Brevet FR2997765A1 — publié le 20140509

Procédé de détection automatique de l'ordre des phases d'un système de mesure triphasé Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de l'analyse de la consommation électrique d'un site résidentiel, tertiaire ou industriel non intrusive, c'est-à-dire ne nécessitant pas la mise en place de capteurs associés à chacun des équipements à superviser. Cette analyse permet notamment d'identifier les principaux leviers d'économie d'énergie. Pour l'application à l'analyse de la consommation sur un réseau triphasé, on capte pour chacune des phases et pour le neutre un signal de tension et un signal d'intensité. Pour cela, on dispose sur chaque phase un branchement pour un capteur de tension et un branchement pour un capteur d'intensité. Bien sûr, pour fournir une information utile, il est indispensable d'apparier le capteur de tension et le capteur d'intensité. Un tel appariement n'est pas toujours aisé, car les branchements peuvent être effectués à des points distants les uns des autres, sans repère visuel permettant d'associer physiquement pour une même phase, le branchement du capteur de tension et le branchement du capteur d'intensité. L'invention concerne un procédé de détection automatique de l'ordre des phases d'un système de mesure triphasé et plus précisément l'amélioration des équipements de mesure et d'analyse destinés à mesurer la consommation électrique à l'origine d'un réseau électrique triphasé basse tension. Cet équipement, équipé de capteurs adéquats, mesure à haute fréquence les signaux de tension et de courant transitant dans les câbles alimentant une installation électrique. Elle concerne plus généralement tout appareil de mesure de la consommation électrique nécessitant une détection de phases électriques. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique différentes solutions consistant à acquérir des informations sur les facteurs de forme du courant et/ou de la tension d'alimentation en amont du site et à déduire des informations sur la consommation individuelle de chacun des équipements électriques. Un des obstacles principaux lors de la mise en service d'un tel équipement de mesure est l'importance du bon positionnement des capteurs de courant, sensibles à la fois au sens et à la phase sur laquelle ils sont positionnés. En effet, au-delà de la mesure d'une valeur efficace (par définition, moyennée sur une période et toujours positive), il est nécessaire de connaître avec certitude l'ordre des phases et le déphasage de la forme d'onde du courant par rapport à la forme d'onde de la tension sur la même phase. Or, cela nécessite une attention particulière de la part de l'installateur qui doit faire en sorte : 1) que les capteurs de tension soient branchés dans 25 l'ordre des phases (déphasage croissant), 2) que les capteurs de courant soient placés sur les phases correspondant aux mesures de tension et 3) que les capteurs de courant soient positionnés dans le sens positif. 30 Le marquage aléatoire des câbles, la complexité des armoires et l'inattention des installateurs rendent très utile une technologie intelligente qui corrigerait automatiquement les erreurs de placement des capteurs. On connaît deux grandes familles de dispositifs ayant parmi leurs objectifs la détection de l'ordre des phases sur un réseau électrique triphasé. La première famille s'attache à mesurer l'ordre des 5 phases des signaux de tension, de sorte de déterminer l'ordre direct qui, par exemple, impacte sur le sens de rotation des moteurs électriques triphasés. On connaît notamment le brevet français FR2549608 concernant un dispositif d'indication de l'ordre des phases et 10 son application aux phasemètres. Ce dispositif comporte un circuit à asservissement de phase produisant un signal synchrone de l'un des signaux périodiques et des signaux de fréquence multiple, un circuit de détection de passage à zéro du second signal périodique et un circuit logique définissant 15 des plages de déphasage repérées par rapport au premier signal et identifiant la plage qui coïncide avec le passage à zéro du second signal. Ce dispositif utilise un circuit électronique pour déterminer l'ordre des phases (tension). Un dérivé de cette 20 méthode associe à la détection de l'ordre des phases un asservissement ayant pour but de rétablir l'ordre si celui-ci est considéré comme erroné. On connaît également le brevet américain US4021704 décrivant un système de correction de la séquence de phases. 