EP1501111A1 - Dispositif de communication électrique intelligent pour la sécurisation des moyens de distribution d'électricité - Google Patents

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EP1501111A1
EP1501111A1 EP04291865A EP04291865A EP1501111A1 EP 1501111 A1 EP1501111 A1 EP 1501111A1 EP 04291865 A EP04291865 A EP 04291865A EP 04291865 A EP04291865 A EP 04291865A EP 1501111 A1 EP1501111 A1 EP 1501111A1
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EP
European Patent Office
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electrical
network
switching device
communication
switch
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Withdrawn
Application number
EP04291865A
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German (de)
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Inventor
Michel Combier
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Individual
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
    • H01H2003/266—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor having control circuits for motor operating switches, e.g. controlling the opening or closing speed of the contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/227—Interlocked hand- and power-operating mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor

Definitions

  • the present invention relates to the production of a device for Low voltage and high current electrical switching for the safety of means of electricity distribution and energy management network associated electric.
  • the device has its own capabilities decision and internal actions to ensure optimal, automated management the acquisition, storage and consumption of electrical energy while by preserving the safety of equipment and people.
  • the present invention aims to overcome certain disadvantages of the prior art by providing a smart electrical switching device for the security of the electricity distribution systems and the network of associated electrical power management.
  • This device offers a solution fully autonomous switch architecture for reasons of operational safety, but also having the means to communication allowing it to work in association with others switches of the same type or other equipment involved in electrical management.
  • the decision means being connected to the electrical switch, by means of measurement, by means of network communication and by means of storage.
  • the electrical switching device operates in stand-alone mode thanks to all the measuring devices, of the storage means and the decision means, the decision means making local decisions based on measurements stored in the storage means and the measurements performed in real time.
  • the electrical switch of the device electrical switching device comprises an insulating disc provided with a zone conductor traversing the disk, said disk being actuated in rotation by an axis, said axis being set in motion directly by an engine can be controlled by the decision means or by a button of control located on the electrical switch, the electrical contact of the electrical switch being provided via at least two electrodes connected, one to the power source, the other to the load and being in contact with the conductive area when the electrical switch is in closed position.
  • the motor of the electrical switch is a motor supporting a manual mechanical forcing.
  • the electrical switching device can operate in manual mode by action, by a user, the button control located on the electrical switch, which via the axis of the switch will cause the disc to rotate and set or cut the power network.
  • the electrical switching device can operate in network mode through network communication means and exchange information with system power elements of electrical energy distributions connected to the communication network.
  • the network communication means is wired of the optoelectronic type or of the current carrier type or the means of Network communication is wireless-type radio.
  • the energy switching device electric can be inserted into an electrical energy management network, said power management network being connected to one or more power elements, which belong to a distribution system of electrical energy, the electrical energy management network comprising a power network carrying electrical energy and a network of communication conveying information concerning the management of the electrical energy, the two networks being connected to the power elements of the power distribution system, said power elements being removable, interchangeable and each having their own means of decision.
  • the electrical energy management network can be connected to a control means providing an interface with a user interface, said interface for setting the network, control functions of the electrical power distribution system, monitor the status of all elements connected to the network.
  • the electrical energy management network operates in centralized mode when the communication network is fully available, allowing a user to force a certain number of orders of the electrical power distribution system by through the control means.
  • the electrical energy management network works in decentralized mode, allowing all elements of the system electrical power distribution to communicate with each other, each element being completely autonomous.
  • the electrical energy management network operates in default mode, the communication network can be unavailable, and the elements of the electrical power distribution system making their decision locally based on their own measurements.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the elements constituting the electrical switching device (1) according to one embodiment of the present invention.
  • the electrical switching device (1) also called battery cutter, includes an electrical switch (10) with very high intensity, a means of decision (11) receiving all information concerning the state of the electricity distribution system and the electrical switching (1), a set of measuring means (13) enabling the decision means (11) to carry out all the measurements physical requirements and a communication means (12) connected to a external communication network (8) at the switching device electric (1).
  • the electrical switch (10) is connected to a network of electrical power (7) and serves as a switch, allowing opening or close the power network (7). Opening and closing switch (10) are automatically controlled by means of decision (11).
  • the means of decision (11) is based on physical measurements performed by all the measuring means (13), on parameters stored in a storage means (14) and by means of information exchanged with other connected power devices to the electrical energy management network.
  • the means of decision (11) is connected to the communication means (12) directly connected to a network of communication (8).
  • the communication means (12) allows the means of decision (11) to obtain information on the different powers of an electrical power distribution system connected to the means of electrical energy management.
  • the electrical switching device (1) of the invention its means of action and decision are associated within one and the same entity physical, which is able to function in many ways.
  • the device (1) can operate autonomously, thanks to its means of measurement (13), storage (14) and decision (11), the communication means (12) may be unavailable.
  • the device (1) can operate in a network, thanks to its communication means (12), its measuring means (13) may be unavailable.
  • the device (1) can work by taking its decisions on the basis of its internal measures and measures taken from its close environment (temperature, mains voltage, current absorbed or provided by the network), all measurements being stored in the storage means (14).
  • the device (1) can operate manually. Except the switch (10) itself, all its organs may be unavailable without affecting the possibility of direct and local manual control, for example in case of emergency. All these modes of operation are explained in a little more detail in the following the description.
  • the switch is presented with reference to Figures 2 and 3.
  • the figure 2 shows a representative diagram of the electrical switch (10) of the electrical switching device (1) according to one embodiment of the present invention.
  • the electrical switch (10) consists of a disk insulation (103) provided with at least one conductive area (104) disposed in a hole of the disc (103) shown in Figure 3. This orifice is located close to the radial center of the disc (103).
  • the disk (103) is operated in rotation by an axis (102) passing through and being fixed to the disk (103) in a orifice (107) located in the middle of the disc (103).
