Tableau général BT intelligent -TGI-

..........................................................................Collection Technique

Cahier technique n° 186

Tableau général BT intelligent

A. Jammes

■ Merlin Gerin ■ Square D ■ Telemecanique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

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Antoine Jammes

Ingénieur ENSEM 1979 (Ecole Nationale Supérieure d'Electricité et deMécanique de Nancy), il est entré chez MERLIN-GERIN en 1980. Il aparticipé au développement de logiciels de protection au sein dudépartement Systèmes et Electroniques de Sûreté. Depuis 1991, il arejoint le Domaine d’Activité Stratégique Basse Tension de Puissancedans lequel il a été l’un des principaux acteurs du développement del’intelligence dans les tableaux électriques.

n° 186Tableau général BT intelligent

CT 186 édition avril 1997

Cahier Technique Schneider n° 186 / p.2

Lexique

Abonné :Dispositif électronique raccordé au bus autravers d’un interface de communication - termeéquivalent : station.

Application :Ensemble de fonctions réalisées avec desmatériels et des logiciels.

Architecture :Organisation des composantes matérielles et/oulogicielles d’un système ; manière de répartir desfonctions et les traitements.

B.T. :Basse Tension.

Bus médium :Liaisons permettant d’échanger des informationsnumérisées entre différents éléments qui lui sontraccordés.

Centrale de tableau :Produit destiné à regrouper l’ensemble desinformations disponibles dans le tableau et sonenvironnement direct, à réaliser des traitementssur ces informations et à communiquer avec unsystème de conduite, afin de rendre un tableauB.T. intelligent.

CSMA :(Accès aléatoire) Carrier Sense MediumAccess : méthode d’accès aléatoire au réseaude communication.

GTC :Gestion Technique Centralisée ; regroupel’ensemble des applications d’une mêmeinstallation, par exemple le contrôle du process,la GTE, le contrôle du bâtiment (GTB).

GTE :Gestion Technique dédiée à la distributionélectrique. Le TGI est une composanteimportante de la GTE.

Intelligent :Qui possède des moyens propres de traitementet une certaine autonomie de fonctionnementpar rapport au système informatique auquel il estconnecté (Petit Robert 1993).

Maître/Esclave :Un maître interroge cycliquement ses esclaves,et leur donne des ordres.

MCC :Motor Control Center ; tableau B.T. regroupantles éléments de contrôle-commande deplusieurs moteurs, vannes.

Passerelle de communication :Produit destiné à permettre les échanges dedonnées entre deux réseaux de communicationdifférents sans traitement local.

Protocole :Séquence des règles à suivre pour établir etentretenir des échanges d’informations par busentre des stations.

Réseau de communication :Equivalent au terme bus de communication ; lemot bus est préféré au terme réseau, celui-ciétant souvent utilisé pour parler de réseauélectrique.

Sûreté de fonctionnement :Concept qui regroupe la fiabilité des système decontrôle-commande, la disponibilité desmachines, la maintenabilité de l’outil deproduction, la sécurité des personnes et desbiens.

Stations :Dispositifs de traitement de l’information reliésau bus.

Temps réel :Qualifie un système de contrôle-commande dontla vitesse de réaction est adaptée à ladynamique du procédé.

TGBT :Tableau Général Basse Tension.

TGI :Tableau à Gestion Intégrée ou Tableau Généralbasse tension Intelligent.

Traitement décentralisé :Une partie du traitement est exécutée au plusproche de l’utilisation.

Traitement réparti :Se dit d’un traitement décentralisé, dans le casoù le traitement est exécuté dans plusieursunités de traitement qui ont une certaineautonomie et qui sont capables de communiquerentre elles.


Tableau général BT intelligent -TGI-

Pour tous les bâtiments, et quelle que soit l'activité qu'ils abritent, ladistribution électrique doit aujourd'hui répondre à un besoin toujourscroissant de sûreté et d'efficacité.

L'énergie doit être disponible pour la sécurité, le confort des utilisateurs,mais aussi pour éviter les coûts induits par les coupures de courant.Les installations électriques doivent donc être surveillées et réagirautomatiquement pour optimiser la distribution de l'énergie ; ceci estpossible grâce au traitement de l'information.

Déjà utilisé en moyenne tension industrielle et publique, le contrôle-commande numérique des réseaux basse tension devient une réalité.

Ce cahier technique, à partir de l'analyse des besoins, a pour objectif demontrer ce qu’est la gestion technique de la distribution électrique BT etcomment elle fonctionne. L'accent est mis sur la décentralisation et larépartition de l'intelligence autour et dans le tableau général BT. Quelquesexemples de mise en œuvre sont donnés.

Sommaire

1 Le besoin de contrôle-commande 1.1 Introduction p. 41.2 Les besoins p. 4

1.3 Les fonctions p. 7

2 Les solutions actuelles 2.1 Les solutions actuellement utilisées p. 9

2.2 Les points forts et les limites de ces solutions p. 10

3 Le tableau intelligent 3.1 Architecture décentralisée et intelligence répartie - définitions p. 12

3.2 Décentralisation des fonctions dans une installation électrique p. 13

3.3 Architecture décentralisée et traitements répartis - intérêts p. 17

3.4 Conclusions sur la décentralisation des traitements dans untableau BT p. 18

3.5 Un bus de tableau adapté au process électrique p. 20

4 Des exemples de mise en œuvre 4.1 Centre Informatique p. 23

4.2 Hôpital p. 24

5 Conclusions et perspectives d'avenir p. 27

Bibliographie p. 28


1 Le besoin de contrôle-commande

1.1 Introduction

Que ce soit dans un immeuble de grandehauteur, une banque, un hôpital, unsupermarché, un aéroport, un tunnel, une PMIou un grand site industriel, il est de plus en plusnécessaire de surveiller et de contrôler lesinstallations électriques à des fins :c de sécurité,c de disponibilité de l'énergie,c de maîtrise de l'énergie consommée et de soncoût (selon la politique tarifaire du distributeur),c de diminution des coûts d'exploitation et demaintenance,c de confort d'exploitation,c de maintenabilité et d'évolutivité del'installation électrique.

La gestion technique de la distribution électrique(GTE) est un Système Numérique de Contrôle-Commande (SNCC) qui se donne pour objectifsde répondre à ces besoins.

La GTE peut être associée avec la gestiond'autres utilités :c la Gestion Technique des Bâtiments (contrôled'accès, climatisation et chauffage, anti-intrusion, éclairage...)

c le contrôle-commande des processindustriels.

En raison de la grande diversité des besoins etdes évolutions technologiques de ces dernièresannées, un large choix de solutions s'offreaujourd'hui aux concepteurs pour surveiller etcontrôler (au sens anglais du verbe) leursinstallations électriques. Il leur est désormaispossible de trouver un juste compromis entreleurs besoins et les solutions associées grâceaux bus de communication numérique et àl'intégration des micro-processeurs au sein deséquipements électriques.

Le Cahier Technique n° 156 explique commentconcevoir la partie puissance d'un tableauélectrique afin qu'elle corresponde aux besoinsde sûreté.

Notre objectif est d'apporter ici une pierre à laconception optimisée de la Gestion TechniqueElectrique des installations électriques BT.

Il convient pour cela de repartir de l'expressiondes besoins des utilisateurs et des exploitants.

1.2 Les besoins

Les besoins des exploitants et des utilisateursdes réseaux électriques diffèrent selon qu’ils’agit de bâtiments tertiaires, industriels oud’infrastructures, par exemple un aéroport.Cesbesoins peuvent être hiérarchisés (cf. fig. 1 ).Ainsi, dans un petit immeuble de bureaux le coûtde l'énergie et la facilité d'utilisation par un nonspécialiste seront les critères prédominants.

Confort

Coûts

Disponibilité

Sécurité

Pilotage des sources

Gestion tarifaire

Automatismes normal/secours

Protection des personnes

Exemples :

A l'inverse, dans un hôpital ou une grandeindustrie à process, la continuité de service seraprivilégiée.

Sécurité des personnes et des biensUne installation électrique doit distribuer l'énergieen assurant la sécurité des biens et des personnes.La GTE ne se substitue pas aux appareillagespour les fonctions primaires (réflexes) de

fig. 1 : hiérarchie des besoins en distribution électrique BT.


Résistanced'isolement

Temps

InterventionBaisse d'isolement périodique quis'aggrave progressivement

Seuil d'alarme premier défaut

protection réalisées par eux. Mais, par sescapacités à communiquer, mémoriser, traiter lesinformations, elle aide l'exploitant en luifournissant les réglages des protections, le typede défaut ayant amené l'appareil à s'ouvrir, l'étatde l'installation avant le déclenchement...

