Système d'analyse de la consommation electrique Page réalisée par Cyril VIDAL
Ce projet a été proposé par l'entreprise Landis+Gyr de Montluçon. Le but du système est d'analyser la consommation des appareils électriques. Le produit pourra être installé au sein d'une installation électrique de bâtiment, au niveau du compteur de consommation électrique. Il permettra à EDF, ou au particulier, d'observer la consommation de chaque appareil et ainsi de mieux gérer sa consommation d'énergie électrique.
Observer, Analyser, Gérer sa consommation electrique
Chaque appareil électrique émet une impulsion unique (signature) lors des phases d'enclenchement et d'extinction. A partir d'acquisition sur le réseau électrique, le système doit être capable de détecter ces impulsions, afin de calculer la durée de fonctionnement de chaque appareil. Connaissant leurs puissances nominales, le système pourra estimer l'énergie qu'ils consomment.
Ce procédé comporte deux modes de fonctionnement :
Apprentissage :
L'apprentissage est destiné à constituer la base de donnée du site à auditer. Cette étape consiste à rentrer dans la base de donnée tous les appareils utilisés sur le site. Pour chaque appareil, on enregistre dans la base de donnée, les signatures d'allumage et d'extinction. Il y a un fichier d'allumage et un fichier d'extinction par appareil.
Reconnaissance :
La reconnaissance permet de reconnaître la signature prélevée sur le réseau, par comparaison de celle-ci aux signatures gabarits stockées dans la base de donnée. Une étude de faisabilité a été mené par nos prédécesseurs et a permis de montrer que le principe de détection des mises sous et hors tension des appareils à analyser était réalisable en pratique, par l’extraction de parasites haute fréquence générés sur le réseau et propres à chaque appareil. Cette année nous sommes chargés de réaliser une carte électronique prototype permettant par la suite une fabrication industrielle en série. Pour ce faire nous nous appuyons sur l’étude de faisabilité préalablement réalisée.
Detecter, Identifier les signatures hautes fréquences des appareils
Choix d'une solution architecturale
L'architecture du système s'articule autour d'un CAN qui échantillonne en permanence le réseau préalablement filtré pour éliminer le 50Hz, d'un CPLD chargé de détecter l'apparition d'une signature par dépassement de seuil et d'un microcontrôleur transférant les données à un PC pour les traiter. La fréquence d’échantillonnage des signatures étant de 50 MHz, pour réaliser le transfert des données de signatures acquises sur le réseau, sans perdre l’arrivée des suivantes, l’utilisation d’une mémoire tampon s’impose afin que le microcontrôleurpuisse avoir le temps d'expédier les données. Ces données se composent de la puissance présente sur le réseau donnée par la liaison télé information du compteur électrique, de la date fournit par une horloge temps réel pour estimer le temps de fonctionnement d'un appareils et de la Signature pour l'identification.
Choix des composants
Nous avons choisis les différents composants de la carte dans un soucis d'efficacité et d'économie.
Le CAN
Pour atteindre un taux de reconnaissance des signatures d’au moins 90 %, l’étude de faisabilité a démontré que le CAN doit posséder une résolution de 10 bits et fonctionner à au moins 50 MHz. Après une étude comparative des CAN disponibles sur le marché, les performances exigées ne permettent pas d’offrir des composants dont les boîtiers facilitent les essais. Nous avons donc retenu le modèle Analog Devices ad9215 bru-65 pour :
1) Son alimentation 3 V qui réduit sa consommation,
2) La possibilité d’utiliser une tension de référence interne pour une meilleure précision,
3) Son circuit track-and-hold qui autorise un temps d’instabilité des données,
4) L’intégration d’un correcteur d’erreur interne qui garantissant le codage des données sans pertes,
5) Son évolution fréquentielle vers les modèles Analog Devices cadencés à 80 et 105 MHz,
6) Son évolution vers les modèles 12 et 14 bits du même fabricant,
7) Son coût unitaire pour 1000 pièces d’environ 6 $.
Son fonctionnement est articulé autour d’une architecture pipeline à 6 étages qui délivre sur sa sortie, la donnée n, six coups d’horloge après sa présence sur l’entrée du CAN.
