WO2014181062A1 - Procede et systeme d'analyse de la consommation d'electricite - Google Patents

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WO2014181062A1
WO2014181062A1 PCT/FR2014/051062 FR2014051062W WO2014181062A1 WO 2014181062 A1 WO2014181062 A1 WO 2014181062A1 FR 2014051062 W FR2014051062 W FR 2014051062W WO 2014181062 A1 WO2014181062 A1 WO 2014181062A1
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WO
WIPO (PCT)
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signatures
equipment
site
voltage
current
Prior art date
Application number
PCT/FR2014/051062
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English (en)
Inventor
Antoine LABATIE
Original Assignee
Smart Impulse
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Filing date
Publication date
Application filed by Smart Impulse filed Critical Smart Impulse
Priority to US14/889,496 priority Critical patent/US20160109492A1/en
Priority to CA2911455A priority patent/CA2911455C/fr
Priority to EP14727887.3A priority patent/EP2994763B1/fr
Publication of WO2014181062A1 publication Critical patent/WO2014181062A1/fr
Priority to US15/911,566 priority patent/US10942205B2/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2513—Arrangements for monitoring electric power systems, e.g. power lines or loads; Logging

Definitions

  • the present invention relates to the field of analyzing the electrical consumption of a non-intrusive residential, commercial or industrial site, that is to say not requiring the installation of sensors associated with each one. equipment to supervise. This analysis makes it possible to identify the main levers of energy saving.
  • a first family of solutions consists in observing the temporal variations of the load curve and in identifying signatures compared with reference signatures recorded for the main equipment.
  • the European patent application EP2000780 describes a method for detecting and estimating the consumption of the electrical uses of the installations of a subscriber, characterized in that it consists at least of:
  • the step of establishing the general consumption curve of the subscriber's facilities including at least: the sampling of the consumption of the effluents consumed by the subscriber's facilities, said sampling taking place downstream from effluent consumption meter connected to the mains connection;
  • a second family of solutions is to take into account not the temporal variation of the power measured upstream of the installation, but to take into account the waveform of the current consumed by each of the equipment.
  • WO2011012840 relates to a method for identifying the operation of an electrical appliance, for example an induction motor.
  • the method includes identifying the operation of an electrical apparatus when a path drawn by actual power values relative to corresponding virtual power values over a particular period comprises one or more substantially circular arcs.
  • the actual power values are associated with the total actual power supplied to one or more electrical appliances as a function of time, and the virtual power values are associated with the total virtual power supplied to one or more electrical appliances as a function of time.
  • the invention also relates to an associated method for identifying the operation of a specified type of apparatus, wherein the operation of said specified type of apparatus depends on the provision of at least one energy source, such as electricity. , natural gas, or water.
  • the invention also relates to computer programs, computer readable media, and corresponding computer program products and apparatus.
  • the European patent EP1296147 describes a method for estimating the individual electricity consumption of a plurality of electrical appliances consisting of:
  • the methods of observing the temporal variations of the load curve and of identifying signatures compared with reference signatures recorded for the main equipment are not suitable for analyzing sites with a large number of equipment. Indeed, the periodicity of the acquisitions is of the order of the second. When several devices stop or start with a small time offset, less than the acquisition periodicity, a masking phenomenon occurs which prevents a relevant recognition of the equipment in question.
  • the method only takes into account the transients (on / off), and does not allow to take into account equipment in permanent operation.
  • This local parameterization step consists of generating each of the signatures by measuring current and voltage on the equipment power supply when they are in operation.
  • the EP2402771 patent describes a power monitoring device for identifying the state of an electrical apparatus on the basis of the user evaluations and a power monitoring method thereof is provided.
  • the power control device includes a measurement module, a variation detection and the search module, and an electrical device signature database established on the basis of user evaluations.
  • the variation detection and search module in the base of the electrical appliance signature as a function of the variation to obtain electrical appliances similar to the variation and the states of these.
  • a user provides data to the signature database of the electrical apparatus by confirming the search result, or selecting the correct electrical appliance and the state thereof.
  • the power control device When the user confirms the search result, the power control device establishes an association between the electrical apparatus and the signatures of the electrical apparatus and updates the signature database of the electrical apparatus.
  • patent EP2402771 proposes to use the signature common to all users, and does not take into account the context of the building and the disturbances caused by the network. Solution provided by the invention
  • the invention relates, in its most general sense, to a method of analyzing the electricity consumption of a site equipped with a plurality of electrical equipment of different natures, consisting in periodically measuring the current and the voltage on at least one of the electrical phases upstream of the site supply network, consisting of:
  • the present invention aims to provide a technical solution to the problems posed by the prior art analysis methods.
  • the invention relates, in its most general sense, to a method of analyzing the electricity consumption of a site equipped with a plurality of electrical equipment of different types, consisting of periodically measuring the current and the voltage on at least one of the electrical phases upstream of the site supply network, to be applied to a combination of the digitized signals a process for determining the distribution of the consumption as a function of at least part of said equipment, characterized in what said processing consists of comparing the measured current waveform with a catalog of signatures corresponding to the electrical elements present on the site in question, at least a part of which consists of signatures extracted during a configuration step from a history of current waveform data found on the site, and another part may come from a library of signatures recorded in advance, the said signatures and the associated temporal consumption curves being finally assigned to the electrical equipment of the site.
  • these signatures are allowed to vary slightly to allow the decomposition of the measured current waveforms as a linear combination of the disturbed extracted signatures and fixed signatures which have been registered in advance, with for each signature, associated consumptions that are positive.
  • the disturbances of the extracted signatures notably make it possible to take into account the variability of the real signatures due to the variations of the supply voltage waveform, as well as the intrinsic variability of the real signatures.
  • the signature of at least part of said equipment is a function of a combination of signatures of the electrical elements implemented by the equipment in question.
  • a treatment is also carried out taking into account the activation cycle of the constituent electrical elements of each of the equipment considered.
  • At least part of the signatures comprise at least one parameter that is a function of the waveform of the observed supply voltage.
  • At least a part of the equipment is associated with a catalog of signatures, each of the signatures of said catalog of a given piece of equipment taking into account the voltage waveform of the feed signal measured at moment of acquisition of the signature.
  • the analysis processing consists in applying a first calculation step of a Fast Fourier transform on the current and voltage signals.
  • the analysis processing consists in applying a second step of decomposing the result of the fast Fourier transform according to the characteristic signatures of each of said equipment.
  • the analysis treatment consists in applying an additional step of validating the results of the decomposition step of checking the presence of temporal variations of the current waveforms of each of the recognized elements.
  • the analysis processing comprises an additional step of associating the recognized elements to identify the equipment concerned.
  • the invention also relates to the method of extracting new signatures of electrical equipment present on a given site, from a history of current waveform data measured on said site.
  • the extraction of these signatures is performed by a mathematical optimization algorithm to minimize an objective function that depends on said signatures on a history of current waveform data measured at the site in question.
  • the current waveforms are decomposed as linear combinations of the signatures estimated at this moment of the optimization, by multiplying the signature of the current waveform by the pseudoinverse matrix of the matrix built by aggregation of estimated signatures.
  • the coefficients of these linear combinations provide the actual power consumption time curves associated with these signatures on the data history.
  • the objective function is calculated directly from these real power curves.
  • the algorithm updates the estimate of signatures at each iteration in order to minimize the objective function.
  • the objective function calculated with the actual power curves associated with each signature consists of a sum of three sub-functions.
  • a first subfunction penalizes the negativity of consumption curves for each signature.
  • a second sub-function penalizes the correlation between the derivatives of the consumption curves of the different signatures, that is to say, penalizes the correlated power variations of the different signatures.