Par contre, la GTE peut inclure les fonctions deprotection globale ; par exemple, le système decontrôle d'isolement en régime de neutre IT quiavertit l'exploitant d'un premier défaut ; il lui estalors possible de localiser et d'éliminer ce défautsans perte de la continuité de service (cf. fig. 2 ).

L'évolution de la technologie lui permetdésormais de réduire le temps durant lequell’installation est en défaut, et par là même laprobabilité d’apparition d’un deuxième défaut. Ilpeut connaître en permanence la mesure del'isolement en différents points de l'installation,voire suivre son évolution dans le temps. Il lui estainsi possible de faire de la maintenancepréventive. La fonction contrôle de l'isolementest une fonction autonome qui peut être qualifiéede décentralisée dans le cadre de la GTE.

DisponibilitéChaque secteur d'activité possède ses proprescontraintes en matière de continuité de service :c dans les hôpitaux, les salles d'opération et deréanimation sont étudiées pour être des lieux àhaut niveau de sûreté,c dans les bâtiments à usage tertiaire, lagénéralisation de systèmes informatiques aamené de nombreux utilisateurs à utiliser desAlimentations Sans Interruption locales oualimentant un réseau d'énergie de haute qualité,

c dans l'industrie, les défaillances en fournitured'énergie se traduisent par des pertes deproduction. Ainsi, pour BSN, un arrêt de10 minutes se traduit par une perte deproduction de 20 000 pots de yaourt.

Le besoin de disponibilité conduit à des choixtechnologiques de matériel (appareillage débro-chable, tableau débrochable ou déconnectable,forme du tableau...) et à des réseaux électriquesdont le schéma distingue les circuits sanscoupure, prioritaires et non prioritaires, avec unchoix du régime de neutre adapté.Dans ce cadre, les tableaux électriques BT ontpour mission de réaliser la gestion des sources.Les réactions à l'incident doivent êtreautomatiques et immédiates pour être efficaces.Gérer les coupures d'alimentation est unefonction de la GTE.

Coût de l'énergieDiminuer la facture énergétique est un souciconstant pour toutes les entreprises. Il estpossible de la réduire en agissant à deuxniveaux : sur la consommation et sur la facture.Pour ce faire, il est nécessaire d’avoir une bonneconnaissance de l’évolution journalière etsaisonnière, des puissances et desconsommations.Un système de mesures numérisées etexploitables sur un écran de supervision permetde suivre ces éléments et d’en faire un bilan.Il est alors possible :v d’engager des actions,v de vérifier l’effet des mesures prises,v de facturer par atelier, service…

fig. 2 : suivi de l'évolution de l'isolement d'un départ (neutre IT).


c Diminuer la consommationLes possibilités sont multiples en fonction dutype d'applications :v extinction de l'éclairage et baisse du chauffagedans les locaux inoccupés,v utilisation de moteurs à vitesse variable dansl'industrie,v utilisation de compensateurs et/ou de filtrespour réduire les pertes, dues aux courantsharmoniques et capacitifs, dans les câbles et lestransformateurs.c Réduire la facture du distributeur.Un système intelligent est capable d'optimiser lecontrat souscrit grâce à des actions de délestage,de lissage des consommations, d'alimentationdes charges à forte inertie en alternance :v utiliser des batteries de condensateurs pouréviter la facturation de l’énergie réactive,v utiliser la bonne option tarifaire et programmerles phases de la production industrielle fortementconsommatrices d’électricité en fonction despériodes à tarif réduit. Ces périodes peuvent êtresur la journée, sur la saison ou sur l’année (parexemple le contrat «Effacement Jours de Pointe»,proposé par EDF, qui permet de disposer d’untarif intéressant durant 94 % du temps),v lisser la consommation pour baisser lapuissance souscrite et éviter les pénalités dedépassementv utiliser des sources de remplacement. Cecipermet, outre l’intérêt de disposer d’une sourcede secours, de passer les pointes deconsommation ou les pointes tarifaires.Gérer la consommation et le coût de l'énergieélectrique est une mission de la GTE.

Confort d'exploitation

Certaines installations sont gérées à distance,soit au niveau d'un poste de conduite à l'intérieurdu bâtiment, soit dans un centre de surveillancecommun à plusieurs sites (télé-surveillance).

Cette centralisation permet une optimisation enmoyens humains et une amélioration desconditions de travail de ceux-ci, grâce à desoutils informatisés ergonomiques et despossibilités de réalisation automatiséed'opérations répétitives (pré-programmation deplages de fonctionnement de la climatisation oudu chauffage des bureaux...).

D'autre part, dans les bâtiments de bureaux etles PMI, le personnel en charge de l'installationest de plus en plus une personne non spécialiste.Le tableau électrique est souvent surveillé par legardien ou l'hôtesse du bâtiment. Pour desraisons d'efficacité, mais aussi de sécurité, lesinformations que reçoivent ces personnesnécessitent un dialogue "homme / tableauélectrique" le plus ergonomique et le plus simplepossible.

La notion de confort se traduit par une installationélectrique la plus autonome possible (autogérée).

MaintenabilitéLa première mission confiée à la maintenanceélectrique d'une entreprise est de mainteniropérationnelle l'installation dont elle a la charge.

Deux types d'interventions sont possibles :c actions correctives suite à un défaut defonctionnement,c actions préventives périodiques.

Il est possible d'augmenter l'efficacité de lamaintenance dans deux directions :c en privilégiant le préventif par rapport aucorrectif, générateur de non continuité de service,c en privilégiant dans le préventif, une mainte-nance conditionnelle, c'est-à-dire éclairée, à unemaintenance systématique : plus la maintenanceest préventive et basée sur la surveillance, plusla disponibilité est bonne (cf. fig. 3 ).

En fonction des applications, le délai maximumd'intervention ainsi que la durée de celle-cipeuvent être très différents. Ils peuvent être très

Corrective

Préventiveprogrammée

Préventiveconditionnelle

Type de maintenance

Disponibilité

fig. 3 : Disponibilité opérationnelle en fonction du type de maintenance.


courts s'il s'agit d'un process continu : serviceentretien d'usine et stock de composants derechange. Ils peuvent être plus longs s'il s'agitd'un immeuble de bureaux : société extérieure etapprovisionnement des composants défectueux.

La rapidité de l'intervention est toujours liée à sapréparation :c en cas de dépannage, la connaissance rapideet précise de l'incident et des paramètres defonctionnement de l'installation avant le défaut,permet de faire un bon diagnostic et de préparerles éléments à remplacer,c en cas de maintenance préventive, une bonneconnaissance de l'état de l'installation permet desélectionner de manière pertinente les élémentssur lesquels devra porter l'intervention.

Une maintenance efficace nécessite de disposerd'informations pertinentes sur l'état de l'installation.Eclairer la maintenance est un des apports de laGTE

Evolutivité

Plus l'on se rapproche de l'utilisation finale, plusl'installation électrique est amenée à évoluer :dans les ateliers, le tableau électrique vit aurythme des modifications de l’outil deproduction ; dans les bâtiments, leschangements d'affectations des bureaux, lagénéralisation de la micro informatique, la miseen place de la climatisation sont des causes demodifications de l'installation électrique.

L’amélioration de la disponibilité, la réduction ducoût de l’énergie consommée entraînentégalement des modifications des réseauxélectriques.

Bien gérer les évolutions passe par une bonneconnaissance de l’installation et de sonfonctionnement.La GTE peut y contribuer grandement.

1.3 Les fonctions

La satisfaction de ces différents besoins par laGTE nécessite la mise en place dans lesinstallations électriques de dispositifs permettantglobalement :c de réaliser des actions automatiquesc de permettre à l'exploitant, en local ou àdistance, d'avoir les informations qui lui sontnécessaires pour prévoir et agir surl'installation.

Ceci se traduit en fonctions à assurer, toutesn’étant pas à mettre en œuvre pour uneinstallation donnée.

Automatismesc La gestion des sources : alimente lesconsommateurs en fonction de la disponibilitéd'énergie sur les arrivées (permutation desource, normal/secours groupe...).c La gestion des départs : fournit l'énergie auxconsommateurs les plus prioritaires, lorsque lademande excède la puissance disponible sur lesarrivées (fonctionnement sur groupe parexemple).c La gestion temporelle : gère l’installation pourdiminuer la consommation.c La gestion tarifaire : gère l'installation pourrespecter le contrat retenu avec le fournisseur(lissage de la consommation, contrat EJP...).c Le contrôle du facteur de puissance : pilotedes batteries de condensateurs à gradins.c La mise en sécurité du tableau (températuretrop élevée, arc interne...).c La surveillance de l’isolement et la recherchedes défauts en schéma IT.c La sauvegarde du réseau : dans les grandesinstallations industrielles, des perturbations surle réseau (manque temporaire de tension),peuvent provoquer, de par la présence de grosmoteurs, le phénomène d’instabilité dynamique.

