Numérisation des changeurs de prises : une modernisation efficace des transformateurs de puissance

Les énergies renouvelables et la production décentralisée reflètent l'ère actuelle de transition énergétique. Les réseaux électriques intelligents à répartition de charge optimale sont en passe de devenir réalité. Mais qu'adviendra-t-il des postes déjà en place dans les réseaux de distribution ? Seront-ils capables de répondre aux exigences, alors que les inquiétudes concernant la qualité de l'énergie se font sans cesse plus pressantes ? Quid des anciens systèmes fonctionnant toujours de façon manuelle ou semi-manuelle ? Que faire à propos des réseaux de distribution dotés de transformateurs de puissance reposant sur différentes technologies ?

Changeurs de prises pour transformateurs de puissance

Dans cet article, deux types de changeurs de prises sont abordés. Une distinction est faite entre ceux qui commutent sans charge, les changeurs à vide, et ceux qui changent de rapport de transformation alors qu'ils sont en charge (changeurs de prises en charge). En général, les prises du transformateur sont acheminées vers le changeur de prises en fonction des courants de fonctionnement à gérer. La connexion mécanique des prises avec le changeur prend la forme d'un entraînement rotatif dans cet exemple. Celui-ci est activé manuellement ou semi-manuellement, ou encore au moyen de signaux électriques. Des changeurs de prises monophasés ou triphasés sont utilisés. Normalement, ils sont sélectionnés et installés en fonction de la capacité de charge ou de la configuration de commutation (en étoile ou delta).

Image 1 : diagramme simplifié d'un changeur de prises

Concept technique

Dans le cadre d'une tâche de mesure, un équipement doté d'une classe de précision de 0,2 est utilisé pour évaluer la charge secondaire triphasée du transformateur d'un poste moyenne tension. Les valeurs de mesure sont transmises par un convertisseur à l'équipement de mesure et traitées via un algorithme. Elles sont ensuite affichées et éventuellement transmises à un système de contrôle (SCADA).

En parallèle de la tâche de mesure, la position du changeur de prises est capturée directement par l'automate intégré via le protocole CEI 61131. Les commandes émises par le système de contrôle supérieur activent alors les sorties de l'automate intégré et ordonnent la hausse ou la baisse de tension secondaire du transformateur. Le moteur du changeur de prises commence à tourner. Le niveau de tension change alors. Ce changement est à son tour surveillé en détectant la position et la charge.

Ce concept 2-en-1, qui associe un équipement de mesure haute précision et un automate intégré, permet de réduire les frais généraux et les coûts et de réaliser la tâche d'automatisation appliquée à l'énergie de manière optimale.

L'exigence

Dans les postes existants, l'installation peut consister en une interconnexion de technologies, fournisseurs et modèles d'équipement différents. Les réseaux ont été étendus au fil des années et n'ont pas toujours été modernisés à cette occasion, souvent pour des motifs économiques et du fait d'un manque de ressources. Par conséquent, l'exigence initiale peut être l'automatisation appropriée du changeur de prises en fonction du système général de contrôle automatique de la tension du réseau haute tension.  Les exigences peuvent être similaires dans l'exemple suivant :

Transfert de données précises en quasi-temps réel, qui signalent la position du changeur de prises à un système SCADA
Commande automatique et à distance du changeur de prises existant
Commande manuelle et à distance du changeur de prises existant
Outre l'accès à distance automatisé, fonctionnalité d'accès manuel et local en cas de maintenance et réparation sur site

Description du problème

En raison des changements de charge fréquents et des efforts mécaniques et électriques relativement élevés pesant sur les composants d'un changeur de prises, celui-ci est sujet à l'usure, ce qui l'expose à un risque de panne et impose par conséquent une maintenance régulière. De plus, dans les systèmes anciens, il est fréquent que le changeur de prises ne soit pas encore totalement automatisé au moyen d'une intégration système, en d'autres termes qu'il ne soit pas directement mis en réseau via un système SCADA. Les pics de charge peuvent provoquer une commutation immédiate des niveaux par le changeur de prises, même lorsque celle-ci s'avère inutile. Ce phénomène provoque une usure accrue et a un impact négatif sur le risque de panne, tant d'un point de vue technique qu'économique. Pour cette raison, un contrôle efficace du changeur de prises est essentiel pour garantir une durée de vie élevée.

