est utilisé. Chaque transformateur
de
courant délivre au circuit secondaire une puissance qui peut être de l'ordre
de
quelques dizaines de milliwatts. Cette puissance est dissipée sous forme de
chaleur
lorsque le capteur de courant est chargé sur un shunt ohmique.
L'objectif de ce procédé est d'extraire, de stocker et de restituer cette
énergie. Il est composé d'un ou plusieurs des transformateurs de courant
exploités
pour effectuer la mesure de courant, éventuellement de leurs protections
contre les
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surtensions, d'un circuit multiplicateur de tension, de dispositifs de
stockage, d'un
circuit équilibreur de charge et d'un régulateur de tension.
Le courant généré par chaque transformateur de courant est rectifié
par un couple de diodes, de préférence de type Schottky, et va charger
alternativement deux groupes de dispositifs de stockage (4). La tension
disponible
entre les bornes de ces dispositifs de stockage est une tension continue dont
la
valeur est un multiple de la tension de crête délivrée par les transformateurs
de
courant, le cas échéant protégés contre les surtensions.
Dans une variante, ces dispositifs de stockage sont des
condensateurs de type aluminium de forte valeur.
Dans une variante, la tension continue disponible aux bornes des
dispositifs de stockage est dirigée vers un ou plusieurs convertisseurs
continu-
continu (9) dont le rôle est d'adapter le niveau de tension en fonction des
besoins
des autres composants implémentés.
Dans une variante, la tension continue disponible aux bornes des
dispositifs de stockage est trop importante et n'est pas compatible avec la
gamme
d'entrée des convertisseurs continu-continu peu coûteux. L'intérêt d'atteindre
une
tension élevée aux bornes des dispositifs de stockage est de mener à un
stockage
d'une charge importante, cette dernière étant proportionnelle au carré de la
tension.
La tension fournie au convertisseur continu-continu est ainsi prélevée aux
bornes
d'un seul des deux groupes de stockage, son niveau sera donc inférieur. Un
circuit
équilibreur de charge est employé pour faire en sorte que la tension fournie
au
convertisseur continu-continu ne dépasse pas sa limite supérieure tout en
préservant
les dispositifs de stockage d'une tension individuelle trop importante pouvant
mener
à leur destruction. Il est également employé pour maximiser la tension
d'entrée du
convertisseur continu-continu et ainsi optimiser son rendement.
Ledit circuit équilibreur de charge, s'il est implémenté, est composé
d'interrupteurs pilotables qui peuvent être réalisés à base de transistors,
agissent sur
la décharge d'un des deux groupes de stockage dans le second, ce dernier étant
connecté au convertisseur de tension. Les interrupteurs sont pilotés pour
diriger les
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charges d'un groupe de stockage à l'autre en fonction de la tension présente
en
entrée du convertisseur. Afin de garantir la stabilité du système, les
transformateurs
de courant sont déconnectés des dispositifs de stockage pendant ces phases de
rééquilibrage de charges.
Dans une variante, le régulateur de tension possède un très haut
rendement et a la capacité de se désactiver selon un ordre issu d'un autre
composant.
Dans une variante, le microcontrôleur lit les valeurs des tensions de
sortie et d'entrée du régulateur de tension par le biais de convertisseurs
analogique-
numérique afin de déployer une stratégie adaptée de gestion de l'alimentation.
Exemple de mise en oeuvre
La figure 3 présente un exemple de schéma électronique non
exhaustif du système tel que décrit dans cette invention.
Dans un mode de réalisation, trois capteurs de courant (1) de type
transformateur d'intensité sont raccordés à une platine électronique, ladite
platine
électronique étant de dimensions compatibles avec son positionnement sur la
base
de l'un des capteurs de courant. Ces capteurs de courant sont protégés contre
les
surtensions par des diodes de clamp.
Un multiplexeur (5), réalisé à base d'interrupteurs à transistors et de
portes logiques, assure la redirection des signaux issus des trois capteurs de
courant, selon les ordres transmis par un microcontrôleur.
Dans un premier cas, les signaux sont dirigés vers un dispositif de
stockage de l'énergie réalisé à base de deux diodes Schottky (2) par
transformateur
de courant assurant la rectification et de quatre condensateurs identiques (3)
assurant le stockage. Lesdits condensateurs peuvent être associés soit en
série
pendant les phases de charge, soit en parallèle pendant les phases de
décharge. Un
régulateur de tension à découpage et à haut rendement est implémenté aux
bornes
des condensateurs pour assurer une tension d'alimentation régulée aux
composants
de la platine.