  • This axis (102) can be set movement directly and without reduction mechanism by motor (101) and a control button (100) located on the electrical switch (10).
  • the switch (10) comprises two electrodes (105) thus ensuring the electrical contact and being connected to current sources (106).
  • Each electrode (105) comprises a flexible blade (1051) made of conductive and fixed perpendicular to a busbar (1050) connected at one end to a current source (106).
  • a conductive tip (1052) On a end of the flexible blade (1051), close to the disc (103), is fixed a conductive tip (1052) that can be brought into contact with the area conductor (104) of the disk (103).
  • the electrodes are arranged from each side of the disc so that there is conductivity between the tips (1052) electrodes and the conductive area (104) when a control of closing of the electric power circuit is required.
  • the area conductor (104) is not in contact with electrode tips (1052).
  • the disk (103) will be put in rotation by the axis (102), said axis (102) being controlled by the motor (101).
  • the rotation ends as soon as the conductive zone (104) of the disk (103) is in contact with the tips (1052) of the electrodes (105).
  • at least one measuring means (134) is positioned on the map switch (10) for detecting the position of the conductive area (104) of the disc (103).
  • This end of race sensor (134) also detects manual action when a user operates the switch button (100) located on the switch (10). This action manual will control the rotation of the motor (101).
  • the functions of manual action detection and end-of-travel disc detection (103) are provided by an electrical or optical sensor (134).
  • the engine (101), or any other equivalent device, is characterized by its ability to withstand a manual override of its output axis (102) by rotation of the command, or to be operated electrically by the electronics of ordered.
  • a "step-by-step” motor is particularly suitable for this purpose.
  • This arrangement or any other equivalent arrangement of the device (1) makes it possible to constitute an electrical switch (10) that is safe, resistant, and flexible.
  • the switch (10) is reliable: the operation of the switch does not involve any mass displacement, lever tilting or other. The switch is thus insensitive to shocks and vibrations.
  • the switch (10) is resistant: no wear is to be feared except for the friction contacts (104-1052), which can be made in a suitable material conciliating low electrical resistance and good resistance to wear.
  • the switch (10) is flexible: the rotating disc (103) can be provided with a variable number of contacts (104), thereby enabling the realization a multi-way switch (10) without questioning the principles basic techniques.
  • the set of measuring means (13) of the switching device (1) is mounted directly on the electronic board that supports also the various components that provide the decision-making and communication.
  • the set of measuring means (13) comprises a magnetic current sensor (130), a temperature sensor (135), a voltage sensor (136), a shock sensor (131), an attitude sensor (132), a humidity sensor (133).
  • This set of means is non-limiting and may be supplemented with appropriate sensors for the use of the device.
  • This arrangement makes it possible to build a very cheap battery switch. It only requires small pieces numerous, with simple forms, without very great precision of adjustment and without final wiring. This arrangement ensures, by reducing the cables and Connectivity, very high reliability for a very low cost low.
  • the device (1) can operate in manual mode in different situations: a total failure of the electronics or the motor (103) of the device (1) can take place; the communication means (12) can be unavailable either due to a limited electronic device failure or because of a hardware cut in the network (8), or because it there is no other means of switching on.
  • the device (1) can not take local decision because of lack of information or "experience" of the system.
  • a user acts on the control button (100) which, via the axis (102) will cause the rotation of the disc (103) and establish or cut the circuit (7).
  • the engine technology (101) allows the engine to be maneuvered indifferently on or off without degradation.
  • the detector (134) allows the electronics, if it is able to do so, to detect said action and operate accordingly, for example by communicating to the outside by network, this new state or taking into account this command so to avoid engaging an automatic action contrary to the manual action.
  • the detector (134) also makes it possible to detect incomplete maneuvers, due to vibrations, shocks or difficulties of access to an operator, and allow the electronics to complete them thus ensuring a positioning correct contacts (1052) of the switch (10).
  • Manual operation is not incompatible with other modes of operation, but case of conflict, it is the manual control which is a priority and causes the deactivation of the automatisms. The return to automatic mode is done at the next power up.
  • the device can operate in standalone mode.
  • the battery switch has its own decision-making ability. This allows, in addition, the addition or the removal of power elements in operation connected to the power management network. So no reconfiguration of network is necessary since all the elements only read the information conveyed on the network.
  • the autonomous mode of the device also ensures continuous operation even in case of disappearance of the communication network (8).
  • the different elements of power of the electrical power distribution system, connected normally to the communication network (8) no longer receive information. They continue to provide service on the basis of the latest information received, measurements made locally. In this case their learning ability allows them to estimate certain parameters.
  • the device (1) can operate in a network by means of network communication (12) connected to the communication network (8), and to obtain or send information about the different power elements of an electric power distribution system.
  • network communication By its decision-making, communication and action capabilities, the electrical switching (1) can be integrated into a complex network of electrical energy management.
  • the objective of the invention is to propose a distributed intelligence network architecture solution, as well material than functional, allowing to automate, optimize and to secure the supply of electrical energy whatever the conditions Communication.
  • Figure 3 shows an electricity management network. It comprises two networks: a power network (7) conveying electrical energy and a communication network (8) enabling different elements of powers involved in managing to communicate between them.
  • This energy network may include one or more sources primary cells (3) associated with their charger (4), one or more batteries (2) associated with their battery switch (1), one or more regulators (6) controlled by specific uses (5), one or more means of user control (9) such as a computer.
  • the controller is the main interface with the user. It allows to set the entire network, by example the current of disjunction, the capacity of the batteries. It allows to control all functions such as general on / off and all the desired manual controls. It can be turned off or deleted without affect the status and configuration of the power grid. Any action will then be manually, directly at the battery-cutters. In case the reliability is not essential, it can be replaced by a simple software on a computer.
  • the optimal management of this network requires that the chargers (4), battery switch (1) regulators (6) and user control means (9) can communicate with each other, this is the role of the communication network (8).
