Système de surveillance embarqué sur un

Système de surveillance
embarqué sur un disjoncteur MT
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Mots clés
M43
Surveillance
Disponibilité
Fiabilité
Diagnostic
Par Marc NOUVELLON / Alain BILLET / Laurent GUISE / Jean-Christophe IANESELLI
Schneider Electric Industries SAS - France
Un dispositif embarqué sur un disjoncteur moyenne tension qui permet de surveiller
les conditions de son fonctionnement, et dont l’exploitation peut se faire en utilisant
les techniques et technologies les plus avancées.
L ‘
E S S E N T I E L
Par conception, un disjoncteur moyenne tension requiert de moins en moins de maintenance préventive systématique , mais il joue aussi
un rôle capital dans un réseau électrique, et toute défaillance peut avoir des conséquences graves pour l’exploitant.
La conduite et la surveillance des réseaux électriques se font de plus en plus à l'aide de systèmes de supervision centralisés, et
l'émergence des NTIC, y compris les technologies WEB, joue un rôle sans cesse grandissant dans la gestion des équipements et
systèmes.
Dans cet article , nous présentons un dispositif embarqué sur un disjoncteur moyenne tension qui permet de surveiller les conditions de
son fonctionnement, et proposons un schéma d'organisation du transfert et du traitement des données, en utilisant les techniques et
technologies les plus avancées.
Medium voltage circuit breakers are designed to require less and less preventive, systematic maintenance ; however, MV circuit breaker
plays a key role in the electrical network, meaning that any failure can have serious consequences for the user.
Control and monitoring of electrical networks is increasingly carried out using centralized supervision systems, and the emergence of
NITCs, including WEB technologies, is playing an increasingly major role in managing equipment and systems.
In this article, we present a device that is fitted on-board a medium voltage circuit breaker that allows us to monitor its operating
conditions and we then go on to propose a system for the transfer and processing of data, using the most advanced techniques and
technologies.
1. Introduction
Dans le domaine de l’alimentation électrique, les
utilisateurs sont confrontés à 2 exigences de plus en plus
fortes :
- Un besoin de disponibilité maximale de l'énergie
- Une minimisation de leurs coûts.
Bien que les équipements aient un bon niveau de
fiabilité, les coûts de maintenance et de perte
d’exploitation restent un poste important de dépenses
qu’il est possible de réduire significativement grâce à des
politiques adaptées
La capacité à anticiper les défaillances de
fonctionnement fait partie de ces politiques.
Elles peuvent effectivement être anticipées grâce à la
surveillance de l'état des équipements, réalisable par la
collecte et la mise à disposition, en temps et lieux
appropriés, d’un ensemble de paramètres pertinents
Les équipements et systèmes doivent donc évoluer
pour permettre, sans interruption de service, la collecte et
le traitement d'un nombre de plus en plus important de
données les concernant, et les mettre facilement à la
disposition d'un grand nombre d'intervenants.
Leur évolution concerne également les fonctions
d'interface homme-machine associées, qui doivent
notamment prendre en compte la réduction du personnel
de maintenance.
1
Cet article présente un exemple d'application de cette
évolution à la surveillance d'un disjoncteur moyenne
tension.
Il décrit, d'une part, un dispositif qui permettra de
collecter et surveiller en ligne les paramètres indicateurs
de bon fonctionnement de l'appareil, d'autre part, la
manière de transmettre puis de traiter ces données en
utilisant les techniques de communication les plus
avancées.
2. La Maintenance d’un
Moyenne Tension
disjoncteur
Le besoin de maintenance d'un disjoncteur a
considérablement évolué avec l'évolution de la technique
de coupure.
Les disjoncteurs à coupure dans l'huile ou dans l'air
nécessitaient des opérations d'entretien régulier en raison
notamment de l'usure des contacts. Ces opérations
n'empêchaient malheureusement pas les défaillances.
Avec les technologies de coupure dans le SF6 ou dans le
vide, les disjoncteurs actuels atteignent un bon niveau de
fiabilité et permettent aux constructeurs de les déclarer :
"sans maintenance".
En prenant ce slogan commercial au pied de la lettre, le
client pourrait considérer qu'il devient totalement inutile
de se préoccuper de son disjoncteur.
Peut-être serait-il plus exact de dire : "sans maintenance
préventive systématique", pour autant qu'il soit exploité
dans les conditions dites "normales" pour lesquelles il a
été conçu.
