Brevet FR3001589A1 — publié le 20140801

DISPOSITIF ET PROCEDE D'ACQUISITION D'ETAT D'EQUIPEMENT DANS UN SYSTEME DE PROTECTION ELECTRIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale les systèmes de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie. Elle concerne plus particulièrement l'acquisition d'état pour contrôler l'état d'équipements faisant partie de ces systèmes, par exemple des relais, des disjoncteurs, des interrupteurs, des sectionneurs et des équipements de protection similaires. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Il est connu qu'un équipement tel qu'un relai de protection par exemple comporte un circuit pour surveiller un circuit d'un système de puissance, pour décider quand activer un disjoncteur de ce circuit. Le contact de sortie du relai de protection peut soit être utilisé pour piloter directement la bobine de déclenchement du disjoncteur, soit être utilisé pour signaler à un autre relai de protection qu'il a détecté un événement, par l'intermédiaire d'un dispositif d'acquisition d'état. Le dispositif d'acquisition d'état peut être intégré au circuit de relai de protection ou associé à celui-ci. Le dispositif d'acquisition d'état permet l'interaction un ou plusieurs relai(s) de protection et d'autres équipements extérieurs. Le dispositif d'acquisition d'état possède deux états prédéfinis : un état signifie « signal valide» lorsque la tension présente à son interface d'entrée est supérieure à un seuil prédéfini. L'autre état signifie « pas de signal » lorsque la tension présente à son interface d'entrée est inférieure au seuil prédéfini. Bien entendu, un dispositif d'acquisition d'état peut surveiller l'état de la sortie d'autres équipements qu'un relai. Un dispositif d'acquisition d'état peut être incorporé dans tout système de commande ou de surveillance ou dans toute application où soit une surveillance de défaut soit une surveillance d'état est nécessaire. Un dispositif d'acquisition d'état doit consommer le moins possible de puissance, notamment parce que ce type de dispositif est souvent installé dans des boîtiers fermés et non-ventilés. La dissipation de puissance est alors problématique, et ce d'autant plus pour des hautes tensions. Le document EP 1130738 divulgue un dispositif d'acquisition d'état qui met en oeuvre une modulation de largeur d'impulsion dite PWM (d'après l'anglais Pulse Widh Modulation). Ce système est perfectible car il nécessite des composants précis, à tolérance réduite et par conséquent couteux. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un dispositif d'acquisition d'état pour contrôler l'état d'au moins un équipement dans un système de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie, caractérisé en ce que le dispositif comporte : Des moyens de conversion aptes à recevoir un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif et convertir le signal d'entrée en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, et Des moyens de comparaison aptes à comparer la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et produire un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. Grâce à l'invention, le dispositif d'acquisition d'état s'adapte à une plage de tension comme signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif. En outre, le fait de convertir le signal d'entrée en un signal synchrone implique que les changements de valeurs se produisent à des instants déterminés par une horloge. Tout autre changement de valeur survenant en dehors des instants déterminés par l'horloge est le résultat d'une perturbation et est automatiquement écarté. Le dispositif est donc peu sensible aux perturbations et il est par conséquent possible de mettre en oeuvre le dispositif avec des composants moins couteux que selon la technique antérieure. Selon une caractéristique préférée, les moyens de conversion mettent en oeuvre un modulateur sigma-delta. Ce composant permet d'obtenir un signal modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée. Selon une caractéristique préférée, le dispositif comporte en outre un circuit de programmation de la consommation de courant adapté à recevoir une consigne véhiculée par un signal d'horloge. Ce signal d'horloge est le signal de synchronisation des moyens de conversion. Il est possible de programmer le courant de manière dynamique et de limiter la consommation de courant et donc l'énergie dissipée. Selon une caractéristique préférée, la valeur de référence est programmable. Ainsi il est possible de choisir le seuil de comparaison qui détermine un état valide et un état non valide. Selon une caractéristique préférée, les moyens de comparaison comportent des moyens de détermination de la valeur moyenne du signal modulé. Cette valeur moyenne est comparée à a valeur de référence. L'invention concerne aussi un système de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie, le système comportant un dispositif d'acquisition d'état connecté pour contrôler l'état d'au moins un équipement dans le système, caractérisé en ce que le dispositif comporte : Des moyens de conversion aptes à recevoir un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif et convertir le signal d'entrée en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, et Des moyens de comparaison aptes à comparer la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et produire un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. L'invention concerne encore un procédé d'acquisition d'état pour contrôler l'état d'au moins un équipement dans un système de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte : Une étape de conversion d'un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, et Une étape de comparaison de la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et de production d'un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. Le système et le procédé comportent des avantages analogues à ceux précédemment présentés. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles : La figure 1 représente un circuit de protection incluant un relai de protection équipé d'un dispositif d'acquisition d'état selon la présente invention, La figure 2 représente un dispositif d'acquisition d'état selon la présente invention, La figure 3 représente un circuit de conversion inclus dans le dispositif d'acquisition d'état selon la présente invention, La figure 4 représente un circuit de comparaison inclus dans le dispositif d'acquisition d'état selon la présente invention, et La figure 5 représente un procédé d'acquisition d'état selon la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Selon un mode de réalisation préféré décrit en référence à la figure 1, une section de ligne électrique 1 est protégée par un système de protection qui comporte des relais de protection 2 et 3 et un équipement de surveillance et de commande externe 4. Les relais de protection 2 et 3 sont connectés à la ligne 1 par le biais d'un transformateur 18, de manière à acquérir des informations analogiques sur l'état de la ligne. Le relai de protection 3 est utilisé pour modifier le fonctionnement du relai de protection 2. Pour cela, une sortie 9 du relai de protection 3 est reliée à une entrée d'un dispositif d'acquisition d'état 100 selon l'invention, intégré ou associé au relai de protection 2. Le dispositif d'acquisition d'état 100 sera détaillé dans la suite. Le système de protection est alimenté par une batterie 8 de manière à sécuriser l'alimentation du système de protection. Le relai de protection 3 comporte un circuit de pilotage 14 dont une entrée reçoit une information sur l'état de la ligne 1 et dont une sortie est reliée à un contact 10. Le contact 10 est piloté par le circuit 14 pour que le dispositif d'acquisition d'état 100 du relai de protection 2 soit alimenté par la batterie 8 lorsque le contact 10 est fermé. Le relai de protection 2 utilise l'information ainsi transmise par le relai 3 en conjonction avec les données fournies par son propre circuit de pilotage 16 pour déterminer une action à entreprendre. Une sortie du circuit de pilotage 16 est reliée à un contact 12 dont la sortie 5 est elle-même reliée à un circuit de déclenchement 6. Le circuit de déclenchement 6 commande le fonctionnement d'un disjoncteur 7 connecté en série avec la ligne à protéger 1, pour en contrôler le courant. L'équipement de surveillance et de commande externe 4 est un contact provenant d'un équipement extérieur, non représenté. La figure 2 représente le dispositif d'acquisition d'état 100 selon la présente invention. Le dispositif d'acquisition d'état 100 comporte un circuit de conversion 101 dont l'entrée est reliée à la sortie 9 du relai de protection 3. Le circuit de conversion 101 reçoit un signal d'entrée qui est la tension fournie par la batterie 8. Le circuit de conversion 101 convertit le signal d'entrée en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée. Le circuit de conversion 101 est détaillé dans la suite. Une sortie du circuit de conversion 101 est reliée à une entrée d'un isolateur 102 dont une sortie est reliée à une entrée d'un circuit de comparaison 103. L'isolateur 102 procure une isolation électrique entre le circuit de conversion 101 et le circuit de comparaison 103. Le circuit de conversion 101 fournit le signal numérique modulé synchrone qu'il produit au circuit de comparaison 103. Le circuit de comparaison 103 détermine la valeur moyenne du signal modulé puis la compare avec une valeur de référence. Le circuit de comparaison produit un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. La figure 3 représente le circuit de conversion 101 inclus dans le dispositif d'acquisition d'état selon la présente invention. Le circuit de conversion 101 comporte deux bornes d'entrées B1 et B2 recevant respectivement les tensions V+ et V- issues de la batterie 8, par l'intermédiaire du relai de protection 3. Un circuit de protection 110 est connecté entre les deux bornes d'entrée du circuit de conversion 101. Le circuit de protection comporte essentiellement une varistance. Un circuit diviseur de tension 111 est connecté entre les bornes d'entrée B1 et B2 du circuit de conversion 101. Le circuit 111 comporte des résistances 1111, 1113 et 1114 connectées en série entre les bornes d'entrée du circuit de conversion 101. Il comporte également une diode Zener 1115 connectée entre les résistances 1111 et 1113 