Brevet FR2907910A1 — publié le 20080502

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ANALYSE DE RESEAUX DE CABLES ELECTRIQUES PAR SEQUENCES PSEUDO-ALEATOIRES L'invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse de câbles électriques en réseau, pour la détection, la caractérisation et la localisation de défauts dans les câbles de ce réseau. Les câbles électriques concernés peuvent être des câbles de transmission d'énergie ou des câbles de communication, dans des installations fixes (réseau de distribution, réseau de communication intérieur ou extérieur) ou mobiles (réseau d'énergie ou de communication dans un avion, un bateau, une automobile, etc.). Les câbles peuvent être quelconques : coaxiaux ou bifilaires, en lignes parallèles ou en paires io torsadées, blindés ou non, etc., pourvu que la vitesse de propagation des signaux dans ces câbles puisse être connue. Ces réseaux peuvent être organisés selon différentes topologies connues : en bus, arbre, maillé, en anneau, étoile, linéaire, ou mixtes de ces différentes topologies. Les défauts concernés sont des défauts pouvant affecter le 15 fonctionnement électrique des circuits dont les câbles font partie et pouvant avoir des conséquences parfois très critiques (pannes de systèmes électriques dans un avion par exemple), ou même des défauts pouvant directement engendrer des débuts d'incendie (court-circuits, arcs électriques en milieu sec ou en présence d'humidité, etc.). Il est important de pouvoir 20 détecter ces défauts pour y remédier à temps. On comprend que le problème de la détection des défauts est d'autant plus important que les réseaux de câbles électriques sont plus longs et plus complexes ou qu'ils sont plus difficiles d'accès (câbles enterrés par exemple). C'est pourquoi on a imaginé des systèmes de détection et de 25 localisation à distance, fonctionnant à partir d'une extrémité du câble. Les méthodes utilisées sont des méthodes dites de réflectométrie, dans lesquelles un signal injecté à une extrémité d'un câble se propage dans ce câble et une partie de l'amplitude du signal est réfléchie à l'endroit du défaut, en raison de la discontinuité d'impédance que le signal rencontre à cet 30 endroit. Si la vitesse de propagation des signaux dans le câble (liée à son impédance caractéristique) est connue, la mesure de la durée qui sépare l'onde émise de l'onde réfléchie donne une indication de la distance entre l'extrémité du câble et le défaut. 2907910 2 Dans les méthodes de réflectométrie temporelle (TDR pour "Time-Domain Reflectometry"), on injecte une onde électromagnétique dans le câble sous la forme d'une impulsion de tension, d'un échelon de tension, ou autre. L'onde réfléchie à l'endroit de la discontinuité d'impédance est 5 détectée à l'endroit de l'injection et on mesure l'écart temporel entre les fronts émis et reçus. La position du défaut est déterminée à partir de cet écart, et l'amplitude et la polarité de l'impulsion réfléchie donnent une indication du type de défaut (circuit ouvert, court-circuit, défaut résistif, ou autre). II existe aussi des méthodes de réflectométrie dans le domaine fréquentiel (FDR pour "Frequency Domain Reflectometry"), qui consistent à injecter à l'entrée du câble une sinusoïde wobulée en fréquence en continu ou par échelons et à mesurer l'écart de fréquence ou de phase entre l'onde émise et l'onde réfléchie. La demande de brevet publiée WO 02/068968 décrit une méthode de réflectométrie dans le domaine fréquentiel. Dans une variante appelée SWR pour "Standing Wave Reflectometry", on détecte les noeuds et ventres d'une onde stationnaire engendrée par la combinaison d'une onde incidente et de sa réflexion. Les méthodes de réflectométrie dans le domaine fréquentiel sont efficaces pour analyser un câble simple. Elles sont difficilement utilisables lorsque le câble comporte des dérivations. Les méthodes de réflectométrie dans le domaine temporel peuvent être utilisées même avec des dérivations mais l'analyse des signaux réfléchis est difficile en raison de la présence de réflexions multiples. On a également proposé, dans la demande de brevet publiée WO 2004/005947, une méthode à la fois temporelle et fréquentielle consistant à injecter un signal wobulé linéairement avec une enveloppe d'amplitude gaussienne. On a aussi proposé des méthodes de réflectométrie à étalement de spectre, dans l'article "Spread Spectrum Sensors for Critical Fault Location on Live Wire Networks" par Cynthia Furse et autres, dans Journal of Structural Control and Health Monitoring, Volume 12, Issue 3-4, 2005. On transmet un signal sous forme d'un code pseudo-aléatoire de bas niveau sur un réseau, même lorsqu'il est en service ; ce signal et son écho réfléchi par le défaut éventuel sont corrélés avec des décalages temporels variables 2907910 3 pour établir une courbe de corrélation en fonction du temps. Cette courbe présente des pics de