  • the third subfunction favors the non-Gaussianity of the derivatives of the real power curves of the different signatures, using the same principle as the independent component analysis methods.
  • certain signatures may be set during the entire optimization process, so that the optimization only concerns the part of the signature catalog outside said fixed signatures.
  • These signatures may be generic device signatures, such as purely resistive device signatures.
  • these generic signatures have been previously recorded with a parameter dependent on the waveform of the supply voltage, this same parameterization being used at each iteration of the optimization, to incorporate these signatures into the signature catalog based on the waveform of the supply voltage at each moment of the history, and to obtain the decomposition in real power of the different signatures.
  • the signatures fixed in the catalog may also be signatures of electrical devices specific to the site studied and measured on said site.
  • the method further comprises a complementary decomposition processing step of each extracted signature on a basis of known signatures to determine whether it is unitary or not.
  • the invention also relates to a method of constructing a library of signatures and modeling of equipment for the implementation of the aforementioned method of analysis, characterized in that the various constituent electrical elements of said equipment are powered by a device. reference waveform voltage; and recording digital data representative of the waveform of the measured voltage and current signals.
  • a catalog of signatures is recorded, each corresponding to the waveform of the voltage and current signals measured during the power supply with a different waveform voltage.
  • FIG. 1 represents a schematic view of an installation equipped with an analysis means according to the invention
  • FIG. 2 represents the diagram of the steps implemented by the method
  • FIGS. 3 and 4 represent, for a fixed voltage waveform, respectively the current waveform of an electrical apparatus, and the histogram of the harmonics resulting from the application of a fast Fourier transform. at the current signal
  • FIG. 5 represents a schematic view of the treatments applied to the current and voltage signals measured at the input of the power supply network of the site.
  • FIG. 6 represents a schematic view of the treatments applied to the current and voltage signals, following the step of extracting signatures, until the final step of decomposition of the consumption. overall consumption according to the equipment present on the site
  • FIG. 7 represents a view of the minimization algorithm
  • FIG. 8 shows a non-unitary waveform extracted
  • Figures 9 and 10 show the unit waveforms resulting from the decomposition of the non-unitary waveform.
  • FIG. 1 represents an exemplary implementation of the invention.
  • the site (1) is constituted for example by an individual or collective housing building, an office building or an industrial building, or a park grouping several buildings.
  • a private electrical network whose architecture is usual, this private network being itself connected to the electricity network of a power distributor (5) via a connection station (6).
  • a connection station (6) for example a general low voltage switchboard associated with a delivery station.
  • Rogowski loops are installed which provide a signal function of the current with great precision.
  • a cable connected to the analysis tool (7) is connected to each of the phases.
  • the analysis tool (7) is connected to the connection station (6) by a cable bundle (8) for transmitting the waveforms of the measured currents and voltages.
  • the voltage is the electrical quantity supplied by the energy distributor on each phase.
  • Each electrical appliance plugged into an outlet is subjected to it.
  • the information of interest is the waveform of the voltage during a period of the signal (20 ms at 50 Hz, for example), called the "observation period".
  • This waveform of the voltage comparable to a sinusoidal wave that has been disturbed throughout the network connecting the power station to the consumption station, is routed to an electronic card and then acquired by an analog-digital converter. It is thus represented in digital form.
  • the number of samples per period and the scanning depth must be large enough to allow faithful reproduction and low measurement noise.
  • the experiment shows the need for at least 64 points per period and a scanning depth of 10 bits minimum. Measurement of current intensity
  • Each device connected to an electrical network is subjected to a voltage, and consequently, consumes a current.
  • this current flows through the neutral and the phase; on a balanced three-phase network, the current flows through all three phases; on an unbalanced three-phase network, the current flows through all three phases and the neutral.
  • Rogowski loops in the form of rings to be placed around the power cables of an electrical installation. These rings being open, it is not necessary to cut the power to put them in place.
  • the information of interest is the waveform of the intensity of the current during a period of the signal (20 ms at 50 Hz, for example), called the "observation period".
  • This waveform similar to a sinusoidal wave that has been disturbed following its passage in various electrical devices, is routed to an electronic card and then acquired by an analog-digital converter. It is thus represented in digital form.
  • the number of samples per period and the scanning depth must be large enough to allow faithful reproduction and low measurement noise.
  • the experiment shows the need for at least 64 points per period and a scanning depth of 10 bits minimum. Presentation of the analysis tool
  • the method of analysis and distribution of electricity consumption requires a chain of measurement and efficient acquisition of waveforms of voltages and currents.
  • the device (7) on which these steps are based is composed of the following modules.
  • the current and voltage waveform signals measured at the connection point (6) and carried by the cable harness (8), are digitized simultaneously by high-level analog-to-digital converters (9). precision and low noise.
  • the processing unit (10) performs digital operations on the measured data and compares them with references stored in a storage unit (11) according to the method described hereinafter.
  • Figure 2 shows a schematic view of the modeling process.
  • An electrical apparatus (2) is modeled by a series of captured current waveforms while the apparatus is powered by a series of different voltage waveforms. If possible, the electrical apparatus to be modeled (2) is subjected to a series of voltage waveforms generated by a programmable voltage source (1) according to a statistical distribution of the voltage waveforms commonly encountered on the targeted site or in the absolute. For each of these voltage waveforms, the waveforms of the power supply voltage are measured by means of an acquisition unit (5) and current (3) and voltage (4) sensors. the current consumed by the electrical appliance. The pair of waveforms is stored in the catalog (6).
  • the device can not be powered by a programmable voltage source - because of congestion or power too high - measurements are made on site over a long enough time to observe sufficiently different voltage waveforms.
  • a library of signatures is obtained by aggregating the different voltage and current waveform measurements for each modeled device.
  • FIGS. 3 and 4 show, for a fixed voltage waveform, respectively the current waveform of an electrical apparatus, and the histogram of the harmonics resulting from the application of a fast Fourier transform to current signal illustrated in FIG. 4.
  • the signature is constituted by way of example of the following parameters, for a fixed voltage waveform:
  • the method of distributing electricity consumption is based on the analysis of current and voltage waveforms. It is broken down into five phases: signal preprocessing, selection of a series of signatures adapted and fixed in the signature matrix, extraction of new signatures by an optimization algorithm during a configuration step, decomposition of the signals observed in function of all these signatures by a second optimization algorithm, assignment of the consumption time curves of the different signatures to the equipment present on the site.
  • FIG. 5 represents a schematic view of the treatments applied to the current and voltage signals measured at the input of the supply network of the site or part of the site (1,2), until the step of extracting new signatures.
  • a denoising step must be implemented (3,4). It's about measuring all sizes physical forces, voltages and intensities over a large number of periods.
  • the measurements which have the least fluctuations are isolated and the average is calculated.
  • the denoised voltage and current signals are converted into the frequency space by applying a Fast Fourier Transform (FFT) algorithm (3,4).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • a selection of electrical appliances is then made from a library of previously modeled appliances (6), corresponding to electrical appliances present on the site (7).
  • This configuration step (8) consists of an algorithm making it possible to extract the signatures of electrical devices present on the studied site, and not included in the initial selection of modeled devices.
  • the output of the algorithm is therefore a complete catalog of signatures adapted to the studied site (9).
  • a current FFT vector measured on the site at a given moment in the history can be obtained by multiplying a vector consisting of the consumptions associated with the different device signatures. present on the site by the matrix whose different columns are given by said signatures, with a convention of normalization of these signatures so that they each represent a unit consumption, and also assuming that the different signatures are linearly independent.
  • a simple example of non-linearly independent signatures is given by a set of more than two purely sinusoidal signatures, particular characteristics of purely resistive and inductive equipment. Under these conditions, one can simply find the consumption associated with each signature by multiplying the current FFT vector measured on the site by the pseudo-inverse matrix of the matrix of signatures.