  • the originality of the device (1) is characterized by the fact that the network of communication (8) connects the different power elements of the same way that the power network (7) and that there is no element of central control. Overall behavior is always the result of actions individually provided by each element. Any element connected to this network never issues an order to another element. He is terminal to regularly issue information on its status as well as the various parameters that characterize its state as the circulating current, the voltage present, the available charge estimate. Anything connected network monitors all data on the network to deduce the best action to take locally.
  • each element (source (3) / charger (4) / regulator (6)) is able to take local decisions solely on the basis of some learning he has could have achieved previously and also based on the measures that he can perform locally or that can make its immediate neighbors.
  • Each element has its own decision-making capability, which allows adding and deleting operating elements in the network, no reconfiguration is necessary since not all elements than read network information.
  • the autonomy of the power elements also ensures continuous operation even in case of disappearance of the communication network (8). In this case their capacity learning allows them to estimate certain parameters, their ability to This decision allows them to deduce quasi-optimal actions.
  • the electrical switching device (1) fully meets the needs of the electricity distribution system. he has the communication means (12) and remote control allowing it to function collectively both with other classes of elements of powers (chargers (4) and regulators (6)) with its counterparts (other battery switches (1)). Due to its strategic position in the network the switching device (1) is able to monitor the main energy flows and can perform most physical measurements necessary for other neighboring elements of the distribution system energy. These other elements (charger (4), regulator (6)) can then have a simplified technology that does not include sensors complex. The decision means and the device learning means electrical switching allow it to record most of characteristic situations The means of decision integrated in each element of the device, such as a microcontroller, may be identical for all elements, simplifying design and reducing costs development and adaptation. The invention allows the device (1) to always ensure a minimum service regardless of the state of degradation of the means of communication or the various constituent bodies.
  • the power distribution network can operate in several ways modes.
  • a first mode is the centralized mode. This is the traditional mode, used when the means of communication is fully available and a user wishes to force a number of commands such as running, stopping or programming various parameters such as thresholds of disjunction.
  • Another mode is the decentralized mode. All the elements can still communicate with each other but the whole device is totally autonomous. This is the ordinary mode of operation where the system must self-manage.
  • One last mode is the fault mode.
  • the various elements no longer manage to communicate through the computer network either due to interference, accidental disconnection or even removal. The elements of the device will make their decisions locally only on the basis of the measures they can perform. Although actions are undertaken individually, we will observe that the collective behavior of the device remains very close to optimal.
  • the energy distribution system has a capacity to react in chain that allows an element to make a local decision, to execute the corresponding action, to inform others, thus to modify the situation which may give rise to a new decision by a other organ.
  • This ability to react allows the system to manage very complex situations without requiring the implementation complex local algorithms.
  • the application of this very general concept to problem of electrical power management constitutes the body of this invention. All configurations are possible, since the configuration simpler consisting of a single battery (2) with its circuit breaker (1) to configurations with multiple sources (3), multiple units storage (2) and several charges (4).
  • the energy management network electrical and management algorithms remain the same.
  • the application of the principles established previously allows this scheme to guarantee the supply of electricity with a level of reliability that is inaccessible to current systems.
  • the proposed electrical power distribution system is intended for more particularly to isolated installations where the availability of energy can not be guaranteed in a predictable way, where consumption is variable and difficult to control, and finally where an operator experienced can not always be present: ships, trucks, stations autonomous monitoring.
  • the system is also applicable to all acquisition systems, storage, distribution, energy consumption self-contained electrical system for which safety, security, and simplicity of use are paramount.
  • the device according to the invention is particularly intended for the management electric mobile and electrical stations and allows, at the price a very modest additional cost, to best manage the electricity available on board without resorting unnecessarily to means of recharge not available.
  • the device makes it possible to ensure a high level of security by virtue of a permanent and automatic monitoring of available resources.
  • the This device also makes it possible to guarantee a high level of safety functioning because of the absence of a central supervisory body and the ability to function despite the loss of certain elements or even communication network.
  • the device according to the invention is also intended for the management particularly for boats or isolated stations where, in addition to security, optimal management of electrical energy is essential.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de commutation électrique (1) intelligent, destiné à la sécurisation des systèmes de distribution d'énergie électrique, le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend, dans une seule unité physique : un commutateur électrique (10) traversé par un réseau de puissance électrique (7) ; un ensemble de moyens de mesure (13) comportant un ou plusieurs moyens de mesure ; un moyen de communication réseau (12), relié à un réseau de communication (8) ; un moyen de mémorisation (14) mémorisant toutes les mesures effectuées sur le dispositif de commutation électrique (1) et les informations provenant du réseau de communication ; un moyen de décision (11) analysant les informations mémorisées, et commandant le commutateur électrique (10) ; le moyen de décision (11) étant relié au commutateur électrique (10), au moyen de mesure (13), au moyen de communication réseau (12) et au moyen de mémorisation (14). <IMAGE>

Description

La présente invention concerne la réalisation d'un dispositif de commutation électrique basse tension et fort courant pour la sécurisation des moyens de distribution d'électricité et du réseau de gestion d'énergie électrique associé. Le dispositif dispose de ses propres capacités de décision et d'actions internes pour assurer la gestion optimale, automatisée de l'acquisition, du stockage et de la consommation d'énergie électrique tout en préservant la sécurité des matériels et des personnes.
Il est connu dans l'art antérieur des dispositifs de commutation électrique, constitués pour la plupart d'un commutateur mécanique à commande manuelle ou automatique. La commande automatique peut être exécutée en fonction des mesures physiques concernant le dispositif, les dites mesures étant réalisées par des moyens de mesure externes au dispositif. Ces dispositifs ont l'inconvénient d'être peu autonome du fait qu'ils disposent de peu de capteurs et de détecteurs. Ces dispositifs ne communiquent pas avec d'autres éléments de puissance, tels qu'un chargeur, un régulateur, ces éléments pouvant appartenir au système de distribution d'énergie électrique. La communication entre les différents éléments du système permettrait une optimisation de la gestion de l'électricité et pourrait corriger une défaillance du système de gestion de l'électricité. Le besoin actuel en dispositifs de sécurité capables d'interrompre la distribution d'électricité en cas d'incident rend un tel dispositif indispensable sur de nombreux types de véhicules, notamment de transport de matières dangereuses.
