Brevet FR2796723A1 — publié le 20010126

Dispositif électronique intelligent et procédé de prédiction de pannes dans un tel dispositif La présente invention concerne de manière générale des dis- positifs électroniques intelligents (par exemple, des unités de déclen- chement ou des relais de protection électroniques). Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de prédiction des pannes dans un dispositif électronique intelligent (par exemple, une unité de déclenchement électronique ou un relais de protection). Les dispositifs électroniques intelligents sont bien connus. A titre d'exemple, une unité de déclenchement électronique comprend typiquement des capteurs de tension et de courant qui fournissent des signaux analogiques représentatifs des signaux du secteur. Les signaux analogiques sont convertis par un convertisseur A/N (analogique/nu- mérique) en signaux numériques qui sont traités par un microcontrô- leur. L'unité de déclenchement comporte en outre de la mémoire RAM (mémoire vive), une mémoire ROM (mémoire morte) et une mémoire de type EEPROM (mémoire morte programmable effaçable électrique- ment), toutes connectées au microcontrôleur. La ROM comprend du code d'application d'unité de déclenchement, par exemple des micro- programmes de fonctions principales, comprenant les paramètres d'ini- tialisation, et le code d'amorçage. L'EEPROM contient des paramètres fonctionnels pour le code d'application. Alors que l'unité de déclenchement sert à protéger les appa- reils, très souvent lorsqu'une panne s'est déclarée et que l'unité est dé- clenchée (c'est-à-dire, lors d'un déclenchement), des dommages et des retards coûteux dans le fonctionnement des installations se produisent. Par exemple, une centrale qui est éteinte peut prendre plusieurs heures à redémarrer, un lot de fabrication pharmaceutique peut être mis au re- but, un centre informatique peut devenir inopérant et nécessiter la fer- meture d'une entreprise entière, ou bien une expérience de valeur peut être perdue dans un laboratoire public ou universitaire. Un simple dé- clenchement peut coûter des millions de dollars à une société. La présente invention propose un procédé de prédiction de pannes dans un dispositif électronique intelligent ayant un seuil de dé- clenchement. Ce procédé comprend les étapes consistant à: détecter un signal électrique pour fournir un signal mesuré représentatif d'une caractéristique électrique du signal électrique; comparer une relation du signal mesuré et d'un seuil de dé- clenchement imminent pour détecter un déclenchement imminent, le seuil de déclenchement imminent définissant le déclenchement immi- nent avant un déclenchement potentiel tel que défini par le seuil de dé- clenchement du dispositif électronique intelligent; et générer un signal de déclenchement imminent lorsque ledit déclenchement imminent est détecté. De préférence, la relation du signal mesuré et du seuil de dé- clenchement imminent comprend une relation du signal mesuré, du seuil de déclenchement imminent et du temps. La relation du signal mesuré et du seuil de déclenchement imminent peut comprendre une relation d'un taux de variation du si- gnal mesuré et du seuil de déclenchement imminent. La relation du signal mesuré et du seuil de déclenchement imminent peut comprendre une relation d'un taux de variation du si- gnal mesuré, du seuil de déclenchement imminent et du temps. La comparaison de la relation du signal mesuré et du seuil de déclenchement imminent peut comprendre les étapes consistant à: soustraire le signal mesuré du seuil de déclenchement pour définir une différence; diviser ladite différence par le seuil de déclenchement pour définir un quotient; comparer le quotient au seuil de déclenchement imminent; et détecter le déclenchement imminent lorsque le quotient est supérieur ou égal au seuil de déclenchement imminent. Le seuil de déclenchement peut être associé à la caractéristi- que électrique. Le seuil de déclenchement peut être associé au temps. La comparaison de la relation du signal mesuré et du seuil de déclenchement imminent peut comprendre les étapes consistant à: multiplier le seuil de déclenchement par le seuil de déclen- chement imminent pour définir un produit; comparer le produit avec le signal mesuré; et détecter le déclenchement imminent lorsque le signal mesuré est supérieur ou égal au produit. La caractéristique électrique peut comprendre le courant électrique. La caractéristique électrique peut comprendre la tension élec- trique. Le procédé peut comprendre de plus le fait de déterminer à distance ledit seuil de déclenchement imminent. Le dispositif électronique intelligent peut comprendre une unité de déclenchement électronique ou un relais de protection. De préférence, le procédé comprend de plus le fait d'afficher des informations indiquant l'apparition du déclenchement imminent. La présente invention propose également un dispositif élec- tronique intelligent, comprenant: un capteur servant à détecter un signal électrique afin de fournir un signal mesuré représentatif d'une caractéristique électrique du