  • the algorithm aims to minimize an objective function that depends on the matrix of signatures. Inside this matrix are fixed signatures of previously modeled devices that have been selected.
  • the electrical signature of an apparatus being a function of the waveform of the voltage which supplies it, we proceed for each moment of the history, to a selection of the signatures which correspond more closely to the situation encountered.
  • the only variables left free in the signature matrix are therefore the complementary signatures, which are called extracted signatures, which are not taken into account in the fixed signatures, and which do not show dependence in the voltage waveform in the optimization procedure.
  • the algorithm calculates the consumptions associated with each moment of the history by the pseudo-inverse method described above.
  • the algorithm can then calculate the objective function which depends directly on these consumption curves.
  • the objective function is given by the sum of three sub-functions, aimed at favoring or penalizing certain consumption behaviors.
  • the first sub-function penalizes the negative consumption values.
  • the second and third subfunctions are applied to the time derivatives of the consumption curves.
  • the second subfunction penalizes the temporal correlation between the time derivatives of the consumption curves of different signatures.
  • the third subfunction favors the non-Gaussianity of the time derivatives of the consumption curves, using the same principle as the independent component analysis algorithms.
  • the general operation of the minimization algorithm is described in FIG. 7.
  • the algorithm proceeds by testing at each iteration an estimation of the matrix of signatures (1), by calculating for said estimation of the matrix of signatures the time curves of consumption (2), and calculating from said consumption curves the objective function to be minimized (3).
  • the algorithm then updates this estimate of the signature matrix according to the values of the objective function obtained throughout the estimation. Presentation of the final decomposition algorithm
  • FIG. 6 represents a schematic view of the treatments applied to the current and voltage signals, following the step of extracting signatures, until the final stage of decomposition of the overall consumption in consumption according to the equipment present on the site.
  • the signatures (6) obtained at the configuration stage are not exactly used because the new extracted signatures are constant over time, whereas the actual signatures of the devices corresponding have variations especially due to the FFT of the voltage.
  • the decomposition obtained by the pseudo-inverse method of the signature matrix can provide associated negative consumptions for some signatures.
  • this algorithm (7) aims to minimize an objective function of the signature matrix, which directly depends on the consumptions associated with the different signatures.
  • the objective function is the sum of four sub-functions. The first sub-function strongly penalizes the values of negative consumption, while the other three sub-functions penalize the differences between different quantities calculated with the matrix of signatures obtained at the stage of configuration on the one hand, and the matrix of signatures disturbed on the other hand. These quantities are respectively the consumption curves, the time derivatives of the consumption curves and the signature matrix itself.
  • the last phase of the process consists of matching each signature to an electrical equipment on the site, and thus to obtain the decomposition of the overall consumption. by equipment present on the site (11).
  • the signature itself is characteristic of certain types of equipment, and on the other hand the temporal consumption curve also provides discriminating information as to the different types of equipment to which it can be associated.
  • These two main pieces of information are related to, on the one hand, a library of signatures of generic electrical devices and of signatures measured on site (9), and on the other hand information on the electrical operation of the equipment present on the site. (10), in particular their different modes of operation and their nominal powers. Variations of realization
  • the extraction of signatures based on the observation of the variations of total consumption of an electrical network can lead to the choice of signatures resulting from the combination of several unitary electrical devices with synchronized operations.
  • the signature chosen does not allow to isolate the operation of each of the devices concerned.
  • complementary processing attempts to decompose each extracted signature on a basis of known signatures to determine whether it is unitary or not.
  • Each extracted signature is projected onto a base whose directions represent the signatures of unitary electrical devices known thanks to an optimization algorithm, for example by minimizing the distance between the non-unitary signature and a weighted combination of unitary signatures.
  • One or more performance indicators indicate the performance of this projection.
  • Figure 8 shows a non-unitary waveform extracted.
  • Figures 9 and 10 show the unit waveforms resulting from the decomposition of the non-unitary waveform.
  • this projection is performed after extraction of the signatures. If the performance indicators exceed predefined thresholds, the input signature is considered non-unitary and is replaced by the unit signatures that compose it. The decomposition of the global signal is then based on the augmented catalog of these unit signatures.
  • this projection is performed after decomposition on the basis of extracted signatures. If the performance indicators exceed predefined thresholds, the input signature is considered as non-unitary and the load curve associated with this signature and resulting from the decomposition algorithm is separated according to the relative weights provided by the projection.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé d'une pluralité d'équipements électriques de natures différentes, comportant au moins un capteur pour la mesure périodique du courant et/ou de la tension sur au moins une des phases électriques en amont du réseau d'alimentation du site, ainsi qu'un calculateur pour réaliser un traitement consistant à : - échantillonner au moins le signal de courant à une fréquence au moins 30 fois supérieure à la fréquence fondamentale de la tension d'alimentation électrique - appliquer une transformée de Fourrier sur chaque période fondamentale du signal de courant au moins - procéder à un lissage temporel dudit signal transformé en calculant une moyenne temporelle sur une période caractéristique de changement de comportement des équipements du réseau (période suffisamment longue par rapport à la période porteuse; suffisamment courte pour ne pas recouvrir plusieurs évènements) - constituer une base de signatures adaptée au site étudié pendant une première étape de mise en œuvre, - utiliser ensuite ladite base de signatures de référence pour qualifier les évènements survenant sur ledit réseau. L'invention concerne également un système pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

PROCEDE ET SYSTEME D'ANALYSE DE LA CONSOMMATION D'ELECTRICITE
Domaine de 1 ' invention La présente invention concerne le domaine de l'analyse de la consommation électrique d'un site résidentiel, tertiaire ou industriel non intrusive, c'est-à-dire ne nécessitant pas la mise en place de capteurs associés à chacun des équipements à superviser. Cette analyse permet notamment d'identifier les principaux leviers d'économie d'énergie.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique différentes solutions consistant à acquérir des informations sur les facteurs de forme du courant et/ou de la tension d'alimentation en amont du site et à déduire des informations sur la consommation individuelle de chacun des équipements électriques .
Une première famille de solutions consiste à observer les variations temporelles de la courbe de charge et à identifier des signatures comparées avec des signatures de référence enregistrées pour les principaux équipements.
En particulier, la demande de brevet européen EP2000780 décrit un procédé de détection et d'estimation de la consommation des usages électriques des installations d'un souscripteur, caractérisé en ce qu'il consiste au moins à :
- établir la courbe de consommation électrique générale des installations du souscripteur, l'étape consistant à établir la courbe de consommation générale des installations du souscripteur incluant au moins : l'échantillonnage de la consommation des effluents consommés par les installations du souscripteur, ledit échantillonnage intervenant en aval du compteur de consommation d'effluent relié au branchement au réseau général ;
effectuer, par segmentation de la courbe de consommation générale des installations du souscripteur et par suivi des événements de consommation électrique en régime transitoire, la reconnaissance des usages électriques et estimer leur consommation correspondante.