La présente invention a pour but de pallier certains inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de commutation électrique intelligent pour la sécurisation des systèmes de distribution d'électricité et du réseau de gestion d'énergie électrique associé. Ce dispositif propose une solution d'architecture de commutateur totalement autonome pour des raisons de sûreté de fonctionnement, mais disposant également de moyens de communication lui permettant de fonctionner en association avec d'autres commutateurs du même type ou d'autres équipements intervenant dans la gestion électrique.
Ce but est atteint par un dispositif de commutation électrique intelligent, destiné à la sécurisation du système de distribution d'énergie électrique comprenant différents éléments de puissance, le dispositif de commutation électrique est caractérisé en ce qu'il comprend, dans une seule unité physique :
  • un commutateur électrique traversé par un réseau de puissance électrique;
  • un ensemble de moyens de mesure comportant un ou plusieurs moyens de mesure, chacun de type différent, réalisant des mesures physiques du dispositif de commutation électrique ;
  • un moyen de communication réseau, relié à un réseau de communication, ledit réseau étant connecté à des éléments de puissance du système de distribution, ledit moyen de communication permettant d'envoyer des paramètres caractéristiques de l'état du dispositif de communication électrique vers le réseau de communication et permettant de recevoir des paramètres caractéristiques de l'état des différents éléments de puissance du système de distribution d'énergie électrique, connectés au réseau de communication ;
  • un moyen de mémorisation permettant de mémoriser toutes les informations provenant des mesures effectuées par l'ensemble des moyens de mesure, et les informations reçues par le moyen de communication réseau sur les caractéristiques des différents éléments de puissance connectés au réseau de communication (8) ;
  • un moyen de décision analysant simultanément et localement toutes les informations mémorisées dans le moyen de mémorisation et les mesures effectuées, le dispositif de décision commandant en fonction de son analyse l'ouverture ou la fermeture du commutateur électrique ;
le moyen de décision étant relié au commutateur électrique, au moyen de mesure, au moyen de communication réseau et au moyen de mémorisation.
Selon une autre particularité, le dispositif de commutation électrique fonctionne en mode autonome grâce à l'ensemble des moyens de mesure, du moyen de mémorisation et du moyen de décision, le moyen de décision prenant des décisions de manière locale en se basant sur les mesures mémorisées dans le moyen de mémorisation ainsi que les mesures effectuées en temps réel.
Selon une autre particularité, le commutateur électrique du dispositif de commutation électrique comprend un disque isolant pourvu d'une zone conductrice traversant le disque, ledit disque étant actionné en rotation par un axe, ledit axe étant mis en mouvement directement par un moteur pouvant être commandé par le moyen de décision ou par un bouton de commande situé sur le commutateur électrique, le contact électrique du commutateur électrique étant assuré par l'intermédiaire d'au moins deux électrodes reliées, l'une à la source de courant, l'autre à la charge et étant en contact avec la zone conductrice quand le commutateur électrique est en position fermée.
Selon une autre particularité, le moteur du commutateur électrique est un moteur supportant un forçage mécanique manuel.
Selon une autre particularité, le dispositif de commutation électrique peut fonctionner en mode manuel par action, par un utilisateur, du bouton de commande situé sur le commutateur électrique, qui par l'intermédiaire de l'axe du commutateur va provoquer la rotation du disque et établir ou couper le réseau de puissance.
Selon une autre particularité, le dispositif de commutation électrique peut fonctionner en mode réseau grâce au moyen de communication réseau et échanger des informations avec des éléments de puissances du système de distributions d'énergie électrique connectés au réseau de communication.
Selon une autre particularité, le moyen de communication réseau est filaire du type optoélectronique ou du type courant porteur ou le moyen de communication réseau est non filaire du type radio.
Selon une autre particularité, le dispositif de commutation d'énergie électrique peut être inséré dans un réseau de gestion d'énergie électrique, ledit réseau de gestion d'énergie électrique étant connecté à un ou plusieurs éléments de puissance, qui appartiennent à un système de distribution d'énergie électrique, le réseau de gestion d'énergie électrique comprenant un réseau de puissance véhiculant l'énergie électrique et un réseau de communication véhiculant des informations concernant la gestion de l'énergie électrique, les deux réseaux étant reliés aux éléments de puissance du système de distribution d'énergie, lesdits éléments de puissance étant amovibles, interchangeable et possédant chacun leur propre moyen de décision.
Selon une autre particularité, le réseau de gestion d'énergie électrique peut être connecté à un moyen de contrôle réalisant une interface avec un utilisateur, ladite interface permettant de paramétrer le réseau, de commander des fonctions du système de distribution d'énergie électrique, de surveiller l'état de tous les éléments connectés au réseau.
Selon une autre particularité, le réseau de gestion d'énergie électrique fonctionne en mode centralisé lorsque le réseau de communication est pleinement disponible, permettant à un utilisateur de forcer un certain nombre de commandes du système de distribution d'énergie électrique par l'intermédiaire du moyen de contrôle.
Selon une autre particularité, le réseau de gestion d'énergie électrique fonctionne en mode décentralisé, permettant à tous les éléments du système de distribution d'énergie électrique de communiquer entre eux, chaque élément étant totalement autonome.
