Brevet FR2999034A1 — publié le 20140606

- 1 - Procédé de séparation de la consommation d'électricité d'une pluralité d'équipements électriques de même nature. 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. On connaît dans l'état de la technique des algorithmes capables de décomposer le signal caractéristique de la consommation électrique d'un bâtiment et ainsi déterminer la proportion relative de chaque type d'équipement parmi la consommation totale, avec un seul point de mesure. Cette technologie permet d'obtenir une décomposition basée sur des signatures, assimilées à des vecteurs caractéristiques, dépendant de la constitution électrique des appareils : association de résistances, inductances, capacités, éléments non linéaires, etc. Il est ainsi possible de connaître la répartition entre des moteurs de différents types, des alimentations à découpage, des résistances chauffantes, etc. Mais chacune de ces catégories peut rassembler des équipements de même nature électrique mais destinés à des usages très différents. Par exemple, un appareil « résistif », c'est-à-dire composé d'une simple résistance ohmique, peut très bien servir dans un convecteur individuel, un chauffe-eau, une CTA, en traçage électrique voire dans de l'éclairage halogène. Il convient donc d'utiliser une méthode basée sur d'autres paramètres que la constitution électrique pour différencier les différents usages d'un même type d'équipement. - 2 - Par ailleurs, un appareil complexe peut être constitué de plusieurs organes fonctionnant de manière indépendante. C'est le cas, par exemple, d'un ventiloconvecteur 2 fils 2 tubes, dont la ventilation est quasi- indépendante des résistances chauffantes. Il est utile de regrouper ces deux organes en un seul et unique équipement, en associant les variations synchronisées de plusieurs charges de nature différente. Terminologie On entend, au sens du présent brevet, par « composant » l'association d'éléments électriques définie par une signature unique. On entend, au sens du présent brevet, par « appareil » un composant doté d'un mode de régulation donné On entend, au sens du présent brevet, par « équipement » l'association d'appareils fonctionnant de manière corrélée. On entend, au sens du présent brevet, par «usage » la manière d'utiliser, de se servir d'un équipement donné. Un dispositif est utilisé pour mesurer la consommation électrique d'une pluralité d'appareils de même nature, c'est-à-dire constitués d'une même association de composants électriques, si bien qu'il n'est pas possible de les distinguer par analyse des perturbations caractéristiques qu'ils émettent sur le réseau. L'objet de l'invention est de définir un procédé permettant de décomposer cette consommation électrique globale en fonction des modes de régulation de chacun des appareils, même si ces derniers ont une signature électrique identique. Une fois connue la consommation électrique d'un composant donné, défini par la manière dont ses constituants électriques interne sont associés entre eux, une série de filtres temporels est appliquée aux données de telle sorte que d'une part, les différents modes de régulation soient - 3 - différenciés, et d'autre part, les composants de natures différentes mais synchronisés soient associés. Dans un premier cas, les courbes de charge de chaque composant sont enregistrées sur une durée minimale 5 permettant de distinguer les différents modes de régulation : fonctionnement en tout-ou-rien, variations lentes ou régulation par petites variations. Puis un algorithme parcourt ce signal temporel pour le décomposer en une somme de plusieurs courbes, chacune caractéristique d'un mode de 10 régulation, en tentant de positionner en chaque point de la courbe et de manière itérative des paliers de largeur décroissante. Ces paliers sont ensuite prolongés de part et d'autre jusqu'à se confondre avec la courbe de charge originelle. Chaque palier est enfin associé à une fréquence 15 typique de régulation, fonction de sa largeur minimale. Le résidu est considéré comme la partie la plus variante du signal. Dans un second cas, les courbes de charge de chaque appareil sont comparées les unes aux autres pour en extraire 20 les corrélations liées à chacune de leurs variations en amplitude. Pour une variation Ax de l'appareil X à l'instant t, on recherche l'ensemble des appareils Yi dont les variations Ay à l'instant t sont non négligeables. La famille {X,Y1,...,Yn} devient un nouvel équipement si ce regroupement 25 est observé de manière régulière. Art antérieur L'invention proposée s'attache à étudier la série 30 temporelle des données de consommation d'une famille de consommateurs de même nature mais dont plusieurs membres se distinguent par des modes de régulation différents. On connaît un certain nombre de procédés capables de décomposer la courbe de charge représentant la consommation - 4 - électrique totale d'un bâtiment en se basant sur l'observation des phénomènes transitoires créés par les démarrages, arrêts et changement de puissance des appareils électriques. Ces procédés sont peu précis pour ce qui concerne les bâtiments de grande taille ou