Le CPLD
Le convertisseur étant alimenté en 3 V, le CPLD doit pouvoir accepter de tels niveaux d’entrées. La fonction de détection et ses tests nécessite un nombre total d’environ 30 entrées/sorties. Ce composant doit pouvoir fonctionner à une fréquence supérieure à 50 MHz pour être efficace. Pour répondre au cahier des charges, le CPLD doit être reprogrammable in-situ. Le CUST utilise fréquemment la famille MAX 7000 des CPLD de marque Altera.. Le modèle EPM 7128S-7 réponds à nos besoins car :
1) il est reprogrammable in-situ
2) il peut fonctionner jusqu’à une fréquence de 140 MHz
3) il possède 68 entrées/sorties
Nous l’avons retenu aussi parce que l’école possède les outils de développement et travaille particulièrement avec des boîtiers plcc pour faciliter leur mise en œuvre.
La mémoire tampon
Les principales caractéristiques de la mémoire sont :
Sa fréquence de travail maximale définit par le système le plus rapide ; F = 50Mhz
Sa taille définit par les données à stocker ; C= 4Ko (Rappel de l’hypothèse, 10signatures/s)
Choix du type de mémoire Nous avons étudié les 3 solutions suivantes pour le choix de la mémoire.1) L’utilisation du CPLD présent sur la carte
2) L’utilisation d’une mémoire de type RAM (Random Access Memory)
3) L’utilisation d’une mémoire de type FIFO (First In First Out)
La première solution ne permet pas de répondre aux besoins du système en terme de capacité de stockage. La deuxième convient sur le plan technique mais nécessite une étude d’utilisation du composant qui pourrait nuire au planning de l’ensemble des tâches à réaliser. La dernière solution reste la plus simple à mettre en oeuvre à condition de choisir un composant facile d’emploi et qui permette une association de plusieurs puces pour gérer 10 bits en entrée. Dans ce cas, nous choisissons cette solution. Les points critiques du choix de la FIFO sont sa fréquence de travail et sa capacité. Nous avons retenu le produit de marque CYPRESS de référence CY7C460A-10JC car il est l’un des rares à correspondre aux critères de sélection. Il possède un temps de set up faible et un temps de hold nul, qui sont des temps influents sur la réalisation de la fonction de détection. De plus ce produit est compatible broches à broches avec le produit de marque IDT (IDT7205), offrant ainsi deux choix de fournisseurs.
Le microcontrôleur
Nous avons étudié les différents modèles de microcontrôleurs 8 bits du marché. Le CUST travaille particulièrement avec des modèles RISC du fabricant Microchip. Ces derniers offrent des outils de développement relativement simples et pratiques pour réaliser des essais. Les versions choisies par l’école possèdent de la mémoire de type Flash pour leur programmation. Dans ce cas, il est aisé de tester une multitude de programmes lors du développement. Il s’agit de la famille 16FXX. De plus, certains modèles de cette famille sont compatibles broche à broche avec les modèles de la gamme supérieure 18FXX(18F458,18F258). Cette famille autorise plus d’entrées/sorties, plus de mémoire, plus de périphériques internes et la possibilité de gérer plus de composants externes. Au lieu de comparer précisément l’important nombre des modèles disponibles, nous avons donc préférer s’assurer que ces micro contrôleurs PIC pouvaient convenir correctement à notre architecture pour réaliser la gestion des données.
Démodulation du signal télé information pour acquérir les données de puissance
Les compteurs d’énergie électroniques récents permettent de délivrer des informations sur 2 bornes de sortie appelées Télé information. Cette sortie unidirectionnelle émet donc des trames en continu codées suivant un format série RS232. Par conséquent, l’utilisation de cette liaison en direction du microcontrôleur permet une lecture de la puissance apparente mesurée sur le réseau. Le signal de Télé information est modulé à 50 kHz en tout ou rien selon une logique négative. Nous avons donc mis en forme le signal par un montage à transistor afin de pouvoir être exploité par le PIC.
Codage des algorithmes