PRESENTATION DE L’ETUDE DE LIGNE DE DISTRIBUTION MOYENNE TENSION (MT) TRIPHASEE ANDROKABE-MAHERIARA

La ligne de distribution MT Androkabe – Maheriara est une ligne triphasée mixte, suspendue et rigide. La ligne rigide est construite lors du passage à l‟intérieur de chaque localité à électrifier. La première ligne de distribution MT est à partir de la centrale hydroélectrique d‟Androkabe jusqu‟au poste d‟interconnexion. Sa longueur est de 68km. La deuxième ligne MT est à partir de la centrale hydroélectrique de Maheriara jusqu‟au poste d‟interconnexion. Sa longueur est de 57km. Le poste d‟interconnexion est créé pour assurer le couplage des deux lignes et le dispatching des charges des deux centrales hydroélectriques. Ce poste se trouve à Ambohijanahary.

Description générale de la ligne de distribution MT

La ligne de distribution MT a pour tension de 35kV compte tenu de la puissance à transiter et de la longueur de ligne.
La ligne MT principale a pour section de conducteur de 54,6mm² en Almelec et la ligne de dérivation est aussi en câble Almelec de section de 34,4mm².
Les supports de la ligne MT sont des poteaux en béton. En prenant le cas de Maheriara jusqu‟au site d‟interconnexion et d‟après le carnet de piquetage, il y a 448 poteaux en béton.

CONCEPTION D’UN SYSTEME DE MONITORING TRIPHASE

GENERALITES

Définition du système de monitoring

Le système de monitoring est un système qui permet de faire des mesures et d‟enregistrer automatiquement les résultats des données dont on a besoin selon les demandes.
Les résultats sont alors utilisés pour construire des graphes ou alerter les administrateurs en cas de disfonctionnement ou exécuter des actions programmées comme redémarrer un service ou alors couper le réseau.
Ici on parle d‟un système de monitoring triphasé d‟une centrale hydroélectrique. Ce système permet de faire le suivi de l‟évolution de la production électrique de la centrale en enregistrant automatiquement les valeurs des puissances, intensités, tensions, facteur de puissance (cos phi) et énergie pendant une période bien déterminée. Les valeurs analogiques ainsi captées sont converties en données numériques qu‟un microcontrôleur peut facilement traiter. Puis ces valeurs sont transférées vers un ordinateur pour y être affichées et stockées sous forme de fichier Excel ou image.
Ce monitoring est alors composé de deux grandes parties, la carte de conditionnement qui comporte le système électronique et la partie commande qui est constituée par Arduino et le Processing.

Puissance électrique

La puissance électrique d‟un générateur ou d‟un récepteur est l‟énergie électrique échangée entre les charges électriques et le générateur, par unité de temps. Le symbole de la puissance est P et P est exprimé en Watt (W) ou Joule par seconde [J/s]. La puissance électrique est donnée par le produit de la tension U et du courant I.

Arduino

Généralités sur Arduino

Arduino est un projet créé par une équipe de développeurs, composée de six individus : Massimo Banzi, David Cuartielles, TomIgoe, Gianluca Martino, David Mellis et Nicholas Zambetti. Cette équipe a créé le « système Arduino ». C‟est un outil qui va permettre aux débutants, amateurs ou professionnels de créer des systèmes électroniques plus ou moins complexes, [4].
Le système Arduino, nous donne la possibilité d’allier les performances de la programmation à celles de l’électronique. Plus précisément, nous allons programmer des systèmes électroniques. Le gros avantage de l’électronique programmée est qu’elle simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la réalisation et aussi la charge de travail à la conception d’une carte électronique. Le système Arduino permet de réaliser un grand nombre de choses qui ont une application dans tous les domaines comme :
 Contrôler les appareils domestiques ;
 Fabriquer des robots ;
 Faire un jeu de lumière ;
 Communiquer avec l’ordinateur ;
 Télécommander un appareil mobile (modélisme), etc.
Arduino est ici considéré comme le principal cerveau de commande. C‟est une plateforme de prototypage « open-source » avec laquelle l‟utilisation du matériel et du logiciel est facile. Les cartes Arduino sont capables de faire une lecture des entrées telles que la lumière sur un capteur de luminosité, le doigt sur un bouton lorsque nous appuyons dessus ou les messages électroniques. Ces cartes transforment ensuite ces entrées en une ou plusieurs sorties comme l‟activation d’un moteur, le clignotement d‟une « LED », etc.