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Dans un deuxième cas, les signaux sont dirigés vers une résistance
de shunt (6) dont la tension à ses bornes est reliée à l'un des convertisseurs
analogique-numérique du microcontrôleur (7).
Dans un troisième cas, la sortie d'un des capteurs de courant est
5 mise en court-circuit et sa tension par rapport à une masse flottante est
mesurée par
un convertisseur analogique-numérique du microcontrôleur (7).
Le microcontrôleur assure le contrôle du multiplexeur et du dispositif
de stockage selon les étapes suivantes.
D'abord, les trois capteurs sont reliés simultanément aux
10 condensateurs de stockage en série afin de faire croître la tension à
leurs bornes.
Dès qu'il est alimenté par le convertisseur continu-continu, c'est-à-
dire dès que la tension aux bornes des condensateurs est supérieure à la
tension
d'entrée minimale du convertisseur, le microcontrôleur effectue des mesures
régulières du niveau de tension aux bornes des condensateurs.
15 Dès que cette tension dépasse un seuil prédéfini, correspondant
au
stockage de l'énergie nécessaire à effectuer les opérations à suivre, le
microcontrôleur déclenche la mesure de tension sur la première voie de mesure.
Dans une variante, l'ensemble des voies de mesure peuvent être
exploitées à des fins de mesure de tension.
Puis, dans un second temps, les condensateurs sont positionnés en
parallèle afin de délivrer le maximum d'énergie et une tension acceptable pour
le
convertisseur continu-continu.
Les signaux des capteurs de courant sont alors dirigés vers une
résistance de shunt pour assurer la mesure du courant du conducteur primaire
étudié, pendant un nombre de période prédéterminé.
Enfin, les données mesurées sont émises par le transmetteur radio
et un indicateur lumineux (10) est brièvement allumé afin de manifester le
succès de
l'opération.
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Les capteurs de courant sont reconnectés en entrée du dispositif de
stockage pour assurer sa recharge pour une nouvelle séquence de mesure et de
transmission.
Procédé de localisation de la consommation des charges du réseau
La figure 4 présente des exemples de caractérisation des
puissances apparentes localisées estimées à partir des mesures du dispositif.
La figure 5 présente des exemples de caractérisation des
puissances apparentes localisées estimées à partir d'un dispositif de mesure
de la
consommation générale du réseau étudié.
Le système décrit ici peut fonctionner couplé à un dispositif de
décomposition du signal caractéristique de la consommation électrique d'un
bâtiment
en une consommation individuelle pour chaque type de charge.
Auquel cas ledit procédé fournit une estimation de la consommation
individuelle de chaque type de charge présent sur le réseau dont il mesure la
consommation.
Le procédé décrit ici a pour objet d'utiliser les puissances apparentes
et les déphasages entre tension et intensité mesurés par ledit système et le
dispositif
de mesure de la consommation générale du réseau, ainsi que des données
externes
obtenues par une étude du comportement des charges selon leur type, telles que
le
rapport des cumulants de la puissance et de la moyenne de la puissance
consommée selon le type de charge, le rapport des cumulants de la dérivée de
la
puissance et de la moyenne de la puissance, et la transformée de Fourrier de
la
puissance mesurée, comme décrit ci-après.
Il est impossible ici de faire des hypothèses sur l'indépendance
statistique ou sur l'absence de corrélation entre des mesures fournies par une
pluralité dudit système, ou entre des consommations individuelles de chaque
type de
charge sur le réseau.
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Il également impossible de faire l'hypothèse de synchronicité des
mesures fournies par une pluralité dudit système.
Ce faisant, il est impossible d'utiliser ici des algorithmes classiques
de décomposition des sources, qui reposent principalement sur une indépendance
statistique entre sources, et subsidiairement sur le caractère synchrone des
mesures.
Ledit procédé a à sa disposition une information de déphasage entre
tension et intensité associé à un type de charge. Ce déphasage reste constant
pour
une charge donnée, et identique quelle que soit la localisation de la charge
sur le
réseau.
Le procédé cherche à trouver une répartition de la consommation
des charges sur le réseau satisfaisant les mesures de puissances apparentes et
de
déphasages fournies par la pluralité dudit système et le dispositif de mesure
de la
consommation générale du réseau, décomposée en types de charges.
