Les réseaux électriques sont décomposés en différentes catégories selon leur niveau de tension. En courant alternatif, les domaines de ces niveaux de tension sont :
Cette classification des réseaux électriques en niveaux de tension permet de sépa-rer les rôles de chacun des acteurs des réseaux électriques en terme de responsabilité sur ceux-ci.
L’ancienne appellation est régie par la norme NF C 18-510, qui fait référence en France en matière de sécurité [4]. L’appellation actuelle normalisée est définie par la
5
TABLE 1.1 – Niveaux de tension électriques normalisés [3]
Appellation actuelle Ancienne appellation
Plage de tension (toujours d’usage)
HTB Très Haute Tension (THT) Un≥100 kV Haute Tension (HT) 50 kV≤Un< 100 kV HTA Moyenne Tension (MT) 1 kV≤Un< 50 kV
BTB BT 500 V≤Un< 1000 V
BTA 50 V < Un< 500 V
publication UTE C 18-510 approuvée par arrêté conjoint du Ministère du Travail et du Ministère de l’Industrie en date du 17 janvier 1989 paru au Journal officiel de la République française en matière de la sécurité des personnes [5].
Au Bénin, aucune norme relative aux domaines de tension n’a été signée par arrêté ministériel. La Communauté Electrique du Bénin (CEB) fournit en THT à la SBEE une tension de 161 000 V en alternatif.
1.2 Organisation physique générale des réseaux électriques
Du point de vue physique, le réseau électrique est découpé en différents niveaux de tension : le réseau de transport et de répartition, et les réseaux de distribution. Ce sont ces derniers qui alimentent la plupart des consommateurs. La figure 1.2.1 illustre l’organisation physique générale des réseaux électriques.
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FIGURE1.2.1 – Organisation des différents réseaux électriques [6]
1.2.1 Les réseaux de transport
Les réseaux de transport sont constitués de lignes THT et assurent le transport de l’énergie électrique sur de très grandes distances et à l’international. Ces lignes
Réalisé par william KODJIA 7
THT sont composées des conducteurs électriques en alliage d’aluminium pour un gain de poids (moins de poids entraîne moins de pylônes et donc réduction du coût de construction du réseau). Ces conducteurs ont une résistivité de 3,6 10-8 Ω.m 20°C, d’après BELTZER B [6]. Comme tous les conducteurs traversés par un courant, les lignes s’échauffent, une partie de l’énergie transportée est transformée en chaleur par effet Joule et donc perdue. Afin de minimiser ces pertes d’énergie, il est nécessaire de diminuer l’intensité du courant, et donc d’augmenter la tension aux bornes de la ligne pour maintenir la même puissance de transmission. L’autre avantage de l’élévation de la tension est que dans les zones urbaines à densité de charge élevée, les distances de desserte sont faibles, mais les puissances à desservir sont importantes.
Les réseaux de transport sont reliés à des transformateurs abaisseurs THT/HT. Ces derniers assurent le passage du réseau de transport au réseau de répartition.
1.2.2 Les réseaux de répartition
Les réseaux de répartition sont encore appelés centres de dispatching. C’est là que des opérateurs spécialisés surveillent et pilotent à distance le réseau électrique 24 heures sur 24. Leur rôle est non seulement d’effectuer des contrôles de la tension et de la fréquence pour le réseau de transport, mais aussi d’ajuster la production à la consommation. Ces réseaux assurent le transport de l’énergie électrique à longue dis-tance et desservent les industries très lourdes en matière de consommation d’énergie électrique.
Les réseaux de répartition sont reliés à des transformateurs abaisseurs HT/MT qui assurent le passage du réseau de répartition au réseau de distribution.
1.2.3 Les réseaux de distribution
Les réseaux de distribution exploitent le domaine des tensions inférieures à 50 kV, soit la plage de tension de la MT et de la BT. Ces réseaux assurent la distribution de l’énergie électrique en local. Ils desservent la majorité des consommateurs (PME,
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maisons, structures publique), à l’exception de quelques clients industriels directement alimentés en HT.
Connaissant le transport, la répartition et la distribution de l’énergie électrique, quels sont les paramètres qui caractérisent cette énergie électrique ?
1.3 Caractéristiques techniques générales
L’objectif des réseaux de distribution est de fournir de l’énergie électrique aux clients raccordés en MT ou en BT. La qualité de l’énergie délivrée doit être conforme à des caractéristiques définies par la norme EN 50610 (NF C02-160) de mai 2000 [7], résu-mées dans le tableau 1.2.
