WO2016079435A1 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive - Google Patents

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Mathieu PERCHAIS
Zheng Hu
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Perchais Mathieu
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Definitions

  • the present invention relates to the field of monitoring electrical networks and optimizing the consumption of reactive energy.
  • It relates more particularly to a method for automating the detection of reactive energy and thus allow the optimization of energy consumption implemented in power grids.
  • This application describes a device for compensation of reactive electrical energy in a network comprising at least one compensation unit connected to the network.
  • the compensation unit comprises an inductor, a capacitor and a first bidirectional thyristor switch, and a second directional thyristor switch, and control means comprising a logic gate "or", connected in input on the one hand to a first measurement circuit with detection of a predetermined threshold of the voltage across said first switch and secondly with a second measuring circuit with detection of a predetermined threshold of the voltage across said second switch.
  • the solution proposed by the patent application FR2693601 describes a reactive power compensation device, which comprises means for measuring the current in the main power supply circuit, downstream of the connection of the controlled switch, and measuring means of a magnitude representative of the apparent power, connected to the output of the current measuring means.
  • the opening of the controlled switch is controlled when said representative magnitude exceeds a predetermined threshold value.
  • Patent application FR2873866 describes an example of a current regulation device.
  • the device in question comprises a coupling transformer whose secondary winding is intended to be connected in series between an electrical energy distribution network and a reactive energy compensation capacitor, an active filter comprising an inverter, and a loop IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 841-21-31-2 Electricity supply / Electro-magnetic equipment / Instruments and apparatus / Devices / Description of the invention: Current control system estimating a fundamental value of electric current, in order to control the inverter of the active filter.
  • Some of the solutions are based on the predetermined machine thresholds, which do not have the possibility of remote detection of the reactive energy and therefore do not allow to adapt to real situations of use.
  • the solutions of the prior art are suitable for the compensation of the individual electrical charge. It does not allow centralized management of multiple sites at the same time.
  • the invention relates, in its most general sense, to a method for optimizing the consumption of reactive energy in an electrical network by a monitoring and adjustment system, said system comprising an electricity generator, electric charges, an electricity meter, a power compensation system, a power line, and an electro-digital processor.
  • the method comprises the steps of measuring the powers consumed by the electric charges by at least one electric meter having remote readings, collecting all of these data and transmitting them to the electro-digital processor for establishing curves of data, to calculate the power factor of the electrical charges, to identify the need to compensate the reactive energy when the calculated power factor has a value less than or equal to a predefined threshold value, to determine the type and configuration of compensation to install and then control said compensation system.
  • the measurement of the electric charge data set, the data collection, the power factor calculation and the energy compensation are automated.
  • the measurement of the data set of the electrical charges, the collection of data, the calculation of the power factor and the energy compensation are controlled in real time and in distance.
  • the steps in the method can switch between a periodic measurement mode and a random measurement mode over time.
  • the energy compensation is actively performed by a preprogramming of the parameters.
  • compensation referred to electric charges a compensation called “compensation referred to the power grid.”
  • Compensation referred to electric loads is understood to mean compensation made when the power factor at the level of the electrical loads crosses a determined threshold (threshold advantageously by the end users of the loads), and by “compensation referred to the electrical network", a compensation achieved when the power factor at the level of the electricity network crosses a determined threshold (threshold advantageously determined by the operators of the network).
  • the compensation referred to electric charges is achieved by a compensation of the reactive energy in a compensation mode selected from one of the following three modes: an individual compensation mode, a local compensation mode and a mode of compensation. global compensation.
  • the compensation referred to the electrical network comprises a data collection step, which is calculated, automatically raised in passive mode and a logical compensation step, which is a distribution plan of the compensation referred to loads.
  • This invention has several advantages, from the technical point of view, a better adaptation of the dimensioning, the decreases of the drops of tension and the losses in line. From an economic point of view, the elimination of reactive energy consumption and the increase in active power reduce the company's bill.
  • this invention makes it possible to carry out a remote energy diagnosis and more particularly to avoid the sending of technicians on site and the installation of expensive apparatus for the measurement. It's a tailor-made service.
