Brevet FR2975778A1 — publié le 20121130

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de puissance électrique et d'énergie électrique. Elle concerne plus particulièrement un wattmètre adapté à mesurer la puissance et l'énergie circulant sur plusieurs lignes simultanément. Préambule et art antérieur Les wattmètres existant sur le marché aujourd'hui sont généralement basés sur l'association d'un microcontrôleur ("MCU") et d'un module de mesure de l'énergie électrique pour une installation monophasé ou triphasé. Par conséquent, ces wattmètres ne permettent de mesurer au maximum qu'une seule ligne monophasée ou une seule triphasée, éventuellement trois lignes monophasées. Or la gestion fine des consommations électriques des bâtiments, liées à la prise en compte de considérations écologiques, amène à souhaiter disposer de mesures de puissance sur plusieurs lignes électriques simultanément. Exposé de l'invention L'invention vise sous un premier aspect un dispositif de mesure de puissance électrique et d'énergie électrique, adapté à mesurer la puissance et l'énergie circulant sur plusieurs lignes simultanément, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules analogiques de mesure, au moins deux de ces modules analogiques étant reliés à un même microcontrôleur MCU, lequel assure à la fois des fonctions de comptage énergétique, des fonctions spécifiques et la gestion d'un protocole de communication de type standard. Dans un mode préféré de réalisation, le dispositif comporte au moins trois modules analogiques reliés à un seul microcontrôleur MCU, permettant ainsi, par exemple avec 4 modules de mesurer simultanément quatre lignes triphasées ou douze lignes monophasées. Préférentiellement, chaque module analogique permet de connaître en un instant « t » les informations suivantes : - Puissance active et réactive sur chaque phase - Courant RMS sur chaque phase - Tension RMS sur chaque phase - Fréquence de la tension électrique de chaque phase - Déphasage tension / courant sur chaque phase. 2 Dans un mode préféré de réalisation, chaque module analogique est configurable pour pouvoir mesurer indépendamment des lignes monophasées (110Vac ou 22OVac) européen ou américain ou des lignes triphasées (220/38OVac). Le dispositif utilise avantageusement un réseau filaire avec un protocole de communication Modbus RTU. Selon divers mode de réalisation, éventuellement utilisés en conjonction : - le microcontrôleur est relié par un moyen de communication (de type filaire, hertzien ou autre) à un réseau de communication, et, par là, à une unité de centralisation de données. - le microcontrôleur MCU permet d'intégrer sur le temps la mesure instantanée donnée par les modules analogiques afin d'en déduire une énergie consommée sur chaque phase (énergie = somme des puissances instantanées). - le microcontrôleur MCU mémorise les consommations courantes sur détection d'une baisse de la tension d'alimentation du système. Le dispositif comporte avantageusement une carte électronique de communication sans fil, par exemple de type Zigbee. L'invention vise également un ensemble de dispositifs de mesure tels qu'exposé, dans lequel les dispositifs de mesure communiquent entre eux selon une topologie de type mesh. 25 Présentation des figures Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers d'un exemple non limitatif d'application. La description s'appuie sur les figures annexées dans lesquelles : 30 La figure 1 illustre de façon schématique une architecture conforme à l'invention, utilisant quatre modules analogiques de mesure, La figure 2a illustre un schéma de dispositif de mesure de courant triphasé à quatre fils en étoiles avec trois mesures de tension, et la figure 2b illustre le schéma des phases correspondant, 35 Les figures 3a et 3b illustrent de même un schéma de dispositif de mesure de courant triphasé à trois fils en triangle, et le schéma des phases correspondant,20 Les figures 4a et 4b illustrent de même un schéma de dispositif de mesure de courant triphasé à quatre fils en triangle, et le schéma des phases correspondant. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Le schéma de la fiqure 1 montre un exemple d'architecture utilisant quatre modules analogiques de mesure, permettant ainsi de mesurer au maximum quatre lignes triphasées ou douze lignes monophasées. Le dispositif de mesure de puissance 100 de la figure 1 comporte deux modules 101, 102 de mesure de puissance installé sur des lignes triphasées, un module 103 de mesure sur une installation triphasée avec des mesures de type monophasée et un module 104 de mesure installé sur une ligne monophasée. Il est clair que cette disposition n'est pas limitative et est donnée ici à titre d'exemple. Chacun de ces modules 101, 102, 103, 104 est du type module analogique de mesure, connu en soi. Chaque module analogique 101, 102, 103, 104 permet de connaître en un instant « t » les informations suivantes : - Puissance active et réactive sur chaque phase - Courant RMS sur chaque phase - Tension RMS sur chaque phase - Fréquence de la tension électrique de chaque phase - Déphasage tension / courant sur chaque phase. Chaque module analogique 101, 102, 103, 104 est configurable pour pouvoir mesurer indépendamment des lignes monophasées (11 OVac ou 22OVac) européen ou américain ou des lignes triphasées (220/38OVac). Ces modules analogiques 101, 102, 103, 104 sont reliés à un microcontrôleur MCU 105, lequel assure à la fois des fonctions de comptage énergétique, des fonctions spécifiques et la gestion d'un protocole de communication de type standard. Ces fonctions sont détaillées plus bas. Le microcontrôleur 105 est relié par un moyen de communication 106 (de type filaire, hertzien ou autre) à un réseau de communication, et, par là, à une unité de centralisation de données (non illustrée sur les figures). Dans le présent exemple, le dispositif de mesure de puissance 100 utilise un réseau filaire avec un protocole de communication Modbus RTU, ce qui en fait un équipement standard pouvant être intégré dans un système existant dans les bâtiments industriels ou tertiaires. 4 Le microcontrôleur MCU 105 permet d'intégrer sur le temps la mesure instantanée donnée par les modules analogiques afin d'en déduire une énergie consommée sur chaque phase (énergie = somme des puissances instantanées). Ce microcontrôleur 105 exécute également les opérations d'intégration de l'énergie pour l'ensemble des phases connectées. Cela permet une réduction de la nomenclature électronique et une réduction de l'encombrement. En ce qui concerne le déphasage tension / courant sur chaque phase, il est à noter que suivant les modules analogiques 101, 102, 103, 104 utilisés, ce calcul du déphasage phase par phase se fait dans le module analogique ou dans le microcontrôleur MCU 105. Par ailleurs, suivant les modules analogiques utilisés, l'intégration des mesures peut également se faire dans le module analogique ou dans le microcontrôleur MCU 105. Dans un mode de réalisation préféré, certains modules analogiques intègrent les mesures pour du courant triphasé, alors que c'est le microcontrôleur MCU 105 qui intègre les mesures phase par phase, pour avoir le détail de l'énergie sur chaque phase. Le dispositif de mesure de puissance 100 peut être monté dans un tableau électrique de type standard. Une fixation sur rail de type DIN est donc prévue. La largeur maximum du boîtier est, dans le présent exemple non limitatif, de 6UL standards (soit 107.6cm). Fonction de comptage énergétique Afin de s'adapter aux différentes configurations du réseau électrique au sein d'un bâtiment, différentes méthodes de mesure peuvent être utilisées pour réaliser la fonction de comptage énergétique. Ces méthodes sont listées dans les paragraphes suivants. La configuration de chacun des modules analogiques de mesure est réalisée par un sélecteur mécanique: Module Configuration du mode de fonctionnement 1 - Mono-Phase ou 3-Phase étoile 4 fils avec 3 mesures de tension - 3-Phase triangle 3 fils - 3-Phase triangle 4 fils 2 - Mono-Phase ou 3-Phase étoile 4 fils avec 3 mesures de tension - 3-Phase triangle 3 fils - 3-Phase triangle 4 fils 3 - Mono-Phase ou 3-Phase étoile 4 fils avec 3 mesures de tension - 3-Phase triangle 3 fils - 3-Phase triangle 4 fils 4 - Mono-Phase ou 3-Phase étoile 4 fils avec 3 mesures de tension - 3-Phase triangle 3 fils - 3-Phase triangle 4 fils En fonctionnement monophasé, toutes les lignes peuvent être utilisées pour mesurer des consommations électriques indépendamment. En fonctionnement triphasé, le module de comptage permet la mesure selon les trois configurations possibles décrites dans les figures 2 à 4. Pour permettre une installation simplifiée du dispositif de mesure de puissance 100 dans un bâtiment, la mesure du courant est réalisée avec des transformateurs de courant de type ouvrant. Plusieurs types de transformateurs peuvent être montés sur un même dispositif de mesure de puissance 100. Les caractéristiques du transformateur (rapport de