On connaît également la demande de brevet international WO 2010106253 décrivant un procédé d'analyse de la consommation électrique d'une pluralité d'appareils électriques fonctionnant sur un site de consommation, par filtrage d'une courbe de charge représentant la consommation électrique desdits appareils en fonction du temps, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- préalablement au filtrage proprement dit de la courbe de charge :
- enregistrer et numériser la courbe de charge, de façon à obtenir une courbe de charge numérisée par périodes de temps;
définir un ensemble de classes d'appareils, chaque classe étant définie par des cycles similaires de variation de puissance ;
- définir pour chaque classe d'appareils, un algorithme de filtrage de la courbe de charge dédié à ladite classe d'appareils, ledit algorithme étant apte à extraire des cycles de variation de puissance de la courbe de charge numérisée, et à l'allouer à ladite classe d'appareils ;
- puis pendant le filtrage proprement dit de la courbe de charge numérisée, utiliser successivement les algorithmes de filtrage dédiés à chaque classe d'appareils, pour identifier et regrouper à partir de la courbe de charge numérisée, les cycles de variations de puissance consommée par les appareils électriques . Une deuxième famille de solutions consiste à prendre en compte non pas la variation temporelle de la puissance mesurée en amont de l'installation, mais à prendre en compte la forme d'onde du courant consommé par chacun des équipements.
En particulier, la demande de brevet internationale
WO2011012840 concerne un procédé d'identification du fonctionnement d'un appareil électrique, par exemple un moteur à induction. Le procédé comprend l'identification du fonctionnement d'un appareil électrique lorsqu'un trajet tracé par des valeurs de puissance réelle par rapport à des valeurs de puissance virtuelle correspondantes sur une période particulière comprend un ou plusieurs arcs sensiblement circulaires. Les valeurs de puissance réelle sont associées à la puissance réelle totale fournie à un ou plusieurs appareils électriques en fonction du temps, et les valeurs de puissance virtuelle sont associées à la puissance virtuelle totale fournie à un ou plusieurs appareils électriques en fonction du temps. L'invention concerne également un procédé associé d'identification du fonctionnement d'un type d'appareil spécifié, dans lequel le fonctionnement dudit type d'appareil spécifié dépend de la fourniture d'au moins une source d'énergie, comme l'électricité, le gaz naturel, ou l'eau. L'invention concerne également des programmes informatiques, des supports pouvant être lus par ordinateur et des produits et appareils de programme informatique correspondants.
Dans la même famille de solutions, le brevet européen EP1296147 décrit un procédé pour estimer la consommation d'électricité individuelle d'une pluralité d'appareils électriques consistant à :
créer un modèle pour estimer la consommation d'électricité de chacun des appareils électriques à partir des relations entre les données concernant des harmoniques fondamentales et supérieures de courant de pleine charge et leurs différences de phase de tension à partir du courant de pleine charge et de la tension obtenus à partir de combinaisons de différents états d'utilisation d'une pluralité d'appareils électriques et la consommation électriques utilisées pour obtenir lesdites données
- et obtenir la consommation d'électricité d'appareils individuels en fonctionnement en utilisant ledit modèle pour estimer la consommation de chaque appareil à partir desdites harmoniques fondamentales et supérieures dudit courant de pleine charge et de leurs dites différences de phase de tension obtenues à partir dudit courant de pleine charge et de la tension mesurés dans un voisinage d'une entrée de service.
On connaît également la demande de brevet internationale WO2012168629 de la demanderesse décrivant l'invention d'un procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé d'une pluralité d'équipements électriques de natures différentes, consistant à :
- mesurer périodiquement le courant et la tension sur au moins une des phases électriques en amont du réseau d'alimentation du site
- appliquer sur une combinaison des signaux numérisés un traitement pour déterminer la répartition de la consommation en fonction d'une partie au moins desdits équipements en fonction d'une signature de chacun desdits équipements, caractérisé en ce que ledit traitement consiste à comparer la forme d'onde de courant mesurée à une bibliothèque de signatures préalablement enregistrée pour chacun desdits équipements électriques, lesdites signatures comportant au moins un paramètre fonction de la forme d'onde de la tension d'alimentation
- déterminer et enregistrer la signature de chacun des équipements lors d'une étape préalable consistant à appliquer à chacun des équipements une série prédéterminée de séquences d'alimentation avec des signaux de tension dont la forme d'onde est représentative des formes d'onde observées sur les installations électriques usuelles
Inconvénients de l'état de la technique
Les procédés consistant à observer les variations temporelles de la courbe de charge et à identifier des signatures comparées avec des signatures de référence enregistrées pour les principaux équipements ne sont pas adaptés à l'analyse de sites comportant un nombre important d'équipements. En effet, la périodicité des acquisitions est de l'ordre de la seconde. Lorsque plusieurs équipements s'arrêtent ou démarrent avec un décalage temporel faible, inférieure à la périodicité d'acquisition, il se produit un phénomène de masquage qui empêche une reconnaissance pertinente des équipements en question.
Par ailleurs, le procédé ne prend en compte que les transitoires ( allumage/arrêt ) , et ne permet pas de prendre en compte des équipements en fonctionnement permanent.
Ces problèmes ont conduit à développer la deuxième famille de solutions, basée sur l'analyse des formes d'onde.
Le problème technique que pose ces procédés est celui de la robustesse des traitements. En effet, ces procédés sont basés sur la caractérisation d'un équipement par une signature enregistrée dans une situation particulière. Lorsque l'équipement est utilisé sur un site, cette signature est légèrement perturbée, notamment par la qualité de la tension d'alimentation. Il est donc nécessaire de prévoir une marge d'erreur pour permettre la détection effective des équipements. Cette marge d'erreur conduit néanmoins à un risque de confusion entre équipements distincts, mais caractérisés chacun par des signatures proches.
Pour réduire ce risque, les procédés connus dans l'état de la technique nécessitent une étape de paramétrage local fastidieuse, réalisable seulement par un opérateur humain présent sur le site pendant une durée relativement longue. Cette étape de paramétrage locale consiste à générer chacune des signatures en procédant à une mesure de courant et de tension sur l'alimentation électrique des équipements, lorsqu'ils sont en fonctionnement.
On connaît enfin le brevet EP2402771 décrivant un dispositif de surveillance de puissance pour identifier l'état d'un appareil électrique sur la base des évaluations d'utilisateur et un procédé de surveillance de puissance de celui-ci sont prévus.
Le dispositif de contrôle de puissance comprend un module de mesure, une détection de variation et le module de recherche, et une base de données de signature de l'appareil électrique établi sur la base des évaluations des utilisateurs.
Lorsque le module de mesure détecte une variation d'une caractéristique de consommation de puissance, la détection de variation et le module de recherche dans la base de la signature de 1 ' appareil électrique en fonction de la variation d'obtenir des appareils électriques semblables à la variation et les états de ceux-ci.
Un utilisateur fournit des données à la base de données de signature de 1 ' appareil électrique en confirmant le résultat de recherche, ou en sélectionnant l'appareil électrique correcte et l'état de celui-ci.
Lorsque l'utilisateur confirme le résultat de recherche, le dispositif de contrôle de puissance établit une association entre 1 ' appareil électrique et les signatures de 1 ' appareil électrique et met à jour la base de données de la signature de l'appareil électrique.
En particulier, le brevet EP2402771 propose d'utiliser la signature commune à tous les utilisateurs, et ne prend pas en compte le contexte de l'immeuble et les perturbations occasionnées par le réseau. Solution apportée par l'invention
A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé d'une pluralité d'équipements électriques de natures différentes, consistant à mesurer périodiquement le courant et la tension sur au moins une des phases électriques en amont du réseau d'alimentation du site, consistant à :
- échantillonner au moins le signal de courant à une fréquence au moins 30 fois supérieure à la fréquence fondamentale de la tension d'alimentation électrique
- appliquer une transformée de Fourrier sur chaque période fondamentale du signal de courant au moins - procéder à un lissage temporel dudit signal transformé en calculant une moyenne temporelle sur une période caractéristique de changement de comportement des équipements du réseau (période suffisamment longue par rapport à la période porteuse ; suffisamment courte pour ne pas recouvrir plusieurs événements)
- constituer une base de signatures adaptée au site étudié pendant une première étape de mise en œuvre, consistant à :
o enregistrer pendant une période longue des signatures candidates susceptibles d'être associées à une variation de consommation d'un desdits équipements
o ajouter optionnellement dans ladite base des signatures préqualifiées
o faire évoluer itérativement les paramètres des signatures non préqualifiées
o enregistrer dans une base de référence les signatures les plus représentatives des événements liés au fonctionnement desdits équipements o qualifier optionnellement chacune des signatures enregistrées dans ladite base par rapport à un événement associé
- utiliser ensuite ladite base de signatures de référence pour qualifier les événements survenant sur ledit réseau
Cette solution permet d'éviter l'intervention d'un opérateur sur site par une auto-configuration du système pour constituer de manière automatisée une base de signature parfaitement conforme aux événements que l'on souhaite détecter . Description détaillée d'un mode non limitatif de réalisation
La présente invention vise à apporter une solution technique aux problèmes posés par les procédés d'analyse de l'état de la technique.