pour les consommations constantes. La demande de brevet W02010106253 concerne un procédé d'analyse de la consommation électrique d'une pluralité d'appareils électriques fonctionnant sur un site de consommation, par filtrage d'une courbe de charge représentant la consommation électrique desdits appareils en fonction du temps, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - préalablement au filtrage proprement dit de la courbe de charge : - enregistrer et numériser la courbe de charge, de 15 façon à obtenir une courbe de charge numérisée par périodes de temps; - définir un ensemble de classes d'appareils, chaque classe étant définie par des cycles similaires de variation de puissance en fonction du temps; 20 - définir pour chaque classe d'appareils, un algorithme de filtrage de la courbe de charge dédié à ladite classe d'appareils, ledit algorithme étant apte à extraire des cycles de variation de puissance de la courbe de charge numérisée, et à l'allouer à ladite classe d'appareils; 25 - puis pendant le filtrage proprement dit de la courbe de charge numérisée, utiliser successivement les algorithmes de filtrage dédiés à chaque classe d'appareils, pour identifier et regrouper à partir de la courbe de charge numérisée, les cycles de variations de puissance consommée par 30 les appareils électriques. Ce document de l'art antérieur répartit différents appareils en observant la séquence de variations de puissance (positive ou négative). - 5 - La demande de brevet américain US20120101653 décrit un système pour réduire la consommation d'énergie comprenant un ou plusieurs compteurs de services publics. Ces compteurs réalisent une capture des données de charge d'énergie sur au 5 moins une base. Un équipement couplé à un ou plusieurs des compteurs électriques permet de ventiler la consommation d'énergie pour une ou plusieurs appareils prédéterminés sur la base des signatures électriques de chacun des appareils prédéterminés. Un module de messagerie aide les utilisateurs à 10 réduire la consommation d'énergie. Cette solution répartit différents appareils en observant la séquence de variations de puissance (positive ou négative, de telle amplitude) La demande de brevet W0/2012/038858 concerne un 15 appareil de désagrégation pour l'identification d'un appareil électrique dans un réseau électrique comprenant de multiples appareils électriques. Un voltmètre mesure une première différence de la tension du secteur (V) fournie aux appareils électriques du réseau électrique pendant le changement d'un 20 état de fonctionnement d'un appareil électrique, et une seconde différence de la tension du secteur pendant qu'une charge commutable est commutée. Une unité de d'identification d'appareil l'état de 25 différence différence résistance électrique détection électrique identifie l'appareil électrique dont fonctionnement a changé sur la base de la première mesurée de la tension du secteur, de la seconde mesurée de la tension du secteur et de la de la charge commutable. Ainsi, un appareil peut être identifié sans avoir recours à la des fluctuations de commutation à des intervalles 30 très brefs, c'est-à-dire sans qu'il soit nécessaire de procéder à une surveillance continue à des cadences d'échantillonnage élevées. Ceci permet de réduire les efforts techniques nécessaires pour l'exécution de la fonction de désagrégation par l'appareil de désagrégation. - 6 - Ce document présente une solution pour répartir différents appareils en observant les variations de tension à chaque démarrage ou arrêt d'un appareil, ce qui permet de déterminer son impédance. La demande de brevet W0/2011/116186 concerne des systèmes permettant d'analyser des données de consommation approximative de ressources pour déterminer la consommation de ressources de dispositifs individuels. Dans certains modes de réalisation, les procédés et systèmes consistent à : obtenir des premières données qui comprennent une série chronologique d'une consommation approximative de ressources pour un emplacement; utiliser des techniques de séparation aveugle de signaux, identifier les évènements sous tension et hors tension dans les premières données, lesdits évènements étant provoqués en mettant les dispositifs particuliers de l'emplacement sous tension et hors tension durant la série chronologique, et chacun des évènements reflétant une signature de consommation électrique pour chacun des dispositifs particuliers; associer chacun des évènements à un 20 dispositif connu, le dispositif connu étant sensiblement similaire à un des dispositifs particuliers de l'emplacement; et déterminer une partie de la consommation approximative de ressources consommée par chacun des dispositifs particuliers. Le principe est de répartir différents appareils 25 sur la base d'événements. La demande de brevet W02012103485 concerne des procédés et des systèmes d'identification de signaux. Dans certains exemples, le procédé et/ou le système permettent à des appareils d'être associés à leur consommation 30 d'électricité. Dans un exemple, un procédé destiné à déterminer si une charge est dans un état stable ou en transition consiste à analyser une