Le disjoncteur joue un rôle capital dans un réseau
électrique, un dysfonctionnement pouvant avoir des
répercussions sans commune mesure avec sa valeur
propre : atteinte à la sécurité des personnes ou des biens,
perte de production ou arrêt de livraison d'énergie.
Jusqu’à présent, lors des interventions de maintenance
préventive, deux types d’opérations étaient en fait
réalisées de manière imbriquée :
- les actions de maintenance proprement dites ;
- des inspections de points de contrôle permettant de
vérifier l’état de l’appareil.
Le risque, avec les nouvelles gammes dites «sans
maintenance», est de ne plus procéder de manière
régulière aux inspections et ce d’autant plus facilement
qu'un disjoncteur ne manifeste sa présence que dans les
cas peu fréquents de défaut.
De plus, sa durée de vie étant de l'ordre de 20 à 30
années, et rien ne permettant, pendant son exploitation, de
vérifier s'il conserve sa capacité à remplir son rôle de
protection, il apparaît nécessaire de remplacer cette
notion d’inspection (physique) par une fonction de
surveillance permanente.
C'est ce que nous proposons de réaliser avec le "Module
de surveillance" embarqué sur le disjoncteur.
3. Le module de surveillance
3.1 Principe de fonctionnement
Le principe général du module de surveillance est de
collecter des données afin de pouvoir établir un
diagnostic d'état de l'appareil.
Le contrôle du bon fonctionnement du disjoncteur se
fait à 2 niveaux :
3.1.1 Le contrôle des conditions d'utilisation:
le bon fonctionnement de l'appareil est tributaire de
conditions externes telles que la tension des auxiliaires,
ou les caractéristiques de son environnement. S'assurer
que les conditions d'utilisation correspondent bien à celles
pour lesquelles il a été conçu s'avère nécessaire.
3.1.2 La surveillance du comportement dans
le temps :
sur le plan interne au disjoncteur, il faut recueillir les
paramètres significatifs de son comportement dans le
temps. Leur analyse permettra d'établir un diagnostic de
son état de fonctionnement.
Il est relativement facile de positionner les conditions
(externes) d'utilisation par rapport à une plage
d'acceptabilité définie par les concepteurs de l'appareil.
En revanche, compte tenu de la multiplicité des
facteurs influençant les caractéristiques mesurées, leur
modélisation n'est pas encore suffisamment fiable pour
permettre de diagnostiquer automatiquement un état du
disjoncteur. A ce jour, l'intervention d'un expert du
disjoncteur est encore nécessaire pour interpréter le
résultat des mesures et en tirer des conclusions sur le
comportement de l'appareil.
Par ailleurs, outre la valeur intrinsèque des
paramètres mesurés, l'expert s'appuiera sur leur évolution
dans le temps, et plus l'historique des relevés sera
important, plus le diagnostic sera précis.
Il sera donc particulièrement intéressant que le
module de surveillance soit opérationnel dès la 1ère mise
en service du disjoncteur.
Pour que le module de surveillance devenu la
"mémoire" du disjoncteur y reste associé pendant toute sa
durée de vie, il sera utile de l'"embarquer" sur l'appareil.
2
Pour être acceptable, le surcoût généré par
l'intégration du module ne doit pas excéder 5 à 10% du
coût du disjoncteur.
Pour y parvenir, il a fallu limiter le nombre de
paramètres à surveiller au "juste nécessaire", c'est-à-dire
ceux qui permettent de déceler les défaillances
mécaniques potentielles (qui représentent 80% des cas de
défaillances des disjoncteurs).
3.2. Les fonctions du module de surveillance
3.2.1 Fonction de base :
Le module de surveillance mesure les grandeurs des
conditions d'utilisation telles que :
- tension des auxiliaires
- température ambiante
- nombre de manœuvres
et signale tout dépassement par rapport à une plage
paramétrée de valeurs acceptables.
Cette fonction est mise à la disposition de
l'utilisateur, totalement autonome quant à son
exploitation.
3.2.3 Fonctions complémentaires : le Blocnotes de maintenance
L'introduction de l'électronique permet désormais de
mettre à disposition des fonctionnalités nouvelles.
Dans ce module, il a été retenu une fonction "Blocnotes", qui permet à l'exploitant d’enregistrer les
interventions réalisées sur l'appareil.