A cet effet, l'invention concerne, selon son acception la plus générale, un procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé d'une pluralité d'équipements électriques de natures différentes, consistant à mesurer périodiquement le courant et la tension sur au moins une des phases électriques en amont du réseau d'alimentation du site, à appliquer sur une combinaison des signaux numérisés un traitement pour déterminer la répartition de la consommation en fonction d'une partie au moins desdits équipements, caractérisé en ce que ledit traitement consiste à comparer la forme d'onde de courant mesurée à un catalogue de signatures correspondant aux éléments électriques présents sur le site en question, dont une partie au moins est constitué de signatures extraites lors d'une étape de configuration à partir d'un historique de données de forme d'onde de courant relevées sur le site, et une autre partie peut provenir d'une bibliothèque de signatures enregistrées à l'avance, lesdites signatures et les courbes de consommation temporelles associées étant finalement affectées aux équipements électriques du site.
De préférence, après l'extraction de nouvelles signatures à l'étape de configuration, ces signatures sont autorisées à varier légèrement afin de permettre la décomposition des formes d'onde de courant mesurées comme une combinaison linéaire des signatures extraites perturbées et des signatures fixées qui ont été enregistrées à l'avance, avec pour chaque signature, des consommations associées qui soient positives. Les perturbations des signatures extraites permettent notamment de prendre en compte la variabilité des signatures réelles dues aux variations de la forme d'onde de tension d'alimentation, ainsi que la variabilité intrinsèque des signatures réelles.
De préférence, la signature d'une partie au moins desdits équipements est fonction d'une combinaison de signatures des éléments électriques mis en oeuvre par l'équipement considéré.
Avantageusement, on procède en outre à un traitement prenant en compte le cycle d'activation des éléments électriques constitutifs de chacun des équipements considérés.
De préférence, une partie au moins des signatures comporte au moins un paramètre fonction de la forme d'onde de la tension d'alimentation observée.
Selon un mode de mise en oeuvre particulier, on associe à une partie au moins des équipements un catalogue de signatures, chacune des signatures dudit catalogue d'un équipement considéré prenant en compte la forme d'onde de tension du signal d'alimentation mesuré au moment de l'acquisition de la signature.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré, le traitement d'analyse consiste à appliquer une première étape de calcul d'une transformée de Fourier Rapide sur les signaux de courant et de tension.
Avantageusement, le traitement d'analyse consiste à appliquer une deuxième étape de décomposition du résultat de la transformée de Fourier Rapide en fonction des signatures caractéristiques de chacun desdits équipements.
Selon une variante, le traitement d'analyse consiste à appliquer une étape additionnelle de validation des résultats de l'étape de décomposition consistant à vérifier la présence de variations temporelles des formes d'onde de courant de chacun des éléments reconnus. De préférence, le traitement d'analyse comporte une étape additionnelle d'association des éléments reconnus pour identifier les équipements concernés.
L'invention concerne également le procédé d'extraction de nouvelles signatures d'équipements électriques présents sur un site donné, à partir d'un historique de données de formes d'onde de courant mesurées sur ledit site.
De préférence, l'extraction de ces signatures est effectuée par un algorithme d'optimisation mathématique visant à minimiser une fonction objectif qui dépend desdites signatures sur un historique de données de forme d'onde de courant mesurées sur le site en question. A chaque itération de l'optimisation, et les formes d'onde de courant sont décomposées comme combinaisons linéaires des signatures estimées à ce moment de l'optimisation, en multipliant la signature de la forme d'onde de courant par la matrice pseudoinverse de la matrice construite par agrégation des signatures estimées. Les coefficients de ces combinaisons linéaires fournissent les courbes temporelles de consommation de puissance réelle associées à ces signatures sur l'historique de données. La fonction objectif est calculée directement à partir de ces courbes de puissance réelle. L'algorithme met à jour l'estimation des signatures à chaque itération dans le but de minimiser la fonction objectif. Avantageusement, la fonction objectif calculée avec les courbes de puissance réelle associées à chaque signature, est constituée d'une somme de trois sous-fonctions. Une première sous-fonction pénalise la négativité des courbes de consommation pour chaque signature. Une deuxième sous-fonction pénalise la corrélation entre les dérivées des courbes de consommation des différentes signatures, c'est-à-dire pénalise les variations de puissance corrélées des différentes signatures. Enfin, la troisième sous-fonction favorise la non- gaussianité des dérivées des courbes de puissance réelle des différentes signatures, en utilisant le même principe que les méthodes d'analyse en composantes indépendantes.
Dans un mode de réalisation particulier, certaines signatures peuvent être fixées durant tout le processus d'optimisation, si bien que l'optimisation ne concerne que la partie du catalogue de signatures en dehors desdites signatures fixées. Ces signatures peuvent être des signatures d'appareils génériques, comme par exemple des signatures d'appareils purement résistifs. Avantageusement, ces signatures génériques ont été enregistrées préalablement avec un paramètre dépendant de la forme d'onde de la tension d'alimentation, cette même paramétrisation étant utilisée à chaque itération de l'optimisation, pour incorporer ces signatures dans le catalogue de signatures en fonction de la forme d'onde de la tension d'alimentation à chaque instant de l'historique, et pour obtenir la décomposition en puissance réelle des différentes signatures. Les signatures fixées dans le catalogue peuvent également être des signatures d'appareils électriques spécifiques au site étudié et mesurées sur ledit site.
Selon une variante, le procédé comporte en outre une étape de traitement complémentaire de décomposition de chaque signature extraite sur une base de signatures connues afin de déterminer si elle est unitaire ou non. L'invention concerne également un procédé de construction d'une bibliothèque de signatures et de modélisation des équipements en vue de la mise en oeuvre du procédé d'analyse précité caractérisé en ce que l'on alimente les différents éléments électriques constitutifs dudit équipement par une tension de forme d'onde de référence, et d'enregistrement de données numériques représentatives de la forme d'onde des signaux de tension et de courant mesurés.
De préférence, on enregistre pour chaque équipement un catalogue de signatures correspondant chacune à la forme d'onde des signaux de tension et de courant mesurés lors de l'alimentation avec une tension de forme d'onde différente.
Exemple détaillé de réalisation
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation, se référant aux dessins annexés où :
la figure 1 représente une vue schématique d'une installation équipée d'un moyen d'analyse selon l'invention
- la figure 2 représente le diagramme des étapes mises en oeuvre par le procédé
- Les figures 3 et 4 représentent, pour une forme d'onde de tension fixée, respectivement la forme d'onde de courant d'un appareil électrique, et l'histogramme des harmoniques résultant de l'application d'un transformé de Fourier Rapide au signal de courant
la figure 5 représente une vue schématique des traitements appliqués sur les signaux de courant et de tension mesurés à l'entrée du réseau d'alimentation du site
la figure 6 représente une vue schématique des traitements appliqués sur les signaux de courant et de tension, à la suite de l'étape d'extraction de signatures, jusqu'à l'étape finale de décomposition de la consommation globale en consommation suivant les équipements présents sur le site
la figure 7 représente une vue de l'algorithme de minimisâtion
- la figure 8 présente une forme d'onde non unitaire extraite
les figures 9 et 10 présentent les formes d'onde unitaires résultant de la décomposition de la forme d'onde non unitaire .