Un autre aspect possible du problème du manque d'automatisation en réseau peut survenir si les équipements des postes proviennent de différents fabricants. Du fait de la conception variable des équipements, plusieurs technologies de détection doivent être utilisées pour indiquer la position exacte du changeur au système SCADA. Cela peut éventuellement impliquer des solutions d'automatisation reposant sur des composants différents dans chaque poste du réseau. De plus, dans de nombreux cas, les compétences techniques d'automatisation appliquée à l'énergie disponibles sur site ne suffisent pas pour mettre en oeuvre ce type de projet sans assistance extérieure.

Un dernier aspect de la description du problème repose sur le fait que les postes sont souvent non connectés au réseau de communication numérique. Pour cette raison, il est recommandé de diviser la mise en réseau, et donc la numérisation des données, en plusieurs phases de mise en oeuvre. Les trois étapes suivantes sont donc suggérées :

(1)    Automatisation locale : stockage des données sur un enregistreur situé dans le poste. La récupération peut ensuite s'effectuer localement et à la demande.

(2)    Surveillance à distance : transfert de certaines données, limité à un jeu précis et restreint, par CPL, EDGE, GPRS, etc.

(3)    Commande à distance : surveillance et commande à distance reposant sur des communications haut débit LTE, fibre optique, etc.

Les technologies disponibles pour la modernisation

Pour mettre en oeuvre l'automatisation et la numérisation d'un changeur de prises, en tenant compte de tous les aspects des exigences et de la description du problème précités, un équipement de mesure offrant une classe de précision de 0,2 est associé à un automate logiciel.En l'occurrence, ce couplage ou cette intégration s'effectue à l'aide de l'équipement deux-en-un CENTRAX CU3000 ou CENTRAX CU5000 de Camille Bauer, qui fait office de plateforme de base pour la solution d'automatisation appliquée à l'énergie. L'équipement de mesure évalue les paramètres électriques, la tension et la consommation de courant. Des mesures et données supplémentaires sont également produites par l'équipement de mesure, puis utilisées pour évaluer la qualité des paramètres électriques, par exemple les harmoniques, les déséquilibres, les facteurs de puissance, etc.Les valeurs énergétiques sont également visualisées directement. Les valeurs de mesure sont soit stockées localement (automatisation locale), soit transmises directement à la base de données ou au système SCADA via CPL (surveillance à distance) ou Modbus (commande à distance). Dans le cas des applications de surveillance et de commande à distance, le système est ainsi constamment informé des valeurs de tension et de courant en quasi-temps réel.

Pour mettre en place l'accès de maintenance précédemment décrit à la section relative aux exigences, le changeur de prises est commandé par l'automate logiciel du CENTRAX CU3000/5000. Le déclencheur requis est généré manuellement ou par le système SCADA en fonction des valeurs électriques renvoyées par l'équipement de mesure du CENTRAX CU3000/5000. Le changeur de prises est alors activé, et la tension augmentée ou diminuée. La position du changeur doit être traitée dans le contexte de la valeur de mesure afin d'empêcher toute perturbation ou erreur de commutation. Ce contrôle de vraisemblance (boucle de contrôle) s'effectue en vérifiant la position mécanique du changeur.  En raison des différences de conception des changeurs de prise en charge, les valeurs sont échantillonnées à partir de signaux axiaux, de valeurs de résistance, de signaux codés en DCB ou du rapport entre tensions primaire (Up) et secondaire (Us), puis comparées aux valeurs de la table du changeur de prises.

Coût et avantages

L'approche deux-en-un présente des avantages évident en termes de rentabilité. L'intégration d'un instrument de mesure haute précision et d'un automate logiciel dans un seul boîtier signifie une réduction de 50 % des coûts de composants. En parallèle, les processus liés aux achats et à la logistique sont optimisés, et les composants non directement compatibles sont éliminés. De plus, l'intégration fonctionnelle a un impact positif immédiat sur les coûts de planification et de mise en oeuvre, tant sur un plan financier qu'en termes de temps. La durée de vie et la reproductibilité de tous les composants employés ont un effet positif sur le résultat global. Le contrôle local du changeur de prises tient compte de l'état correspondant du réseau de communication. Ainsi, chaque changement de prises est horodaté. On obtient ainsi des données fiables, qui sont conservées à des fins de maintenance préventive, optimisée en termes de coûts. 

Méthode de numérisation et d'automatisation via le contrôle de la position du changeur de prises via le traitement du signal résistif

Des informations supplémentaires sont disponibles à l'adresse www.camillebauer.com/starkstrommonitoring.

  Demander plus d’information…