  • FIG. 1 represents a schematic diagram according to the invention illustrating a monitoring and regulation system in an electricity network
  • FIG. 2 represents the vectors of the apparent, active and reactive portions of the current and of the power
  • FIG. 3 represents the active power, the reactive power and the apparent power in the three-phase AC circuits
  • FIG. 4 represents the power factors of the three phases collected every second for a duration of 90 seconds.
  • FIG. 5 represents a schematic diagram illustrating the flow of data collected between the compensation referred to the electrical charges and the compensation targeted to the electrical network.
  • FIG. 1 represents a schematic diagram according to the invention illustrating a power supply monitoring and control system 100.
  • the monitoring system comprises an electricity generator 110, electric charges 120, a reactive power compensation system 130 , an electricity transmission line 140, an electro-digital processor 150 and an electric meter having the remote readings 160.
  • the electricity generator 110 supplies power to the electrical charges 120 via the power line 140.
  • a transformer delivers a current at a certain fixed voltage.
  • resistive receivers Inductive receivers and capacitive receivers. Inductive receivers and capacitive receivers induce phase shifts of the current with respect to the voltage. This phase shift causes unnecessary consumption of electrical energy, which does not correspond to heat or mechanical work.
  • the power compensation system 130 is set up and configured by the digital processor 150.
  • Electrical meters have remote readings and measure the power consumed by the electrical charges according to the user need, either punctually in a predetermined time, or automatically continuously.
  • the electric meters are located either on the side of the electrical charges, or on the side of the electricity generator, or located as an intermediate.
  • the electric meters transfer power data consumed by the electrical charges to the digital processor 150, where the data is analyzed by means of the algorithm which makes it possible to determine the configuration to be applied to the controller of the power compensation system 130.
  • Figure 2 shows the phase shift of the current and the active and reactive power.
  • Electrical charges include inductive, capacitive and resistive receivers, which can induce phase shift.
  • ⁇ is the phase shift of the total current with respect to the voltage, and the factor cos ⁇ p is called the power factor, which is often indicated on the wafer of most electrical machines.
  • the reactive power Q is defined by analogy with the active power P:
  • Figure 3 shows active power, reactive power, and apparent power in three-phase AC circuits. This data is collected every second for a period of 90 seconds.
  • the reactive energy is mainly due to the inductive / capacitive receivers present in the loads and does not correspond to heat or mechanical work.
  • the reactive energy can be reduced by connecting the compensation system on the power transmission line, for example a capacitor battery system.
  • the compensation system can also incorporate an anti-harmonic filter, which aims to reduce harmonic distortion and to avoid peaks causing over-consumption and affecting the service life of equipment.
  • Figure 4 shows the power factors of the three phases collected each second for a duration of 90 seconds.
  • the power factor cos ⁇ on a value of 0.75 is below the predefined threshold value, which indicates an excessive reactive energy demand of the equipment of the installation.
  • the purpose of the compensation is to maximize the power factor without inducing overcompensation / overload. For example, when the power factor is below 0.95, it triggers a high phase shift e-mail alert. In addition, when compensation becomes unnecessary, another alert is sent.
  • the method for optimizing energy consumption has four steps.
  • the first step is to measure, during a period of monitoring, the powers consumed by electric charges.
  • the measurement is carried out automatically continuously for a given period of time or up to a predefined quantity of energy consumed. For example, from remote readings of new generation electricity meters, data is collected every 10 minutes. In a factory where workers work from 8:00 am to 2:00 am, recording power loads for a week will show typical consumption behaviors, such as changes in the parameters at the time of connection of each machine. When the reactive energy consumption exceeds a certain threshold before the end of the week, then indicating a waste of energy, the monitoring period ends earlier.
  • the second step consists in transmitting the data to the electro-digital processor 150 which analyzes the type of phase shift (advance or delay), the phase shift moment and the phase shift duration.
  • phase shift as advance or delay
  • the phase of the capacitive current is in advance of 90 ° with respect to the phase of the voltage while the phase of the inductive current is delayed by 90 °.
  • Resistive receivers do not change the phase of the current.
  • the third step is a diagnostic step in which the compensation algorithm calculates the power factor and triggers, if necessary, an alert, in particular according to the contract linking the electricity supplier and the user who has the loads. electric.
