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Modélisation de la propagation des CPL sur un réseau électrique
Un modèle précis des canaux de transmission aux fréquences CPL est nécessaire pour étudier le comportement des réseaux électriques et optimiser les systèmes de communication CPL. La modélisation du réseau permet ainsi d’estimer la propagation des signaux CPL en déterminant les fonctions de transfert entre le point d’injection du signal et les points de réception. La fonction de transfert d’un canal CPL dépend de la topologie du réseau électrique et des impédances des appareils qui y sont connectés. Dans la littérature, les approches de modélisation d’un réseau électrique se déclinent en deux catégories :
➤ l’approche empirique dite « top-down » est basée sur un modèle stochastique global bâti à partir de différentes mesures réalisées sur le réseau ;
➤ l’approche déterministe dite « bottom-up » est basée sur la modélisation individuelle des composants du réseau et leur assemblage.
Méthodes top-down
L’approche empirique modélise les fonctions de transfert d’un réseau électrique uniquement à partir de mesures effectuées sur site. La connaissance de la topologie du réseau électrique n’est pas indispensable. L’objectif est de collecter des données sur le comportement des canaux CPL. Ces données sont ensuite utilisées pour construire un modèle et déterminer ses paramètres. Cette approche empirique est utile lorsque la topologie du réseau électrique n’est pas connue. Elle est aussi intéressante pour élaborer des modèles stochastiques de canaux CPL en analysant les distributions statistiques des paramètres du modèle du réseau. Les avantages des approches empiriques sont généralement :
• La génération rapide des modèles des canaux CPL, puisque l’injection de signaux calibrés sur un conducteur à un point du réseau et leur réception synchronisée à une autre position suffit pour obtenir les caractéristiques de la propagation de ces signaux.
• La richesse en information sur le comportement de ces canaux, puisqu’en plus de la propagation des signaux, les mesures réalisées sur site vont renseigner sur la nature et l’importance des bruits présents.
Ces approches de modélisation présentent plusieurs inconvénients :
• Elles ne sont pas généralisables : la validité d’un modèle empirique est limitée aux canaux ayant fait l’objet de mesures sur un réseau donné dans une plage de fréquence donnée.
• Ellessontintrusives: elles nécessitent qu’un opérateurse raccorde à des ouvrages d’un réseau existant pour y réaliser des mesures. Ces opérations sont chronophages et peuvent être difficiles selon les installations électriques à instrumenter, notamment l’émissions et la réception des signaux doivent être synchronisées.
• Elles sont sensibles à leur environnement : la présence de perturbations permanentes ou ponctuelles perturbe l’évaluation de la propagation des signaux et les fonctions de transfert.
Modèle multi-trajets de Philips
Le modèle de Philips décrit le canal CPL comme étant la superposition de signaux provenant de différents trajets. Sa réponse impulsionnelle est la somme de ? impulsions de Dirac [3]. La fonction de transfert du réseau (1-1) représente la transformée de Fourier de la réponse impulsionnelle.
Méthodes bottom-up
Les méthodes bottom-up sont une alternative aux approches empiriques. Ces méthodes nécessitent de connaître les propriétés physiques du réseau (topologie, types et longueurs de câbles, charges…) pour modéliser de manière unitaire chaque composant du réseau étudié dans la gamme de fréquences de 9 kHz à 500 kHz. Les modèles unitaires sont ensuite assemblés pour permettre le calcul des fonctions de transfert entre toute paire de nœuds d’un réseau donné (nœud émetteur / récepteur) et ainsi comprendre le comportement global du réseau.
L’approche bottom-up présente plusieurs avantages :
• La généricité de l’approche : elle peut être adaptée à toutes les configurations du réseau électrique et tous les types de composants connectés au réseau.
• L’anticipation des risques : elle peut être appliquée à un réseau existant, comme à un réseau à créer ou à des extensions, afin de déterminer les phénomènes de propagation induits par la topologie du réseau. Elle permet également de réaliser facilement des analyses de sensibilité à l’aide d’études paramétriques.
• La simplicité de mise en œuvre : son application par un opérateur de réseau ne nécessite pas d’aller sur le terrain pour réaliser des mesures complexes. Tout peut être réalisé dans un environnement maitrisé de laboratoire.
Elle présente également plusieurs inconvénients :
• L’exhaustivité de la bibliothèque de composants : un modèle doit être disponible pour tous les composants du réseau. Un seul élément n’ayant pas été caractérisé unitairement peut empêcher la réalisation des calculs.
• La dépendance à la précision des bases de données : les informations topologiques (connexions, longueur des lignes, position des boites de jonction…) contenues dans les bases de données du distributeur et électrotechniques (paramètres primaires et secondaires des lignes…) sont parfois imprécises, ce qui a pour conséquence une remise en question des performances de la méthode.
• Une connaissance parcellaire : même si la bibliothèque de composants est exhaustive, il est en réalité impossible de connaitre la nature exacte des installations électriques des clients (appareils connectés et mode de fonctionnement à chaque instant, topologie des installations électriques du client…).
• L’absence de connaissance a priori sur le niveau de perturbation existant : un réseau électrique est potentiellement soumis à des sources de perturbation variées dans la gamme de fréquences considérée. Sans mesure sur le réseau, il sera difficile d’anticiper la présence de telles perturbations.