série chronologique de mesures de puissance ou de courant électrique sur au moins un circuit, au moins une charge étant couplée à au moins un - 7 - circuit; et à déterminer si la charge est dans un état stable ou en transition. L'invention concerne également un procédé d'identification d'appareil. Elle concerne en outre un procédé de mappage d'appareils non marqués qui utilise une table STEC qui résume les liens entre les transitions et les grappes d'état d'équilibre. La répartition des différents appareils est réalisée sur la base d'événements La demande de brevet W0201282802 concerne l'identification et la localisation d'appareils électriques principaux au moyen de données de courant agrégées obtenues au niveau du disjoncteur principal d'une résidence ou d'un établissement commercial. Des variations soudaines et des sautes de courant caractérisent les appareils. Ces caractéristiques sont identifiées et le temps d'utilisation et les statistiques de durée sont pris en considération pour mettre en correspondance une séquence observée de variations de courant avec les appareils allumés et éteints. L'usage en fonction du temps des appareils et leur consommation de courant sont alors reconstruits. La répartition des différents appareils s'effectue en fonction des variations de puissance ou des surges (pics), mais la demande susvisée ne précise pas comment sont détectés ces pics. Inconvénients de l'art antérieur Au-delà de la détermination des types d'équipement responsables d'une part de la consommation électrique, il est souvent difficile d'étudier avec précision l'usage qui en est fait, bien qu'il influe directement sur la manière dont est appelée l'énergie sur le réseau. On cherche donc un procédé permettant de décomposer la courbe de charge d'un composant donné pour séparer les équipements qui l'emploient de manière différente. - 8 - Les procédés de lissage de séries temporelles classiques (moyenne glissante, ondelettes, régression polynomiale) modifient les signaux et mènent à une perte d'information. En effet, les variations de la courbe de 5 consommation électriques résultent de démarrages ou d'arrêts d'équipements, le plus souvent selon des pentes raides. Riches en informations, ces transitoires sont masqués par les moyennes glissantes ou les régressions polynomiales. Il existe par ailleurs des formes d'ondelettes adaptées à chaque type de 10 signal, mais les combinaisons obtenues ne peuvent en aucun cas retranscrire fidèlement les sous-courbes individuelles, à moins de décupler le nombre de sous-niveaux. Solution apportée par l'invention 15 La présente invention concerne selon son acception la plus générale un procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même réseau électrique, consistant à acquérir des signaux 20 de puissance instantanée consommée pour affecter à chaque type d'équipement la puissance consommée, caractérisé en ce que l'on calcule une courbe représentative à partir de la variation dans le temps d'au moins un paramètre desdits signaux de puissance instantanée, pour l'affecter à une nature 25 d'équipement. Selon une première variante, ledit paramètre est constitué par le minimum glissant. Selon une deuxième variante, ledit paramètre est constitué par l'amplitude des variations instantanées de 30 puissance. Selon une troisième variante, ledit paramètre est constitué par la différence entre l'amplitude desdits signaux de puissance instantanée d'une part, et la somme du minimum - 9 - glissant et des courbes représentatives calculées en fonction de l'amplitude des variations instantanées de puissance. Avantageusement, on procède à une étape complémentaire de détection des variations synchrones, et d'association desdites variations synchrones à un équipement particulier. Selon une variante, le minimum glissant est paramétré par la largeur de l'intervalle glissant sur lequel il est calculé, ce paramètre étant dépendant de la nature de la régulation des différentes charges électriques que l'on cherche à distinguer. Selon une autre variante, le minimum glissant est 15 précédé d'un fenêtrage qui affecte une fonction de pondération aux valeurs de l'intervalle sur lequel il est appliqué. Description détaillée d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention 20 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation où : - la figure 1 représente le schéma de traitement de 25 l'étape de dissociation - la figure 2 représente le schéma de traitement de l'étape de regroupement - la figure 3 représente les exemples de courbes observées 30 La présente invention vise, d'une part, à décomposer la courbe de charge représentant la consommation électrique d'une pluralité de composants électriques de même nature mais d'usages différents (résistance pure, alimentation à découpage, moteur asynchrone, etc.) en fonction de leur mode - 10 - de régulation et, d'autre part, à combiner les courbes de charges représentant la consommation électrique d'une pluralité d'appareils faisant partie d'une même équipement (machine à laver). De manière générale, la présente invention suppose un dispositif électronique de mesure de la consommation