Choix d’Arduino

Il existe pourtant dans le commerce, une multitude de plateformes qui permettent de faire la même chose, notamment les microcontrôleurs « PIC » du fabricant Microchip. En vue des performances qu‟elles offrent, les cartes Arduino sont relativement peu coûteuses, ce qui est un critère majeur.
Le logiciel, tout comme la carte, est compatible sous les plateformes les plus courantes (Windows, Linux et Mac), contrairement aux autres outils de programmation du commerce qui ne sont, en général, compatibles qu’avec Windows. Arduino comporte :
 Le logiciel : gratuit, open source, développé en Java et dont la simplicité d’utilisation relève de l‟acte cliquer sur la souris. Le logiciel va nous permettre de programmer la carte Arduino. Il nous offre une multitude de fonctionnalités, (voir figure 3)

Processing

Généralités sur Processing

Processing est un langage et un environnement de programmation open-source. Il estcréé en 2001 par Benjamin Fry et Casey Reas. Il est employé par des étudiants, des artistes, des créateurs, des chercheurs, et des amateurs. Ce langage basique offre de très nombreuses possibilités et laisse libre cours à l‟imagination, notamment grâce à sa centaine de librairies disponibles. Le logiciel fonctionne aussi sur Macintosh, sous Windows et sous Linux et est basé sur la plateforme Java, [6].

Environnement de programmation Processing

L‟environnement de programmation “processing” est un éditeur simple et utilisable pour écrire et exécuter des programmes. Le langage JAVA est la base de cet environnement.
Ce langage a comme particularité d‟être multiplateforme. Il est possible de créer une interface pour afficher une courbe, voire un logiciel (d‟extension .exe) avec cet environnement. Pour créer un logiciel dit « stand alone » avec processing, il suffit de faire une exportation du programme compilé, (voir figure 6).

Capteurs de tension et de courant

Capteurs de tension

Les mesures de la tension et du courant permettent d‟avoir les valeurs exactes de P et S. Ces mesures doivent se faire d‟une façon sécurisée, d‟où la nécessité d‟abaisser la tension alternative 220V. Cette dernière doit être convertie en une tension moins dangereuse (inférieure à 12V) tout en concevant la forme du signal.
Un transformateur de tension est utilisé en guise de capteur de tension. Pour notre cas, notre transformateur est un abaisseur 240V/10V. Il assure une isolation galvanique pour la partie électronique.
Après le passage du courant électrique dans ce transformateur, la tension du secondaire est de même forme que celle de la tension primaire (sinusoïdale).

Capteurs de courant

Nous avons utilisé le capteur MSQ-30 qui est le capteur le plus adapté à notre projet. D‟après ses caractéristiques, ce capteur de courant supporte le plus les courants industriels qui sont souvent d‟une valeur très élevée, (voir tableau 4). Parmi les autres capteurs, il est le seul TI capable de ramener ces courants vers une valeur raisonnable (environ 5A max). Le MSQ-30 est aussi le plus sûr en ce qui concerne l‟isolation galvanique entre le primaire (fort courant) et le secondaire (courant mesurable).

REALISATION, RESULTATS ET INTERPRETATION

REALISATION

Carte Arduino

Arduino nano est le cerveau du système de monitoring d‟une centrale hydroélectrique. Il reçoit les informations venant des capteurs par les pins analogiques . Le CAN d‟Arduino a une plage d‟entrée de 0 à 5V. Il fait ainsi la conversion des tensionsanalogiques variant de 0 à 5V en une valeur numérique entre 0 et 1023. Le nombre vu par Arduino est.