TABLE 1.2 – Caractéristiques générales de l’électricité [7]
Grandeurs Valeurs admises Tensions et variations 220 V ± 10 %, pendant 95 % du temps
mesuré sur une semaine Coupures très brèves durée < 1 seconde
Coupures brèves 1 seconde < durée < 3 minutes Coupures longues durée > 3 minutes
Surtension transitoire 6 kV mais valeurs supérieures possibles Déséquilibre de tension 2 % max. pendant 95 % du temps par semaine
Tensions harmoniques aux global de distorsion inférieur à 8 % de la Un
L’énergie électrique doit parvenir chez les différents clients en respectant la continuité de service. Pour cela, différentes structures de réseau existent.
Réalisé par william KODJIA 9
1.4 Structures des réseaux de distribution.
Selon BINGHAM J.A.C [8], on distingue trois catégories de structure à savoir :
? la structure simple dérivation,
? la structure double dérivation,
? la structure en boucle.
1.4.1 La structure simple dérivation
Ce réseau est encore appelé réseau en antenne.
1.4.1.1 Principe
Dans ce type de réseau, tous les postes de distribution sont reliés à la même ligne d’alimentation. La figure 1.4.1 illustre le réseau électrique en simple dérivation.
FIGURE1.4.1 – Réseau électrique en simple dérivation [9]
1.4.1.2 Utilisation
Cette structure est utilisée par la SBEE pour l’alimentation des usagers en milieu rural par les lignes aériennes.
Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC Avantage : simple à mettre en place et économique.
Inconvénient : lorsqu’un défaut apparaît sur la ligne, les postes de distribution placés en aval ne sont plus alimentés.
1.4.2 La structure double dérivation
1.4.2.1 Principe
Dans ce type de réseau, les postes de distribution sont reliés à deux lignes d’ali-mentation (mais alimentés par une seule). Lorsqu’un défaut apparaît sur une ligne, les postes de distribution placés en aval du défaut sont alimentés manuellement ou automatiquement par la seconde ligne. La figure 1.4.2 illustre le réseau électrique en double dérivation.
FIGURE 1.4.2 – Réseau électrique en boucle [9]
1.4.2.2 Utilisation
Cette structure est utilisée par la SBEE pour alimenter les zones industrielles où la densité de charge est élevée.
Avantage : bonne continuité de service.
Inconvénient : plus cher qu’en réseau simple dérivation.
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1.4.3 La structure en boucle
Ce réseau est aussi appelé réseau en coupure d’artère.
1.4.3.1 Principe
Dans ce type de réseau, les postes de distribution sont alimentés en dérivation sur une boucle qui passe par chacun d’entre eux. En fonctionnement normal, la boucle doit être ouvert en un point (ouverture d’un des interrupteurs-sectionneurs placés en série sur la boucle).
Lorsqu’un défaut apparaît sur la ligne, le poste concerné est isolé par l’ouverture des deux interrupteurs-sectionneurs placés en amont et en aval du défaut. Les postes non alimentés suite au défaut peuvent l’être à nouveau par l’autre côté de la boucle.
La figure 1.4.3 illustre le réseau électrique en boucle.
FIGURE 1.4.3 – Réseau électrique en boucle [9]
1.4.3.2 Utilisation
Cette structure est utilisée par la SBEE pour alimenter les milieux urbains. Cette structure est utilisée pour une partie du réseau MT de l’UAC. Elle a servi de base pour le déploiement du réseau téléphonique par CPL de l’UAC.
Avantage : bonne continuité de service.
Inconvénient : plus cher qu’en réseau simple dérivation.
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Conclusion
L’énergie électrique est produite par les centrales électriques puis transportée par un réseau électrique THT. Après une transformation de niveau de tension THT/HT, cette énergie est distribuée à des abonnés particuliers. Elle subit enfin une autre transformation de niveau de tension MT/BT afin d’être distribuée à la majorité des consommateurs de l’énergie électrique.