3.3. Installation
Le module peut être installé à tout moment ;
idéalement, le disjoncteur doit en être équipé dès sa 1ère
mise en service.
3.4. Utilisation
Quelle que soit la fonction du module, l’ensemble
des informations est disponible :
- en local (sur le disjoncteur ou dans le caisson basse
tension)
- sur tout système de surveillance relié à un réseau
local MODBUS RS485, notamment le système
Transparent ReadyTM (décrit plus loin), en utilisant les
technologies WEB.
3.2.2 Fonction avancée :
On a vu précédemment qu'un diagnostic devait
s'appuyer sur la surveillance de grandeurs mesurées, mais
surtout sur leur évolution dans le temps
Le module de surveillance va donc jouer le rôle de la
"boîte noire", en enregistrant :
Les conditions d'exploitation de l'appareil : les mini
et maxi des grandeurs retenues sont mémorisées toutes
les 24h ;
Pour chaque manœuvre, la valeur des grandeurs
mécaniques propres au fonctionnement de l'appareil,
telles que les temps d'ouverture, de fermeture ou de
chargement de la commande. En outre, on relèvera la date
et les conditions précises d'exploitation lors de ces
évènements.
Les données ainsi enregistrées seront relevées à
intervalles réguliers et rapatriées vers un centre de
compétences techniques disposant d'une base de
connaissances sur l'ensemble de la gamme de
disjoncteurs.
Un expert sera ainsi en mesure d'analyser les données
et d'établir un diagnostic de fonctionnement de l'appareil.
Le cas échéant, il préconisera une investigation
approfondie sur site qui permettra d'affiner le diagnostic.
L'utilisateur peut ainsi :
- consulter les visualisations en face avant du module
- exploiter le relais de défaut
- saisir les différents paramètres de fonctionnement et
de surveillance à l’aide d’un logiciel d’IHM, fourni avec
le module et installé sur un PC portable ;
- à l’aide de ce même logiciel, extraire et visualiser
en local les différents enregistrements ;
- exploiter, ou faire analyser les enregistrements à
distance à partir du système de surveillance.
3.5. Application au parc installé
Si ces fonctions de surveillance apparaissent comme
nécessaires à la maîtrise de la performance des appareils
nouveaux , leur intérêt est bien entendu tout aussi
important pour des équipements déjà installés :
- Plus les appareils vieillissent, plus le risque de
défaut augmente,
- L’historique des interventions réalisées sur les
équipements n’est pas toujours accessible et en
conséquence l’état des appareils reste une évaluation
« intuitive » .
D’où l’idée d’un module similaire, adaptable à tout
disjoncteur MT, qui propose une partie des
fonctionnalités précédentes. Cela permet d’instrumenter
l’ensemble des équipements de l’installation et de
3
construire ainsi une base de données qui servira à définir
un plan de maintenance optimum.
L'expertise s'enrichit au fur et à mesure de la collecte
des données (plus il y a de données, plus le diagnostic
s'affine). Le Plan de Maintenance sera d'autant plus
pertinent que la "couverture" des disjoncteurs sous
surveillance sera importante.
Dans cette perspective, les modules de surveillance
doivent être connectés à un système d’information
permettant de manière transparente la collecte et
l’interprétation des données.
4. L'intégration dans TRANSPARENT
READYTM
Transparent ReadyTM est le nom du concept présenté
par Schneider Electric, qui vise à offrir toute la
Transparence sur l’information d’un système automatisé
par le biais des technologies Web.
Plus spécifiquement, ce concept repose sur une
architecture « seamless » dont la messagerie Modbus
constitue l’ossature (Modbus sur ligne série, Modbus sur
Ethernet), et qui est combinée aux protocoles (HTTP,
FTP, POP, SMTP, SNMP) et technologies du Web
(HTML, XML, mail, SMS…°).
Cette combinaison se révèle particulièrement
pertinente dans les systèmes de surveillance des réseaux
électriques offrant à l’opérateur :
- Une nouvelle approche de la surveillance de réseau
à un coût en totale rupture avec les installations
conventionnelles
- Une réelle transparence de la communication
- Une adaptabilité totale au besoin en permettant le
choix du médium optimal (ligne série ou Ethernet)
- Une réelle transparence de l’information : il ne
suffit plus désormais à l’opérateur, que d’un PC équipé
d’un navigateur (browser) type Internet Explorer, pour
accéder à l’information
- Une totale liberté dans le mode d’exploitation de
l’information. Basée sur IP, ces technologies se moquent
des distances, et peuvent bien sûr utiliser l’Internet
comme moyen de transport. En conséquence, l’accès aux
informations peut se faire indifféremment en local, à
distance mais sur le site, à distance hors du site.