Présentation de l'installation
La figure 1 représente un exemple de mise en oeuvre de 1 ' invention .
Le site (1) est constitué par exemple par un bâtiment d'habitation individuel ou collectif, un immeuble de bureau ou un bâtiment industriel, ou encore un parc regroupant plusieurs bâtiments .
Dans ce bâtiment sont implantés différents équipements électriques (2 à 4), par exemple un ordinateur, une lampe d'éclairage, un équipement électroménager, un équipement de chauffage ou de climatisation, etc.
Ces différents équipements sont branchés sur un réseau électrique privatif dont l'architecture est habituelle, ce réseau privatif étant lui-même relié au réseau électrique d'un distributeur d'énergie (5) par l'intermédiaire d'un poste de raccordement (6), par exemple un tableau général basse tension associé à un poste de livraison.
On installe dans ce poste de raccordement des capteurs de tension et de courant.
Sur chacune des phases d'alimentation, on installe des boucles de Rogowski qui fournissent un signal fonction du courant avec une grande précision. Pour la mesure des tensions, on raccorde à chacune des phases un câble relié à l'outil d'analyse (7). L'outil d'analyse (7) est relié au poste de raccordement (6) par un faisceau de câbles (8) pour la transmission des formes d'onde des courants et tensions mesurées.
Mesure de la tension
Sur un réseau monophasé (un conducteur de neutre et une phase) ou triphasé (trois phases et éventuellement un neutre), la tension est la grandeur électrique fournie par le distributeur d'Energie sur chaque phase. Chaque appareil électrique branché à une prise de courant y est soumis.
Afin de connaître l'environnement électrique du réseau observé, nous mesurons la forme d'onde de la tension sur chacune des phases. En effet, le comportement d'un appareil électrique peut varier en fonction de la tension à laquelle il est soumis.
L'information d'intérêt est la forme d'onde de la tension durant une période du signal (20 ms à 50 Hz, par exemple), appelée « période d'observation ». Cette forme d'onde de la tension, assimilable à une onde sinusoïdale ayant subi des perturbations tout au long du réseau reliant la centrale de production au poste de consommation, est acheminée vers une carte électronique puis acquise par un convertisseur analogique-numérique. Elle est ainsi représentée sous forme numérique. Le nombre d'échantillons par période et la profondeur de numérisation doivent être suffisamment grands pour permettre une restitution fidèle et un faible bruit de mesure. L'expérience montre la nécessité d'au moins 64 points par période et d'une profondeur de numérisation de 10 bits minimum. Mesure de 1 ' intensité du courant
Chaque appareil connecté à un réseau électrique est soumis à une tension, et conséquemment , consomme un courant. Sur un réseau monophasé, ce courant parcourt le neutre et la phase ; sur un réseau triphasé équilibré, le courant parcourt les trois phases ; sur un réseau triphasé déséquilibré, le courant parcourt les trois phases et le neutre.
Partant du constat que les éléments constitutifs d'un appareil électrique influent sur les perturbations imprimées au courant qui le traverse, nous souhaitons mesurer précisément l'intensité de ce courant.
Pour ce faire, nous employons des capteurs de courant (un par phase) dont le rôle est de générer un signal image du courant qui parcourt un conducteur électrique. Plus précisément, nous utilisons des capteurs non-intrusifs appelés boucle de Rogowski qui se présentent sous la forme d'anneaux à placer autour des câbles d'alimentation d'une installation électrique. Ces anneaux étant ouverts, il n'est pas nécessaire de couper le courant pour les mettre en place.
L'information d'intérêt est la forme d'onde de l'intensité du courant durant une période du signal (20 ms à 50 Hz, par exemple), appelée « période d'observation ». Cette forme d'onde, assimilable à une onde sinusoïdale ayant subi des perturbations suite à son passage dans divers appareils électriques, est acheminée vers une carte électronique puis acquise par un convertisseur analogique-numérique. Elle est ainsi représentée sous forme numérique. Le nombre d'échantillons par période et la profondeur de numérisation doivent être suffisamment grands pour permettre une restitution fidèle et un faible bruit de mesure. L'expérience montre la nécessité d'au moins 64 points par période et d'une profondeur de numérisation de 10 bits minimum. Présentation de l'outil d'analyse
Le procédé d'analyse et de répartition de la consommation d'électricité nécessite une chaîne de mesure et d'acquisition performante des formes d'onde des tensions et des courants. Le dispositif (7) sur lequel repose ces étapes est composé des modules suivants.
Les signaux de formes d'onde de courant et de tension, mesurés au niveau du point de raccordement ( 6 ) et acheminés par le faisceau de câbles (8), sont numérisés de manière simultanée par des convertisseurs analogique-numérique (9) de haute précision et de faible bruit.
L'unité de traitement (10) réalise des opérations numériques sur les données mesurées et les compare à des références stockées dans une unité de stockage (11) selon le procédé décrit ci-après.
Les résultats ainsi obtenus sont mis à disposition d'appareils tiers ou d'opérateurs par le biais d'une unité de communication (12).
Présentation de la construction d'une bibliothèque de
signatures
Afin de garantir la robustesse des algorithmes mis en oeuvre, nous procédons avant toute analyse à la modélisation d'une pluralité d'appareils électriques. Le but de cette phase est de construire une bibliothèque de signatures correspondant à certains appareils à identifier une fois sur site .
La figure 2 représente une vue schématique du procédé de modélisation. Un appareil électrique (2) est modélisé par une série de formes d'onde de courant capturées alors que l'appareil est alimenté par une série de formes d'onde de tension différentes. Si cela est possible, on soumet l'appareil électrique à modéliser (2) à une série de formes d'onde de tension générées par une source de tension programmable (1) selon une distribution statistique des formes d'onde de tension habituellement rencontrées sur le site visé ou dans l'absolu. Pour chacune de ces formes d'onde de tension, on mesure grâce à une centrale d'acquisition (5) et à des capteurs de courant (3) et de tension (4) les formes d'onde de la tension d'alimentation et du courant consommé par l'appareil électrique. On stocke le couple de formes d'onde dans le catalogue ( 6 ) .
Si l'appareil ne peut être alimenté par une source de tension programmable - par souci d'encombrement ou de puissance trop élevée - des mesures sont effectuées sur site sur un temps assez long pour observer des formes d'onde de tension suffisamment différentes.
Par défaut, si l'on ne dispose que d'une seule forme d'onde de courant associée à une seule forme d'onde de tension, on extrapole les résultats pour propager les variations de tension à la forme d'onde de courant.
Une bibliothèque de signatures est obtenue en agrégeant les différentes mesures de forme d'onde de tension et de courant pour chaque appareil modélisé.
Les figures 3 et 4 représentent, pour une forme d'onde de tension fixée, respectivement la forme d'onde de courant d'un appareil électrique, et l'histogramme des harmoniques résultant de l'application d'un transformé de Fourier Rapide au signal de courant illustré par la figure 4. La signature est constituée à titre d'exemple des paramètres suivants, pour une forme d'onde de tension fixée :
la partie réelle des harmoniques successives des signaux de courant la partie imaginaire des harmoniques successives des signaux de courant
Ces paramètres permettent de prendre en compte les caractéristiques fréquentielles et temporelles du courant.