25 Ce document décrit un procédé de mesure et de rétablissement de l'ordre des phases (tension) grâce à une logique de contrôle. La seconde famille cherche à prendre en compte d'une part, l'ordre des phases des signaux de tension, et 30 d'autre part, la bonne association des signaux de courant par rapport aux signaux de tension correspondants. La demande de brevet américain US20080036446 décrit un équipement pour la vérification de la phase d'un courant électrique par un jeu de diodes électroluminescente pour indiquer si certains capteurs ne sont pas branchés dans le bon ordre (hypothèses : PF > 0.5 & non capacitive). Solution apportée par l'invention Le dispositif présenté consiste en une association de trois voies de mesure de la tension électrique présente entre chacune des trois phases d'un réseau électrique triphasé et éventuellement le conducteur de neutre, et au minimum trois capteurs de courant sensibles au sens du courant qu'ils mesurent. Le procédé mis en oeuvre consiste à déterminer a posteriori la position des capteurs de tension et des capteurs de courant afin de déduire avec précision les grandeurs électriques dérivées (puissances, etc.) et procéder à d'éventuelles analyses sur les formes d'onde acquises. Dans un premier temps, les capteurs de tension doivent être ordonnés de telle sorte que le déphasage des formes d'onde de tension soit environ égal à +120° entre chaque phase. Si les capteurs de tension ne sont pas positionnés correctement, alors un déphasage de -120° apparaîtrait entre deux capteurs successifs. Leur inversion résout le problème. Dans un second temps, les capteurs de tension ordonnés servent de référence. Il importe d'associer chaque capteur de courant à un capteur de tension, en veillant à ce que son sens soit correct. Cette association n'est pas déterministe, car il y a plusieurs associations possibles pour respecter les lois de la physique qui imposent un déphasage courant / tension compris entre -90° et +90°. Une méthode d'aide à la décision probabiliste est employée pour déterminer la position des capteurs en définissant une loi de probabilité de référence puis en sélectionnant l'association réputée la plus probable vis-à-vis de cette loi. L'invention concerne selon son acception la plus générale un système d'analyse de réseau triphasé comportant la consommation électrique une série de capteurs de d'un ainsi que des des couples de des phases, tension et une série de capteurs d'intensité, moyens pour traiter les informations provenant capteur de tension et d'intensité sur chacune caractérisé capteurs de lesdits moyens pour traiter les informations. en ce qu'il comporte des moyens d'appariement des tension et des capteurs d'intensité et commandant Avantageusement, lesdits moyens d'appariement comportent des moyens de détermination de l'ordre des phases électriques acquises par chacun des capteurs de tension, pour calculer trois références de phase, ainsi que de moyens de détermination de l'ordre des phases électriques acquises par chacun des capteurs d'intensité, pour apparier chacun des capteurs d'intensité au capteur de tension par détermination de la phase « courant » la plus proche d'une desdites trois références. L'invention concerne également un procédé d'analyse de la consommation électrique d'un réseau triphasé consistant à acquérir trois signaux de tension délivrés par une série de capteurs de tension et trois signaux de tension délivrés par une série de capteurs d'intensité caractérisé en ce qu'il comporte une étape initiale d'appariement desdits signaux de tension et desdits signaux d'intensité pour fournir pour chacune des phases un couple de signaux tension et intensité. Avantageusement, ladite étape d'appariement consiste à associer un signal tension et un signal courant en fonction de la minoration de l'écart de phase. De préférence, ladite étape d'appariement comporte une première étape d'identification du capteur de tension positionné sur le câble du neutre en fonction de la minoration des mesures de tension mesurée entre chacun des câbles. Selon une variante, ladite étape d'appariement comporte une étape d'ordonnancement des voies de mesure en 5 tension en fonction d'un déphasage successif d'environ 120°. De préférence, ladite étape d'appariement comporte une étape d'identification du sens du capteur d'intensité positionné sur le câble du neutre en fonction d'une sommation des vecteurs représentatifs des vecteurs représentatifs des 10 trois autres signaux d'intensité et par sélection du sens le plus proche de la valeur ainsi calculée. Avantageusement, ladite étape d'appariement comporte une autre étape d'ordonnancement des voies de mesure en courant par un calcul de l'ensemble des associations 15 possibles des voies de mesures des intensités avec les voies de mesure des tensions, et par détermination des associations les plus probables. Description détaillée d'un mode de réalisation 20 non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation où : 25 - la figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif selon l'invention - la figure 2 représente le schéma de phase - la figure 3 représente les décalages de phase pouvant être rencontrés. 