Cette dernière fonction réalise les délestagesnécessaires pour éviter l’écroulement de tout leréseau.

Informations pour prévoir et agirLes fonctions précédemment décrites ont pourfinalité de rendre autonome le Tableau GénéralBasse Tension ; celui-ci est ainsi capable deréagir à différentes situations afin d'assurer unecontinuité de service et une exploitationoptimales.

La deuxième grande fonction d'un tableauintelligent est de pouvoir communiquer desinformations pour «prévoir et agir» :c état des appareils de coupure (O/F),c mesure de tension U, I, P, cos ϕc connaissance des réglages des protections.

Ceci nécessite des liaisons :c avec un système de Gestion TechniqueElectrique de niveau supérieur, dont le rôle estde piloter l'ensemble de l'installation électriqueMT et BT,c avec un poste de contrôle-commande local ouà distance,et éventuellement,c avec des tableaux secondaires,c avec un système de conduite du process.

En effet, pour que l'exploitant puisse être informéet agir (reconfiguration du réseau par actionvolontaire, maintenance, confort), le tableauélectrique doit communiquer avec un systèmeamont à la disposition de l'électricien et de celuiqui surveille le bon fonctionnement des utilitésdu bâtiment ou de l'usine.

Si en exploitation normale le TGBT intelligent,donc communicant, est intéressant pour piloter etgérer l’installation électrique, il l’est plus encorepour «prévoir et agir» en situation de défaut.


En effet, la maintenance corrective est plusefficace si chacun des acteurs disposerapidement d'une information adaptée. Prenonsl'exemple du déclenchement d'un disjoncteurcommunicant, via le TGI :c sur l'appareil : information signalée par unindicateur mécanique,c près de l'appareil : un voyant rouge localisantl'appareil en défaut,c sur un écran en tête de tableau : messaged'alarme sous forme de texte : «10 h 32' 23" -départ Ascenseur 2 - colonne 8 - position 12b -déclenchement sur court-circuit»c sur le superviseur du responsable électrique :même message,c sur le superviseur général (concierge...),message d'alarme sous forme de texte :

«10 h 32' 23" - Ascenseur 2 indisponible suitedéfaut électrique - appeler le service électriqueau poste 347»;

Rappelons que «prévoir et agir» permetégalement la maintenance préventiveconditionnelle si l’on dispose :c d'informations concernant l'appareillage deprotection et de commande intégré dans lestableaux BT; par exemple pour un appareil decoupure : compteur du nombre de manœuvres,ou mieux indicateur de maintenance élaboré àpartir de données telles que la somme descourants coupés, le nombre de manœuvres etc …c d'informations concernant l'installationélectrique : nombre d'heures de fonctionnementdes consommateurs alimentés, baissed'isolement...


2 Les solutions actuelles

2.1 Les solutions actuellement utilisées

Les fonctions présentées au chapitre 1 sont déjàréalisées en totalité ou partiellement pardifférentes solutions technologiques :c dans l'industrie, par une extension à la gestionélectrique des moyens mis en œuvre pour laconduite du process,c dans les bâtiments tertiaires, par l'intégration àla GTC ou à la GTB de la gestion de ladistribution électrique.Examinons les solutions mises en œuvre auniveau d'un MCC ou d'un TGBT.

Solutions à base d'automates

c Solution automate et fil-à-filLa première étape vers le tableau intelligent aconsisté à utiliser des API (AutomatesProgrammables Industriels) à proximité ou àl'extrémité du tableau.Ces API servent d'interface entre le tableau et lesystème de gestion technique et peuvent réalisercertaines fonctions d'automatismes. Equipés deracks remplis de cartes d'entrées/sorties, cesAPI sont reliés en fil-à-fil aux divers capteurs etactionneurs d'un tableau électrique.Leurprogrammation est réalisée par un spécialiste ;chaque application nécessite un développementspécifique.

Les limites de ce type de solution sont lessuivantes :v câblage fils fins très important dans le tableaujusqu'à l'API, impliquant :- un coût de câblage très important,- un volume de borniers induisant uneaugmentation de la surface au sol du tableau,- un fort risque de pannes latentes dû à un grandnombre de points de connectique,- un risque de dysfonctionnements dus auchamp magnétique très important généré lorsd'un court-circuit sur un départ ;v une faible évolutivité de l'installation, liée aucaractère spécifique de la programmation del'API, très rarement maitrisée par le serviceélectrique ;v un système de traitement de l'information peuadapté, la principale tâche de l'API consistant àscruter en permanence l'état des appareils alorsque certains restent dans la même position àlongueur d'année.

c Solution automate et entrées/sorties déportéesDepuis quelques années, les constructeursd'API ont tiré profit de la diminution du coût de lamicro-électronique et des bus de communication

pour développer des modules d'entrées/sortiesdéportés ; l'objectif était de diminuer l'importanceet le coût du câblage.Cette solution a peu pénétré le monde destableaux électriques en raison de la nonadéquation aux contraintes de ce milieu :environnement thermique et perturbationsélectro-magnétiques, besoin de commandelocale de l'appareillage...

Solution tableau automatisé

Les années 80 ont vu l'apparition denombreuses offres développées par les grandstableautiers pour des applications dansl'industrie à process continu ou les grandsbâtiments tertiaires.

Ces différentes offres se distinguent dessolutions précédentes à base d'automates pardeux aspects :c développement de modules spécialisés reliésen fil-à-fil à l'appareillage et communicant versun API installé en tête de tableau par une liaisonparallèle ou par bus série. Ces modules, conçuspour s'intégrer dans le tableau conçu par letableautier, se montent en face avant de tableauet intègrent des fonctions de commande et designalisation d'état en local.c Développement de fonctions répétitives pourles automatismes électriques (par exemple, lenormal/secours avec délestage/relestage desdéparts).

Ces solutions se caractérisent par ladécentralisation des traitements dans le tableauet la maitrise de ces fonctions par desélectriciens. D'autre part, elles contribuent à uneréduction massive du câblage à l'intérieur dutableau.

Le succès limité de ce type de solution résulted'une utilisation de ces modules dans les seulstableaux réalisés par ces tableautiers.

Appareillages communicants

La généralisation de l'emploi desmicroprocesseurs a par ailleurs conduit lesconstructeurs de matériel électrique à lesutiliser :c pour améliorer les performances de leursproduits. Un bon exemple est la généralisationprogressive des déclencheurs électroniquesdans les disjoncteurs. Ceux-ci sont de plus enplus capables de communiquer par busnumérique les informations qu'ils traitent.


c Pour enrichir leur offre avec de nouvellesfonctionnalités ; à titre d'exemple, mesure de lapuissance et de l'énergie en un point du réseauavec possibilité de communication de ces valeurs.Parallèlement, les automatismes tels que lenormal/secours ou la régulation varmétriquepoursuivent leur vie autonome.

La multiplication de ces produits et modulesdans un tableau électrique conduit à uneaugmentation considérable du flux d'informations

qui peut être transmis à un système de conduitecentralisé. Dans des applications de grandetaille, l'ingénierie en charge du système completest, encore aujourd'hui, souvent amenée àdévelopper une architecture de communicationcomplexe avec des étages intermédiaires dont lerôle est double :c tri et synthèse des informations disponibles,c passerelles de communication entre différentsbus.

2.2 Les points forts et les limites de ces solutions

Ces trois familles de solutions se sontdéveloppées ces dix dernières années pourapporter des réponses à une partie des besoinsque nous avons présentés au chapitre 1.Leurs points forts et leurs limites sont résumésdans le tableau de la figure 4 .

En conclusion, il se dégage des solutions misesen œuvre aujourd'hui :c une tendance déjà largement engagée à ladécentralisation des automatismes et destraitements d'informations au niveau du tableau,c une structure hiérarchisée pour la circulationdes flux d'informations,c une nécessité de développements spécifiques,nécessitant le recours à des spécialistes.