Ces paramètres sont à la fois stables et reproductibles, et différenciant des éléments électriques constitutifs des équipements .
Présentation des traitements des signaux
Le procédé de répartition de la consommation d'électricité repose sur l'analyse des formes d'onde de courant et de tension. Il se décompose en cinq phases : prétraitements des signaux, sélection d'une série de signatures adaptées et fixées dans la matrice des signatures, extraction de nouvelles signatures par un algorithme d'optimisation lors d'une étape de configuration, décomposition des signaux observés en fonction de toutes ces signatures par un second algorithme d'optimisation, affectation des courbes temporelles de consommation des différentes signatures aux équipements présents sur le site.
Présentation de l'algorithme de configuration La figure 5 représente une vue schématique des traitements appliqués sur les signaux de courant et de tension mesurés à l'entrée du réseau d'alimentation du site ou d'une partie du site (1,2), jusqu'à l'étape d'extraction de nouvelles signatures.
D'abord, en raison du nombre de transitoires et d'artefacts qui peuvent se produire sur un réseau électrique de grande taille, une étape de débruitage doit être mise en oeuvre (3,4). Il s'agit de mesurer toutes les grandeurs physiques, tensions et intensités, sur un grand nombre de périodes .
Dans un mode de réalisation particulier on isole les mesures qui présentent le moins de fluctuations et on en calcule la moyenne. Nous procédons ainsi : mesure simultanée des formes d'onde de courant et de tension ; calcul des variations des formes d'onde successives ; sélection des périodes les plus semblables ; calcul des formes d'onde moyennes .
Puis, les signaux de tension et de courant débruités sont convertis dans l'espace des fréquences par application d'un algorithme de Transformée de Fourier Rapide (3,4), aussi appelé Fast Fourier Transform (FFT). L'expérience montre qu'il est souvent suffisant de ne considérer que les harmoniques impaires.
On effectue alors une sélection d'appareils électriques parmi une bibliothèque d'appareils préalablement modélisées (6), et correspondant à des appareils électriques présents sur le site (7) .
Lorsque l'on dispose de cette sélection et d'un historique de données suffisamment long de données FFT de courant et de tension débruitées (5), on procède à une étape de configuration.
Cette étape de configuration (8) consiste en un algorithme permettant d'extraire les signatures d'appareils électriques présents sur le site étudié, et non incluses dans la sélection initiale d'appareils modélisés. On dispose donc en sortie de l'algorithme d'un catalogue complet de signatures adapté au site étudié (9).
En termes mathématiques, un vecteur de FFT de courant mesuré sur le site à un instant donné de l'historique peut être obtenu par multiplication d'un vecteur constitué des consommations associées aux différentes signatures d'appareils présents sur le site par la matrice dont les différentes colonnes sont données par lesdites signatures, avec une convention de normalisation de ces signatures de sorte qu'elles représentent chacune une consommation unitaire, et en supposant aussi que les différentes signatures sont linéairement indépendantes.
Un exemple simple de signatures non linéairement indépendantes est donné par un ensemble de plus de deux signatures purement sinusoïdales, caractéristiques notamment des équipements purement résistifs et inductifs. Sous ces conditions, on peut simplement retrouver la consommation associée à chaque signature en multipliant le vecteur de FFT de courant mesuré sur le site par la matrice pseudo-inverse de la matrice des signatures.
L'algorithme vise à minimiser une fonction objectif qui dépend de la matrice des signatures. A l'intérieur de cette matrice sont fixées les signatures d'appareils préalablement modélisées qui ont été sélectionnées. La signature électrique d'un appareil étant fonction de la forme d'onde de la tension qui l'alimente, nous procédons pour chaque instant de l'historique, à une sélection des signatures qui correspondent au plus près à la situation rencontrée. Durant l'optimisation, les seules variables laissées libres dans la matrice des signatures sont donc les signatures complémentaires, que l'on appelle les signatures extraites, qui ne sont pas prises en compte dans les signatures fixées, et qui ne présentent pas de dépendance dans la forme d'onde de tension dans la procédure d ' optimisation .
Pour une matrice de signatures donnée, l'algorithme calcule les consommations associées à chaque instant de l'historique par la méthode de la pseudo-inverse décrite précédemment. L'algorithme peut alors calculer la fonction objectif qui dépend directement de ces courbes de consommations. La fonction objectif est donnée par la somme de trois sous-fonctions, visant à favoriser ou pénaliser certains comportements de consommation. La première sous-fonction pénalise les valeurs de consommation négatives. La deuxième et la troisième sous-fonctions sont appliquées aux dérivées temporelles des courbes de consommation. La deuxième sous- fonction pénalise la corrélation temporelle entre les dérivées temporelles des courbes de consommation de signatures différentes. Enfin, la troisième sous-fonction favorise la non-gaussianité des dérivées temporelles des courbes de consommation, en utilisant le même principe que les algorithmes d'analyse en composantes indépendantes.
Cette minimisation étant difficile du fait de possibles minima locaux, on procède avantageusement à une initialisation avec un algorithme d'analyse en composantes indépendantes sur les dérivées temporelles des vecteurs FFT des mesures de courant. Cette initialisation très rapide permet d'optimiser dans un premier temps les deux sous-fonctions qui s'appliquent sur les dérivées des courbes temporelles de consommation.
Le fonctionnement général de l'algorithme de minimisation est décrit sur la figure 7. L'algorithme procède en testant à chaque itération une estimation de la matrice des signatures ( 1 ) , en calculant pour ladite estimation de la matrice des signatures les courbes temporelles de consommation (2), et en calculant à partir desdites courbes de consommation la fonction objectif à minimiser (3). L'algorithme met alors à jour cette estimation de la matrice des signatures en fonction des valeurs de la fonction objectif obtenues tout au long de 1 ' estimation . Présentation de l'algorithme final de décomposition
La figure 6 représente une vue schématique des traitements appliqués sur les signaux de courant et de tension, à la suite de l'étape d'extraction de signatures, jusqu'à l'étape finale de décomposition de la consommation globale en consommation suivant les équipements présents sur le site.
A nouveau, à partir des signaux mesurés de forme d'onde de courant (1) et de tension (2), on effectue les étapes de FFT et de débruitage temporel (3,4).
Afin d'obtenir la décomposition de la consommation des différentes signatures, on n'utilise pas exactement les signatures (6) obtenues à l'étape de configuration parce que les nouvelles signatures extraites sont constantes dans le temps, alors que les signatures réelles des appareils correspondant présentent des variations notamment dues à la FFT de la tension. De ce fait, la décomposition obtenue par la méthode de la pseudo-inverse de la matrice de signatures peut fournir des consommations négatives associées pour certaines signatures .
Pour cette raison, on procède pour la décomposition finale en fonction des signatures, à une deuxième étape d'optimisation sur des périodes plus courtes, de l'ordre de l'heure (5), où les signatures fixées sont encore calculées par rapport à la FFT de la tension, et les signatures extraites sont autorisées à être légèrement perturbées par rapport à leurs valeurs estimées dans l'étape de configuration .
A nouveau, cet algorithme (7) vise à minimiser une fonction objectif de la matrice des signatures, qui dépend directement des consommations associées aux différentes signatures. La fonction objectif est la somme de quatre sous- fonctions. La première sous-fonction pénalise fortement les valeurs de consommation négative, alors que les trois autres sous-fonctions pénalisent les écarts entre différentes quantités calculés avec la matrice de signatures obtenue à l'étape de configuration d'une part, et la matrice des signatures perturbées d'autre part. Ces quantités sont respectivement les courbes de consommation, les dérivées temporelles des courbes de consommation et la matrice des signatures elle-même.
