Comparaison des deux principes de stabilisation

Pour la protection différentielle à haute impédance, les TC amont et aval doivent avoir des courants assignés identiques (primaire et secondaire) ; la résistance de stabilisation est calculée pour ne pas déclencher sur défaut extérieur avec un TC saturé, et pour que le TC puisse alimenter le relais.

34 Par contre, la protection différentielle à pourcentage s’adapte au type d’équipement à protéger et le relais est relativement plus compliqué, mais sa mise en œuvre est simple.

Soulignons que la communication entre relais et capteur se fait via fil pilote encore appelé fil de garde dans les réseaux de transport. Grâce à la révolution technologique les fils de garde permettent aussi la communication haut débit par fibre optique.

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons fait un point sur la situation des protections dans les réseaux. Nous avons dans un premier temps abordé les défauts et les anomalies rencontrés sur les réseaux électriques surtout haute tension qui ont amené les scientifiques à penser des dispositifs de protection. Nous nous sommes ensuite intéressés beaucoup plus à la protection des lignes et aux différents types de protection les plus utilisés sur les lignes de transport de nos jours.

35 Chapitre 3 : Etude de la protection différentielle de la ligne HTB 161kV Sakété 2

Introduction

La CEB vèdoko dispose de quatre lignes aériennes HTB (ternes) qui relient la sous station de vèdoko à la station de Maria-Gléta et celle de Sakété. Ces lignes à ce jour ne sont dotées que d’une protection de distance. Dans ce chapitre nous ferons une étude de la protection différentielle de la ligne 161kV sakété 2 aussi appelée L210.

3.1. Présentation et description de la ligne

La ligne L210, est l’une des lignes qui relie le Poste de vèdoko au Poste de Sakété. Elle est longue de 75 km. Les conducteurs utilisés sont en alliages d’aluminium et d’acier de type 500 MCM et d’une section de 253 mm². La tension de service de la ligne est de 161 kV et son courant nominal est de 430 A. Sa résistance est de 9.61 ohms, sa réactance 29.43 ohms, sa conductance de 104 mS et sa capacitance 552.32 nF (données reçues de la DED/CEB, Direction des Etudes et du Développement). Les conducteurs en ternes sont tenus par des pylônes d’environ 70 m et soutenus par un câble de garde en fibre optique (fil pilote).

3.2. Protections

3.2.1. Protection existante sur la ligne

La ligne HTB vèdoko- Sakété n’est dotée que d’une protection de distance. Le relais MiCOM P444 est utilisé pour assurer cette protection en communion avec les capteurs de courant et de tension. Notons bien que ce relais n’assure que la protection de distance de la ligne ce qui justifie notre étude.

3.2.2. Protection complémentaire proposée

La protection différentielle effectue la comparaison continue des courants de phase de la ligne et ce, en tenant compte du principe de fonctionnement du type de relais de la protection différentiel prévue à chaque extrémité de la ligne.

36 Le relais de protection différentielle qui fera l’objet de notre étude est de la technologie numérique. Ainsi, nous avons travaillé dans ce mémoire sur la protection différentiel MiCOM P542 du constructeur Alstom.

3.3. Etude et description du dispositif proposé [7]

La gamme MiCOM est une solution complète, capable de satisfaire tous les besoins dans le domaine de l'alimentation électrique. Elle comprend une gamme de composants, systèmes et services d’AREVA T&D Energy Automation & Information.

La souplesse d'utilisation est au cœur du concept MiCOM.

MiCOM offre la possibilité de paramétrer la solution d’une application client et, grâce à des fonctions de communication étendues, d'intégrer cette solution dans un système de contrôle et de commande de l'alimentation électrique. La figure 4.1 montre une vue du MiCOM P542

Figure 3.1 : Exemple de MiCOM P542

Les éléments MiCOM sont identifiés de la manière suivante :

 Gamme P : équipements de protection ;

 Gamme C : produits de contrôle-commande ;

 Gamme M : produits de mesure pour la mesure et la surveillance de précision ;

 Gamme S : produits PC polyvalents de contrôle de Poste électrique.