Dans l'environnement du tableau électrique, ladécentralisation des traitements est devenue uneréalité grâce aux bus numériques ; c'est le cas :c en contrôle de process, les automates avecplusieurs centaines d'entrées/sorties font placeprogressivement, après l'utilisation desentrées/sorties déportées, à des réseauxd'automates et de micro-automates placés auplus près des capteurs/actionneurs qu'ils

contrôlent. Et déjà, se profile l'arrivée de réseauxau niveau capteurs et actionneurs «intelligents».c En Gestion Technique du Bâtiment, lesfonctions sont désormais standardisées. Ellessont réalisées par des produits spécifiques, bienadaptés aux besoins.Ainsi, le contrôle de process (GTP), le contrôledu bâtiment (GTB) et le contrôle de ladistribution électrique (GTE) constituentaujourd’hui des systèmes dédiés, à architecturedécentralisée, et de plus en plus à intelligencerépartie (cf. fig. 5 ).

Les tableaux électriques BT se caractérisent parleur diversité en taille et en fonctions à satisfaire.A travers les solutions déjà mises en œuvre,décrites dans ce présent chapitre, il se dégageaujourd'hui un ensemble de principes quipermettent de définir et spécifier ce que l'onappelle un «tableau intelligent» et le système decontrôle-commande correspondant :c Un «tableau intelligent» se définit par sacapacité à traiter de manière autonome lesfonctions qui sont de son ressort et à s'intégrerdans un système de conduite d'une installationélectrique.

fig. 4 : limites et points forts des solutions traditionnelles pour répondre au besoin de contrôle-commande.

Solutions à base Solution Appareillagesd’automates tableaux automatisés communicants

Limites Spécifique à chaque Solution réservée à Solutionsapplication ; peu évolutive de grands tableautiers mono-fonctionnelles

Volume de câblage Mise en œuvre par des Multiplication du nombreimportant spécialistes API de modules

Mise en œuvre par Mise en œuvre par desspécialistes API électriciens spécialisés

en communication

Points forts Matériel éprouvé et utilisé Principe de Technologie éprouvéedans les grands sites décentralisation des bus de terrainindustriels

Solutions parfaitement Maîtrise des fonctions Produits industrialisésadaptées au besoin de par l’électricien résistant aux contrainteschaque client lors de la CEM du tableaumise en service

Fonctions standardiséesau fur et à mesure desaffaires


c Le système, afin de répondre à la diversité desinstallations, doit être construit à partir desprincipes suivants :v il doit être modulaire aux niveaux matériel etlogiciel,v la décentralisation des traitements doit êtreoptimisée,v les fonctions et produits doivent êtrestandardisés et conçus pour être mis en œuvrepar un électricien et intégrés dans les conditionssévères d'environnement d'un tableau électrique.

c Le tableau intelligent apporte aux utilisateurs,face au besoin d'automatisation et d'informationspertinentes :v un niveau accru de sûreté de fonctionnementet d'évolutivité,v une standardisation des solutions, même pourles grands sites,v une réduction des coûts et une simplificationde la mise en œuvre,v une exploitation et une maintenance facilitées.

Poste de gestiondu bâtiment

Poste de gestion de ladistribution électrique

Poste de contrôlede la production

Intrusion

Sécuritéincendie

Contrôle etautorisationd'accès

Climatisation

Unités de traitement Unités de traitement

RéseauMT

TGBT

Groupes

Onduleurs

Automates programmables

Gestionde l'entreprise

Atelier

M.C.C.

Machine

Variateurde vitesse,démarreur

fig. 5 : architecture décentralisée en GTB, GTE, GTP.


3 Le tableau intelligent

3.1 Architecture décentralisée et intelligence répartie - définitions

c Un parallèle avec le fonctionnement de nossociétés permet de mieux comprendre cestermes.Dans les organisations centralisées, toutes lesdécisions sont prises par le «chef» ; les subor-donnés lui transmettent toutes les informationset attendent les ordres pour les exécuter.Dans une organisation réellement décentralisée,une majorité des décisions est déléguée par lechef à ses subordonnés : dans la limite de sadélégation, chacun agit de manière autonome etrend compte de manière synthétique à sonsupérieur. Seules les fonctions intéressant tousles individus sont centralisées : la paye parexemple.

décentralisées et réparties de manièreoptimisée, au niveau d'une installation complète(GTE), d'un tableau BT ou d'un départ.Ensuite les critères conduisant au choix d'un busde communication interne au tableau BT adaptéà ces besoins seront expliqués.

Enfin, une même fonction peut être répartieentre plusieurs subordonnés, ce qui implique deséchanges d’informations et une certaineautonomie de l’équipe ainsi constituée.

c La figure 6 montre comment une fonctionpeut être :v soit totalement décentralisée,v soit partiellement décentralisée, l'exécution de lafonction étant décentralisée, le paramétragerestant centralisé et commun à plusieurs fonctions,v soit répartie entre équipements de mêmeniveau hiérarchique.

c La décentralisation appliquée dans lesentreprises se retrouve de manière analogue

fig. 6 : du système centralisé au système décentralisé à intelligence répartie.

Le tableau intelligent, tel que défini dans le cha-pitre précédent, s'appuie sur le concept d'archi-tecture décentralisée avec intelligence répartie.Après avoir explicité ces termes, nous verronscomment les différentes fonctions d'uneinstallation électrique peuvent être

Solution 2 :Traitement centralisé,acquisition décentralisée.

F1 F2

F4 F5

F3

Solution 3 :Décentralisation desfonctions F3, F4.

F1 F2

F5

F4F3

Solution 4 :Traitement réparti desfonctions F2, F5.

F4 F5F3

F1

F2

Solution 1 :Système centralisé,(acquisition et traitement).

F1 F2

F4 F5

F3


3.2 Décentralisation des fonctions dans une installation électrique

Gestion de contratUne telle fonction nécessite une vue globale del'installation.

Dans beaucoup de cas (petites et moyennesinstallations) le tableau BT est le point central del'installation. Cette fonction est alors traitée par lacentrale de ce tableau BT, avec paramétragelocal ou à distance (depuis un poste de conduite).Si le site est important (réseau MT), les tableaux

reçoivent les consignes de fonctionnement d'unsystème amont.

Gestion temporelle des départs

Traditionnellement, dans les systèmes de GTC,cette fonction est dévolue au superviseur quipermet à la fois le paramétrage des plages defonctionnement des départs et les ordres d'enclen-chement et de déclenchement des appareils.

pour le contrôle-commande d'une installationélectrique : le concept de GTC basé sur unfonctionnement centralisé fait place à celui deGTE basé sur une architecture décentraliséearborescente avec des traitements répartis.Il faut noter que la distribution de puissance

(architecture et protection) obéit à ces mêmesprincipes ; ce qui permet une bonne cohérenceentre les systèmes courant fort et courant faible,(cf. fig. 7 ).Illustrons maintenant ces concepts appliqués àdifférentes fonctions électriques.

Poste de livraison

Surveillancecommandes etparamétrages parl'exploitant.

Contrôle-commandedu tableau.

Fonctions autonomes et mesures, et contrôle-commandeau niveau des départs.

Console deconfiguration

CentraleTGBT

Tableau BT

G

VAR

VAR

Poste deconduite

fig. 7 : installation de petite ou moyenne puissance avec un système de contrôle-commande associé (GTE) dont l’essentiel se situe dans leTGBT.


Départ 1 Départ 2

Q1 Q2

TGBT 1

Départs non intelligents

Départ 4Départ 3

Q3 Q4

TGBT 2Départs dotés d'uneintelligence(horloge interne + mémoire)apte à intégrer une partiede la fonction

Paramétrage des plagespar l'exploitant

Exécution des commandes

Transmission des paramètres

Mémorisation des paramètresElaboration et exécution descommandes

Si GTE :Si GTC :

Paramétrage des plagesMémorisation des paramètresElaboration des commandes

Transmission des comandeset des comptes-rendus

Le paramétrage des plages doit se faire auniveau du poste de conduite, car c'est depuisce poste que l'exploitant réalise cesparamétrages.Par contre, dans une GTE, l'exécution de cescommandes est réalisée au niveau de la centralede tableau, voire même au niveau de chaqueappareil. Il lui suffit pour cela de recevoir lesconsignes de fonctionnement, et d'être dotée

d'une horloge interne régulièrement remise àjour par le superviseur.

Sur la figure 8 sont illustrés les flux d'informationpour une solution traditionnelle centralisée etune solution décentralisée. Il apparait que plusles traitements sont décentralisés, plus les fluxd'informations permanents sont réduits ; parcontre, de nouveaux échanges d'informations,

fig. 8 : gestion temporelle des départs, selon que cette gestion est centralisée (GTC) ou décentralisée et répartie (GTE).


beaucoup plus limités, sont nécessaires pourmettre périodiquement à jour les différenteshorloges internes et transmettre les nouvellesconsignes de fonctionnement.