électrique d'un ensemble de familles de composants, de telle sorte que l'on connaisse, à chaque instant, la consommation électrique de chaque type de composant. Ce dispositif est composé, a minima, d'un ou plusieurs capteurs de courant permettant de mesurer la valeur efficace du courant cheminant dans le ou les câbles électriques alimentant l'installation. Dans un premier mode de réalisation, ledit dispositif mesure le courant consommé par chaque composant ou ensemble homogène de composants identiques grâce à des capteurs de courant positionnés en amont et au plus près du composant mesuré. Dans un second mode de réalisation, ledit dispositif embarque également un capteur de tension connecté au fil de neutre et aux fils de phase du réseau électrique instrumenté et donne une image précise de la puissance instantanée transitant au point observé par multiplication des grandeur tension et intensité sur une période du signal. Dans un autre mode de réalisation, ledit dispositif embarque également un système de traitement numérique dédié à l'analyse de l'évolution temporelle des perturbations des signaux de tension et de courant afin de déterminer une répartition de la consommation par type de composant électrique, à partir d'un seul point de mesure situé en amont de l'installation. Dans un premier cas, considérons une série temporelle de n points, chaque point ayant pour la valeur la puissance électrique instantanée à l'instant t ou bien la quantité d'énergie électrique consommée entre l'instant t-1 et l'instant t par un composant électrique d'un type donné. Il s'agit de la courbe de charge du composant considéré. Le but recherché ici est de décomposer cette courbe de charge primaire en autant de courbes de charge secondaires qu'il existe de modes de régulation au composant concerné. En effet, bien qu'identiques sur le plan électrique, plusieurs appareils peuvent consommer l'énergie électrique de manière différente, comme en atteste la figure 3. Ils sont alors régulés différemment, par exemple en tout-ou-rien, par paliers, etc., à différentes fréquences. Afin de préserver l'information contenue dans les fronts de variation de la courbe de charge, nous procédons de manière itérative et non destructive. Il s'agit de rechercher puis de soustraire à la courbe de charge primaire des courbes de charge secondaires caractérisées par des durées de référence, assimilées à des fréquences caractéristiques de variation. D'abord, la courbe de charge primaire est parcourue et une première courbe de charge secondaire, définie comme courbe de charge basse fréquence, est construite en affectant à chaque point n la valeur correspondant au minimum glissant de la courbe de charge primaire sur un intervalle de largeur donnée et centré au point n. Puis, la courbe de charge secondaire ainsi définie est parcourue une seconde fois dans le but de réduire l'espace qui la sépare de la courbe de charge primaire. Pour chaque point n, une recherche est effectuée pour prolonger sa valeur à sa gauche et à sa droite jusqu'à frapper la courbe de charge primaire. Ainsi, la courbe de charge basse fréquence épouse autant que possible les variations de la courbe de charge primaire, mais se trouve limitée en amplitude par la première étape de minimum glissant. Ensuite, les deux opérations précédentes sont réitérées sur la courbe de charge ôtée de la courbe de charge - 12 - basse fréquence afin d'en extraire d'autres courbes de charge aux durées caractéristiques plus courtes, donc aux fréquences caractéristiques plus importantes. Il est possible d'extraire autant de courbes de charge secondaires que souhaité. Pour une sélection de ces courbes de charge secondaires, la détection de l'amplitude des variations peut permettre de discriminer la puissance de certains composants uniques et ainsi définir une courbe de charge spécifique. Ces variations brusques, ou marches, sont détectées par l'application d'un seuil qui, si l'amplitude de la variation de puissance instantanée entre le point n-1 et le point n le dépasse, déclenche la soustraction de cette valeur de la courbe de charge secondaire concernée et l'addition de la même valeur à une nouvelle courbe de charge secondaire dite « par amplitude de marche », associée à la précédente. Enfin, le résidu est considéré comme courbe de charge haute fréquence. L'ensemble des étapes décrites ci-avant permet d'aboutir à une décomposition fidèle et efficace de la courbe 20 de charge primaire, en conservant l'ensemble des détails, sans nécessiter d'approximation. Du fait de la présence de gammes de fréquences caractéristiques pour chacune des courbes de charge secondaires, une étude fréquentielle sur base de transformée 25 de Fourier rapide est naturellement appliquée pour déterminer la présence de motifs réguliers susceptibles de correspondre à des méthodes de régulation synchrones. Dans un second cas, considérons un ensemble de p 30 courbes de charge correspondant à autant d'appareils électriques dont on connaît la consommation, c'est-à-dire p séries temporelles de n points. Le but recherché est de combiner les unes avec les autres les variations observées sur chaque