transformation) sont programmées via l'interface de communication dans le module analogique de mesure. Trois types de transformateurs sont prévus : - Mesure de 75A max - Mesure de 200A max - Mesure de 300A max D'autres transformateurs peuvent être utilisés, mais le dispositif de mesure de puissance 100 n'est pas pré-calibré pour d'autres calibres que ceux listés ci-dessus. Une calibration devra donc être réalisée si d'autres calibres sont utilisés. Le choix des transformateurs de courant est fait en prenant en compte l'encombrement de ces transformateurs. Fonctions spécifiques En plus des fonctionnalités déjà citées, le dispositif de mesure de puissance 100 : - Est autoalimenté, c'est-à-dire qu'il n'a pas besoin d'alimentation externe : il est alimenté à partir d'une des phases mesurées. - Dispose de protection contre les inversions de neutre / phase (en cas de branchement d'une phase sur l'entrée correspondant au neutre, ou vice versa). - Comporte un système de détection des inversions de phases (en cas de branchement de la phase A sur l'entrée correspondant à la phase B par exemple). - Comporte un système de détection des pertes de phase (en cas de coupure de courant sur l'une des phases mesurées ou de débranchement involontaire) - Mémorise sa configuration - Mémorise les consommations lors d'une perte de l'alimentation - Fournit une information visuelle minimaliste du fonctionnement par trois diodes électroluminescentes. Autres fonctions du microcontrôleur 105 Les consommations courantes sont mémorisées sur détection d'une baisse de la tension d'alimentation du système. Les données sauvegardées sont celles liées à l'énergie pour chacun des modules analogiques de mesure 101, 102, 103, 104: AKVAh Phase A Energie apparente BKVAh Phase B Energie apparente CKVAh Phase C Energie apparente AKWh Phase A Energie active BKWh Phase B Energie active CKWh Phase C Energie active SumKWh Somme de l'énergie active de la ligne connectée SumKVAh Somme de l'énergie apparente de la ligne connectée 7 Mode de fonctionnement - (En usine de préférence) En fonction des lignes électriques à mesurer, configurer le sélecteur mécanique de chacun des modules analogiques de mesure : o Mono-Phase ou 3-Phase étoile 4 fils avec 3 mesures de tension o 3-Phase triangle 3 fils o 3-Phase triangle 4 fils - (En usine de préférence) En fonction du calibre des lignes électriques à mesurer, configurer (via Modbus RTU) pour chacun des modules analogiques les calibres des Transformateurs de Courant - Monter le dispositif de mesure de puissance 100 sur rail DIN - Connecter les phases et les neutres (à repiquer directement sur les disjoncteurs dans le tableau électrique) sur chacune des entrées correspondantes du dispositif de mesure de puissance 100 - Connecter les transformateurs de courant sur chacune des entrées correspondantes du dispositif de mesure de puissance 100. Une fois connectés sur le wattmètre, fixer les transformateurs de courant via les tores ouvrants sur les lignes à mesurer - Vérifier qu'il n'y a pas inversion de phase ou de phase/neutre : les LEDs permettent de le visualiser instantanément - S'assurer que les mesures de tension et les mesures de courant se font bien sur les mêmes phases/lignes (mesure de la tension de la phase A de la ligne 1 sur l'entrée Tension 1A et mesure du courant via le TC de la phase A de la ligne 1 sur l'entrée Courant 1A, et ainsi de suite) - Connecter la liaison Modbus RTU 106 afin de pouvoir récupérer (depuis un PC par exemple) les valeurs mesurées dans les registres Modbus Avantages L'architecture décrite permet de réduire le ratio encombrement du dispositif de mesure de puissance 100 par rapport au nombre de lignes mesurées. En effet, au lieu d'utiliser un microcontrôleur MCU pour chaque module analogique, le dispositif de mesure de puissance 100 décrit ici à titre d'exemple nullement limitatif est basé sur un seul microcontrôleur 105, qui centralise toutes les mesures réalisées par les quatre modules analogiques 101, 102, 103, 104. Le wattmètre 100 tel qu'exposé permet alors la mesure de la consommation électrique monophasée ou triphasée dans des bâtiments industriel ou tertiaire. L'intérêt d'un dispositif de mesure de puissance 100 tel qu'exposé ci-dessus est de permettre la mesure de plusieurs lignes monophasées ou triphasées, avec un encombrement réduit. La miniaturisation du dispositif de mesure de puissance 100 prend tout son sens dans une logique de management énergétique où il va être nécessaire, afin de pouvoir faire un