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Généralités sur le CPL
Introduction
Depuis l’apparition des réseaux locaux, les technologies Ethernet et Wi-Fi dominent indéniablement le marché des réseaux locaux. Dans certaines situations, les réseaux sans fil Wi-Fi deviennent inefficaces. La mise en place de câblages classiques repré-sente un investissement trop lourd et parfois encombrant, les murs sont en béton, et les ondes du Wi-Fi passent mal à travers des murs épais ou du métal. La transmission des données devient parfois pénible. Face à cette situation, une solution s’est offerte : la possibilité de transmettre les données informatiques par les mêmes câbles que ceux du courant électrique, d’où le Courant Porteur en Ligne (CPL). Il est question dans ce chapitre, de présenter l’évolution de la transmission par courant porteur en ligne.
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2.1 Présentation de la technologie du CPL
L’expression « courants porteurs en ligne », communément abrégée CPL, est ap-parue à la fin de la seconde guerre mondiale, en 1945. À l’époque, beaucoup de lignes téléphoniques et électriques étaient détruites, mais il restait davantage de lignes élec-triques d’infrastructure que de lignes téléphoniques [10,11]. Pour des besoins de com-munication, des systèmes ont été conçus afin de transmettre des données sur les câbles basse tension ou moyenne tension, en s’inspirant de la télégestion des éclai-rage publique déjà effectuées sur les lignes électriques.
Le CPL ou encore PLC est une technologie qui utilise les réseaux électriques exis-tants d’un bâtiment pour transporter les données sans câblage spécifique supplémen-taire [12]. La technique des courants porteurs en ligne consiste à coupler les signaux basse fréquence (courant alternatif) aux signaux haute fréquence (signal CPL) sur les-quelles transitent les données numériques. Ce couplage spectral ne perturbe pas le fonctionnement des équipements électriques [12].
La transmission de l’information peut être à bas ou à haut débit. Cette transmis-sion se fait à base d’une modulation spécifique qu’on présentera dans la suite de ce mémoire.
Le CPL offre aux utilisateurs beaucoup de services à savoir : les appels, les ser-vices multimédias, l’accès internet, etc.
Selon la littérature [13,14] les courants porteurs en ligne se retrouvent sous plu-sieurs mot-clés à savoir :
? CPL (Courant Porteur en Ligne)
? PLC (Power Line Communication)
? PLT (Power Line Telecommunication)
? PPC (Power Plus Communication)
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2.1.1 Les systèmes CPL d’aujourd’hui
Les compteurs électriques constituent des barrières à la propagation du signal CPL [15,16]. Ainsi le marché du CPL se partage en deux segments. Le premier segment est celui en aval du compteur électrique (indoor), c’est-à-dire à l’intérieur des bâtiments.
Le second segment est celui en amont du compteur électrique (outdoor), c’est-à-dire à l’extérieur des bâtiments vers les transformateurs [16].
Le CPL outdoor constitue le cadre de la présente étude et intervient ici comme alternative à la mise en place d’un réseau pour faire communiquer au moins deux compteurs reliés par le même transformateur MT/BT.
En dehors du système CPL à bas débit qui servait à allumer ou éteindre les lampes publiques, les systèmes CPL à haut-débit (indoor ou outdoor) sont des systèmes large bande qui occupent la bande [1.6 - 30] MHz pour lesquels aucune norme spécifique n’est en vigueur [17,18,19]. L’évolution des secteurs indoor et outdoor du système CPL à haut-débit se présente deux à savoir : le marché outdoor et le marché indoor.
2.1.1.1 Le marché outdoor
Dans le cas du CPL outdoor, les déploiements en sont encore au stade de l’expérimentation [19]. Les freins au développement de ce système ne sont pas seule-ment d’ordre technique (l’absence de standard par exemple), ils sont aussi d’ordre juridique (absence de réglementation juridique). En effet, l’activité du transport de don-nées relève des télécommunications et nécessite une licence d’opérateur de réseaux télécoms [20]. C’est-à-dire qu’il faut des lois juridiques autorisant les sociétés d’élec-tricité d’être en même temps des opérateurs de télécommunications : raison pour la-quelle l’outdoor n’existe que du point de vue expérimental.
2.1.1.2 Le marché indoor
Le secteur des CPL haut-débit indoor est en plein essor dans les pays avancés [20]. La principale application de ce secteur du CPL est la réalisation des réseaux
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domestiques à haut débit sur lesquels peuvent transiter des informations multimédia (images, vidéos, sons).