Selon une autre particularité, le réseau de gestion d'énergie électrique fonctionne en mode défaut, le réseau de communication pouvant être indisponible, et les éléments du système de distribution d'énergie électrique prenant leur décision localement en se basant sur leurs propres mesures.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaítront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
  • la figure 1 montre un schéma synoptique des éléments constituant le dispositif de commutation électrique, selon un mode de réalisation de la présente invention ;
  • la figure 2 montre un schéma représentatif du commutateur du dispositif de commutation électrique, selon un mode de réalisation de la présente invention ;
  • la figure 3 montre une vue de dessus du disque du commutateur électrique du dispositif de commutation électrique de la présente invention ;
  • la figure 4 montre un schéma représentatif du réseau de distribution d'énergie sur lequel est connecté le dispositif de commutation électrique de la présente invention.
La figure 1 montre un schéma synoptique des éléments constituant le dispositif de commutation électrique (1), selon un mode de réalisation de la présente invention. Le dispositif de commutation électrique (1), également appelé coupe-batterie, comprend un commutateur électrique (10) à très forte intensité, un moyen de décision (11) recevant toutes les informations concernant l'état du système de distribution d'électricité et du dispositif de commutation électrique (1), un ensemble de moyens de mesure (13) permettant au moyen de décision (11) d'effectuer toutes les mesures physiques nécessaires et un moyen de communication (12) connecté à un réseau extérieur de communication (8) au dispositif de commutation électrique (1). Le commutateur électrique (10) est relié à un réseau de puissance électrique (7) et sert d'interrupteur, permettant d'ouvrir ou de fermer le réseau de puissance électrique (7). L'ouverture et la fermeture du commutateur (10) sont commandées de façon automatique par le moyen de décision (11). Le moyen de décision (11) se base sur les mesures physiques effectuées par l'ensemble des moyens de mesures (13), sur des paramètres internes mémorisés dans un moyen de mémorisation (14) et par des informations échangées avec d'autres dispositifs de puissances connectées au réseau de gestion d'énergie électrique. Le moyen de décision (11) est relié au moyen de communication (12) connecté directement à un réseau de communication (8). Le moyen de communication (12) permet au moyen de décision (11) d'obtenir des informations sur les différents dispositifs de puissances d'un système de distribution d'énergie électrique connectés au moyen de gestion d'énergie électrique.
Le dispositif de commutation électrique (1) de l'invention, ses moyens d'action et de décision sont associés au sein d'une seule et même entité physique, laquelle est capable de fonctionner de plusieurs façon. Le dispositif (1) peut fonctionner de façon autonome, grâce à ses moyens de mesure (13), de mémorisation (14) et de décision (11), le moyen de communication (12) pouvant être indisponible. Le dispositif (1) peut fonctionner en réseau, grâce à son moyen de communication (12), son moyen de mesure (13) pouvant être indisponible. Le dispositif (1) peut fonctionner en prenant ses décisions sur la base de ses mesures internes et des mesures provenant de son environnement proche (température, tension du réseau électrique, courant absorbé ou fourni par le réseau), toutes les mesures étant mémorisées dans le moyen de mémorisation (14). Le dispositif (1) peut fonctionner manuellement. Excepté le commutateur (10) proprement dit, tous ses organes peuvent être indisponibles sans affecter la possibilité de commande manuelle directe et locale, par exemple en cas d'urgence. Tous ces modes de fonctionnement sont expliqués un peu plus en détail dans la suite de la description.
Le commutateur est présenté en référence aux figures 2 et 3. La figure 2 montre un schéma représentatif du commutateur électrique (10) du dispositif de commutation électrique (1), selon un mode de réalisation de la présente invention. Le commutateur électrique (10) est constitué d'un disque isolant (103) pourvu d'au moins une zone conductrice (104) disposée dans un orifice du disque (103) représenté sur la figure 3. Cet orifice est situé proche du milieu radial du disque (103). Le disque (103) est actionné en rotation par un axe (102) traversant et étant fixé au disque (103) dans un orifice (107) situé au milieu du disque (103). Cet axe (102) peut être mis en mouvement directement et sans mécanisme réducteur par un moteur (101) et un bouton de commande (100) situé sur le commutateur électrique (10). Le commutateur (10) comprend deux électrodes (105) assurant ainsi le contact électrique et étant reliées à des sources de courants (106). Chaque électrode (105) comprend une lame souple (1051) fabriquée en matière conductrice et fixée de manière perpendiculaire à une barre conductrice (1050) reliée à une extrémité à une source de courant (106). Sur une extrémité de la lame souple (1051), proche du disque (103), est fixée une pointe conductrice (1052) pouvant être mise en contact avec la zone conductrice (104) du disque (103). Les électrodes sont disposées de chaque côté du disque de manière à ce qu'il y ait conductivité entre les pointes (1052) des électrodes et la zone conductrice (104) quand une commande de fermeture du circuit de puissance électrique est demandée. Supposons initialement que le commutateur (10) soit en position ouverte. La zone conductrice (104) n'est pas en contact avec les pointes des électrodes (1052). Lors d'une commande de fermeture, le disque (103) va être mis en rotation par l'axe (102), ledit axe (102) étant commandé par le moteur (101). La rotation se termine dès que la zone conductrice (104) du disque (103) est en contact avec les pointes (1052) des électrodes (105). Pour définir cette position, au moins un moyen de mesure (134) est positionné sur la carte électronique du commutateur (10), permettant de détecter la position de la zone conductrice (104) du disque (103). Ce capteur (134) de fin de course permet également de détecter l'action manuelle lorsqu'un utilisateur actionne le bouton de commutation (100) situé sur le commutateur (10). Cette action manuelle va commander la rotation du moteur (101). Les fonctions de détection d'action manuelle et de détection de fin de course du disque (103) sont assurées par un capteur électrique ou optique (134). Le moteur (101), ou tout autre dispositif équivalent, est caractérisé par sa capacité à supporter un forçage manuel de son axe (102) de sortie par rotation du bouton de commande, ou à être actionné électriquement par l'électronique de commande. Un moteur de type « pas à pas » convient particulièrement bien à cet usage.