Gestion des sourcesCette fonction agit sur les disjoncteurs d'arrivéeintégrés dans le tableau en fonctiond'informations élaborées dans le tableau ou àproximité immédiate. Il est donc tout-à-faitlogique que les traitements associés à cettefonction soient exécutés dans le tableauélectrique. On remarquera qu'en technologie àbase de relais, les platines de relais étaientinstallées dans le tableau et les schémas faitspar le tableautier. C'est l'apport d'une nouvelletechnologie, non maîtrisée par la plupart destableautiers, qui a déporté ces traitements dansun API centralisé !Si le schéma d'arrivée est simple, par exemple leclassique Normal/Secours, cette fonction esttotalement décentralisée et réalisée par unproduit standard autonome ; dans les cas pluscomplexes au niveau du schéma des arrivées ounécessitant un délestage paramétrable desdéparts, c'est au niveau centrale de tableauqu'elle sera implantée :c si la source de secours alimente le seul TGBT,

GE

Présence Un

Présence Us

Ordre de démarrage GE

Centrale duTGBT

c'est une centrale de tableau BT qui réaliseracette fonction de manière autonome (cf. fig. 9 ) ;c par contre, si la source de secours alimente laMT et/ou plusieurs TGBT, cette fonction seraalors répartie entre la centrale du tableau MT etles centrales des différents tableaux B.T.

Régulation varmétrique

La régulation du facteur de puissance pargestion de bancs de condensateurs est unautomatisme indépendant implanté dans unproduit que l'on appelle régulateur varmétrique.Ce régulateur est appelé à fonctionner demanière autonome dans plus de 90 % desinstallations. Un régulateur varmétriquecommunicant peut, avec intérêt, s’intégrer dansle système de GTE ; les fonctionscomplémentaires ci-après sont alors réalisables :c le paramétrage depuis un poste de conduite,c l'exploitation d'alarmes de dysfonctionnementtraitées par la centrale de tableau,c l'exploitation des informations de maintenancedans le cadre de la maintenance globale dutableau,c la coordination de la fonction régulationvarmétrique avec d'autres fonctions du tableau :par exemple, en cas de fonctionnement sur GE,

fig. 9 : exemple de gestion des sources - Dans cette solution, la centrale gère les départs : relestage progressif des départs prioritaires enfonctionnement sur GE. L’affectation des départs en prioritaire et non prioritaire est paramétrable. On notera qu’il n’est pas nécessaire deséparer le jeu de barres en deux parties et que l’on économise ainsi l’appareil de couplage. Enfin, cette solution permet aisément de traiter desschémas à multiples arrivées.


il est nécessaire de déconnecter lescondensateurs. Ce traitement peut être réaliséen ouvrant le disjoncteur alimentant les bancs decondensateurs, ou en transmettant une consigned'arrêt au régulateur lorsque celui-ci est raccordépar bus à la centrale de tableau qui gère ousurveille la permutation de source.

Délestage sur seuil

Dans certaines situations (baisse de tension liéeà un incident sur le réseau, perte d'une source,dépassement de la puissance disponible sur lasource alimentant le tableau...), il peut êtrenécessaire de délester rapidement un groupe dedéparts non prioritaires (problème de stabilitédynamique par exemple).La figure 10 illustre le traitement décentralisé dudélestage des départs non prioritaires, suite à undépassement de la puissance distribuée par leTGBT.

Centralede tableau

Q2Q1 Q3

M

Paramétrer : seuil et Prioritaire/Non-Prioritairepour chaque départ

Stocker paramètre seuilDécider : si Mesure de P>Seuil alors

envoyer ordre de délestage

Mesurer la puissance

Stocker paramètre P/NPDécider ouverture : si paramètre NP,

ouvrir le départ sur ordre de délestageCommander les disjoncteurs

Il apparait que le flux d'informations est réduit, lacentrale reçoit une information, lance un ordre surle bus et les disjoncteurs concernés l’exécutent.

Gestion d'un départ ou d'une arrivée

La gestion d'un départ (ou d'une arrivée) peutintégrer tout ou partie des fonctions suivantes :c contrôle-commande (commande de l'appareilet acquisition de son état),c mesure (courants, puissance, énergie...),c interface opérateur local, ou déporté,c communication avec la centrale de tableau.La répartition de ces fonctions dans différentsmodules (cf. fig. 11 ) est une solution permettantde résoudre les contraintes suivantes :c tous les départs ne nécessitent pas l'ensembledes fonctions listées ci-dessus,c l'interface opérateur peut être déporté,c celui-ci doit pouvoir être adapté en fonction del'utilisateur (langue, type d'intervenant...).

fig. 10 : exemple de traitement décentralisé de l’ordre de délestage de puissance.


3.3 Architecture décentralisée et traitements répartis - intérêts

Maîtrise de la complexitéUn problème complexe peut souvent sedécomposer en une somme de problèmesélémentaires simples. Ainsi, la conduite d'uneinstallation électrique peut s'avérer compliquéeen raison de la taille et du nombre de fonctions àtraiter. En décentralisant une part importante desfonctions, la plupart des traitements sont confiésà des entités plus réduites : ils sont alors plusfacilement maîtrisables et standardisables. Lanotion d'Ensemble de Série déjà utilisée pour lapartie puissance des tableaux électriquess'étend désormais aux fonctions de la GTE.L'entité de niveau supérieur se trouve alorsnotablement allégée et peut se consacrer auxtraitements qui sont réellement de son ressort.

Contraintes technico-économiques

Comme déjà vu dans le chapitre précédent, lamultiplication du flux d'informations conduit àdévelopper des architectures hiérarchisées. Dela même façon que dans une installationétendue, on hiérarchise la distribution del'énergie (TGBT, tableaux secondaires, coffretsterminaux...), une hiérarchisation des traitementsdes informations est la solution la pluspertinente :c les contraintes (temps de réponse, environne-ment, débit...) ne sont pas les mêmes àl'intérieur d'un tableau et dans l'ensemble del'installation,c toutes les informations utiles à une fonction nesont pas nécessairement utiles au niveau

La commande de l'appareil et la lecture de ses états sont traitées par le module M1.Le module M2 mesure les courants et tensions et élabore les informations de puissance et d'énergie.Le module M3 affiche localement en face avant du tableau les états et mesures du départ et peut commander celui-ci.Le module M4, identique au module M3 est un affichage déporté en dehors du local électrique. Le mode d'affichagepeut être différent de M3

ContrôleCommande

M1

Mesure

M2

Affichagelocal

M3

Départ 3 : fermé

I1= 125 A ; E= 327 KVAh

M4

Centralede

tableau

fig. 11 : exemple de répartition des traitements appliquée à la gestion d’un départ.


3.4 Conclusions sur la décentralisation des traitements dans un tableau BT

supérieur ; ainsi, toutes les informationsdisponibles en local n'intéressent pas forcémentl'exploitant :v certaines informations sont destinées à lamaintenance,v d'autres informations sont à synthétiser pouréviter de noyer l'exploitant sous une avalanched'informations (cf. fig. 12 ).v le coût de programmation est réduit parl’utilisation de «codes» standards pour la grandemajorité des fonctions.

Continuité de serviceDans un système centralisé, une panne conduit àune interruption de service sur l'ensemble del'installation. A l'inverse, dans un systèmedécentralisé, la même panne peut être circonscrite

au seul sous-système concerné, permettant aureste de l'installation de rester opérationnel, dansun mode de fonctionnement éventuellementdégradé. Par exemple, en cas d'intervention pourmaintenance de la centrale de tableau, lesfonctions locales internes au tableau restentopérationnelles, ceci grâce à la décentralisation.

MaintenabilitéUn système décentralisé met en œuvre un grandnombre d'unités de traitements, leur taux dedéfaillance n'est pas cumulatif.Le nombre limité de points de connexionminimise les pannes.Le taux de couverture des pannes est proche de100 %, grâce à un ensemble d'auto-tests sur lesproduits numériques et les bus de communication.

Souplesse de mise en œuvrec La mise en service d'un nouveau site sedéroule souvent sur des périodes de tempsimportantes. Il n'est pas rare que pour desraisons budgétaires, le poste de conduite àdistance soit livré un an ou deux après la mise enservice des tableaux. La réalisation décentraliséede nombreux traitements au niveau de chaquetableau permet à ceux-ci de fonctionner demanière autonome pendant toute cette phase.c Dans le cadre de rénovation d'installationsexistantes, la campagne de remise à niveau peutégalement être planifiée sur plusieurs années.La décentralisation simplifie le remplacementd'un tableau : le nouveau tableau peut être testéen usine et une seule liaison série suffit à leraccorder au système de conduite.