30 De manière générale, la présente invention suppose un dispositif électronique de mesure de la consommation électrique compatible avec un réseau triphasé. Ce dispositif est composé, a minima, de trois capteurs de courant (1 à 3) permettant de mesurer ou calculer le déphasage entre une forme d'onde d'intensité et une forme d'onde de courant. De manière facultative, un quatrième capteur de courant (4) peut être utilisé pour mesurer le courant de neutre. Ledit dispositif embarque également quatre sondes de tension (5 à 8) connectées au fil de neutre, d'une part, et aux fils de phase, d'autre part, du réseau électrique instrumenté. Ils permettent de mesurer ou calculer le déphasage entre une forme d'onde d'intensité et une forme d'onde de courant. Ce dispositif embarque également un système de traitement numérique dédié à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-après. Dans un mode d'utilisation du dispositif, les quatre sondes de tension (1 à 4) sont connectées aux quatre fils électriques constituant le neutre et les trois phases d'un réseau électrique triphasé. La position relative de chaque sonde n'a pas d'importance. Par ailleurs, trois capteurs de courant (5 à 8) sont positionnés sur les trois fils constituant les trois phases du même réseau électrique triphasé. La position relative de chaque sonde et leur sens n'a pas d'importance. Ainsi, le dispositif acquiert les signaux de courant et de tension en un point d'un réseau électrique triphasé et est capable de tracer l'évolution temporelle de chaque signal au sein même d'une période, décrivant ainsi leurs formes d'onde. Dans un premier temps, le dispositif détermine la position de la sonde de mesure de la tension de neutre. Pour ce faire, la règle des tensions simples et composées est appliquée. Chaque sonde de tension permet fondamentalement de déterminer le potentiel électrique du point auquel elle est raccordée. Or, sur un réseau électrique triphasé classique, la tension entre deux sondes, c'est-à-dire la différence des potentiels mesurée, peut prendre deux niveaux : soit la tension composée qui correspond à la tension entre phases, soit la tension simple qui correspond à la tension entre une phase et le neutre. Cette dernière est la plus faible des deux et vaut 230 V environ en France. La détermination de la sonde de neutre se fait en calculant les tensions entre chaque sonde et en sélectionnant celle qui présente trois valeurs faibles par rapport aux autres. On suppose ici que la sonde de tension de neutre 10 est correctement attribuée. Dans un deuxième temps, le dispositif détermine l'ordre des sondes de mesure de tension par l'intermédiaire d'un circuit de mesure de tension (10). Par construction, chaque signal de tension doit être déphasé des deux autres 15 d'un angle de 120° environ. Or, pour déterminer un ordre des phases correct, les sondes doivent être lues dans le bon ordre correspondant au sens trigonométrique direct. En pratique, il s'agit de déterminer l'ordre du passage ascendant par zéro de chaque tension simple mesurée. Si l'ordre est respecté, aucune 20 modification n'est apportée. Si l'ordre n'est pas respecté pour deux des sondes, l'ordre de ces dernières est inversé numériquement. On suppose ici que l'ordre des sondes de mesure de tension (1 à 4) est correctement attribué. 25 Dans un troisième temps, un procédé employant une méthode d'aide à la décision probabiliste est utilisé pour déterminer la bonne association d'un capteur de courant (5 à 8) avec la sonde de tension positionnée sur le même câble, ainsi que son sens. 30 Si aucun soin n'est apporté au positionnement des capteurs de courant, il existe au total 6 x 4 x 2 = 48 associations tension/courant différentes possibles. En fonction du déphasage réel des signaux de courant par rapport aux signaux de tension, au moins six de ces associations sont physiquement correctes, c'est-à-dire mènent à un déphasage compris entre -900 et +90° pour chacune des trois phases. Pour déterminer l'association réelle, on calcule la probabilité de chacune des 48 associations. Dans l'état initial, c'est-à-dire considérant les sondes de tension (1 à 4) bien ordonnées et les capteurs de courant (5 à 8) placés aléatoirement et associées à un circuit de mesure de courant (11), on calcule les déphasages de chaque signal de courant par rapport au signal de tension auquel il est associé. On 10 obtient ainsi une suite de trois valeurs réelles. Puis, à partir de ces trois valeurs calculées, on simule ce que seraient les déphasages si l'on effectuait l'ensemble des associations possibles en permutant successivement des capteurs ou bien en inversant leur sens. On 15 obtient ainsi une séquence de quarante-huit triplets. Ensuite, le dispositif de traitement numérique calcule la probabilité d'apparition de chacun de ces triplets, c'est-à-dire sa vraisemblance physique. Cette probabilité est préalablement calculée sur la base de données expérimentales 20 dont découle une répartition de référence des déphasages, dénotant par exemple que de forts déphasages sont moins fréquents que de faibles déphasages, ou bien que les charges inductives sont plus répandues que les charges capacitives. Dans un mode de réalisation, il est également 25 possible de ne calculer que les 18 déphasages correspondant à l'association de chacun des trois capteurs à chacune des phases, inversée et non inversée (3 x 3 x 2 = 18). Ensuite, une probabilité est associée à chaque déphasage suivant la même loi que précédemment. Les associations capteur-phase de 30 probabilités nulles sont immédiatement écartées. Symétriquement, les associations dont la probabilité est bien supérieure (un écart ou un ratio minimum peut par exemple être défini) à toutes les probabilités impliquant soit le même capteur, soit la même phase (inversées ou non inversée), sont immédiatement retenues. Enfin, s'il reste des incertitudes, la probabilité de chacune des combinaisons d'associations non encore déterminées est calculée. Enfin, la combinaison