Cette disposition ou tout autre agencement équivalent, du dispositif (1) permet de constituer un commutateur électrique (10) sûr, résistant, et flexible. Le commutateur (10) est fiable : la manoeuvre du commutateur n'implique aucun déplacement de masse, basculement de levier ou autre. Le commutateur est ainsi insensible aux chocs et vibrations. Le commutateur (10) est résistant : aucune usure n'est à craindre, sauf en ce qui concerne les contacts frottants (104 -1052), lesquels peuvent être réalisés dans un matériau approprié conciliant faible résistance électrique et bonne résistance à l'usure. Le commutateur (10) est flexible : le disque rotatif (103) peut être muni d'un nombre variable de contacts (104), permettant ainsi la réalisation d'un commutateur (10) à plusieurs voies sans remise en cause des principes techniques de base.
L'ensemble des moyens de mesure (13) du dispositif de commutation électrique (1) est monté directement sur la carte électronique qui supporte également les divers composants assurant les fonctions de décision et de communication. L'ensemble des moyens de mesure (13) comprend un capteur de courant magnétique (130), un capteur de température (135), un capteur de tension (136), un capteur de chocs (131), un capteur d'attitude (132), un capteur d'humidité (133). Cet ensemble de moyens est non limitatif et peut être complété de capteurs appropriés à l'utilisation du dispositif.
Cette disposition, ou tout autre agencement équivalent, permet de constituer un coupe-batterie très bon marché. Il n'exige que des pièces peu nombreuses, aux formes simples, sans très grande précision d'ajustement et sans câblage final. Cette disposition assure, par la réduction des câbles et de la connectique, une très grande sûreté de fonctionnement pour un coût très bas.
Le dispositif (1) peut fonctionner en mode manuel dans différentes situations : une panne totale de l'électronique ou du moteur (103) du dispositif (1) peut avoir lieu ; le moyen de communication (12) peut être indisponible soit en raison d'une panne électronique limitée du dispositif, soit en raison d'une coupure matérielle du réseau (8), soit aussi parce qu'il n'existe pas d'autre moyen de mise en circuit. Le dispositif (1) ne peut pas prendre de décision locale du fait du manque d'information ou d' « expérience » du système. Lors du fonctionnement manuel, un utilisateur agit sur le bouton de commande (100) qui, par l'intermédiaire de l'axe (102) va provoquer la rotation du disque (103) et établir ou couper le circuit (7). La technologie du moteur (101) permet à celui-ci d'être manoeuvré indifféremment sous ou hors tension sans dégradation. Le détecteur (134) permet à l'électronique, si elle est en état de le faire, de détecter ladite action et d'opérer en conséquence, par exemple en communiquant vers l'extérieur par réseau, ce nouvel état ou en prenant en compte cette commande afin d'éviter d'engager une action automatique contraire à l'action manuelle. Le détecteur (134) permet en outre de détecter des manoeuvres incomplètes, dues à des vibrations, chocs ou difficultés d'accès à un opérateur, et de permettre à l'électronique de les achever assurant ainsi un positionnement correct des contacts (1052) du commutateur (10). Le fonctionnement manuel n'est pas incompatible avec les autres modes de fonctionnement, mais en cas de conflit, c'est la commande manuelle qui est prioritaire et provoque la désactivation des automatismes. Le retour au mode automatique s'effectue à la mise sous tension suivante.
Le dispositif peut fonctionner en mode autonome. Le coupe-batterie dispose de sa propre capacité de décision. Cela permet, en outre, l'ajout ou la suppression d'éléments de puissances en fonctionnement connecté au réseau de gestion d'énergie électrique. Ainsi aucune reconfiguration de réseau n'est nécessaire puisque tous les éléments ne font que lire les informations véhiculées sur le réseau. Le mode autonome du dispositif permet également d'assurer un fonctionnement continu même en cas de disparition du réseau de communication (8). Les différents éléments de puissance du système de distribution d'énergie électrique, connectés normalement au réseau de communication (8) ne reçoivent plus d'informations. Ils continuent à assurer leur service sur la base des dernières informations reçues, des mesures effectuées localement. Dans ce cas leur capacité d'apprentissage leur permet d'estimer certains paramètres.
Le dispositif (1) peut fonctionner en réseau grâce au moyen de communication réseau (12) connecté au réseau de communication (8), et permettant d'obtenir ou d'envoyer des informations concernant les différents éléments de puissance d'un système de distribution d'énergie électrique. Par ses capacités de décision, de communication et d'action, le dispositif de commutation électrique (1) peut être intégré dans un réseau complexe de gestion d'énergie électrique. L'objectif de l'invention est de proposer une solution d'architecture de réseau à intelligence distribuée, aussi bien matérielle que fonctionnelle, permettant d'automatiser, d'optimiser et de sécuriser la fourniture d'énergie électrique quelles que soient les conditions de communication. La figure 3 représente un réseau de gestion d'électricité. Celui-ci comprend deux réseaux: un réseau de puissance (7) véhiculant l'énergie électrique et un réseau de communication (8) permettant aux différents éléments de puissances participant à la gestion de communiquer entre eux. Ce réseau d'énergie peut comprendre une ou plusieurs sources primaires (3) associées à leur chargeur (4), une ou plusieurs batteries (2) associées à leur coupe-batterie (1), un ou plusieurs régulateurs (6) commandés par des utilisations spécifiques (5), un ou plusieurs moyen de contrôle utilisateur (9) telle qu'un ordinateur. Le contrôleur est la principale interface avec l'utilisateur. Il permet de paramétrer tout le réseau, par exemple le courant de disjonction, la capacité des batteries. Il permet de commander toutes les fonctions telles que la marche/arrêt général et toutes les commandes manuelles souhaitées. Il peut être éteint ou supprimé sans affecter l'état et la configuration du réseau électrique. Toute action sera alors manuelle, directement au niveau des coupes-batteries. Dans le cas où la fiabilité n'est pas primordiale, il peut être remplacé par un simple logiciel sur un ordinateur.