signal électrique; et un dispositif de traitement des signaux sensible audit signal mesuré, et comportant de la mémoire servant à stocker des signaux y compris des signaux de programme définissant un programme exécuta- ble pour comparer une relation du signal mesuré et d'un seuil de dé- clenchement imminent pour détecter un déclenchement imminent, le seuil de déclenchement imminent définissant le déclenchement immi- nent avant un déclenchement potentiel tel que défini par le seuil de dé- clenchement du dispositif électronique intelligent, et générer un signal de déclenchement imminent lorsque le déclenchement imminent est dé- tecté. Les autres caractéristiques du dispositif électronique intelli- gent de la présente invention permettent la mise en oeuvre du procédé de la présente invention. Un objet de la présente invention est de prédire une panne dans un dispositif électronique intelligent avant l'apparition d'une pan- ne qui provoquerait un déclenchement. Un autre objet de la présente invention est d'éviter ou de prévenir l'apparition d'un déclenchement. Ces objets, ainsi que d'autres, de l'invention sont atteints grâ- ce au procédé de prédiction de pannes dans un dispositif électronique intelligent (DEI) utilisant un algorithme de prédiction de pannes enre- gistré dans le microcontrôleur du DEI (par exemple, une unité de dé- clenchement ou un relais de protection électronique) de la présente in- vention. Une unité de déclenchement électronique est décrite ici à titre d'exemple uniquement, la présente invention s'appliquant aussi à d'au- tres DEI. L'unité de déclenchement électronique comprend des cap- teurs de tension et de courant qui fournissent des signaux analogiques représentatifs des signaux du secteur. Les signaux analogiques sont convertis par un convertisseur A/N (analogique/numérique) en signaux numériques qui sont traités par un microcontrôleur. L'unité de déclen- chement comporte en outre de la mémoire RAM (mémoire vive), une mémoire ROM (mémoire morte) et une mémoire de type EEPROM (mémoire morte programmable effaçable électriquement), toutes com- muniquant avec le microcontrôleur. La ROM comprend du code d'ap- plication d'unité de déclenchement, par exemple des microprogrammes de fonctions principales, comprenant les paramètres d'initialisation, et le code d'amorçage. Le code d'application comporte le code servant à l'algorithme de prédiction de pannes de la présente invention. L'EE- PROM contient des paramètres fonctionnels, par exemple du code ser- vant à établir des seuils de déclenchement imminent, pour le code d'application. Ces paramètres peuvent être stockés dans l'unité de dé- clenchement en usine en étant choisis pour se conformer aux besoins des clients, mais ils peuvent aussi être téléchargés. Dans un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple, pour n'importe lequel des événements qui sont calculés, l'algorithme de prédiction de pannes calcule un déclenchement immi- nent en utilisant la logique suivante: SI ( (condition déclenchement préétablie moins valeur observée réelle) divisé par condition déclenchement préétablie > pourcentage seuil dé- clenchement imminent entré par client) ALORS émettre déclenche- ment imminent. La capacité à déterminer et à contrôler les conditions de dé- clenchement imminent a une grande valeur diagnostique pour les sys- tèmes de distribution d'installations ayant des fonctionnements criti- ques prioritaires. Ceci est dû au fait que de nombreuses conditions de pannes dans les installations ne se produisent pas brusquement mais se développent plutôt graduellement dans le temps. En contrôlant les dé- clenchements imminents, ces conditions de pannes peuvent être prédi- tes, détectées, et corrigées avant l'apparition d'un déclenchement réel et coûteux. Ceci permet d'économiser potentiellement des millions de dollars concernant les retards et dommages dans les installations prio- ritaires. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins d'accom- pagnement dans lesquels: la figure 1 (figure unique) est un schéma fonctionnel d'une unité de déclenchement électronique. En référence à la figure 1, un schéma général d'une unité de déclenchement est désigné de manière générale par la référence 30. Il est à noter que la présente invention n'est pas limitée aux unités de dé- clenchement électroniques mais concerne les DEI en général. L'unité de déclenchement 30 comprend un capteur de tension 32 qui fournit des signaux analogiques représentatifs des mesures de tension sur une ligne de signaux 34 et un capteur de courant 36 qui fournit des signaux analogiques représentatifs des mesures de courant sur une ligne de si- gnaux 38. Les signaux analogiques des lignes 34 et 38 sont présentés à un convertisseur A/N (analogique/numérique) 40, qui convertit ces si- gnaux analogiques en signaux numériques. Les signaux numériques sont transmis, via un bus 42, à un microcontrôleur (dispositif de traite- ment des signaux) 44, ce dernier étant disponible dans le commerce par exemple chez Hitachi Electronics Components Group (famille de microcontrôleurs H8/300 