Qu’il s’agisse des CPL indoor ou outdoor, les réseaux visés, «gourmands» en débit, nécessitent l’utilisation d’une ressource spectrale conséquente. Les techniques mises en œuvre pour occuper toute la bande disponible sont : les techniques à étalement de spectre et les techniques multiporteuses qui seront présentées dans la suite de ce mémoire. L’étalement de spectre a été utilisé dans les premiers systèmes CPL.
En 1999, le projet français RNRT DOLIE (réseau domotique sur ligne d’énergie) s’est intéressé à l’étude et la validation des techniques d’étalement de spectre dans le cadre de communications CPL indoor [21]. Il y a aussi en 2001 le projet américain OPERA (Open PLC Research Alliance) qui vise à développer une norme d’accès CPL de nouvelle génération pour accélérer l’adoption de l’accès CPL large bande écono-mique et très performant.
Par ailleurs, certains industriels, tels que l’israélien ITRAN et Oxance, commer-cialisent encore des puces exploitant l’étalement de spectre et offrant des débits de 2,4 Mbit/s à 10 Mbit/s [21].
Aujourd’hui, les industriels de fabrication des équipements CPL se concentrent sur les techniques de modulations multiporteuses, et en particulier l’OFDM [22].
Les systèmes commercialisés en indoor depuis le début des années 2000 ré-pondent aux standards proposés au sein du consortium HomePlug. Selon DIXON R.C [23], nous pouvons citer à titre illustratif les industriels : Oxance, Zeus Power-line, Corinex, Olitec, Packard Bell, qui commercialisent leurs modems indoor sous le label HomePlug. Deux standards sont finalisés et spécifient les couches physiques et les couches de contrôle d’accès (MAC | Medium Access Control) : le HomePlug 1.0 à 14 Mbit/s (qui utilise les techniques d’étalement de spectre) et le HomePlug AV à 200 Mbit/s (qui utilise les techniques multiporteuses OFDM) [23].
L’OFDM est employée une technique de transmission, la différence entre les deux standards est essentiellement au niveau du nombre de sous-porteuses utilisées [24].
Le standard HomePlug 1.0 prévoit en effet l’utilisation de 128 sous-porteuses,
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modulées en MDP2 ou MDP4 différentielle, alors que le HomePlug AV comporte 1536 sous-porteuses, chacune pouvant transmettre jusqu’à 10 bits dans le cas d’une modulation QAM [24]. Celle-ci sera présentée dans la suite de ce mémoire.
Le partage des données informatiques est géré par le biais d’une version modifiée du protocole CSMA-CA (carrier sense multiple access - collision avoidance) et qui sera aussi présentée dans la suite de ce mémoire.
Enfin, rajoutons que la correction des erreurs est réalisée grâce aux techniques de codage de canal, combinées à de l’entrelacement et à des systèmes de répétition automatique de séquences (ARQ | Automatic Repetition Request) [25,26].
Parallèlement au développement des standards HomePlug, certains industriels expérimentent leur propre technologie. C’est ainsi que l’espagnol DS2 commercialise des puces à 200 Mbit/s permettant de faire passer la vidéo, voire la TVHD (TéléVi-sion Haute Définition). Tous ces systèmes sont basés sur la technique de modulation OFDM mais les spécifications précises sont la plupart du temps tenues secrètes.
2.2 Principes de fonctionnement du CPL
Le principe de fonctionnement du CPL consiste à superposer au signal électrique de 50 Hz (Basse Fréquence) un signal à Haute Fréquence (1,6 à 30 MHz) et de faible énergie (< 0,5 V). Sur cette bande spectrale, chaque type d’équipement utilise une fréquence différente afin de cohabiter sans s’interférer.
Le signal CPL contient les informations sous forme analogique. Il se propage sur l’installation électrique et peut être reçu et décodé à distance par un modem spécifique (récepteur CPL). Ainsi, le signal CPL est reçu par tout récepteur CPL qui se trouve sur le même réseau électrique. Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basses fréquences avant le traitement du signal CPL [27,28].
La figure 2.2.1 aide à visualiser la superposition des signaux :
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FIGURE 2.2.1 – Principe de fonctionnement du CPL [29]
Un modem CPL branché sur une prise électrique reçoit et décode les informa-tions. Il doit, pour recevoir et envoyer l’information, transformer un flux de bits en signal analogique. Cette transformation inclut des fonctions d’ajout de la redondance (pour éliminer les problèmes de bruits et des fortes atténuations) et de reconstitution du flux de bits original (en cas de perte ou d’erreur quelconque) [29]. Ensuite, l’information peut être envoyée sur le périphérique désiré (combiné téléphonique, ordinateur, impri-mante, etc.).