La gestion optimale de ce réseau nécessite que les chargeurs (4), coupe-batterie (1) régulateurs (6) et le moyen de contrôle utilisateur (9) puissent communiquer entre eux, c'est le rôle du réseau de communication (8). L'originalité du dispositif (1) est caractérisée par le fait que le réseau de communication (8) relie les différents éléments de puissance de la même manière que le réseau de puissance (7) et qu'il n'y a pas d'élément de contrôle central. Le comportement global est toujours le résultat des actions locales assurées individuellement par chaque élément. Tout élément connecté à ce réseau n'émet jamais d'ordre vers un autre élément. Il se borne à émettre régulièrement les informations relatives à son état ainsi que les divers paramètres qui caractérisent son état comme le courant circulant, la tension présente, l'estimation de charge disponible. Tout élément connecté à ce réseau surveille toutes les données présentes sur le réseau pour en déduire la meilleure action à réaliser localement. Pour répondre de manière satisfaisante à l'exigence de sûreté de fonctionnement d'un réseau de gestion d'énergie électrique, il est donc nécessaire que chaque élément (source (3)/ chargeur (4)/ régulateur (6)) soit capable de prendre des décisions locales uniquement sur la base d'un certain apprentissage qu'il a pu réaliser précédemment et également sur la base des mesures qu'il peut effectuer localement ou que peuvent effectuer ses voisins immédiats. Chaque élément dispose de sa propre capacité de décision, ce qui permet l'ajout et la suppression d'éléments en fonctionnement dans le réseau, aucune reconfiguration n'étant nécessaire puisque tous les éléments ne font que lire les informations du réseau. L'autonomie des éléments de puissance permet également d'assurer un fonctionnement continu même en cas de disparition du réseau de communication (8). Dans ce cas leur capacité d'apprentissage leur permet d'estimer certains paramètres, leur capacité de décision leur permet d'en déduire des actions quasi-optimales.
Le dispositif de commutation électrique (1), selon la présente invention répond pleinement aux besoins du système de distribution d'électricité. Il dispose du moyen de communication (12) et de télécommande lui permettant de fonctionner collectivement tant avec les autres classes d'éléments de puissances (chargeurs (4) et régulateurs (6)) qu'avec ses homologues (autres coupe-batteries (1)). Du fait de sa position stratégique dans le réseau électrique le dispositif de commutation (1) est capable de surveiller les principaux flux d'énergie et peut effectuer la plupart des mesures physiques nécessaires aux autres éléments voisins du système de distribution d'énergie. Ces autres éléments (chargeur (4), régulateur (6)) peuvent alors disposer d'une technologie simplifiée ne comprenant pas de capteurs complexes. Le moyen de décision et le moyen d'apprentissage du dispositif de commutation électrique lui permettent d'enregistrer la plupart des situations caractéristiques Le moyen de décision intégré dans chaque élément du dispositif, tel qu'un microcontrôleur, peut être identique pour tous les éléments, ce qui en simplifie la conception et permet de réduire les coûts de développement et d'adaptation. L'invention permet au dispositif (1) de toujours assurer un service minimum quel que soit l'état de dégradation du moyen de communication ou des divers organes constitutifs.
Le réseau de distribution d'énergie peut fonctionner suivant plusieurs modes. Un premier mode est le mode centralisé. C'est le mode traditionnel, utilisé lorsque le moyen de communication est pleinement disponible et qu'un utilisateur souhaite forcer un certain nombre de commandes telles que mise en marche, arrêt ou programmation de paramètres divers comme des seuils de disjonction. Un autre mode est le mode décentralisé. Tous les éléments peuvent encore communiquer entre eux mais l'ensemble du dispositif est totalement autonome. C'est le mode de fonctionnement ordinaire où le système doit s'autogérer. Un dernier mode est le mode de défaut. Les divers éléments ne parviennent plus à communiquer par le réseau informatique soit en raison de brouillages, de déconnexion accidentelle ou même d'éloignement. Les éléments du dispositif vont prendre leurs décisions localement uniquement sur la base des mesures qu'ils peuvent effectuer. Bien que des actions soient entreprises de façon individuelle, on observera que le comportement collectif du dispositif reste très proche de l'optimal.
Le système de distribution d'énergie a une capacité de réaction en chaíne qui permet à un élément de prendre une décision locale, d'exécuter l'action correspondante, d'informer les autres, donc de modifier la situation générale qui pourra être à l'origine d'une nouvelle décision de la part d'un autre organe. Cette capacité de réaction permet au système de gérer des situations très complexes sans pour autant exiger la mise en oeuvre d'algorithmes locaux complexes. L'application de ce concept très général au problème de la gestion d'énergie électrique constitue le corps de la présente invention. Toutes les configurations sont possibles, depuis la configuration la plus simple constituée d'une seule batterie (2) avec son disjoncteur (1) jusqu'à des configurations comprenant plusieurs sources (3), plusieurs unités de stockage (2) et plusieurs charges (4). Le réseau de gestion d'énergie électrique ainsi que les algorithmes de gestion restent identiques. L'application des principes établis précédemment permet à ce dispositif de garantir la fourniture d'électricité avec un niveau de fiabilité inaccessible aux systèmes actuels.
Le système de distribution d'énergie électrique proposé est destiné plus particulièrement aux installations isolées où la disponibilité d'énergie ne peut pas être garantie de façon prévisible, où la consommation est également variable et difficilement contrôlable, et enfin où un opérateur expérimenté ne peut pas toujours être présent : navires, camions, stations autonomes de surveillance. Le système est également applicable à tous les systèmes d'acquisition, stockage, distribution, consommation d'énergie électrique autonome pour lesquels la sûreté, la sécurité, et la simplicité d'utilisation sont primordiaux.
Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la gestion électrique des mobiles et des stations électriques isolées et permet, au prix d'un surcoût très modeste, de gérer au mieux l'électricité disponible à bord sans recourir inutilement à des moyens de recharge non-disponibles. Le dispositif permet, en outre, d'assurer une grande sécurité du fait d'une surveillance permanente et automatique des moyens disponibles. Le dispositif permet, également, de garantir une grande sûreté de fonctionnement du fait de l'absence d'organe de contrôle central et de la capacité à fonctionner malgré la perte de certains éléments ou même du réseau de communication.
Le dispositif, selon l'invention, est également destiné à la gestion d'énergie, notamment pour les bateaux ou les stations isolées où, en plus de la sécurité, la gestion optimale de l'énergie électrique est essentielle.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.

Claims (12)

  1. Dispositif de commutation électrique (1) intelligent destiné à la sécurisation des systèmes de distribution d'énergie électrique comprenant différents éléments de puissance, le dispositif de commutation électrique (1) est caractérisé en ce qu'il comprend, dans une seule unité physique :
    un commutateur électrique (10) traversé par un réseau de puissance électrique (7) ;
    un ensemble de moyens de mesure (13) comportant un ou plusieurs moyens de mesure, chacun de type différent, réalisant des mesures physiques du dispositif de commutation électrique (1) ;
    un moyen de communication réseau (12), relié à un réseau de communication (8), ledit réseau étant connecté à des éléments de puissance du système de distribution, ledit moyen de communication (12) permettant d'envoyer des paramètres caractéristiques de l'état du dispositif de communication électrique (1) vers le réseau de communication (8) et permettant de recevoir des paramètres caractéristiques de l'état des différents éléments de puissance du système de distribution d'énergie électrique, connectés au réseau de communication (8) ;
    un moyen de mémorisation (14) permettant de mémoriser toutes les informations provenant des mesures effectuées par l'ensemble des moyens de mesure (13), et les informations reçues par le moyen de communication réseau (12) sur les caractéristiques des différents éléments de puissance connectés au réseau de communication (8) ;
    un moyen de décision (11) analysant simultanément et localement toutes les informations mémorisées dans le moyen de mémorisation (13) et les mesures effectuées, le dispositif de décision commandant en fonction de son analyse l'ouverture ou la fermeture du commutateur électrique (10) ;
    le moyen de décision (11) étant relié au commutateur électrique (10), au moyen de mesure (13), au moyen de communication réseau (12) et au moyen de mémorisation (14).
  2. Dispositif de commutation électrique (1), selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il fonctionne en mode autonome grâce à l'ensemble des moyens de mesure (13), du moyen de mémorisation (14) et du moyen de décision (11), le moyen de décision prenant des décisions de manière locale en se basant sur les mesures mémorisées dans le moyen de mémorisation (14) ainsi que les mesures effectuées en temps réel.
  3. Dispositif de commutation électrique (1), selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le commutateur électrique (10) du dispositif de commutation électrique (1) comprend un disque isolant (103) pourvu d'une zone conductrice (104) traversant le disque (103), ledit disque (103) étant actionné en rotation par un axe (102), ledit axe (102) étant mis en mouvement directement par un moteur (101) pouvant être commandé par le moyen de décision (11) ou par un bouton de commande (100) situé sur le commutateur électrique (10), le contact électrique du commutateur électrique (10) étant assuré par l'intermédiaire d'au moins deux électrodes (105) reliées, l'une à la source de courant (106), l'autre à la charge et étant en contact avec la zone conductrice (104) quand le commutateur électrique (10) est en position fermée.
  4. Dispositif de commutation électrique (1), selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur (101) du commutateur électrique (10) supporte un forçage mécanique manuel.
  5. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il peut toujours fonctionner en mode manuel par action, par un utilisateur, du bouton de commande (100) situé sur le commutateur électrique (10), qui par l'intermédiaire de l'axe (102) du commutateur va provoquer la rotation du disque (103) et établir ou couper le réseau de puissance (7).
  6. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il peut fonctionner en mode réseau grâce au moyen de communication réseau (12) et échanger des informations avec des éléments de puissance du système de distribution d'énergie électrique connectés au réseau de communication (8).
  7. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de communication réseau (12) est filaire du type optoélectronique ou du type courant porteur ou que le moyen de communication réseau (12) est non filaire du type radio.
  8. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il peut être inséré dans un réseau de gestion d'énergie électrique, ledit réseau de gestion d'énergie électrique étant connecté à un ou plusieurs éléments de puissance, qui appartiennent à un système de distribution d'énergie électrique, le réseau de gestion d'énergie électrique comprenant un réseau de puissance (7) véhiculant l'énergie électrique et un réseau de communication (8) véhiculant des informations concernant la gestion de l'énergie électrique, les deux réseaux étant reliés aux éléments de puissance du système de distribution d'énergie, lesdits éléments de puissance étant amovibles, interchangeable et possédant chacun leur propre moyen de décision.
  9. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le réseau de gestion d'énergie électrique peut être connecté à un moyen de contrôle (9) réalisant une interface avec un utilisateur, ladite interface permettant de paramétrer le réseau, de commander des fonctions du système de distribution d'énergie électrique, de surveiller l'état de tous les éléments connectés au réseau.
  10. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réseau de gestion d'énergie électrique fonctionne en mode centralisé lorsque le réseau de communication est pleinement disponible, permettant à un utilisateur de forcer un certain nombre de commandes du système de distribution d'énergie électrique par l'intermédiaire du moyen de contrôle.
  11. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réseau de gestion d'énergie électrique fonctionne en mode décentralisé, permettant à tous les éléments du système de distribution d'énergie électrique de communiquer entre eux, chaque élément étant totalement autonome.
  12. Dispositif de commutation électrique (1), selon une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réseau de gestion d'énergie électrique fonctionne en mode défaut, le réseau de communication pouvant être indisponible, et les éléments du système de distribution d'énergie électrique prenant leur décision localement en se basant sur leurs propres mesures.
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