corrélation à des décalages temporels liés à la position des défauts et des jonctions et/ou dérivations du réseau. Ce système est particulièrement adapté à la détection de défauts intermittents car il peut 5 fonctionner même alors que le réseau est utilisé ; or, les défauts intermittents peuvent très bien ne se produire que lorsque le réseau est en service et disparaître lorsqu'il ne l'est plus (par exemple un défaut qui se produirait pendant qu'un avion vole mais qui disparaîtrait au sol). Cette méthode peut être utilisée pour des câbles comportant des dérivations, mais elle conserve des ambiguïtés : on ne sait pas dire sur quelle branche se situe un défaut détecté. Le brevet US 5 369 366 décrit une telle méthode. L'article de Eiji Nishiyama et Kenshi Kuwanami dans la revue IEEE 2002 0-7803-7525- 4/02 pp 465 à 468 décrit brièvement une méthode utilisant l'injection de séquences pseudo-aléatoires en un ou plusieurs points 15 d'un réseau linéaire simple en boucle fermée. Une méthode similaire mais utilisant tout simplement les signaux ou le bruit naturel circulant dans le câble, et non pas un code pseudoaléatoire injecté à l'entrée du câble, a été proposée dans l'article de Chet Lo et Cynthia Furse "Noise-Domain Reflectometry for Locating Wiring Faults" 20 publié dans IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol 47 N 1 Février 2005. Des pics de forte corrélation sont détectés dans un processus de corrélation du signal avec lui-même. Cette méthode souffre du même défaut que la précédente, c'est-à-dire qu'elle ne permet pas facilement de lever les ambiguïtés de position lorsqu'il y a plusieurs branches. 25 L'invention a pour but d'aider à lever les ambiguïtés de détermination de position de défauts des méthodes antérieures, notamment dans les câbles présentant une structure en T (également appelée structure en Y), c'est-à-dire comportant au moins une dérivation. Pour y parvenir, l'invention propose un procédé de test d'un 30 réseau de câbles comportant au moins une jonction d'où partent N tronçons secondaires (N supérieur ou égal à 2), le procédé comprenant les opérations suivantes : - injecter dans le réseau, en plusieurs points d'injection Ei, des séquences pseudo-aléatoires de signaux numériques PNi(t), 2907910 4 - recueillir, en un ou plusieurs points d'observation Sj, des signaux temporels composites Rj(t) engendrés par la propagation des séquences émises et leurs réflexions dans les discontinuités d'impédance du réseau, - calculer une fonction de corrélation Kij(t), en chacun des points 5 d'observation Sj et pour chaque point d'injection Ei, cette fonction représentant, en fonction d'un retard variable i, une valeur de corrélation temporelle entre d'une part le signal composite Rj(t) présent en ce point d'observation et d'autre part des séquences pseudo-aléatoires PNi(t-t) identiques aux séquences PNi(t) qui sont injectées aux différents points 10 mais retardées du retard variable 'r, -rechercher des valeurs caractéristiques de 'r pour lesquelles la courbe de corrélation Kij(r) présente un pic, - déterminer les positions de défauts du câble en fonction des valeurs caractéristiques trouvées pour chaque corrélation Kij(r), 15 - les séquences pseudo-aléatoires injectées aux différents points étant non corrélées entre elles. Ainsi, au lieu d'injecter une même séquence en plusieurs points du réseau, on injecte des séquences différentes et non corrélées entre elles. 20 Par séquences non corrélées, on entend des séquences soit complètement dé-corrélées, soit peu corrélées, c'est-à-dire que leur inter-corrélation en fonction d'un retard 'r ne produit pas de pic de corrélation significatif d'amplitude comparable au pic d'auto-corrélation d'une séquence avec elle-même. En d'autres mots la corrélation de deux séquences peu corrélées 25 produit essentiellement du bruit et non pas des pics de corrélation caractéristiques tels que ceux qui sont générés par une séquence et la réflexion de cette même séquence sur une discontinuité d'impédance du réseau. Les séquences peuvent être des séquences dites séquences 30 pseudo-aléatoires de type M, ou encore "séquences pseudo-aléatoires à longueur maximale" ; ce sont des séquences produites par une cascade de n registres à décalage avec un rebouclage de la cascade sur elle-même et des rebouclages intermédiaires à partir de la sortie de certains registres au milieu de la cascade (en anglais Linear Feedback Shift Register ou LFSR). 