Pour atteindre de hauts débits, la technologie utilise plusieurs fréquences porteuses simultanément, comme détaillé au chapitre 3. Certains constructeurs de modem CPL utilisent un très grand nombre de fréquences porteuses à faible débit et qui, une fois accumulées, permet d’atteindre un débit total beaucoup plus élevé (plusieurs dizaines de Mbit/s) d’après GOUYET J-N [30].
2.3 Les Bandes de fréquence
Le signal CPL étant un signal modulé en amplitude, fréquence ou phase autour d’une fréquence porteuse F, il est nécessaire de mettre en place des règles d’utilisation de chaque bande de fréquences par le biais d’organismes de régulation nationaux ou internationaux. C’est pour cela que GOUYET et KALINOWSKI [31,32] confirme que deux bandes de fréquences sont allouées aux technologies CPL :
? 3 à 148 kHz pour les CPL dits bas débit ;
? 1,6 à 30 MHz pour les CPL dits haut débit.
La figure 2.3.1 illustre la place des fréquences CPL relativement à d’autres technolo-gies réseau.
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FIGURE 2.3.1 – Les bandes de fréquences utilisées par les réseaux CPL [31,32]
Pour le haut débit, la bande de fréquence 1,6 à 20 MHz est alloué aux communica-tions CPL indoor tandis que celle de 21 à 30 MHz est alloué aux communicacommunica-tions CPL outdoor.
2.4 Architectures des Courants Porteurs en Ligne
Le CPL fonctionne sur les moyennes et basses tensions qui servent respectivement aux boucles locales et aux réseaux domestiques [33,34]. Ces réseaux domestiques représentent l’architecture des CPL en Indoor et les boucles locales représentent l’ar-chitecture des CPL en Outdoor. Ces deux arl’ar-chitectures des CPL sont présentées ci-dessous.
2.4.1 Le CPL en Indoor
Lorsqu’on parle d’Indoor pour les courants porteurs en ligne, il s’agit d’un réseau local, par exemple à l’intérieur d’une habitation. De façon générale, le terme indoor désigne le réseau CPL derrière un compteur électrique vers ses utilisateurs. La figure 2.4.1 illustre l’architecture du CPL indoor.
Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC
FIGURE2.4.1 – Réseau CPL indoor [34]
On parle de LAN indoor pour ce type de réseau CPL.
Selon HEUZE, HAKIMA [35] il existe quatre grandes catégories de réseau LAN à savoir :
? les réseaux téléphoniques locaux,
? les réseaux câblés,
? le Wi-Fi (la norme 802.11),
? et le CPL indoor.
Pour les trois premières catégories de réseaux (téléphoniques, câblés, sans fils), il existe des protocoles standards de communication pour assurer la transmission de données entre les nœuds du réseaux (ex : TCP, OSPF, . . . ). Par contre, à ce jour, aucune norme ou standard n’est définie pour le transport de données sur un réseau CPL indoor [36]. C’est face à ce manque de standard, que le groupe de fabricant de modems CPL, Homeplug Powerline Alliance s’est retrouvé afin de créer une norme (Homeplug 1.01) pour la transmission de données sur les réseaux CPL indoors.
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La norme Homeplug [36]
La norme Homeplug 1.01 intervient au niveau 1 et 2 du modèle OSI (Physique et Liaison de données), son objectif principal étant d’assurer la transmission de données sur un réseau utilisant les courants porteurs en ligne. Les spécifications Homeplug, pour la couche physique, prennent en compte les données spéciales liées à la trans-mission par courant porteur. Au niveau de la couche liaison de données, une variante de protocole d’accès à la couche réseau a été retenue : c’est le protocole CSMA/CA (Carrier Sens Multiple Access with Collision Avoidance). C’est un protocole à évitement de collision qui inclut des classes de priorité pour les trames à envoyer.
2.4.2 Le CPL en Outdoor
Lorsqu’on parle de Outdoor pour les courants porteurs en ligne, il s’agit du réseau informatique en amont du compteur électrique vers le transformateur du quartier. On
Lorsqu’on parle de Outdoor pour les courants porteurs en ligne, il s’agit du réseau informatique en amont du compteur électrique vers le transformateur du quartier. On