Carte de conditionnement

Problématique

Le CAN de la carte Arduino ne reconnait que des valeurs positifs entre 0 et 5V.
Toutes les valeurs négatives sont alors automatiquement éliminées par le CAN de la carte Arduino. Par contre les valeurs à mesurer (intensités et tensions) sont des signaux alternatifs oscillant autour de zéro, cela veut dire qu‟il y a une partie positive et une partie négative.
L‟injection directe d‟un tel signal dans la carte Arduino provoque l‟élimination de la partie négative. Cela engendre ainsi des erreurs de mesure.
Il est alors mieux de chercher une solution pour que les signaux sinusoïdaux à mesurer soient totalement intégrés dans la carte Arduino sans aucune élimination grâce au CAN.

Nécessité et fonctionnement

D‟après le paragraphe précédent, il est nécessaire de réaliser un circuit électronique permettant de décaler entièrement les signaux sinusoïdaux vers la partie positive entre 0 et 5V. Ce circuit électronique est la carte de conditionnement qui délivre alors des signaux déjà décalés vers la partie positive pour être mesurables avant d‟effectuer la conversion analogique numérique d‟Arduino. Le risque d‟erreur de la conversion est ainsi éliminé.
La figure 15 présente un exemple d‟illustration de la forme du signal avant et après le passage dans la carte de conditionnement pour l‟intensité.

Transfert de données vers les ports série

Une fois que les Ueff, Ieff, S, P, cos (φ) et les énergies des trois phases sont calculées, Arduino envoie ces valeurs vers les ports série. Ces données sont transférées vers l‟ordinateur via le câble mini-USB grâce à la fonction : « Serial.print(); ». Cet envoi marque la fin de l‟acquisition des données et le début de la partie traçage et enregistrement.

Logiciel de traçage graphique

C‟est avec l‟environnement de programmation Processing que nous avons créé une application sous forme exécutable qu‟on appelle application exécutable. Le traçage des courbes et l‟enregistrement sur disque dur sont assurés par cette dernière. La configuration minimale requise par cette application est la suivante :
 Système d‟exploitation : Windows XP ou Windows 7 (32bits ou 64bits) ;
 Espace disque minimum : 200Mo ;
 RAM : 256Mo.

Interface du logiciel et courbes

Sur l‟axe des ordonnées, nous trouvons les valeurs de l‟intensité en Ampère (A). En multipliant par 10, ces valeurs de l‟ordonnée, nous obtenons les valeurs de la puissance active et de l‟énergie consommée.
On trouve sur l‟axe des abscisses les heures de fonctionnement de la centrale hydroélectrique. Ces valeurs sont automatisées pour suivre l‟heure de démarrage du logiciel.
Elles sont aussi synchronisées avec l‟horloge de l‟ordinateur où l‟application est installée.
Les valeurs ainsi obtenues sont affichées en bas de la courbe de la figure 19.

Traçage de la courbe

Ce logiciel trace les courbes des intensités et des puissances actives en fonction du temps. Il affiche également en valeur numérique les tensions, les intensités, les puissances apparentes, les puissances actives et les facteurs de puissance. Nous avons également fait les calculs des énergies consommées comme son affichage à l‟écran sous ce logiciel.
Il reçoit les données provenant d‟Arduino. À chaque 30s, il trace et affiche sous forme numérique les valeurs acquises.