état des lieux clairs, de suivre au minimum une dizaine de lignes : de vraies problématiques de place et de complexité d'installation se posent. Enfin ce dispositif de mesure de puissance 100 est prévu pour s'intégrer dans un système de comptage des consommations énergétiques avec une visualisation déportée, les interfaces visuelles superflues sur le compteur lui-même sont ainsi réduites au maximum au profit d'un encombrement réduit du wattmètre. On comprend que le dispositif de mesure tel qu'exposé permet de gérer de nombreuses configurations, de type en étoile ou en triangle, avec un voltage ligne - neutre allant typiquement de 120 V AC à 350 V AC, un voltage ligne à ligne allant typiquement de 200 à 600 V AC, et tous types de services associés. Variantes La conception de ce dispositif de mesure de puissance 100 (électronique et mécanique) permet de faire évoluer ce système simplement. Il est ainsi possible de rajouter des cartes électroniques supplémentaires. Dans une première variante, on adjoint au dispositif de mesure de puissance 100 une carte électronique de communication de type Zigbee. Ainsi, il n'est plus nécessaire de passer par une liaison filaire de type Modbus pour récupérer les valeurs mesurées (même si l'option peut être conservée). Un ordinateur muni d'une clé USB Zigbee permet de récupérer à distance les valeurs mesurées. L'utilisation d'un wattmètre Zigbee rend de ce fait encore plus simple la mesure des consommations électriques, notamment dans les bâtiments existants où il est plus difficile de tirer des câbles. Dans une autre variante, des réseaux de wattmètres Zigbee peuvent être déployés: les wattmètres communiquent alors entre eux selon la topologie de type mesh. On rappelle ici que chaque élément d'un réseau mesh communique avec ses voisins les plus proches, l'information étant ainsi véhiculée d'un point A à un point B par bonds successifs, limitant ainsi la puissance de transmission et donc la puissance consommée. Une passerelle permet la conversion entre la flotte de wattmètres Zigbee et les protocoles de Gestion Technique du Bâtiment : Modbus RTU, mais aussi BACnet, KNX, ... REVENDICATIONS1. Dispositif (100) de mesure de puissance électrique et d'énergie électrique, adapté à mesurer la puissance et l'énergie circulant sur plusieurs lignes simultanément, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules analogiques de mesure (101, 102, 103, 104), au moins deux de ces modules analogiques étant reliés à un même microcontrôleur MCU (105), lequel assure à la fois des fonctions de comptage énergétique, des fonctions spécifiques et la gestion d'un protocole de communication. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois modules analogiques (101, 102, 103, 104), reliés à un seul microcontrôleur MCU (105). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que chaque module analogique (101, 102, 103, 104) permet de connaître en un instant « t » les informations suivantes : - Puissance active et réactive sur chaque phase - Courant RMS sur chaque phase - Tension RMS sur chaque phase - Fréquence de la tension électrique de chaque phase 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque module analogique (101, 102, 103, 104) est configurable pour pouvoir mesurer indépendamment des lignes monophasées (110Vac ou 220Vac) européen ou américain ou des lignes triphasées (220/380Vac). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le microcontrôleur (105) est relié par un moyen de communication (106) (de type filaire, hertzien ou autre) à un réseau de communication, et, par là, à une unité de centralisation de données. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il utilise un réseau filaire avec un protocole de communication Modbus RTU. 307. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le microcontrôleur MCU (105) comporte des moyens d'intégrer sur le temps la mesure instantanée donnée par les modules analogiques afin d'en déduire une énergie consommée sur chaque phase (énergie = somme des puissances instantanées). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le microcontrôleur MCU (105) mémorise les consommations courantes sur détection d'une baisse de la tension d'alimentation du système. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une carte électronique de communication sans fil. 10. Ensemble de dispositifs de mesure (100) selon la revendication 9, 15 caractérisé en ce que les dispositifs de mesure (100) communiquent entre eux selon une topologie de type mesh.10