Une fois que l'on dispose de la décomposition de la consommation globale en consommations associées aux différentes signatures, la dernière phase du procédé consiste à faire correspondre chaque signature à un équipement électrique sur le site, et donc à obtenir la décomposition de la consommation globale par équipements présents sur le site (11).
On utilise différentes sources d'information pour faire cette association de façon robuste et précise. D'une part la signature elle-même est caractéristique de certains types d'équipements, et d'autre part la courbe de consommation temporelle fournit aussi des informations discriminantes quant aux différents types d'équipements auxquels elle peut être associée. Ces deux informations principales sont mises en relation avec, d'une part une bibliothèque de signatures d'appareils électriques génériques et de signatures mesurées sur site (9), et d'autre part des informations sur le fonctionnement électrique des équipements présents sur le site (10), notamment leurs différents modes de fonctionnement et leurs puissances nominales. Variantes de réalisation
L'extraction des signatures basée sur l'observation des variations de consommation totale d'un réseau électrique peut mener au choix de signatures résultant de la combinaison de plusieurs appareils électriques unitaires aux fonctionnements synchronisés. La signature retenue ne permet donc pas d'isoler le fonctionnement de chacun des appareils concernés . Afin d'apporter un niveau de discrimination supérieur, un traitement complémentaire vise à tenter de décomposer chaque signature extraite sur une base de signatures connues afin de déterminer si elle est unitaire ou non. Chaque signature extraite est projetée sur une base dont les directions représentent les signatures d'appareils électriques unitaires connus grâce à un algorithme d'optimisation, par exemple par minimisation de la distance entre la signature non unitaire et une combinaison pondérée de signatures unitaires. Un ou plusieurs indicateurs de performance indiquent la performance de cette projection.
La figure 8 présente une forme d'onde non unitaire extraite. Les figures 9 et 10 présentent les formes d'onde unitaires résultant de la décomposition de la forme d'onde non unitaire .
Dans un premier mode de réalisation, cette projection est effectuée après extraction des signatures. Si les indicateurs de performance dépassent des seuils prédéfinis, la signature d'entrée est considérée comme non unitaire et est remplacée par les signatures unitaires qui la composent. La décomposition du signal global se base ensuite sur le catalogue augmenté de ces signatures unitaires.
Dans un second mode de réalisation, cette projection est effectuée après décomposition sur la base de signatures extraites. Si les indicateurs de performance dépassent des seuils prédéfinis, la signature d'entrée est considérée comme non unitaire et la courbe de charge associée à cette signature et résultant de 1 ' algorithme de décomposition est séparée selon les poids relatifs fournis par la projection.

Claims

Revendications
1 - Procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé d'une pluralité d'équipements électriques de natures différentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur pour la mesure périodique du courant et/ou de la tension sur au moins une des phases électriques en amont du réseau d'alimentation du site, ainsi qu'un calculateur pour réaliser un traitement consistant à :
- échantillonner au moins le signal de courant à une fréquence au moins 30 fois supérieure à la fréquence fondamentale de la tension d'alimentation électrique
- appliquer une transformée de Fourrier sur chaque période fondamentale du signal de courant au moins - procéder à un lissage temporel dudit signal transformé en calculant une moyenne temporelle sur une période caractéristique de changement de comportement des équipements du réseau (période suffisamment longue par rapport à la période porteuse ; suffisamment courte pour ne pas recouvrir plusieurs événements)
- constituer une base de signatures adaptée au site étudié pendant une première étape de mise en œuvre, consistant à :
o enregistrer pendant une période longue des signatures candidates susceptibles d'être associées à une variation de consommation d'un desdits équipements
o ajouter optionnellement dans ladite base des signatures préqualifiées
o faire évoluer itérativement les paramètres des signatures non préqualifiées
o enregistrer dans une base de référence les signatures les plus représentatives des événements liés au fonctionnement desdits équipements o qualifier optionnellement chacune des signatures enregistrées dans ladite base par rapport à un événement associé
- utiliser ensuite ladite base de signatures de référence pour qualifier les événements survenant sur ledit réseau
2 - Procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la signature d'une partie au moins desdits équipements est fonction d'une combinaison de signatures des éléments électriques mis en oeuvre par l'équipement considéré.
3 - Procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site selon la revendication principale caractérisé en ce que le traitement d'analyse consiste à appliquer une première étape de calcul d'une transformée de Fourier Rapide sur les signaux de courant et de tension. 4 - Procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site selon la revendication précédente caractérisé en ce que le traitement d'analyse consiste à appliquer une deuxième étape de décomposition du résultat de la transformée de Fourier Rapide en fonction des signatures caractéristiques de chacun desdits équipements.
5 - Procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site selon la revendication 4 caractérisé en ce que le traitement d'analyse consiste à appliquer une étape additionnelle de validation des résultats de l'étape de décomposition consistant à vérifier la présence de variations temporelles des formes d'onde de courant de chacun des éléments reconnus. 6 - Procédé d'analyse de la consommation d'électricité d'un site selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que le traitement d'analyse comporte une étape additionnelle d'association des éléments reconnus pour identifier les équipements concernés.
7 - Procédé de modélisation des équipements en vue de la mise en oeuvre du procédé d'analyse selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on alimente les différents éléments électriques constitutifs dudit équipement par une tension de forme d'onde de référence, et d'enregistrement de données numériques représentatives de la forme d'onde des signaux de tension et de courant mesurés. 8 - Procédé de modélisation des équipements en vue de la mise en oeuvre du procédé d'analyse selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'on enregistre pour chaque équipement un catalogue de signatures correspondant chacune à la forme d'onde des signaux de tension et de courant mesurés lors de l'alimentation avec une tension de forme d'onde différente .
9 - Procédé de modélisation des équipements en vue de la mise en oeuvre du procédé d'analyse selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de traitement complémentaire de décomposition de chaque signature extraite sur une base de signatures connues afin de déterminer si elle est unitaire ou non .
10 - Système d'analyse de la consommation d'électricité d'un site équipé d'une pluralité d'équipements électriques de natures différentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur pour la mesure périodique du courant et/ou de la tension sur au moins une des phases électriques en amont du réseau d'alimentation du site, ainsi qu'un calculateur pour réaliser un traitement consistant à :
- échantillonner au moins le signal de courant à une fréquence au moins 30 fois supérieure à la fréquence fondamentale de la tension d'alimentation électrique
- appliquer une transformée de Fourrier sur chaque période fondamentale du signal de courant au moins
- procéder à un lissage temporel dudit signal transformé en calculant une moyenne temporelle sur une période caractéristique de changement de comportement des équipements du réseau (période suffisamment longue par rapport à la période porteuse ; suffisamment courte pour ne pas recouvrir plusieurs événements)
- constituer une base de signatures adaptée au site étudié pendant une première étape de mise en œuvre, consistant à :
o enregistrer pendant une période longue des signatures candidates susceptibles d'être associées à une variation de consommation d'un desdits équipements
o ajouter optionnellement dans ladite base des signatures préqualifiées
o faire évoluer itérativement les paramètres des signatures non préqualifiées
o enregistrer dans une base de référence les signatures les plus représentatives des événements liés au fonctionnement desdits équipements
o qualifier optionnellement chacune des signatures enregistrées dans ladite base par rapport à un événement associé
- utiliser ensuite ladite base de signatures de référence pour qualifier les événements survenant sur ledit résea
PCT/FR2014/051062 2013-05-06 2014-05-06 Procede et systeme d'analyse de la consommation d'electricite WO2014181062A1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/889,496 US20160109492A1 (en) 2013-05-06 2014-05-06 Method and system for analysing electricity consumption
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