Enregistrement sur disque dur

L‟application est programmée pour effectuer automatiquement un enregistrement sur le disque dur toutes les trente secondes. Le fichier de sauvegarde a une extension *.txt, c’est-àdire que c‟est un fichier texte. Il suffit d‟y faire un clic avec le bouton droit de la souris de l‟ordinateur puis ouvrir avec Excel pour avoir des tables éditables. Quand le fichier est ouvert avec Excel, il est impératif de remplacer tous les points par une virgule car les chiffres décimaux ont à l‟origine d‟un point à la place de la virgule.
Pour l‟enregistrement, l‟application effectue automatiquement un enregistrement de la courbe après 24 heures du démarrage, (voir figure 20). Pour la courbe, le fichier a une extension *.TIF c’est-à-dire un fichier image pour faciliter la lecture et la compréhension des résultats obtenus.
Un bouton « Enregistrer » a été créé afin de pouvoir faire à tout instant l‟enregistrement de la courbe sous forme image.

Tension efficace

Nous n‟avions pas eu besoin de faire des essais en charge pour les tensions car en pratique, elles ne présentent pas de variation significative en fonction des charges. Il suffit tout simplement de faire un étalonnage avec un autotransformateur et un voltmètre. Le tableau 7 nous donne les données obtenues durant nos essais en variant la tension en Volt grâce à l‟autotransformateur.

Enregistrement des données

Processing sert à concevoir un logiciel permettant de faire un affichage graphique et un enregistrement sur disque dur des valeurs reçues depuis la carte Arduino. Processing et Arduino se communiquent grâce aux ports série d‟un ordinateur. Pour ce projet, nous avons choisi d‟utiliser l‟environnement Processing version 3.0. Les données sont enregistrées sous forme de courbes et de fichiers numériques sur le disque dur.

CONCLUSION

L‟énergie hydraulique est une énergie renouvelable non polluante puisque quel que soit le type de son exploitation, il n‟y a ni dégagement de gaz a effet de serre ni production de déchets toxiques. Les risques d‟accident sont très faibles lors de son exploitation car les systèmes de sécurité et de contrôle évoluent et deviennent très fiables en suivant les normes.
Dans les cadres des suivis et contrôles de production de la centrale ou de la consommation d‟une charge afin d‟éviter l‟incertitude engendrée par l‟enregistrement manuel des données nécessaires, nous avons apporté une solution en concevant et en réalisant le système de monitoring triphasé d‟une centrale hydroélectrique. Ce système est le fruit des travaux de recherche basés sur l‟électronique, la programmation et le développement sur logiciels.
Le système de monitoring triphasé présente beaucoup d‟avantages par rapport à ceux d‟autres systèmes monophasés dans lesquels les mesures se font une après une pour les trois phases, ce qui présente une difficulté pour la mise en équilibre des trois phases et pour la détection d‟anomalies car les mesures ne se réalisent pas en même temps. En monitoring triphasé, les mesures sont faciles et se réalisent simultanément pour les trois phases. En temps réel, l‟évolution et le fonctionnement précis de la centrale sont connus. Ce système est aussi un outil qui peut nous aider au calcul des pertes en ligne. Une installation à la fin de la ligne de transport moyenne tension permet de connaitre ces pertes. Le monitoring triphasé d‟une centrale hydroélectrique est destiné pour faire les calculs des intensités efficaces, tensions efficaces, puissances actives, puissances apparentes, facteurs de puissance et énergies pour les trois phases de la ligne triphasée. Il permet aussi de faire le traçage des graphes correspondants et les enregistrements automatiques des données.
Ce système est conçu pour fonctionner vingt-quatre heures sur vingt-quatre pendant toute l‟année, alors il est impératif de prendre en compte sa robustesse en assurant l‟étanchéité du boitier car il est installé dans un endroit où l‟ambiance est plus ou moins humide. Les durabilité, fiabilité et rentabilité font partie des critères les plus importants pour un tel projet car c‟est pour ces raisons que la société peut en tirer des profits et avantages en l‟utilisant. Avoir l‟opportunité de réaliser jusqu‟à la fin ce projet nous a permis d‟acquérir des connaissances sur la manipulation des logiciels de programmation et aussi sur le comportement de quelques composants électroniques. Grâce aux études et à la recherche effectuées, la conception du système de monitoring triphasé d‟une centrale hydroélectrique a titre de projet personnel est une réussite même si nous avons rencontré des problèmes mineurs ou majeurs, des difficultés pendant la réalisation et la conception du projet mais lapersévérance et la patience nous ont amené à le mettre en œuvre.
Le système de monitoring s‟arrête en cas de coupure de courant d‟alimentation. Cela engendre une discontinuité de l‟enregistrement des valeurs au cas où l‟agent ne démarre pas à temps le logiciel. Plusieurs améliorations sont encore à envisager pour ce projet comme la mise en place d‟un système d‟alimentation autonome pour éviter la discontinuité de l‟enregistrement des données. De même, faire sortir la valeur de la fréquence apporte une amélioration sur notre système.
Pour finir, ce système de monitoring triphasé va aider la société à l‟automatisation de fonctionnement de la centrale et peut diminuer le nombre d‟employés, si besoin est.

