Développement d’un outil d’analyse de la qualité de l’onde dans un réseau électrique intelligent

Avec l’éclosion des travaux portant sur les réseaux électriques intelligents, la qualité de l’onde ou qualité de l’énergie est un concept qui trouve de plus en plus sa place. Ses avancées sont fort utiles au sein des principales organisations liées à la production, au transport ou encore à la consommation de l’électricité. Depuis près de trois décennies, la qualité de l’onde devient un sujet de discussion et de recherche d’importance, puisque que plusieurs aspects économiques en découlent directement. En effet, des enjeux majeurs sont directement liés à la qualité de l’énergie qui est produite et fournie aux différents utilisateurs ou consommateurs. Par exemple, une mauvaise qualité du signal électrique peut engendrer des pertes de productivité et une baisse de la qualité des produits au sein d’entreprises, le vieillissement prématuré des équipements, des défaillances au niveau d’appareillages ayant une plage de fonctionnement électrique restreinte, etc.

De plus, le maintien de la qualité de l’onde devient primordial lorsqu’entrent en jeu différents producteurs d’énergie. Dans l’optique où il est possible pour toute personne de redistribuer un surplus d’énergie sur le réseau afin d’obtenir diverses rétributions, il est impératif que le niveau du service rendu aux autres clients demeure optimal. C’est ici que la qualité de l’onde trouve son importance.

Qualité de l’onde 

La qualité de l’onde se définit comme un regroupement de limites imposées au signal électrique, permettant aux systèmes électriques et électroniques de fonctionner sans perte de performance et sans dégradation. Il s’agit donc là des conditions normales de fonctionnement du réseau électrique. Les différentes limites de la qualité de l’onde régissent les niveaux de tension inférieurs et supérieurs, de même que les fréquences contenues dans le signal produit. Il incombe donc aux fournisseurs d’électricité de respecter ces limites en mettant en place différentes moyens de prévention et de correction. Le consommateur a aussi un rôle à jouer dans le respect de ces limites, puisqu’il ne doit en aucun cas perturber de manière volontaire ou non la qualité de l’onde distribuée. La plupart du temps, le consommateur se doit d’informer son distributeur de toutes charges qu’il souhaite raccorder au réseau et qui pourraient potentiellement affecter la qualité de l’onde. Dans tous les cas, une solution technique est mise de l’avant par le distributeur [2] afin de conserver une certaine qualité de l’onde et le choix d’implantation dépend d’ordinaire de l’aspect économique.

Tel qu’il a été mentionné, les deux axes principaux concernant le respect de la qualité de l’onde se rattachent à la fréquence ainsi qu’à l’amplitude de la tension fournie. Une large description de chacun de ces paramètres, ainsi que leurs impacts sur le réseau et les moyens de les corriger peuvent être trouvés dans plusieurs ouvrages de référence [2][3][4].

Pour ce qui est de la fréquence, sa valeur nominale est de 60 Hz en Amérique du Nord. Cependant, elle dépend des installations liées à la création de l’électricité. Dans le réseau québécois, ces installations sont en majorité de type hydraulique et la fréquence de la tension est principalement affectée par la vitesse des alternateurs des centrales productrices. HydroQuébec spécifie que la fréquence du réseau est maintenue à ±1 % de la valeur nominale, soit dans une plage allant de 59,4 Hz à 60,6 Hz et ce pour au moins 99 % du temps, lorsque compilé de façon hebdomadaire [4].

Un contrôle accru de la qualité de l’onde est nécessaire afin de préserver la durée de vie des différents appareillages connectés au réseau. Cependant, toutes les variations de l’onde ne peuvent pas être contrôlées en temps réel. Certaines sont causées par des perturbations aléatoires, dues à une intervention humaine, animale ou environnementale et sont impossibles à prévoir. D’autres sont même causées par des manœuvres visant à corriger la qualité de l’onde, comme c’est parfois le cas pour les transitoires de tension. Il est donc important de comprendre d’où elles viennent et ce qui les a causées, afin de mettre en place des moyens de prévention.

Dans ce mémoire, il sera question principalement des surtensions transitoires. Il est tout de même important de savoir que plusieurs autres types de perturbations peuvent survenir sur le réseau. Ainsi, le but premier des études et des développements effectués en matière de qualité de l’onde vise à renforcir les moyens mis en place dans les différentes sphères de la production d’électricité afin de réagir rapidement et efficacement aux variations encourues.

Bien qu’il ne sera question que de perturbations transitoires dans l’entièreté de ce document, il est justifiable de résumer les différentes déviations potentielles de la qualité de l’onde.

Outils de mesure 

Afin de détecter les différentes perturbations pouvant affecter la qualité de l’onde, une surveillance continue de cette dernière est nécessaire. Afin de remplir cette tâche, des outils de mesure ont été déployés sur l’entièreté du réseau, plus précisément à des endroits où des événements sont susceptibles de se produire. Ces appareils, appelés dispositifs électroniques intelligents (DEI), permettent de recueillir à la fois les tensions et les courants sinusoïdaux observés sur chacune des phases.

Selon la fiche technique de cet appareil [5], une panoplie d’informations utiles concernant le signal peut être calculées et enregistrées. Par exemple, la tension et le courant sinusoïdal, la puissance active, réactive et apparente par phase ou totale, la fréquence et le facteur de puissance font partie de cette liste. Ces informations sont retenues lorsqu’une perturbation potentielle est détectée. Des analyses de la qualité de l’onde peuvent alors être conduites en temps réel et les informations concernant l’onde à ce moment précis sont enregistrées dans l’appareil. Plusieurs types de perturbations peuvent être détectés par ce modèle précis d’instrument de mesure .

De plus, les informations acquises sur les perturbations détectées peuvent être téléchargées à distance à l’aide de différents protocoles de communication et les données peuvent ensuite être enregistrées dans des bases de données à des fins de consultation ou d’analyse ultérieure. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas de l’application qui sera décrite dans ce présent document .

Ces appareils de mesures peuvent être disposés à différents endroits sur le réseau électrique, soit sur les lignes, dans les différents postes de distribution ou aux points communs de couplage (PCC). Leur emplacement est décidé en fonction des potentiels agents perturbateurs situés à proximité, ou à la demande d’un consommateur préoccupé par la qualité du signal électrique qu’il reçoit.

TI faut cependant faire attention, puisque les tensions et les courants d’entrée permis pour ces appareils peuvent se trouver largement en dessous des caractéristiques du réseau au point d’implantation. En effet, la tension d’entrée acceptée varie entre 65 VAC et 120 VAC, tandis que la valeur de courant doit être située sous la barre des 5 A. C’est la raison pour laquelle des transformateurs de mesure sont parfois nécessaires. ils permettent alors d’amener les valeurs dans des plages acceptables pour l’appareil de mesure.