de chez Hitachi). L'unité de déclenchement comprend en outre une RAM (mémoire vive) 46, une ROM (mémoi- re morte) 48 et une EEPROM (mémoire morte programmable effaçable électriquement) 50, toutes en communication avec le microcontrôleur 44 via un bus de commande 52. Bien entendu, le convertisseur A/N 40, la ROM 48, la RAM 46, ou toute combinaison de ces éléments, peu- vent être intégrés au microcontrôleur 44, comme cela est connu dans la technique. L'EEPROM 50 est non volatile de sorte que les informa- tions et la programmation du système ne seront pas perdues lors d'une interruption ou d'une coupure d'électricité. Les données, typiquement les données du disjoncteur, sont affichées à l'aide d'un dispositif d'af- fichage 54 en réponse à des signaux d'affichage provenant du micro- contrôleur 44 via le bus de commande 52. Un dispositif de commande de sortie 56, en réponse aux signaux de commande reçus en provenan- ce du microcontrôleur 44 via le bus de commande 52, commande un module de déclenchement 58 via une ligne 60. L'étalonnage, les essais, la programmation et d'autres caractéristiques sont accomplis par l'in- termédiaire d'un port (ou accès) E/S de communications 62, qui com- munique avec le microcontrôleur 44 via le bus de commande 52. Une alimentation électrique 63 qui est alimentée par l'électricité de raccor- dement, fournit une alimentation appropriée, via une ligne 64, aux composants de l'unité de déclenchement 30. La ROM 48 contient le co- de d'application d'unité de déclenchement, par exemple des micropro- grammes de fonctions principales, comprenant les paramètres d'initia- lisation, et le code d'amorçage. Le code d'application comporte du co- de pour l'algorithme de prédiction de pannes de la présente invention. L'EEPROM 50 comporte du code de paramètres fonctionnels, par exemple du code servant à établir les seuils de déclenchement immi- nent. Ces paramètres peuvent être stockés dans l'unité de ddclenche- ment en usine en étant choisis pour se conformer aux besoins des clients, mais ils peuvent aussi être téléchargés, comme décrit plus loin. L'algorithme de protection contre les pannes tourne en temps réel et est de préférence lancé par le code d'amorçage lors du démarrage. Dans un mode de réalisation donné à titre d'exemple de l'invention, pour chaque calcul effectué dans le DEI pour déterminer si un événe- ment qui s'est produit mérite une action de déclenchement ou de relais, une deuxième comparaison est effectuée par l'algorithme de prédiction de pannes pour déterminer si un déclenchement imminent s'est produit. Parmi les événements typiquement calculés par les DEI, on trouve: (1) comparer une quantité mesurée (telle que le courant de phase, la tension de phase, la fréquence, ou la distortion harmonique) à une va- leur seuil préétablie et générer un événement si le seuil est franchi; (2) comparer une quantité mesurée à une valeur seuil préétablie et gé- nérer un événement si le seuil est franchi pendant un intervalle de temps prédéterminé; (3) comparer un taux de variation mesuré à un seuil préétabli et géné- rer un événement si le seuil est franchi; (4) comparer un taux de variation mesuré à une valeur seuil préétablie et générer un événement si le seuil est franchi pendant un intervalle de temps prédéterminé; et (5) des variantes des calculs précédents, o la quantité mesurée est une combinaison arithmétique de plusieurs quantités mesurées séparé- ment, telles que: phase de tension A moins phase de tension B; phase de fréquence A moins phase de fréquence B; (phase de tension A moins phase de tension B) divisé par tension nominale; et (phase de fréquence A moins phase de fréquence B) divisé par fréquence nomi- nale. Lorsqu'un événement de déclenchement ou de relais a été dé- tecté et qu'un disjoncteur s'est déclenché et/ou qu'un contact s'est fer- mé, le dispositif émet un message d'événement. Ce message peut être affiché sur un dispositif d'affichage local et/ou peut être transmis à un poste de contrôle à distance tel qu'un moniteur local ou un ordinateur éloigné muni d'un logiciel de contrôle de gestion de l'électricité. Tou- tefois, comme mentionné plus haut, au moment o une panne se pro- duit, détectée par l'unité de déclenchement ou le relais de protection et que le disjoncteur se déclenche, des dommages irréparables et/ou des retards financièrement coûteux pour le fonctionnement des installa- tions se seront déjà produits. Selon la présente invention, pour n'importe lequel des événements qui sont calculés par le DEI, l'algorithme de prédiction de pannes calcule un déclenchement imminent en utilisant la logique sui- vante: SI ( (condition déclenchement préétablie moins valeur observée réelle) divisé par condition déclenchement préétablie > seuil déclenchement imminent entré par client) ALORS émettre déclenchement imminent. Un seuil de déclenchement imminent entré par le client est un nombre compris, par exemple, entre 0,00 et 1,00. Dans le cas du seuil 0,00, la fonction de déclenchement imminent est coupée. Dans le cas du seuil 1,00, le déclenchement imminent et le déclenchement