Modélisation unitaire d’un câble électrique
Théorie de lignes de transmission et application aux CPL sur les réseaux électriques
La théorie des lignes de transmission est la plus utilisée pour la modélisation des câbles électriques, étant donnée sa simplicité et sa rapidité [8] [9] [10]. Deux hypothèses conditionnent son utilisation :
• l’homogénéité des conducteurs composants le câble : les paramètres géométriques (dimensions des conducteurs, distances entre les centres des conducteurs…) et les paramètres physiques (nature des conducteurs, nature des isolants…) sont considérés constants sur toute la longueur du câble ;
• le mode de propagation se fait dans l’hypothèse quasi-TEM (onde transverse électromagnétique), c’est-à-dire que toutes les dimensions transversales sont faibles devant la longueur d’onde. Le modèle d’un tronçon infinitésimal ?? d’une ligne bifilaire est présenté à la Figure 1-2. Il s’exprime en fonction de ses paramètres primaires :
• La résistance linéique ?. ?? (?) représente ses pertes série par effet Joule.
• L’inductance linéique ?. ?? (?) modélise la présence des effets magnétiques dus au passage du courant dans les conducteurs.
• La capacité linéique ?. ?? (?) modélise le condensateur formé par deux conducteurs en parallèle. Elle dépend de la permittivité de l’isolant utilisé.
• La conductance linéique ?. ?? (?) représente les pertes diélectriques le long de la ligne dues aux imperfections de l’isolant.
Les réseaux basse tension sont triphasés dont le neutre est acheminé jusqu’aux clients finaux. Les câbles assurant la distribution de l’électricité à ce niveau de tension sont donc composés de trois phases et d’un neutre, dont les sections peuvent être différentes. Un câble électrique triphasé basse tension est représenté par trois lignes de transmission ??? (Neutre-Phase ?). Une modélisation adaptée est nécessaire pour représenter ces trois systèmes de transmission. Nous trouverons dans la littérature [11] :
• Un modèle simplifié, sans interaction entre les lignes de transmission (sans couplage) ;
• Un modèle couplé, intégrant les couplages entre les lignes de transmission.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Etat de l’art de la simulation d’un système électrique et télécom
1.1 Introduction
1.2 Modélisation de la propagation des CPL sur un réseau électrique
1.2.1 Méthodes top-down
1.2.2 Méthodes bottom-up
1.2.3 Modélisation unitaire d’un câble électrique
1.2.4 Modélisation unitaire des autres composants du réseau
1.2.5 Assemblage des modèles unitaires des composants
1.3 Modélisation des perturbations électromagnétiques
1.3.1 Classification des perturbations dans la littérature
1.3.2 Caractéristiques et modélisations des perturbations CPL
1.4 Simulation globale d’un système CPL
1.4.1 Le système CPL, un système hétérogène multi-domaines
1.4.2 Environnement unique et formalismes hybrides
1.4.3 Transformation de modèles
1.4.4 Composition de modèles
1.4.5 Cosimulation de modèles
1.5 Conclusions
Chapitre 2 Modélisation des composants d’un réseau électrique
2.1 Introduction
2.2 Modélisation des câbles
2.2.1 Géométries des câbles considérés
2.2.2 Modélisation simplifiée et modélisation couplée des câbles électriques
2.3 Modélisation des équipements passifs
2.3.1 Modélisation générique des charges
2.3.2 Appareils domestiques
2.3.3 Impédance d’accès des installations des clients
2.3.4 Transformateurs HTA/BT
2.4 Modélisation des sources
2.5 Conclusions
Chapitre 3 Simulation de la propagation des signaux sur un réseau électrique
3.1 Objectifs du simulateur de propagation de signaux CPL
3.2 Méthode de calcul des fonctions de transfert
3.2.1 Calcul des fonctions de transfert pour un seul câble
3.2.2 Généralisation de la méthode de calcul des fonctions de transfert à un réseau Basse Tension complet
3.3 Implémentation de la méthode de calcul dans un outil
3.3.1 Tentative d’implémentation dans l’outil Dymola
3.3.2 Implémentation au sein de l’outil DisNetSimPl
3.4 Conclusions
Chapitre 4 Validation de l’algorithme de calcul des fonctions de transfert
4.1 Objectifs de l’algorithme de simulation
4.2 Comparaison des approches de simulation sur un cas simple
4.2.1 Cas d’application
4.2.2 Modélisation par l’approche circuit
4.2.3 Modélisation par l’approche ABCD
4.2.4 Modélisation par l’approche retenue
4.2.5 Mesure des fonctions de transfert
4.2.6 Analyse des résultats obtenus
4.3 Validation de l’algorithme de calcul sur des cas complexes
4.3.1 Objectifs
4.3.2 Description des configurations considérées
4.3.3 Configuration (i)
4.3.4 Configuration (ii)
4.3.5 Configuration (iii)
4.3.6 Configuration (iv)
4.3.7 Configuration (v)
4.3.8 Configuration (vi)
4.3.9 Synthèse des tests réalisés sur les cas complexes
4.4 Conclusions
Conclusion générale