2907910 5 La faible corrélation peut être obtenue notamment en établissant des séquences numériques pseudo-aléatoires de longueur différente (établies par des générateurs ayant des nombres de registres différents), ou des séquences ayant des débits binaires suffisamment différents, dont le 5 rapport n'est pas un entier et est de préférence - un nombre irrationnel, - ou à la rigueur une fraction rationnelle de nombres entiers. Les séquences peuvent aussi être dé-corrélées par nature en choisissant des séquences pseudo-aléatoires orthogonales, tels que des 10 codes utilisés pour la séparation des canaux de satellites de GPS ou pour la séparation de canaux de télécommunications par étalement de spectre (codes de Gold par exemple). Des séquences pseudo-aléatoires peuvent être générées à partir de polynômes caractéristiques de degré n (n étant égal au nombre de 15 registre du LFSR). Pour en exploiter au mieux les capacités et générer des séquences de longueur maximale, le polynôme caractéristique devra être irréductible et dans ce cas la période du LFSR sera égale à TO = 2n û 1 (exprimé en nombres de bits de la séquence). Pour une longueur de séquence donnée et un débit donné, une faible corrélation peut être obtenue 20 en choisissant des polynômes caractéristiques différents. En pratique, un nombre n minimum de registres est requis pour que les polynômes soient dé-corrélés entre eux. Par exemple si : - n = 4 il n'existe que deux polynômes caractéristiques primitifs, et ils ne sont pas suffisamment dé-corrélés entre eux ; 25 - n = 6 : il existe 6 polynômes caractéristiques primitifs ; - à partir de n = 8 les polynômes caractéristiques sont de longueur suffisante pour être tous dé-corrélés entre eux ; Un critère pour évaluer si deux séquences sont suffisamment dé-corrélées entre elles est de mesurer si leur ratio d'inter-corrélation (niveau du 3o pic maximal d'inter-corrélation entre deux séquences différentes/niveau du pic maximal d'auto-corrélation de la même séquence) est inférieur typiquement à 5 à 10 % : [Maxlntercorrélation-Minlntercorrélation]/[MaxAutocorrélation] REVENDICATIONS 1. Procédé de test d'un réseau de câbles comportant au moins une jonction d'où partent N tronçons secondaires (N supérieur ou égal à 2), le procédé comprenant les opérations suivantes : - injecter dans le réseau, en plusieurs points d'injection Ei, des 5 séquences pseudo-aléatoires de signaux numériques PNi(t), - recueillir, en un ou plusieurs points d'observation Sj, des signaux temporels composites Rj(t) engendrés par la circulation des séquences émises et leurs réflexions dans les discontinuités d'impédance du réseau, - calculer une fonction de corrélation Kij(t), en chacun des points 10 d'observation Sj et pour chaque point d'injection Ei, cette fonction représentant, en fonction d'un retard variable i, une valeur de corrélation temporelle entre d'une part le signal composite Rj(t) présent en ce point d'observation et d'autre part des séquences pseudo-aléatoires PNi(t-i) identiques aux séquences PNi(t) qui sont injectées aux différents points 15 mais retardées du retard variable 'r, - rechercher des valeurs caractéristiques de 'r pour lesquelles la courbe de corrélation Kij(t) présente un pic, - déterminer les positions de défauts du câble en fonction des valeurs caractéristiques trouvées pour chaque corrélation Kij(t), 20 - les séquences pseudo-aléatoires injectées aux différents points étant non corrélées entre elles. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les séquences sont des séquences dites "à longueur maximale" ou séquences 25 M produites par une cascade de n registres à décalage avec des rebouclages. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les séquences pseudo-aléatoires ont des débits binaires différents. 30 2907910 20 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport des débits binaires entre deux séquences pseudo-aléatoires est un nombre irrationnel, ou une fraction rationnelle de nombres entiers. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les séquences pseudo-aléatoires ont des longueurs, en nombre de bits, différentes. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les séquences pseudo-aléatoires sont des séquences orthogonales entre elles, présentant par nature une inter-corrélation mutuelle pratiquement nulle quel que soit leur décalage temporel. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque 15 séquence pseudo-aléatoire correspond à un polynôme caractéristique primitif de degré n. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ratio d'inter-corrélation entre deux séquences est inférieur à 10 % : 20 (Maxlntercorrélation-Minlntercorrélation)/(MaxAutocorrélation) 9. Dispositif de test d'un réseau de câbles comportant au moins une jonction d'où partent N tronçons secondaires (N supérieur ou égal à 2), caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux sources de séquences 25 pseudo-aléatoires de signaux numériques non corrélées entre elles et aptes à être raccordées en deux points d'un réseau à tester, des moyens de synchronisation des sources entre elles, un dispositif de détection du signal composite présent en au moins un point du réseau, et des moyens de calcul de la fonction de corrélation entre ce signal et chacune des séquences 30 pseudo-aléatoires retardées d'un retard variable (ti).