Les exemples traités dans le chapitre 3 montrentque les fonctions gérées au niveau d’un TGBTintelligent peuvent être plus ou moins répartiesdans différentes unités de traitement :c Certaines fonctions sont prises en charge parla centrale de tableau lorsque :v les traitements sont complexes et ne peuventêtre réalisés dans un module autonome standard(exemple : gestion des sources dans le cas demultiples arrivées),v elles font appel à des traitements communs àd'autres fonctions ; par exemple, unepermutation de source peut être causée par laperte du réseau normal ou par un ordre lié à lagestion de contrat tel que l'EJP,v elles doivent être coordonnées avec d'autreséquipements, par exemple lorsque la gestiondes sources de remplacement est faite en MT.c Certaines fonctions autonomes peuvent êtreremplies par des produits dédiés et optimiséspour cette fonction (cas du régulateurvarmétrique ou de l'inverseur de source).Lorsque ces produits autonomes s'intègrentdans un tableau intelligent, ils peuvent alors se

raccorder par bus à la centrale de tableau ; celle-ci apporte des fonctions complémentaires tellesque :v paramétrage de ces produits par un outil plusconvivial, commun à l'ensemble des fonctionstraitées dans le tableau,v gestion minimale en modes de fonctionnementdégradés,v prise en compte dans les fonctions demaintenance prédictive et corrective.

Les différentes fonctions citées dans cedocument se placent sur l'architecture explicitéedans la figure 13 :c La centrale de tableau est chargée de :v traiter les fonctions globales au niveau dutableau et interdépendantes,v coordonner les fonctions gérées par lesmodules en aval,v s'ouvrir et s'intégrer dans un système deconduite amont,v dialoguer avec un terminal destiné àl'électricien en charge des opérations de mise enœuvre et de maintenance. Ce terminal estconnecté localement devant le tableau pendant

fig. 12 : exemple de sélection des informationsdisponibles en fonction de leur destination.

Information UtilisationLocal Poste demaintenance conduite

Position appareil X XDépart en défaut X XMesure d’énergie XDépart indisponible (synthèse) Xv appareil débroché/verrouillé Xv appareil non alimenté XRéglage déclencheur XDélestage en cours X X


ces interventions. Il ne se substitue aucunementau poste de conduite centralisé à partir duquell'exploitant gère son installation.c Certains modules sont chargés de traiter desfonctions autonomes (régulation varmétrique,contrôle d'isolement...)c D'autres modules sont chargés de gérer undépart ou une arrivée.

Cette modularité permet :v d'intégrer le contrôle-commande dans la notiond'unité fonctionnelle standardisée et testée,v de standardiser la connectique entre le moduleet l'appareillage, réduisant ainsi les risques depannes liées à la connectique,v d'intervenir sur un départ sans condamnerd'autres éléments du tableau en cas de panneou d'évolution de l'installation.

La liaison entre ces modules et la centrale detableau se fait par bus numérique. Rappelonsque l'utilisation des bus offre de nombreuxavantages :c réduction massive de la circulation de fils finsdans le tableau, et donc des coûts de câblage etdu volume réservé à cet effet,c réduction des risques de pannes latentes liéesà des connexions défectueuses,chez le tableautier,c réduction des temps d’étude et de câblagechez le tableautier,c plus grande évolutivité de l'installation : rajoutde départs ou de fonctions sur une installationexistante.

Le chapitre suivant décrit les types de bus quiconviennent le mieux au process électrique.

Centralede

tableau

Fonctionscentrales

Fonctionsautonomes

Fonctionslocales

Poste de conduitede l'installation

Gestion des sourcesavec délestage-relestage

Gestion du groupeRégulation varmétriqueOnduleursContrôle d'isolement

Contrôle-commandeet mesure départs

Tableauxsecondaires

Configuration

fig. 13 : répartition des fonctions dans l’architecture d’un tableau.


3.5 Un bus de tableau adapté au process électrique

Pour sélectionner un réseau de terrain adapté, ilest essentiel de bien connaitre les contraintesliées au process électrique, notamment : fluxd’informations, temps de réponse,environnement…

Caractéristiques du process électriquec Un process naturellement stable et continu.Une installation électrique a comme mission dedistribuer l'énergie à chacun desconsommateurs. L'objectif d'un TGBT est doncde maintenir les départs en position enclenchéeen permanence. L'ouverture d'un appareil peutêtre liée aux événements suivants :v intervention d'une protection suite à un défautélectrique,v demande d'un exploitant pour isoler un circuit(pour intervention, pour couper l'éclairage d'unétage en fin de journée...),v intervention d'un automatisme de délestagedes départs non prioritaires, suite à une perte dela source normale par exemple.Le changement d'état d'un appareil a donc uncaractère exceptionnel ; un tableau électriqueest en permanence dans un état naturellementstable. On remarquera d'ailleurs que lesdisjoncteurs sont par nature bistables...

c Des situations, causes d'avalanchesd'informations.A contrario, certaines situations peuvententrainer une avalanche d'informations dans desespaces de temps très courts. Par exemple, surperte de la source alimentant le tableau, lesappareils monostables tels que les contacteursvont s'ouvrir simultanément et les automatismesNormal/secours et de délestage vont agir sur lesdisjoncteurs.

c Des contraintes temps réel limitées.Dans une installation électrique, le temps deréponse du système à une sollicitation dépendde la nature de celle-ci :v sur un ordre opérateur depuis un poste desupervision, le système doit répondre dans undélai «acceptable» par celui-ci, soit environ uneà deux secondes entre l'action de validation«clic» de la commande par l'opérateur et lechangement d'état de l'appareil visualisé àl'écran.v pour les automatismes de permutation desource, il n'existe pas de contrainte de temps deréponse liée au process électrique ; l'objectif estde réduire au minimum le temps pendant lequelles consommateurs ne sont pas alimentés. Destemps de réponse de quelques centaines demillisecondes sont tout-à-fait raisonnables.v en fonctionnement sur Groupe Electrogène, sila puissance nominale du GE est dépassée, ilest nécessaire de délester des départs nonprioritaires. Le temps de surcharge autorisé estfourni par le fabricant de groupe en fonction dutaux de surcharge.

Dans des installations complexes où laproduction locale est couplée à l'alimentation parle distributeur, si celle-ci disparait, il fautpratiquer un délestage en une fraction deseconde de certains départs avant que lesprotections de l’alternateur n’agissent.

c Des flux d'informations dimensionnés par lesmesures.Les mesures électriques peuvent amener un fluxpermanent d'informations sur le bus de tableau :tensions, courants, puissances et énergies sontles données les plus couramment rencontrées.Le dimensionnement du bus dépendra dunombre d'informations à transmettre, mais aussiet surtout de la fréquence de transmission deces informations :v une valeur de courant ou de puissance peutservir à l'exploitant pour suivre en «temps réel»son réseau électrique ; une périodicité dequelques secondes peut s'avérer nécessaire ;v une valeur d'énergie est intégrée au minimumsur plusieurs minutes ; la fréquence detransmission de cette mesure est donc faible.

c Une mise en œuvre liée aux contraintes dutableau électrique.L'installation d'un bus à l'intérieur d'un tableauélectrique doit tenir compte des contraintessuivantes :v le réseau doit être insensible aux perturbationsélectromagnétiques importantes qui existentdans un tableau BT ;v il doit être simple à mettre en œuvre lors ducâblage du tableau, mais également à l'occasiond'évolutions de celui-ci ;v enfin, un tableau BT se caractérise par ungrand nombre de points de raccordement ; lecoût du point de connexion est donc un élémentdéterminant dans le choix du réseau.

Les protocoles de type maître/esclave nonadaptés

Dans les solutions décrites au chapitre 2, il y acommunément des protocoles de typemaître/esclave, ModBus par exemple (pour plusde précisions, voir le Cahier Technique n°147).

Pour un tableau automatisé de base, c'est-à-direne gérant que des commandes et des comptes-rendus d'états, un protocolemaître/esclave permet de satisfaire lesperformances demandées. Ainsi, sur la based'un tableau de 50 départs et arrivées, lascrutation de l'état de l'ensemble des départs etarrivées, à raison de 20 ms par stationinterrogée, peut se faire en environ 1 seconde.Sur événement (ordre superviseur ouintervention d'un automatisme dans la centralede tableau), la scrutation des états peut êtreinterrompue pour envoyer les commandesnécessaires.


Par contre, dès que des fonctions requisesnécessitent la transmission de mesures, ce typede protocole devient rapidement inadapté, paraugmentation du temps de cycle de scrutation.

De plus, sur changement d'état d'un appareilsuite à un déclenchement, l'information ne seraconnue par la centrale de tableau que lors de laprochaine scrutation.

