Modélisation d’une ligne de métro automatique

 L’optimisation énergétique d’une ligne de métro automatique, nécessite d’abord de comprendre comment les rames de métro sont alimentées en énergie et comment les échanges de puissances s’effectuent entre les trains et les sous-stations d’alimentation. L’objectif de ce chapitre est d’établir un modèle électrique d’une ligne de métro pour nous permettre d’estimer la consommation instantanée des véhicules en circulation, ainsi que les échanges d’énergie qui se produisent entre véhicules lors des phases d’arrivée en station. Ce modèle devra en outre être assez simpliste pour permettre une mise en œuvre en temps-réel. Dans ce chapitre, les principaux éléments qui constituent une ligne de métro automatique sont passés en revue : le matériel roulant, les barres de guidage qui permettent d’alimenter les rames en énergie et les sous-stations d’alimentation. Puis, un modèle cinétique et électrique du matériel roulant est présenté afin d’établir le lien entre le déplacement des véhicules et les flux de puissance électrique que cela engendre. Le fonctionnement du freinage électrique est également caractérisé, pour permettre de comprendre les conditions de transformation de l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique. Ensuite, une modélisation des sous-stations d’alimentation et des barres de guidage servant au transport de l’énergie sur la ligne est menée, afin d’obtenir un modèle suffisamment précis pour envisager de déterminer les flux de puissance qui s’opèrent au sein du réseau lors de l’exploitation de la ligne de métro. Enfin, des méthodes de résolution sont mises en œuvre pour déterminer, à chaque pas de temps de simulation, les caractéristiques électriques de chacun des éléments constituant la ligne et d’en déduire les échanges d’énergie qui s’opèrent au sein du réseau électrique.

Terminologie

Avant de débuter la description des sous-systèmes qui composent une ligne de métro automatique, il convient de définir la terminologie propre au matériel roulant. — Une voiture consiste en une caisse supportant des équipements et reposant sur deux bogies. — Un doublet est constitué de deux voitures reliées par une barre semi-permanente. — Un triplet est constitué de trois voitures reliées par une barre semi-permanente. — Un véhicule est la plus petite unité utilisable en exploitation ; il peut s’agir d’un doublet ou d’un triplet. — Un train peut être constitué d’un ou de deux doublets. La figure 2.1 présente le schéma d’une voiture de type NEOVAL ainsi que ses principales dimensions.

Spécificités de l’étude

Dans cette étude, les systèmes de métro automatique développés par l’entreprise Siemens (anciennement MATRA), à savoir les systèmes VAL et Néoval sont particulièrement étudiés. Figure 2.1 – Schéma d’une voiture de type NEOVAL. Le VAL, acronyme pour Villeneuve d’Ascq-Lille, puis par la suite Véhicule Automatique Léger, a été mis en service pour la première fois en 1983 pour relier les villes de Lille et Villeneuve d’Ascq, sur ce qui constituait la première ligne de métro entièrement automatisée au monde. Le concept du VAL avait initialement trois grands objectifs : — Offir une haute qualité de service, avec une vitesse commerciale et une fréquence d’exploitation élevées. — Pouvoir s’insérer dans un contexte urbain qui impose notamment des contraintes sur la déclivité et la courbure des voies. — Permettre une conduite automatisée pour réduire les coûts d’exploitation. En 1968, le cahier des charges du VAL imposait ainsi de pouvoir transporter 6000 passagers par heure et par direction en heure creuse. Actuellement, douze lignes de VAL sont en service à travers le monde. En 2006, Siemens et Lohr Industrie s’associent pour créer le Néoval. Ce dernier a pour but de compléter l’offre VAL, en proposant des véhicules plus larges (2,65m à 2,80m), une modularité plus complète (1 à 6 voitures), une capacité de transport accrue jusque 30000 passagers par heure et par direction, la prise en compte des normes internationales et une plus grande compétitivité économique pour l’exploitant. En outre, certaines versions de Néoval auront également la capacité de pouvoir fonctionner sans alimentation extérieure sur des portions de ligne grâce à l’ajout de systèmes de stockage d’énergie embarqués. Le Néoval intègre également un système de communication CBTC. Le CBTC (Communication Based Train Control) est une norme IEEE 1 qui s’applique à l’automatisation du contrôle-commande de la marche des trains et spécifie les exigences fonctionnelles, les exigences de performance, les critères d’intervalle (la fréquence de passage), les critères de sécurité système et les critères de disponibilité système. Un système CBTC est un ATC (Automatic Train Controller) qui permet de gérer le fonctionnement de la ligne en localisant avec une forte résolution les trains de façon indépendante des circuits de voie. Ce système se caractérise également par l’utilisation d’une transmission de données, entre le sol et les trains, continue, bi-directionnelle et à haut débit et l’installation d’ordinateurs à bord des trains et au sol qui effectuent des traitements de sécurité.