- Une garantie d’interopérabilité et d’évolutivité,
l’ensemble des technologies utilisées étant de vrais
standards mondiaux et ouverts.
- La capacité de réutiliser une infrastructure de
communication existante (Ethernet par exemple)
Associé à Transparent ReadyTM, il est aussi important
de considérer la notion de classe de service attendue par
l’exploitant final (ou les exploitants finaux). Par classe de
service nous entendons l’ensemble des services que
l’opérateur attend que le système lui rende :
- Surveillance
- Surveillance et alarme
- Surveillance, alarme et tendance,
- Surveillance, alarme, tendance et commande
- Et/ou surveillance en temps différé via un
fournisseur de service
Par ses choix techniques d’interface, le module de
surveillance s’intègre parfaitement dans une architecture
Transparent ReadyTM et bénéficie donc potentiellement
de l’ensemble de ces services.
Il peut, certes, constituer la base d’un système orienté
vers le diagnostic de l’installation, comme il peut
constituer un apport complémentaire à un système
assurant par ailleurs des fonctions de protection, mesure
ou commande :
Cas d’un système Transparent ReadyTM orienté
exclusivement vers les fonctions de diagnostic et donc
sur la base du module de surveillance (SD4) dans une
classe de service permettant l’accès direct à
l’information:
Web-enable d Powe r & Contr ol
Standard
remote
Web
browser
Diagnostic oriented
Transparent Ready system
Standard local Web browser
Internet
Intranet (Ethernet/IP)
Pull
Equipement server
Gateway
Transparent Ready
Power Equipement
Modbus
SD4
SD4
SD4
SD4
SD4
SD4
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L. Guise
Des pages Web sont servies par un serveur Web
embarqué dans l’Equipement. Une fois chargées dans le
navigateur de l’opérateur, les données se mettent
automatiquement à jour.
Ce mode opératoire peut se mettre en œuvre
localement ou à distance via l’Intranet ou l’Internet.
4
Cas d’un système Transparent ReadyTM mixant
les services de surveillance et diagnostic
Web-enable d Powe r & Contr ol
Standard
remote
Web
browser
Toutefois, un tel dispositif peut bien sûr s’intégrer
dans un système conventionnel de surveillance de
réseau électrique, et donc faire appel à un dispositif
centralisé assurant cette fonction :
Monitoring and Diagnostic
Transparent Ready system
Real-time conventional monitoring
Standard local Web browser
Internet
Web-enabled Powe r & Contr ol
Intranet (Ethernet/IP)
Pull
Conventional supervisor
Equipement server
Gateway
Modbus
SD4
SD4
SD4
Modbus (SL or over Ethernet/IP)
Transparent Ready
Power Equipement
Sepam
Sepam
MV protectionMV protection
Push
Equipement server
Gateway
Power
Meter
Transparent Ready
Power Equipement
Modbus
SD4
7
L. Guise
Architecture similaire à la précédente mais agissant
sur un périmètre fonctionnel plus large, embrassant
notamment les fonctions de protection et de mesure de
relais de protection multifonction comme le Sepam.
Cas d’un système Transparent ReadyTM faisant
appel à un fournisseur de services (par exemple
maintenance) à distance :
Web-enable d Powe r & Contr ol
Advanced maintenance through
remote expert service provider
Internet
Service
provider
Push
Equipement server
Gateway
Modbus
SD4
SD4
SD4
Transparent Ready
Power Equipement
Sepam
Sepam
MV protectionMV protection
SD4
SD4
Sepam
Sepam
MV protectionMV protection
L. Guise
Power
Meter
5
Il est à noter que le prix d’acquisition d’un tel
système conventionnel peut se révèler jusqu’à dix fois
supérieur au prix d’une installation réellement basée sur
les nouvelles technologies (cas du système Transparent
ReadyTM).
Il apparaît clair, désormais, que les nouvelles
technologies du Web sont la base d’une rupture de nos
façons de penser. L’emploi approprié de ces nouvelles
technologies peut rendre de nouveaux services à
l’exploitant final, lui offrir notamment un accès à
l’information dans des conditions encore inimaginables il
y a quelques années.