Enfin, ce type de protocole est inadapté pour destraitements répartis car la centrale ne peut jouerson rôle de maître que si toutes les informationspassent par elle.

L'utilisation de protocoles CSMA

A la différence des protocoles utilisant un accèsau médium maître/esclave, les protocoles CSMA(Carrier Sense Medium Access) permettent auxstations connectées au réseau d'émettrespontanément uniquement en cas de besoin.

c Les contraintes du CSMAL'accès aléatoire sur le médium soulève troiscontraintes qui n'existent pas avec unfonctionnement de type maître/esclave, parnature centralisé. Ces contraintes sontfacilement résolues.

v Le risque de collision : plusieurs stationsconnectées pouvant parler simultanément ; desrègles sont établies pour éviter la collision entreles différents messages.Deux cas existent :- le CSMA-CD (Collision Detection) dans ce cas,les stations détectent l'interférence sur le réseau

Station 1

Station 2

Etat de la ligne

Contrôle de la lignepar la station 1

Contrôle de la lignepar la station 2

15 V

0 V

OK OKOKOKOKOKOKOK

1 111 10 00

1 0 0 Abandon transmission

_ ErreurOK OK_ _

La station 1 pince la ligneet la met en court-circuit

Les stations 1 et 2pincent la ligne

La station 1 pince la lignela station 2 laisse la ligne au reposelle détecte la ligne en court-circuit,constate une collision et arrêted'émettre.

Les stations 1 et 2laissent la ligne aurepos

La station 1 laissela ligne au repos

La station 1 n'a pas détectéla collision et peut terminerl'émission de son message

fig. 14 : exemple d’une analyse de collision avec BatiBus.

entre les deux messages et décident d'arrêterleur émission ; chacune tentera de réémettre lesien ultérieurement. Cette solution est utiliséepar Ethernet- le CSMA-CA (Collision Analysis) dans ce cas,un dispositif permet à la station émettant latrame la moins prioritaire de se retirer, laissant àla trame la plus prioritaire de continuer sonémission. La gestion des priorités est faite auniveau du codage de la trame transmise. Cettesolution est utilisée par BatiBus (cf. fig. 14 ).v Le temps de réponse non déterministe : enfonction de la charge sur le bus, le délai detransmission d'une trame n'est pas constant. Iln'est donc pas possible de garantir un temps detransmission maximum avec ce type d'accès aumédium. Toutefois, certains dispositifs et règlesde conception permettent d'obtenir des temps detransmission maximum avec un taux deconfiance proche de 100 %. Ainsi, sur BatiBus,les commandes sont des trames prioritaires,permettant de résoudre ce problème.v Détection de stations en panneDans un système utilisant un accès au médiummaître/esclave, la panne d'un esclave estdétectée au moment de la scrutation de celui-cipar le maître.Dans un protocole où seules sont émises destrames utiles, un module en panne ne sera pasdétecté. Il reste à la charge de chaqueapplication de prévoir des dispositifs desurveillance permettant de s'assurerpériodiquement du bon état de fonctionnementde chaque module.


c Les avantages d'un bus CSMA pour uneinstallation électrique.Dans les paragraphes précédents, il a étédémontré qu'il était possible de s'affranchir descontraintes propres aux bus CSMA.Les principaux avantages que procure ce typede fonctionnement sont les suivants :

v optimisation des échanges : un protocole detype CSMA permet d'optimiser les échanges, carle bus n’est pas encombré par la scrutationpermanente. Ainsi, pour un process stablecomme l’est normalement une installationélectrique, avec la même vitesse detransmission qu'avec un protocolemaitre/esclave, le nombre d'informations utilesest notablement plus important, et les temps deréponse peuvent être plus faibles.

v Réduction des coûts : plus la vitesse detransmission est forte, plus les contraintesd'installation pour se protéger contre les pertur-bations électro-magnétiques sont fortes, et doncles coûts importants. Un protocole de typeCSMA, permettant de choisir une vitesse plusfaible, les coûts liés à la transmission se trouventréduits.

v Décentralisation des traitements : ce typed'accès permet de traiter de manière optimiséeles traitements décentralisés et/ou répartis.L'exemple de la figure 15 (décentralisation)montre la simplification des échangesd'information (messages aux NP : ouverture) parrapport à un dispositif centralisé maître/esclave.A noter qu’en cas de traitement «réparti», c’estle module de mesure qui donne directementl’ordre de déclenchement aux NP, ainsi mêmeen cas de panne de la centrale de tableau, ledélestage reste opérationnel !

L'utilisation de FIP pour les applications MCCCertaines applications en milieu industriel ontdes exigences très sévères de continuité deservice et de performance se traduisant, parexemple, par un temps de réponse garanti(déterministe) pour une commande venant d'unautomatisme pilotant le process. C'est le cas decertains tableaux MCC (Motor Control Centers).A la différence d'un TGBT, les commandesd'ouverture et de fermeture d'un appareil n'ontplus de caractère exceptionnel.Dans ce cas, les performances d'un réseaumaître/esclave ne sont pas suffisantes (à moinsd'utiliser des vitesses de transmission trèsélevées, générant des surcoûts importants) et unréseau avec accès aléatoire au médium estinadapté.

C'est pour ce type d'utilisateurs que le réseauFIP a été conçu par des industriels et desconstructeurs. Sans détailler ici son fonction-nement, nous pouvons indiquer qu'il présente laparticularité de reprendre les avantages dumaître/esclave et de l'accès aléatoire :c l'accès au médium est contrôlé par un arbitrede bus (localisé dans la centrale de tableau pourun tableau BT),

Temps

0 ms

10 ms

20 ms

30 ms

40 ms

Etats

Etats

Etats

Etats

Etats

Commandes

Commandes

Commandes

c Les états sont transmis sous forme de variables périodiques toutes les 10 ms.

c Les commandes sont transmises sous forme de messages périodiqes toutes les 20 ms.

c Le temps disponible (en grisé) permet de transmettre sous forme de messages apériodiques les paramètres, mesures, informations de diagnostic ...

fig. 15 : diagramme temporel MCC avec FIP.

c des données peuvent être diffuséespériodiquement sur le réseau, (commandes etétats par exemple),c les stations peuvent demander à l'arbitre debus le droit d'émettre des informations en cas debesoin, (changement significatif de la valeurd'une mesure...),c les données produites par une station peuventêtre consommées par une ou plusieurs autresstations, (pour les traitements répartis),c enfin, le protocole intègre différents dispositifspermettant de garantir un très haut niveau desûreté de la transmission.

C’est ainsi que sont retrouvés les avantages :c du maître/esclave (temps de réponsedéterministe et garanti),c de l'accès aléatoire (transmissiond'informations utiles ou sur événement) avec desperformances importantes, et la satisfaction decontraintes de sûreté de fonctionnement trèssévères.


4 Des exemples de mise en œuvre

4.1 Centre Informatique

Les besoins de l’exploitantDans un centre informatique opérationnel24 heures sur 24, le premier souci duresponsable électrique est d'assurer unedisponibilité permanente en énergie, avec unegrande réactivité pour la maintenance.En complément de ces besoins de base, le clientsouhaitait diminuer sa facture d'énergie par :c une action sur le cos ϕ,c la souscription d’un contrat EJP (Effacementjours de pointe).

Local du gardien

VAR

TGBT

G

1000 KVA20 KV /230-400V

550 KVA

Onduleurs

Cellule MT

A A A A

A A

D

B

C

C

F

A

VAR

E

fig. 16 : solution mise en œuvre pour un centre informatique.

Ces deux options permettent de rentabiliserl'installation en moins de trois ans, grâce à unefacture d'électricité moins élevée.