La recherche de solution réalisable d'un tel problème est un
classique de la littérature scientifique, et peut être réalisé par exemple par
une
initialisation d'un problème du simplex, en cherchant à égaliser les parties
actives et
réactives des puissances, sur la pluralité dudit système et pour chaque charge
du
réseau étudié.
Dans une variante, le procédé procède à une recherche d'une
solution réalisable satisfaisant les conditions précédentes et qui minimise la
somme
des valeurs absolues des dérivés des consommations par type de charge
localisées
sur le réseau. Ce type de problème est un problème d'optimisation convexe avec
contraintes linéaires, un classique de la littérature et qui peut être résolu
par
plusieurs méthodes, comme la méthode des points intérieurs.
Dans une variante, le procédé procède à une recherche de solution
réalisable satisfaisant les conditions précédentes d'égalité entre puissance
active et
réactive, et satisfaisant des conditions sur les propriétés statistiques de un
ou
plusieurs cumulants multidimensionnels des puissances actives et réactives
mesurées par la pluralité dudit système et le dispositif de mesure de la
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consommation générale du réseau, décomposée en type de charges. Les propriétés
statistiques sur les cumulants d'un type de charge sont issues d'études en
amont sur
la répartition des valeurs des cumulants des puissances actives et réactives,
au
prorata de la valeur de ces puissances actives et réactives. Il en résulte que
ces
cumulants, divisés par la moyenne de la puissance apparente, ne prennent des
valeurs que dans un intervalle restreint de valeurs possibles. Les cumulants
étant
linéaires nous pouvons chercher des solutions réalisables dont les puissances
apparentes estimées multipliées par des valeurs de cumulants envisageables
peuvent expliquer les cumulants des puissances actives et réactives mesurés.
La
recherche de ces solutions est un classique de la littérature et peut-être
obtenue par
une initialisation du problème du simplex. Cet ajout permet de contraindre
d'avantage le système et de trouver une estimation plus fine des consommations
localisées des charges du réseau.
Dans une variante, le procédé procède à une recherche de solution
réalisable satisfaisant les conditions ci-dessus non pas sur certains
cumulants des
puissances actives et réactives, mais sur certains cumulants des dérivées des
puissances actives et réactives. De plus ces dérivées sont des
caractérisations du
signal qui ne présentent pas de dépendance complexe au lissage du signal par
une
moyenne glissante et ont de meilleures caractéristiques de linéarité même en
présence de signaux corrélés.
Dans une variante, ledit système fournit la transformée de fourrier de
la consommation mesurée. Le procédé recherche alors une solution réalisable
satisfaisant les conditions ci-dessus, agrémentées de conditions sur les
séries de
fourriers des mesures renvoyées par ledit système et par le dispositif de
mesure de
la consommation général du réseau. Chaque type de charges ayant une
décomposition en série de fourrier de sa consommation unique, et la
décomposition
en série de fourrier d'un signal étant une transformation linéaire, cet ajout
d'information permet de contraindre très largement le système sans pour autant
complexifier le problème à résoudre, en égalisant la somme des transformée de
fourrier estimées avec celles mesurées par ledit système d'une part et avec
celles
mesurées pour chaque type de charge par le dispositif de mesure de la
consommation général du réseau.
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Dans une variante, le procédé réalise l'une des méthodes
précédentes non pas sur les mesures retournées mais sur les signaux mesurés
lissées, par exemple à l'aide d'une moyenne glissante, et ré-échantillonné,
afin
d'avoir plusieurs mesures retournées par chacun desdits systèmes sur chaque
pas
de temps utilisé.
Dans une variante, le procédé réalise l'une des méthodes
précédentes non pas sur les mesures retournées, mais sur les mesures
retournées
dont sont extraites les valeurs aberrantes. Ce filtrage permet d'améliorer la
précision
de l'ensemble des méthodes reposant sur une analyse statistique des mesures.
Il
existe de nombreuses méthodes connues et publiques d'extraction des valeurs
aberrantes, nous pouvons par exemple ne pas prendre en compte les quantiles
extrême d'une série de mesures.
Dans une variante, le procédé réalise l'une des méthodes
précédentes en résolvant les problèmes de recherche d'une solution réalisable
ou de
recherche d'une solution optimale à l'aide d'heuristique comme la méthode
Markov
Chain Monte Carlo, qui permet de trouver une estimation des puissances
apparentes
associée à une probabilité, selon que cette estimation respecte les
différentes
conditions et minimise la fonction à minimiser.