et la borne d'entrée B2. Il comporte enfin un condensateur 1116 connecté en parallèle de la résistance 1114. Le circuit diviseur de tension 111 reçoit une tension d'entrée par exemple comprise entre 0 et 235 V et délivre une tension de sortie comprise entre 0 et 5 V, à une borne de sortie B3 située entre les résistances 1113 et 1114. La diode Zener 1115 permet d'éviter une saturation en entrée, tout en garantissant une plage de variation de tension minimale, par exemple de 0 à 200 V. Pour cela, la diode Zener devient conductrice avant la saturation du comparateur, mais pas avant que la tension n'atteigne une valeur minimale de 200V par exemple. En variante, la diode Zener 1115 et la résistance 1113 sont supprimées. Dans cette version simplifiée, il n'y a pas de composant pour empêcher la saturation du comparateur. Le circuit 111 ne comporte alors que les résistances 1111 et 1114 et le condensateur 1116. La borne de sortie B3 du circuit diviseur de tension 111 est reliée à une borne d'entrée d'un circuit 112 qui convertit la tension qu'il reçoit en entrée en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée. Le circuit 112 est mis en oeuvre par un modulateur sigma-delta. Plus précisément, le circuit de conversion 112 comporte un comparateur 1121 dont une première entrée est reliée à la borne B3 et reçoit la tension délivrée par le circuit diviseur de tension 111. Le comparateur 1121 comporte une sortie qui est relié à l'entrée d'une bascule D 1122. La sortie de la bascule D est reliée à l'isolateur 102 puis au circuit de comparaison 103. La sortie de la bascule D 1122 est également reliée à une boucle de retour comportant une résistance 1123 reliée en série à une seconde entrée du comparateur 1121. La boucle de retour comporte également un condensateur 1124 relié entre la seconde entrée du comparateur 1121 et la borne B2. Il est à noter que les circuits RC constitués des résistances 1111 à 1114 et du condensateur 1116 d'une part, et de la résistance 1123 et du condensateur 1124 d'autre part, ont la même constante de temps. La bascule D 1122 reçoit un signal d'horloge H généré par le circuit de comparaison 103 et transmis via l'isolateur 102. Le comparateur 1121 compare les deux signaux qu'il reçoit en entrée qui sont la tension délivrée par le circuit diviseur de tension 111 et le signal délivré par la boucle de retour précédemment décrite. Le comparateur 1121 fournit le résultat de la comparaison à l'entrée de la bascule D 1122 qui délivre en sortie un signal égal à celui d'entrée à chaque impulsion d'horloge, et un signal identique à celui de l'impulsion d'horloge précédente entre deux impulsions d'horloge. En d'autres termes, la sortie de la bascule D change d'état si les signaux qu'elle reçoit en entrée sont différents à une impulsion d'horloge, et garde sa valeur entre deux impulsions d'horloge. Un circuit 113 de programmation de la consommation de courant reçoit également en entrée le signal d'horloge H, qui est alors une consigne pour ce circuit. A partir de son entrée de réception du signal d'horloge, le circuit 113 comporte une résistance 1131 connectée à la base d'un transistor NPN 1132. Un condensateur 1134 est relié entre la base du transistor 1132 et la borne B2. Le collecteur du transistor NPN 1132 est alimenté par une tension de 5 V et l'émetteur du transistor NPN 1132 est relié à une résistance 1133 elle-même reliée à la borne B2. Le rapport cyclique du signal d'horloge varie typiquement entre 10% et 90%. Si le rapport cyclique du signal d'horloge est par exemple de 90%, alors la tension à la base du transistor NPN 1132 est d'environ 90% de 5 V, soit 4,5 V. Le transistor est alors passant et un courant parcourt la résistance 1133. Si le rapport cyclique du signal d'horloge est plus faible, alors la tension sur la base du transistor est également plus faible. Comme le transistor recopie la tension sur la résistance 1133, cela implique que le courant consommé diminue. La consommation de courant est quasi proportionnelle à la tension moyenne de l'horloge, donc à son rapport cyclique. Le signal d'horloge véhicule ainsi la fréquence nécessaire au modulateur synchrone et la consigne de consommation de courant. Pour un rapport cyclique donné, la consommation de courant dépend de la valeur de la résistance 1133. Lorsque le rapport cyclique de l'horloge est inférieur à 10% ou que celle- ci est arrêtée, la tension moyenne résultante sur la base du transistor 1132 est inférieure à son seuil de jonction, la tension appliquée aux bornes de la résistance 1133 est donc nulle et la consommation de courant minimale. Un circuit 114 d'alimentation est connecté entre les bornes B1 et B2 du circuit de conversion 101. Le circuit 114 génère une tension d'alimentation basse, par exemple 10 V, à partir de la tension d'entrée du circuit de conversion 101. Le circuit 114 comporte par exemple un transistor NMOS à déplétion qui permet une régulation linéaire de tension optimale avec une fuite de courant interne minimale. Un circuit d'alimentation 115 est connecté entre une sortie du circuit d'alimentation 114 et la borne B2. Le circuit 115 est un circuit régulateur qui fournit une tension d'alimentation de 