La solution mise en œuvrec Installation électriqueL'installation électrique est alimentée par uneboucle en Moyenne tension de 20 KV,alimentant un transformateur 1000 KVA,alimentant lui-même un TGBT (cf. fig. 16 ).Le TGBT est un tableau à tiroirs débrochables. Ilalimente 23 départs, dont 2 en réserve. Les


départs de forte puissance sont équipés detélécommandes.Les ordinateurs sont alimentés à travers deuxonduleurs en redondance.Un groupe électrogène de 550 KVA est capablede reprendre en secours l'ensemble deséquipements électriques du Centre.

c Les fonctions à réaliser

v Permutation de source : en cas d'absence detension en aval du transformateur MT/BT (ou designal EJP), le tableau est alimentéautomatiquement par la source deremplacement. L'armoire gérant le groupe reçoitdes ordres d'arrêt et de marche venant du TGBTet assure la gestion du GE de manièreautonome.Lors du passage sur GE, les départs de fortepuissance sont délestés pour minimiser l'impactde charge au moment de la commutation, avantd'être relestés un à un avec une temporisationindividuelle réglable.Au retour de la tension sur le réseau, le tableaurebascule automatiquement sur la sourcenormale et demande l'arrêt du groupe.

v gestion du contrat : le distributeur d'énergieprévient le consommateur du passage en mode«EJP» 30 minutes à l'avance. Ce signaltransmis par le réseau est décodé par un relaisspécifique. A sa réception, le tableau passe surGE, exactement comme s'il s'agissait d'uneperte du réseau. A sa disparition, le retour sur leréseau se fait automatiquement.

v Régulation varmétrique : une batterie decompensation de l'énergie réactive de 100 KVArest pilotée par un régulateur varmétrique.

v Surveillance à distance : en cas d'incident surl'installation électrique, le gardien est prévenuimmédiatement grâce à une console desupervision lui transmettant les alarmes issuesdu TGBT.

c Le système de contrôle-commande

v Chaque arrivée et départ du TGBT est gérépar un module (repéré A sur le schéma) qui :- acquiert l'état du départ (ouvert, fermé,déclenché, débroché...)- affiche localement cet état- commande celui-ci en ouverture, fermeture ouréarmement, pour les arrivées et départs àtélécommandes. Ces commandes peuvent êtredonnées localement ou via le bus de tableau.- dialogue avec la centrale de tableau via le busde communication numérique.

v Une centrale de tableau (repérée B sur leschéma) située dans le TGBT est chargée :- d’assurer le contrôle-commande des arrivées etdéparts via les modules repérés A sur leschéma,- d’acquérir en direct les informations suivantes :présence tension réseau ou GE (via des relaisde tension repérés C sur le schéma), passageen mode EJP (relais EJP répéré E sur leschéma),- de transmettre un ordre de démarrage àl'armoire gérant le GE (repérée D sur le schéma)- de traiter les permutations de sources causéespar une absence de tension réseau ou unpassage en mode EJP,- de générer et transmettre des alarmes à laconsole de supervision qui les affiche sous uneforme adaptée (repérée F sur le schéma).

4.2 Hôpital

Les besoins du clientDans un hôpital, la continuité de service enénergie électrique est primordiale. Nous allonsexaminer le cas d'un centre hospitalier de taillemoyenne.Pour gérer au mieux la distribution électrique, etconformément aux souhaits de l’exploitant :c Les départs sont classés en trois catégories :secourus, prioritaires, sans coupure ; chaquearrivée ou départ est surveillé et peut êtrecommandé à distance depuis le superviseur.c L’ensemble de l’installation est supervisé àdistance.

La solution mise en œuvrec Installation électriquev L'installation électrique est alimentée par uneboucle en Moyenne tension de 20 KV,alimentant trois transformateurs 1000 KVA,alimentant eux-mêmes un TGBT de répartition.v Deux groupes électrogènes de 400 KVA sontcapables de reprendre en secours certainséquipements du Centre.

v Deux onduleurs alimentent les départs à HauteQualité et Prioritaires.v Les départs sont regroupés dans trois TGBT.Le schéma de la figure 17 explicite le principed'alimentation de chaque départ pour le TGBT1.c Organisation de la GTEv Un poste de conduite (superviseur) permetsurveillance, commandes et paramétrages parl’exploitant.v La centrale «TGBT répartition» :- permet le contrôle-commande des disjoncteursarrivées et départs,- contrôle le bon fonctionnement des relaisvarmétriques (compensation de l’énergie réactive)et supprime la compensation en absence detension secteur (fonctionnement des GE),- dialogue avec les unités de traitement desonduleurs,- fournit l’information : transformateurs enservice.v La centrale «TGBT-GE» :- assure le contrôle-commande des disjoncteurs,


- dialogue avec les armoires de commande desgroupes : contrôle et transmission des ordres demarche et arrêt,- dialogue avec les TGBT (1-2-3 et HQ) quiémettent un ordre de démarrage des GE etreçoivent une consigne de puissance maxi àconsommer en fonction des GE en service etdes TGBT alimentés (tous ne le sont pasnécessairement lors d’opérations demaintenance).

v Les centrales des TGBT 1-2-3 :- contrôlent et commandent les disjoncteurs,- assurent la fonction normal/secours des

départs secourus à partir de l’information fourniepar les relais de tension :. délestage des gros départs,. émission d’une demande de démarrage desGE,. fermeture du disjoncteur d’arrivée GE,- assurent la régularisation de charge : lesdéparts secourus étant classés par pioritésd’alimentation : les départs sont délestés ourelestés en fonction de la puissance générée par1 ou 2 GE ou fournie par 1, 2 ou3 transformateurs,- dialoguent avec le contrôleur d’isolement desdéparts «sans coupure».

fig. 17 : Solution mise en œuvre pour un hôpital.

Départs prioritaires(Onduleurs/secteur)

Départs sans coupure(Onduleurs/groupes)

Départs secourus(Secteur/groupes)

Cellule MT

Réseau 20 kV

TGBT2 TGBT3

TGBT2 TGBT3

TR 20 kV / 230-400V

3 x 1000 kVA

2 x 400 kVA

GE GE

TGBT2 TGBT3

TGBT1

TGBT2 TGBT3

TGBT H.Q.

TGBT GE

TGBT de répartition

Onduleursavec C.S.


v La centrale «TGBT HQ» :- contrôle-commande les disjoncteurs,- assure la permutation des sources, après avoirdemandé le démarrage d’un groupe si l’onduleura signalé un problème.

Dans cet exemple de réalisation, toutes lesfonctions d’une GTE ne sont pas mises enœuvre (ce n’est jamais le cas) :c La gestion temporelle n’est pas utilisée car unhôpital «fonctionne» 24h sur 24.c La gestion du contrat (lissage, EJP) n’a pasété envisagée, seule la compensation de

l’énergie réactive est mise œuvre.c Le système de GTE mis en œuvre estentièrement au service de la meilleuredisponibilité de l’énergie électrique.c Chaque tableau est équipé d’une intelligencelocale, autonome, qui assure les fonctions qui luisont imparties.c Peu d’informations événementielles circulentsur le bus (N/S, groupes, régulation de charge)et pas de mesure de grandeur électrique si cen’est le comptage réalisé dans le tableau MT.Le contrôle des états est réalisé périodiquement.


5 Conclusions et perspectives d'avenir

Point névralgique de la distribution électrique, letableau intelligent apporte une réponse adaptéeaux besoins des gestionnaires et exploitants desinstallations électriques :c économie sur le poste énergie électrique,c sûreté de fonctionnement,c conduite à distance de l'installation (ouverturepossible sur GTB pour le tertiaire et gestion deprocess pour l’industrie),c maintenabilité et évolutivité de l'installation,c évolution progressive dans le temps del'installation vers l'intelligence.

La réalisation de tableaux à gestion intégrée,mais à intelligence décentralisée, répartie, estaujourd’hui grandement facilitée par l’existencede modules, matériels et logiciels standardiséset pérennes. En cela, le contrôle-commanderejoint la notion de tableau ensemble de série etse démarque fortement des automatismes desprocess industriels.

L'intégration de l'intelligence dans le tableaupermet de :c simplifier l'architecture du tableau et del'installation à la conception et lors des évolutions,(distribution répartie, suppression des demi-jeuxde barres, sélectivité, connaissance des réservesdu tableau, gestion des conditions d'utilisation auxlimites du tableau : température, surcharge...),c gérer le tableau dans le temps (fonction boitenoire, dossier de plans à jour...),c marier la communication (courants faibles)avec la puissance (courants forts).

Demain, la communication et les traitementsvont encore plus descendre au niveau del’appareillage, des capteurs et actionneurs. Ceciva faciliter la répartition de l’intelligence et doncréduire encore la centralisation. Des gainssensibles sont encore à attendre au niveau desétudes, du câblage, de la mise en service, del’exploitation, de la sûreté et de l’évolutivité.


Bibliographie

Cahiers Techniques Merlin Gerinc Introduction à la conception de la sûretéCahier Technique n° 144 -P. BONNEFOIc Initiation aux réseaux de communicationnumériquesCahier Technique n° 147 -E. KOENIGc Distribution électrique à haute disponibilitéCahier Technique n° 148 -A. LONCHAMPT - G. GATINEc Sûreté de fonctionnement et tableauxélectriques BTCahier Technique n° 156 -O. BOUJU

Cahiers du Gimelecc Les tableaux électriques Basse Tensionc Les Tableaux à Gestion Intégrée

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Tableau général BT intelligent -TGI-

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