réel sont équivalents. Par exemple, si la dernière lecture donne 50 ampères, avec une condition de déclenchement préétablie à 100 ampères et un seuil de déclenchement imminent entré par le client de 0,4, un déclen- chement imminent est émis, c'est-à-dire (100 A - 50 A) / (100 A) = 0,5 qui est supérieur à 0,4. Dans le cas d'événements de déclenchement ou de relais qui impliquent un intervalle de temps, par exemple, les types d'événe- ments 3 et 4 décrits plus haut, la condition comparée est l'intervalle de temps pendant lequel une valeur critique a été dépassée, par exemple, si un déclenchement "Longue Durée" a été établi à 100 ampères pen- dant 1 seconde, un compteur démarre lorsque la lecture d'intensité dé- passe 100 ampères. Si après 0,5 seconde, la lecture redescend en-des- sous de 100 ampères, le compteur s'arrête. Dans cet exemple, la condi- tion de déclenchement imminent était de 0,5 seconde divisé par 1,0 se- conde. Ceci signifie que si le seuil de déclenchement imminent entré par le client était de 0,5 ou inférieur, alors un déclenchement immi- nent aurait été émis, et que si le seuil de déclenchement imminent du client était supérieur à 0,5, alors aucun déclenchement imminent n'au- rait été émis. En variante, l'algorithme de prédiction de pannes calcule un déclenchement imminent en utilisant la logique suivante: SI (valeur observée réelle > (condition déclenchement préétablie multipliée par seuil déclenchement imminent entré par client) ALORS émettre déclenchement imminent. Par exemple, si la dernière lecture donne 50 ampères, avec une condition de déclenchement préétablie à 100 ampères et un seuil de déclenchement imminent entré par le client de 0,4, un déclen- chement imminent est émis, en effet, 50 A est supérieur à (100 A x 0,4) = 40 A. Par ailleurs, le seuil de déclenchement imminent pourrait être un niveau sélectionné, par exemple, selon l'exemple ci-dessus, le seuil de déclenchement imminent pourrait être établi à 40 ampères. La présente invention a une grande valeur diagnostique pour les systèmes de distribution d'installations ayant des fonctionnements critiques prioritaires, puisque de nombreuses conditions de pannes dans les installations ne se produisent pas brusquement mais se déve- loppent plutôt graduellement dans le temps. En ce qui concerne la communication de l'apparition d'un dé- clenchement imminent, ceci peut se produire de différentes manières: (1) en générant un message d'événement à transmettre via une connexion par réseau à un ordinateur associé (non représenté) ou autre dispositif de contrôle central (non représenté); (2) en affichant un message sur le dispositif d'affichage 54 de l'unité de déclenchement ou du disjoncteur; ou (3) en fermant un contact de relais qui peut lui-mê- me être utilisé pour faire fonctionner une sirène, une lumière d'avertis- sement ou autre alarme (non représentée). Toutes les valeurs limites ou préétablies sont de préférence stockées dans I'EEPROM 50 et peuvent être modifiées en téléchargeant les valeurs désirées via le port de communications E/S 62. Ceci inclu- rait le téléchargement de ces données lorsque l'unité est connectée à un système informatique (non représenté), soit directement, soit par li- gne téléphonique, ou par n'importe quelle autre connexion appropriée. On peut également préférer que I'EEPROM 50 comprenne une mémoire flash, grâce à quoi ces données sont réinitialisées, comme cela est bien connu. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été don- née qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la pré- sente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de prédiction de pannes dans un dispositif électro- nique intelligent ayant un seuil de déclenchement, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: détecter un signal électrique pour fournir un signal mesuré représentatif d'une caractéristique électrique du signal électrique; comparer une relation dudit signal mesuré et d'un seuil de dé- clenchement imminent pour détecter un déclenchement imminent, ledit seuil de déclenchement imminent définissant ledit déclenchement im- minent avant un déclenchement potentiel tel que défini par le seuil de déclenchement du dispositif électronique intelligent; et générer un signal de déclenchement imminent lorsque ledit déclenchement imminent est détecté. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement im- minent comprend une relation dudit signal mesuré, dudit seuil de dé- clenchement imminent et du temps. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement im- minent comprend une relation d'un taux de variation dudit signal me- suré et dudit seuil de déclenchement imminent. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement im- minent comprend une relation d'un taux de variation dudit signal me- suré, dudit seuil de déclenchement imminent et du temps. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite comparaison de ladite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend les étapes consistant à: soustraire ledit signal mesuré du seuil de déclenchement pour définir une différence; diviser ladite différence par le seuil de déclenchement pour définir un quotient; comparer ledit quotient audit seuil de déclenchement immi- nent; et détecter ledit déclenchement imminent lorsque ledit quotient est supérieur ou égal audit seuil de déclenchement imminent. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de déclenchement est associé à ladite caractéristique électrique. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de déclenchement est associé au temps. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite comparaison de ladite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend les étapes consistant à: multiplier le seuil de déclenchement par ledit seuil de déclen- chement imminent pour définir un produit; comparer ledit produit avec ledit signal mesuré; et détecter ledit déclenchement imminent lorsque ledit signal mesuré est supérieur ou égal audit produit. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite caractéristique électrique comprend le courant électrique. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite caractéristique électrique comprend la tension électrique. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le fait de déterminer à distance ledit seuil de déclen- chement imminent. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif électronique intelligent comprend une unité de déclenche- ment électronique ou un relais de protection. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le fait d'afficher des informations indiquant l'appari- tion dudit déclenchement imminent. 14. Dispositif électronique intelligent, caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur (32, 36) servant à détecter un signal électrique afin de fournir un signal mesuré représentatif d'une caractéristique électrique du signal électrique; et un dispositif de traitement (44) des signaux sensible audit si- gnal mesuré, et comportant de la mémoire (46, 48, 50) servant à stocker des signaux y compris des signaux de programme définissant un programme exécutable pour comparer une relation dudit signal me- suré et d'un seuil de déclenchement imminent pour détecter un déclen- chement imminent, ledit seuil de déclenchement imminent définissant ledit déclenchement imminent avant un déclenchement potentiel tel que défini par le seuil de déclenchement du dispositif électronique in- telligent, et générer un signal de déclenchement imminent lorsque ledit déclenchement imminent est détecté. 15. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend une relation dudit signal mesuré, dudit seuil de déclenchement imminent et du temps. 16. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend une relation d'un taux de variation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement immi- nent. 17. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite relation dudit signal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend une relation d'un taux de variation dudit signal mesuré, dudit seuil de déclenchement imminent et du temps. 18. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite comparaison de ladite relation dudit si- gnal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend les étapes consistant à: soustraire ledit signal mesuré du seuil de déclenchement pour définir une différence; diviser ladite différence par le seuil de déclenchement pour définir un quotient; comparer ledit quotient audit seuil de déclenchement immi- nent; et détecter ledit déclenchement imminent lorsque ledit quotient est supérieur ou égal audit seuil de déclenchement imminent. 19. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que le seuil de déclenchement est associé à ladite caractéristique électrique. 20. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que le seuil de déclenchement est associé au temps. 21. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite comparaison de ladite relation dudit si- gnal mesuré et dudit seuil de déclenchement imminent comprend les étapes consistant à: multiplier le seuil de déclenchement par ledit seuil de déclen- chement imminent pour définir un produit; comparer ledit produit avec ledit signal mesuré; et détecter ledit déclenchement imminent lorsque ledit signal mesuré est supérieur ou égal audit produit. 22. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite caractéristique électrique comprend le courant électrique. 23. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite caractéristique électrique comprend la tension électrique. 24. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits signaux de programme définissent le- dit programme exécutable pour déterminer à distance ledit seuil de dé- clenchement imminent. 25. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif électronique intelligent com- prend une unité de déclenchement électronique ou un relais de protec- tion. 26. Dispositif électronique intelligent selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'affichage (54) sensible audit signal de déclenchement imminent pour afficher des informations indiquant la détection dudit déclenchement imminent.