5 V à partir de la tension fournie par le circuit 114. La tension d'alimentation de 5 V est appliquée au comparateur 1121, à la bascule D 1122, au transistor 1132 et à l'isolateur 102. Le circuit 115 fournit également une référence de tension pour la mesure. La figure 4 représente le circuit de comparaison 103. Celui-ci comporte une entrée reliée à la sortie de l'isolateur 102. A partir de cette entrée, le circuit 103 comporte un circuit de filtrage 1031 qui reçoit le signal numérique modulé synchrone fourni par le circuit de conversion 101. Le circuit de filtrage 1031 peut être implémenté de différentes façons. Il peut s'agir d'un filtre analogique « RC », ou encore d'un filtre numérique qui calcule une moyenne du signal numérique modulé synchrone. Il s'agit par exemple d'une moyenne glissante, calculée sur une fenêtre de par exemple 1 ms, qui fournit une valeur analogique. Le circuit de filtrage 1031 a une sortie reliée à une entrée d'un circuit de comparaison 1032. Le circuit de comparaison 1032 reçoit la valeur moyenne du signal numérique modulé synchrone et la compare à un seuil programmable. Le seuil programmable correspond par exemple à la moitié de la valeur du signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif. En résultat de la comparaison, le circuit de comparaison 1032 délivre un signal de sortie à deux états prédéfinis. Un état signifie « signal valide » lorsque la valeur moyenne du signal numérique modulé synchrone est supérieure au seuil programmable. L'autre état signifie « pas de signal » lorsque la valeur moyenne du signal numérique modulé synchrone est inférieure au seuil programmable. Le circuit 103 peut être implémenté de différentes façons. Il peut s'agir d'un filtre analogique « RC » relié à un comparateur, ou d'un processeur, ou encore d'un circuit logique programmable. Il délivre également le signal d'horloge H au circuit 101 via l'isolateur 102. En variante, le signal d'horloge est fourni par un circuit distinct du circuit 103. Le signal d'horloge a par exemple une fréquence de 500 kHz. La figure 5 représente le procédé d'acquisition d'état mis en oeuvre par le dispositif précédemment décrit. Le procédé comporte des étapes El à E3. L'étape El est la conversion d'un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée. L'étape El est suivie de l'étape E2 à laquelle la valeur moyenne du signal modulé est calculée. La valeur moyenne du signal modulé est calculée par exemple sur une fenêtre glissante de par exemple 1 ms. L'étape suivante E3 est la comparaison de la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et la production d'un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. Comme indiqué précédemment, la valeur de référence est un seuil programmable. Le résultat de la comparaison est un signal à deux états prédéfinis. REVENDICATIONS1. Dispositif d'acquisition d'état (100) pour contrôler l'état d'au moins un équipement dans un système de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie, caractérisé en ce que le dispositif comporte : Des moyens de conversion (101) aptes à recevoir un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif et convertir le signal d'entrée en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, et Des moyens de comparaison (103) aptes à comparer la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et produire un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de conversion mettent en oeuvre un modulateur sigma-delta (112). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit (113) de programmation de la consommation de courant adapté à recevoir une consigne véhiculée par un signal d'horloge (H). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la valeur de référence est programmable. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de comparaison (103) comportent des moyens (1031) de détermination de la valeur moyenne du signal modulé. 6. Système de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie, le système comportant un dispositifd'acquisition d'état (100) connecté pour contrôler l'état d'au moins un équipement dans le système, caractérisé en ce que le dispositif comporte : Des moyens de conversion (101) aptes à recevoir un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif et convertir le signal d'entrée en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, et Des moyens de comparaison (103) aptes à comparer la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et produire un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé. 7. Procédé d'acquisition d'état pour contrôler l'état d'au moins un équipement dans un système de protection et de commande pour la génération, la transmission et la distribution d'énergie, caractérisé en ce qu'il comporte : Une étape de conversion (El) d'un signal d'entrée représentatif de l'état du dispositif en un signal numérique modulé synchrone dont la valeur moyenne dans le temps est proportionnelle à l'amplitude du signal d'entrée, et Une étape de comparaison (E3) de la valeur moyenne du signal modulé avec une valeur de référence et de production d'un signal indicateur de l'état si le résultat de la comparaison correspond à un critère prédéterminé.20