de probabilité la plus élevée est retenue. Puis, les associations simulées mais impossibles physiquement, c'est-à-dire présentant un ou plusieurs déphasages hors de l'intervalle [-900 ; +900], sont écartées. Enfin, l'association dont la probabilité est la plus importante est retenue et le système de traitement numérique effectue de manière permanente les permutations nécessaires pour offrir à la suite de la chaîne de traitement des signaux de courant bien ordonnés. Dans un mode de réalisation, une ultime vérification est entreprise pour écarter toute hésitation quant à la certitude du résultat obtenu. La différence entre les probabilités de premier et de second rang est calculée et comparée à une valeur de référence afin de valider que l'association réputée la plus probable a été créditée de beaucoup plus de probabilité que la suivante. Dans le cas contraire, une observation à plus long terme peut être déclenchée. Dans un mode de réalisation, la vérification quant à la fiabilité pourra être complétée ou substituée par l'un des procédés suivants. Un indicateur de performance est constitué de la différence entre les probabilités calculées sur une phase donnée, pour chaque capteur et pour chaque sens. Un autre indicateur de performance est constitué de la différence entre les probabilités calculées pour un capteur donné, affecté à chacune des phases et pour chaque sens. Si le courant de neutre est mesuré par un quatrième capteur, ce dernier doit être placé sur le bon câble, car il ne peut pas être pris en compte par le procédé décrit ici. Dans un mode de réalisation, le sens du capteur de courant positionné de manière certaine sur le câble de neutre est déterminé en sommant les vecteurs représentant les trois courants dans le plan complexe. En effet, le neutre résulte de la somme vectorielle des trois courants des trois phases, si l'on exclut les pertes qui peuvent être présentes sur le réseau. Ainsi, le sens du capteur de neutre est celui qui présente l'écart le plus faible par rapport au calcul précédent.10 REVENDICATIONS1 - Système d'analyse de la consommation électrique 5 d'un réseau triphasé comportant une série de capteurs de tension et une série de capteurs d'intensité, ainsi que des moyens pour traiter les informations provenant des couples de capteur de tension et d'intensité sur chacune des phases, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'appariement des 10 capteurs de tension et des capteurs d'intensité commandant lesdits moyens pour traiter les informations. 2 - Système d'analyse selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens d'appariement comportent 15 des moyens de détermination de l'ordre des phases électriques acquises par chacun des capteurs de tension, pour calculer trois références de phase, ainsi que de moyens détermination de l'ordre des phases électriques acquises chacun des capteurs d'intensité, pour apparier chacun de par des 20 capteurs d'intensité au capteur de tension par détermination de la phase « courant » la plus proche d'une desdites trois références, au sens d'une loi de probabilité. 3 - Procédé d'analyse de la consommation électrique 25 d'un réseau triphasé consistant à acquérir trois signaux de tension délivrés par une série de capteurs de tension et trois signaux d'intensité délivrés par une série de capteurs d'intensité caractérisé en ce qu'il comporte une étape initiale d'appariement desdits signaux de tension et desdits 30 signaux d'intensité pour fournir pour chacune des phases un couple de signaux tension et intensité. 4 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un réseau triphasé selon la revendication précédente 35 caractérisé en ce que ladite étape d'appariement consiste àassocier un signal tension et un signal courant en fonction de la maximisation d'une valeur de vraisemblance. - Procédé d'analyse de la consommation électrique 5 d'un réseau triphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape d'appariement comporte une première étape d'identification du capteur de tension positionné sur le câble du neutre en fonction de la minoration des mesures de tension mesurée entre chacun des câbles. 6 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un réseau triphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape d'appariement comporte une étape d'ordonnancement des voies de mesure en tension en 15 fonction d'un déphasage successif d'environ 120°. 7 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un réseau triphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape d'appariement comporte une 20 étape d'identification du sens du capteur d'intensité positionné sur le câble du neutre en fonction d'une sommation des vecteurs représentatifs des trois autres signaux d'intensité et par sélection du sens le plus proche de la valeur ainsi calculée. 25 8 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un réseau triphasé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape d'appariement comporte une autre étape d'ordonnancement des voies de mesure en courant 30 par un calcul de l'ensemble des associations possibles des voies de mesures des intensités avec les voies de mesure des tensions, et par détermination des associations les plus probables.