Les produits MiCOM sont dotés de grandes capacités d’enregistrement d’informations sur l’état et le comportement du réseau électrique par l’utilisation d’enregistrements de défauts et de perturbographie. Ils fournissent également des

37 mesures du réseau relevées à intervalles réguliers et transmises au centre de contrôle pour permettre la surveillance et le contrôle à distance.

Une protection différentielle assure une protection très rapide et sélective d’un ouvrage, avec relativement peu de problèmes d’application. Un inconvénient d’un schéma différentiel toutefois est le manque de protection de secours intrinsèque. Pour cette raison, les protections différentielles de courant MiCOM intègrent différentes protections complémentaires. Les équipements P543, P544, P545, et P546 offrent également des éléments de protection de distance pouvant être utilisés comme protection complémentaire en même temps que la fonction différentielle de courant, ou activés en secours. (Les équipements P541 et P542 ne Sont pas dotés d’éléments de protection de distance, car ils n’ont pas d’entrées de TP).d’où le choix du P542 pour la ligne HTB 161 kV L210 Sakété 2 car c’est une ligne qui dispose déjà d’un relais MICOM P444, protection de distance ligne.

3.3.1. Présentation de l’équipement

L'équipement est de conception modulaire. Il est constitué d'un assemblage de modules standards. Certains modules sont indispensables alors que d'autres sont optionnels en fonction des besoins de l'utilisateur.

Les différents modules pouvant être présents dans l'équipement sont les suivants :

 carte processeur ;

 carte coprocesseur ;

 module d'entrée ;

 module d'entrée analogique / numérique ;

 module d'alimentation. ;

 carte IRIG-B ;

 seconde carte de communication en face arrière ;

 carte Ethernet.

Les réglages et les fonctions de l’équipement de protection MiCOM sont accessibles sur l’écran à cristaux liquides (LCD) et sur le clavier de la face avant, ainsi

38 que par l’intermédiaire des ports de communication à l’avant et à l’arrière de l’équipement.

3.3.2. Logiciels de l'équipement

Les logiciels de l'équipement sont les différentes applications ou script qui permettent la communication entre les différents modules de l’équipement. Il existe quatre catégories de logiciels :

 le système d'exploitation en temps réel ;

 le logiciel de supervision ;

 le logiciel de plate-forme ;

 le logiciel applicatif de protection et de contrôle.

3.3.2.1. Système d'exploitation en temps réel

Le système d'exploitation temps réel fournit un cadre à l'intérieur duquel opèrent les différentes parties des logiciels de l'équipement. A cet égard, les logiciels sont répartis par tâches. Le système d'exploitation en temps réel s'occupe de la planification du traitement de ces tâches. L'objet de la planification des tâches consiste à s'assurer qu'elles sont bien effectuées à temps et dans l'ordre de priorité souhaité.

Le système d'exploitation temps réel s'occupe également des échanges d'informations entre les tâches sous forme de messages.

3.3.2.2. Logiciel de supervision

Le logiciel de supervision assure le contrôle de niveau inférieur du matériel de l'équipement. Par exemple, le logiciel de supervision contrôle le lancement des logiciels de l'équipement à partir de la mémoire EPROM flash non volatile, à la mise sous tension. Il pilote l'interface utilisateur sur l'écran à cristaux liquides et le clavier, ainsi que les ports séries de communication. Le logiciel de supervision fournit une couche d'interface entre le contrôle du matériel et les autres logiciels de l'équipement.

3.3.2.3. Logiciel de plate-forme

Le logiciel de plate-forme s'occupe également de la gestion des réglages de l'équipement, des interfaces utilisateur et du traitement des alarmes et des

39 enregistrements d'événements, de défauts et de maintenance. Tous les réglages de l'équipement sont sauvegardés dans une base de données au sein de celui-ci. Cette base de données assure la compatibilité directe avec la communication Courier. Pour toutes les autres interfaces (à savoir le clavier et l'écran à cristaux liquides de la face avant, les communications Modes bus et CEI 60870-5-103), le logiciel de plate-forme convertit les informations de la base de données dans le format nécessaire. Le logiciel de plate-forme prévient le logiciel applicatif de protection et de contrôle de tous les changements de réglages. Il place également les données dans les journaux selon les spécifications du logiciel applicatif de protection et de contrôle.