Table des matières

REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES
NOMENCLATURE 
LISTE DES ACRONYMES/ABREVIATIONS
LISTE DES FIGURES 
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ANNEXES 
INTRODUCTION 
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES LIGNES DE DISTRIBUTION 
I-1-PROJET JIRO KANTO
I-2-CONTEXTE DE STAGE
I-3- DEROULEMENT DE STAGE
I-4- PRESENTATION DE L‟ETUDE DE LIGNE DE DISTRIBUTION MOYENNE TENSION (MT) TRIPHASEE ANDROKABE-MAHERIARA
I-4-1-Description générale de la ligne de distribution MT
I-4-2- Tracé et longueur de la ligne
I-4-3- Équipement de sectionnement
I-4 -4- Distances minimales au sol et aux obstacles
I-4 –5- Raccordement au réseau MT
I-4 -6- Caractéristiques de la cellule MT
CHAPITRE II : CONCEPTION D’UN SYSTEME DE MONITORING TRIPHASE 
II-1- GENERALITES
II-1-1-Définition du système de monitoring
II-1-2- Puissance électrique
II-1-3- Facteur de puissance ou cosinus phi (cos φ)
II-1-4- Énergie
II-2- ARDUINO ET PROCESSING
II-2-1-Arduino
II-2-1-1- Généralités sur Arduino
II-2-1-2-Choix d‟Arduino
II-2-1-2- Arduino ‟‟Nano‟‟
II-2-2-Processing
II-2-2-1- Généralités sur Processing
II-2-2-2- Environnement de programmation Processing
II-3- MESURE DE LA PUISSANCE
II -3-1- Méthode et appareils
II -3-2- Transformateur d‟Intensité(TI)
II -3-3-Schéma synoptique du système de monitoring
II -3-4- Logiciel de simulation
II -3-4-1-Capteurs de tension et de courant
CHAPITRE III : REALISATION, RESULTATS ET INTERPRETATION
III-1- REALISATION
III-1-1- Carte Arduino
III-1-2- Carte de conditionnement
III-1-2-1-Problématique
III-1-2-2- Nécessité et fonctionnement
III-1-2-3- Carte de conditionnement pour le transformateur de tension (TT) et le transformateur d‟intensité (TI)
III-1-2-4Transfert de données vers les ports série
III-1-3- Logiciel de traçage graphique
III-1-3-1- Interface du logiciel et courbes
III-1-3-3-Traçage de la courbe
III-1-3-4- Enregistrement sur disque dur
III-2- RESULTATS ET INTERPRETATIONS
III-2-1- Système de monitoring triphasé d‟une centrale hydroélectrique
III-2-2- Utilisation et nécessité du système
III-2-2- Présentation du boitier du système
III-2-3-Validation des données acquises
III-2-3-1-Intensité efficace
III-2-3-2-Tension efficace
III-2-3-3- Puissance apparente
III-2-3-4- Puissances actives
III-2-3-5- Vérification des facteurs de puissances cos (φ)
III-2-3-6- Vérification des énergies
III-2-3-7- Enregistrement des données
CONCLUSION 
REFERENCES