Ces nouvelles conditions d’accès à l’information
décuplent l’intérêt d’un module de surveillance
disjoncteur.
5. Aspect économique
Power
Meter
Examinons l'impact économique des choix retenus et
qui viennent d'être décrits :
L. Guise
4
Dans ce cas l’information est collectée par le serveur,
qui régulièrement prend l’initiative de pousser ces
informations vers les bases du fournisseur de service.
Reposant sur la collecte systématique de données, le
fournisseur de service peut élaborer une information de
synthèse à destination de l’exploitant.
Un tel serveur peut être globalisé au niveau de
l’installation complète.
La limitation du nombre de paramètres à
surveiller a pour objectif de se centrer sur l'essentiel afin
de minimiser le surcoût du disjoncteur. L'intégration de
fonctions on-line plus riches permettraient sans doute une
analyse plus fine de l'état du disjoncteur, mais ne
supprimerait pas le besoin d'une intervention humaine
pour
interpréter
les
résultats.
5
Le recours à un expert pour établir un diagnostic
semble être une solution optimale sur le plan technicoéconomique :
- Il est peu fréquent
- Grâce aux NTIC, il peut se faire à distance, et avec
des moyens standards, donc relativement peu coûteux
Grâce, d'une part à la mémoire des disjoncteurs, et
d'autre part, à la base d'expérience acquise à partir d'un
parc important d'appareils, l'expert aura les moyens
d'émettre un diagnostic précis.
Quant à la rentabilité du dispositif, son calcul
dépend beaucoup de l'installation dans laquelle il est
intégré.
Parmi les éléments à prendre en considération on
notera :
- Le nombre de disjoncteurs à surveiller
- Le type d'équipements de communication
- La politique de maintenance et de surveillance
- L'impact d'une défaillance
Ce dernier paramètre est sans doute l'un des plus
déterminants, mais il reste souvent le plus difficile à
évaluer.
A cet égard, l'investissement est comparable à celui
d'une assurance.
6. Conclusion
Dans le dispositif qui vient d'être présenté, il a été
recherché le compromis technico-économique rendant
compatible la surveillance avec un niveau de coût faible.
L'intégration de fonctions nouvelles pour aller vers
un système "d'auto-diagnostic" dépendra :
- des progrès techniques qui permettront d'en réduire
les coûts
- de l'intérêt porté par le clients, intérêt qui serait,
pour les constructeurs, une motivation forte à poursuivre
leurs investigations.
Toutefois les performances techniques ne sont pas
une fin en soi : au-delà des fonctions de surveillance
proprement dites, c'est l'ensemble des services attendus
par le client qu'il faut développer.
C'est dans cet esprit que le module de surveillance a
été conçu, en incluant notamment la possibilité de son
intégration dans une architecture du type Transparent
ReadyTM.
Références :
- Maintenance and refurbishment strategies for MV
Substations – G.Balzer ; O.Schmitt ; M.Halfmann ;
A.Höble - CIRED 2001.
- Utilisation de la méthode OMF à l'élaboration de la
nouvelle politique de maintenance des matériels HT de
réseaux
électriques
A.Girard ; M.LeBlon ; J.Aupied - REE (Jan 2002)
- Circuit-breakers with on-line condition monitoring
– John Reason – Electrical world (Feb 1995).
Les auteurs
Marc Nouvellon, ingénieur IEG, est entré chez
Schneider Electric en 1980. Après plusieurs années dans
le département « Contracting », il occupe un poste de
responsable marketing de l’activité Services. Il est
actuellement en charge de marketing produit dans le
département Moyenne Tension.
Alain Billet, ingénieur électronicien, est entré chez
Schneider Electric en 1970, au département Automates
Programmables. Depuis 1990, il est chef de projets au
sein du département Protection et Contrôle des réseaux
MT.
Jean-Christophe Ianeselli : Titulaire d’un doctorat
en informatique, option Intelligence Artificielle, il intègre
Schneider Electric en 1985 dans l'entité de Recherche
Corporate du groupe où il met en œuvre des techniques
d'Intelligence Artificielle pour des systèmes opérationnels
de Diagnostic. Puis il prend en charge une activité
opérationnelle liée à une offre de supervision pour la
distribution électrique. Il est actuellement responsable du
développement de l'offre de Services.
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