3.3.2.4. Logiciel applicatif de protection et de contrôle

Le logiciel applicatif de protection et de contrôle effectue les calculs de tous les algorithmes de protection de l'équipement. Cela englobe notamment le traitement des signaux numériques comme le filtrage de Fourier et les tâches auxiliaires comme les mesures. Le logiciel applicatif de protection et de contrôle est en interface avec le logiciel de plate-forme pour les changements de réglages et le traitement des enregistrements. Le logiciel applicatif de protection et de contrôle est également en interface avec le logiciel de supervision pour l'acquisition des données échantillonnées, pour l'accès aux relais de sortie et aux données tout-ou-rien des entrées opto-isolées.

3.3.3. Description du matériel

L'équipement est de conception modulaire. Chaque module accomplit une fonction distincte dans le cadre du fonctionnement d'ensemble de l'équipement. Cette section décrit l'aspect fonctionnel des divers modules.

3.3.3.1. Carte processeur

L'équipement utilise un processeur de signaux numériques (DSP) à virgule flottante, de 32 bits, TMS320VC33, cadencé à une vitesse d'horloge de 75 MHz. Ce processeur effectue tous les calculs de l'équipement. Il a en charge les fonctions de protection, le contrôle de la communication des données et des interfaces utilisateur, notamment du fonctionnement de l'écran à cristaux liquides, du clavier et des LED.

40 La carte microprocesseur est logée au dos de la face avant de l'équipement.

L'écran à cristaux liquides et les LED sont montés sur cette carte, ainsi que les ports de communication de la face avant. Il s'agit du port (connecteur D, 9 broches) pour les communications série RS232 (protocole Courier) et du port d'essai (connecteur D, 25 broches) pour les communications parallèles. Toutes les communications série sont gérées par un réseau de portes programmables sur place (FPGA).

La mémoire de la carte microprocesseur est divisée en deux catégories : la mémoire volatile et la mémoire non volatile. La mémoire volatile correspond à la SRAM à accès rapide utilisée pour le stockage et l'exécution du logiciel de calcul et le stockage des données nécessaires aux calculs du processeur. La mémoire non volatile est divisée en 2 groupes :

 Mémoire flash de 4 Mo pour le stockage permanent du code logiciel, du texte et des données de configuration incluant les valeurs de réglages en cours ;

 et SRAM de 2Mo, sauvegardée par pile, pour le stockage des données d'enregistrements de perturbographie, d'événements et de défauts.

3.3.3.2. Carte coprocesseur données. L’accès à cette mémoire peut se faire par la carte processeur principale via le bus parallèle, et ce trajet est utilisé à la mise sous tension pour charger le logiciel du second processeur depuis la mémoire flash sur la carte processeur principale. La communication ultérieure entre les deux cartes processeur s’effectue via des interruptions et via la SRAM partagée. Le bus série transportant les données échantillonnées est aussi raccordé à la carte coprocesseur au moyen du port série intégré du processeur, comme sur la carte processeur principale.

41 La carte coprocesseur traite aussi toutes les communications avec le ou les équipements de protection différentielle distants. Cela s’effectue par des communications à fibre optique et par conséquent, la carte coprocesseur porte des modules optiques émetteur et récepteur.

3.3.3.3. Bus (limande) de communication interne

L'équipement dispose de deux bus internes pour la communication des données entre les différents modules. Le bus principal établit une liaison parallèle faisant partie intégrante du câble plat à 64 conducteurs. Le câble plat assure le transport des données et des signaux d'adresse de bus, en plus des signaux de contrôle et de toutes les lignes d'alimentation électrique. Le fonctionnement du bus est asservi à celui de la carte microprocesseur. Cette carte sert d'unité maîtresse et tous les autres modules au sein de l'équipement sont des unités esclaves répondant à cette carte.

Le deuxième bus établit une liaison série servant exclusivement à la communication des valeurs numériques d'échantillons du module d'entrée vers la carte microprocesseur. Le processeur DSP comporte un port série intégré servant à la lecture des données échantillonnées en provenance du bus série. Le bus série est également inclus dans le câble plat à 64 conducteurs.