courbe de charge - 13 - afin d'isoler les fonctionnements synchrones qui résultent de la mise sous tension de plusieurs appareils de nature différente, ainsi regroupés en équipements. Afin de préserver la qualité de l'information 5 portée par chacune des courbes de charge, les opérations suivantes se contenteront d'affecter des fractions de la valeur de chaque point à une ou plusieurs nouvelles courbes de charge décrivant la consommation d'un équipement. La difficulté principale est ici de ne retenir que les 10 combinaisons synchrones non dues au hasard. En effet, il arrive fréquemment que plusieurs appareils démarrent ou s'arrêtent en même temps sans qu'il existe de lien entre eux. Une méthode d'attribution de score est ainsi proposée pour prendre en compte cet effet. 15 D'abord, on parcourt simultanément chaque courbe de charge en comparant chacune des variations à un seuil permettant de déterminer si la variation est négligeable ou non. Chaque courbe de charge peut se voir appliqué un seuil différent, dépendant de la nature de l'appareil électrique 20 concerné. Pour chaque point, l'ensemble des variations non négligeables sont regroupées dans une famille temporaire définie par la suite des variations algébriques observées sur chaque courbe de charge. Les variations négligeables sont 25 repérées par une valeur nulle. Puis, chaque famille temporaire est étudiée afin de déterminer sa fréquence d'observation. L'intérêt est ici de conserver la trace de la fréquence d'observation des combinaisons retenues afin de ne convertir en équipement que 30 celles qui ne sont pas dues au hasard. Un procédé de notation est appliqué aux familles qui, une fois leurs valeurs discrétisées, reçoivent un point supplémentaire à chaque apparition. Les familles temporaires déjà observées sont bien sûr supprimées au profit de leur image déjà enregistrée. - 14 - Dans un mode de réalisation, le procédé de notation peut être décliné selon l'algorithme des fourmis qui vise à faire décroître les scores des familles les moins vues au profit des familles les plus vues. Enfin, à chaque fois qu'une famille atteint un score défini préalablement par un seuil, celle-là conduit à la construction d'une courbe de charge spécifique à laquelle sont affectées toutes les variations successives observées depuis le début. Il est important de faire en sorte que la courbe de charge ne soit jamais nulle et commence à être complétée par une variation de puissance positive. La combinaison du dispositif de mesure de la consommation électrique de plusieurs familles de composants et des deux procédés présentés rend l'interprétation des données de consommation plus détaillées et proche du réel. L'absence d'approximation et le fonctionnement purement itératif assurent une implémentation temps-réel de l'invention. REVENDICATIONS1 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même 5 réseau électrique, consistant à acquérir des signaux de puissance instantanée consommée pour affecter à chaque type d'équipement la puissance consommée, caractérisé en ce que l'on calcule une courbe représentative à partir de la variation dans le temps d'au moins un paramètre desdits 10 signaux de puissance instantanée, pour l'affecter à une nature d'équipement. 2 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même 15 réseau électrique selon la revendication principale caractérisé en ce que ledit paramètre est constitué par le minimum glissant. 3 - Procédé d'analyse de la consommation électrique 20 d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même réseau électrique selon la revendication principale caractérisé en ce que ledit paramètre est constitué par l'amplitude des variations instantanées de puissance. 25 4 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même réseau électrique selon la revendication principale caractérisé en ce que ledit paramètre est constitué par la différence entre l'amplitude desdits signaux de puissance 30 instantanée d'une part, et la somme du minimum glissant et des courbes représentatives calculées en fonction de l'amplitude des variations instantanées de puissance.- 16 - - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même réseau électrique selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on procède à une étape 5 complémentaire de détection des variations synchrones, et d'association desdites variations synchrones à un équipement particulier. 6 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même réseau électrique selon l'une au moins des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le minimum glissant est paramétré par la largeur de l'intervalle glissant sur lequel il est calculé, ce paramètre étant dépendant de la nature de la régulation des différentes charges électriques que l'on cherche à distinguer. 7 - Procédé d'analyse de la consommation électrique d'un ensemble d'équipements d'usages différents sur un même réseau électrique selon l'une au moins des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le minimum glissant est précédé d'un fenêtrage qui affecte une fonction de pondération aux valeurs de l'intervalle sur lequel il est appliqué.25