3.3.3.4. Module d'entrée

Le module d'entrée assure l'interface entre la carte microprocesseur de l'équipement et les signaux analogiques et numériques entrant dans l'équipement. Le module d'entrée est composé de deux cartes à circuits imprimés : la carte d'entrée principale et une carte de transformateurs. Les équipements P541 et P542 possèdent quatre entrées de courant. Les équipements P543 et P545 possèdent quatre entrées de tension et cinq entrées de courant.

Les équipements P544 et P546 possèdent trois entrées de tension et cinq entrées de courant.

42 3.3.3.5. Carte de transformateurs

La carte de transformateurs contient en configuration maximum quatre transformateurs de tension (TT) et cinq transformateurs de courant (TC). Les entrées courant acceptent une intensité nominale égale à 1 A ou à 5 A (options de câblage et de menu). La tension d’entrée nominale est de 110V.

Les transformateurs sont utilisés pour ramener les courants et les tensions à des niveaux compatibles avec les circuits électroniques de l'équipement. Ils servent également à assurer une isolation efficace entre l'électronique de l'équipement et le système d'alimentation électrique extérieur. Les raccordements secondaires des transformateurs de courant et de tension fournissent des signaux d'entrées différentiels sur la carte d'entrée principale pour réduire les interférences.

3.3.3.6. Carte d'entrée

Elle supporte les circuits pour les signaux d'entrées logiques, ainsi que ceux nécessaires à la conversion des signaux analogiques en signaux numériques. Elle acquiert les signaux analogiques différentiels des transformateurs de courant et de tension situés sur la (les) carte(s) de transformateurs, elle les convertit en échantillons numériques, puis elle transmet les échantillons à la carte microprocesseur par l'intermédiaire du bus de données série. Sur la carte d'entrées, les signaux analogiques passent au travers d'un filtre anti-repliement avant d'être multipliés vers un convertisseur analogique-numérique unique. Le convertisseur analogique-numérique (CAN) a une résolution de 16 bits et fournit une sortie de flux de données en série. Les signaux d'entrées logiques sont isolés optiquement sur cette carte pour éviter que des tensions excessives sur ces entrées n'endommagent les circuits internes de l'équipement.

Les équipements de la série P540 sont dotés d’entrées logiques optoélectroniques, toutes tensions pouvant être programmées pour la tension nominale de batterie du circuit dont elles font partie, permettant ainsi différentes tensions pour différents circuits, par exemple, signalisation, déclenchement. Elles fournissent nominalement un état 1 logique pour des tensions ≥ 80% à la tension paramétrée et

43 une valeur de 0 logique pour des tensions ≤ 60% à la tension paramétrée. Ce seuil inférieur élimine les détections fugitives qui peuvent se produire lors d'un défaut de terre de batterie survenant quand la capacité parasite présente jusqu'à 50% de la tension de batterie sur une entrée. Chaque entrée a aussi un filtrage sélectionnable.

Cette temporisation d’une ½ période rend l’entrée insensible aux parasites induits sur la filerie : bien que cette méthode soit sure, elle peut être lente, particulièrement pour le télédéclenchement. Elle peut être améliorée en supprimant le filtre à ½ période, dans ce cas l’une des méthodes suivantes pour réduire les parasites du courant alternatif doit être envisagée. La première méthode est d’utiliser une entrée et sa complémentaire, la seconde est d’utiliser du câble torsadé blindé sur le circuit d’entrée.

3.3.3.7. Module d'alimentation (contient les contacts de sortie)

Le module d'alimentation électrique contient deux cartes à circuits imprimés : une pour l'unité d'alimentation électrique proprement dite et l'autre pour les relais de sortie. La carte d'alimentation électrique contient également le matériel d'entrée et de sortie du port arrière de communication, assurant l'interface de communication EIA(RS) 485.

3.3.3.8. Carte d'alimentation électrique (inclus l'interface de communication EIA(RS) 485)

Une des trois configurations différentes de la carte d'alimentation électrique peut être installée sur l'équipement. Ce choix est défini à la commande. Il dépend de la nature de la tension d'alimentation appliquée à l'équipement. Les trois options disponibles sont présentées dans le tableau 3.1.

Tableau 3.1 : Options d’alimentation électrique

44 Les sorties de toutes les versions du module d'alimentation électrique fournissent une alimentation électrique isolée à tous les autres modules. L'équipement utilise trois niveaux de tension : 5,1V pour tous les circuits numériques, ±16V pour les composants électroniques analogiques comme la carte d'entrée, 22V pour la commande des bobines de relais de sortie. Toutes les tensions d'alimentation électrique, y compris la ligne de terre 0V, sont distribuées par l'intermédiaire du câble plat à 64 conducteurs. Un niveau de tension supplémentaire est assuré par la carte d'alimentation électrique. Il s'agit de la tension à usage externe de 48V. Elle est reliée aux bornes à l'arrière de l'équipement afin de lui permettre d'alimenter les entrées Modbus, CEI 60870-5-103 ou DNP3.0. Le matériel EIA(RS) 485 prend en charge les communications en semi-duplex et assure l'isolation optique des données série émises et reçues. Toutes les communications internes de données en provenance de la carte d'alimentation électrique sont effectuées par l'intermédiaire de la carte de relais de sortie connectée au bus parallèle.

L'alarme Défaut équipement (watchdog) dispose de deux contacts de sortie : un contact de "travail" (normalement ouvert) et un contact de "repos" (normalement fermé). Ils sont gérés par la carte microprocesseur. Ces contacts permettent d'indiquer si l'équipement fonctionne normalement.

La carte d'alimentation électrique incorpore un limiteur de courant d'enclenchement. Ce dispositif limite la pointe de courant d'enclenchement, pendant l'activation, à environ 10 A.

3.3.3.9. Carte de relais de sortie

La carte de relais de sortie contient sept relais : trois relais avec des contacts de

"travail" et quatre relais avec des contacts inverseurs. Les relais sont alimentés par la

45 ligne d'alimentation électrique de 22 V. La lecture et l'écriture de l'état des relais sont assurées par le bus parallèle de données. En fonction du modèle d'équipement, sept contacts de sortie supplémentaires peuvent être fournis grâce à l'utilisation d'un maximum de trois cartes de relais supplémentaires.

3.3.3.10. Carte IRIG-B

La carte IRIG-B est disponible en option à la commande. Elle fournit une référence de synchronisation précise à l'équipement. Elle est utilisable lorsqu'un signal IRIG-B est disponible. Le signal IRIG-B est connecté à la carte par l'intermédiaire d'un connecteur BNC à l'arrière de l'équipement. Les informations fournies permettent de synchroniser l'horloge interne en temps réel de l'équipement avec une précision de 1 ms. L'horloge interne ainsi réglée est utilisée pour l'horodatage des enregistrements d'événements, de défauts, de maintenance et de perturbographie.

La carte IRIG-B peut également être fournie avec un émetteur/récepteur à fibres optiques appliqué au port arrière de communication à la place d'un raccordement électrique EIA(RS) 485 (CEI 60870 uniquement).

3.3.3.11. Seconde carte de communication arrière

Pour les équipements utilisant le protocole Modbus, CEI 60870-5-103 ou DNP3 sur le premier port de communication arrière, un second port de communication arrière peut être monté en option pour utiliser le langage Courier. Cette connexion peut s'établir via l'une des trois liaisons physiques suivantes : paire torsadée K-Bus (non sensible à la polarité), paire torsadée EIA(RS) 485 (sensible à la polarité) ou EIA(RS) 232.

La seconde carte de communication arrière et la carte IRIG-B s'excluent mutuellement car elles utilisent le même emplacement. C'est pour cette raison qu'il y a deux versions pour la seconde carte de communication arrière : une avec entrée IRIG-B et l'autre sans. L'implantation physique de la seconde carte de communication arrière est illustrée à la figure 3.2.

46 Figure 3.3 : Port de communication arrière

3.3.3.12. Carte Ethernet

La carte Ethernet, actuellement uniquement disponible sur les équipements à variante de communication UCA2, prend en charge les connexions réseau de type suivant :

 10BASE-T ;

 10BASE-FL ;

 100BASE-TX ;

 100BASE-FX.

Pour toutes les connexions réseau de type cuivre, un connecteur RJ45 est pris en

Pour toutes les connexions réseau de type cuivre, un connecteur RJ45 est pris en

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