  • An example is the one shown in Figure 4: the recommended value of the power factor cos ⁇ located in the range (0.95, 1) is considered as the optimized situation. Outside this range, the compensation system is activated either under manual control or automatically. In order to ensure the stability of the compensation system, the duration of the power factor outside this range is also considered.
  • the fourth step is to install the compensation equipment according to a compensation method adapted to the network concerned and to the needs thereof.
  • the compensation can thus be carried out according to three modes.
  • the first mode consists of an individual compensation: the compensation devices are connected directly to the terminals of each inductive / capacitive receiver.
  • This compensation is technically ideal since it produces the reactive energy at the place where it is consumed, and in a quantity adjusted to the demand. However, this compensation is preferably used for the machine whose operating hours reach certain times and / or the reactive energy reaches a certain threshold.
  • the second mode consists of local compensation: compensation equipment is installed per sector. In one sector, several machines with different receivers are connected to the same power supply network. The load curve of the powers of a sector has reactive powers and reactive energies as a result of the cancellation and the amplification of the phase shift of the different machines connected in this sector.
  • the third mode consists of global compensation: the compensation equipment is installed at the head of the electrical loads and provides all the charges for the compensation. They help relieve the transformer installed by the electricity supplier.
  • the phase shift can vary randomly due to the collective effect of all connected machines. All stages are automated and can be controlled in real time and remotely.
  • the parameters can be programmed upstream to actively compensate for the use of electrical loads. According to the user's requirement, the parameters may be different at the requested time, such that the range of the power factor cos ⁇ may be changed remotely so as to present, for example, a different value of the afternoon with the morning one and respectively.
  • the periodic measurement mode may mask some information. Switching from a periodic measurement mode to a random measurement mode helps to verify certain information. Also, and advantageously, when the operation of measuring the power of the load is in random mode, all the other operations switch to random mode.
  • the compensation is made according to the objectives to be achieved.
  • objectives to be attained there are two categories of objectives to be attained: that with respect to electrical charges and that with respect to the electricity grid.
  • the compensation referred to the electrical charges is a compensation performed when the power factor at the level of the electrical charges exceeds a certain threshold determined by the end users of the charges
  • the compensation referred to the electrical network is a compensation made when the power factor at the level of the electricity network exceeds a certain threshold determined by the operators of the network.
  • the examples above are for offsetting expenses for end-customers, including small and medium-sized businesses, or communities.
  • the collected data are raw data concerning the consumption of the reactive energy of the electric charges.
  • the compensation is done by remote control of the compensation device, for example a capacitor bank.
  • Our proposal is to propose a compensation method referred to the network based on a distribution system. Due to the charge compensation, the individual compensation data is obtained for the loads of each SME-SMI user. And with these data, compensation can be made with respect to the public electricity grid by piloting each user. With actuator sensors directed from a cloud-based technical platform, it is possible to control the reactive energy consumption of end-users. It is also possible to operate according to the own constraints of the distribution network that it is public or that it concerns a network of different users.
  • the compensation referred to the network two aspects are developed respectively in the fields of data collection and compensation.
  • the data collection is carried out by remote reading in active mode with raw data, whereas in the compensation referred to the network, the data collection is a passive mode measure, with all the data already available. calculated, automatically reported.
  • the compensation is physical by devices like a battery, while the compensation referred to the network is logical, which is presented as a plan of distribution of the compensation referred to charges to provide a benefit to the entire power grid.
  • the compensation is based on a two-level technical infrastructure:
  • a platform comprising an aggregation engine, a search engine and a calculation engine in the cloud in order to:
  • actuators wireless (Internet of Things), installed in addition to the hardware part of the compensation of reactive energy and controlled by the platform.
  • FIG. 5 represents a schematic diagram illustrating the flow of data collected between the compensation referred to the electrical charges and the compensation targeted to the electrical network.
  • the offsets are already carried out at the level of the loads 510 and 511.
  • previously calculated data 540 are transmitted to the platform in Cloud 520.
  • the platform in Cloud 520 transfers the computer stream for compensation referred to the network 550 to the various electricity operators 530.
  • This schematic compensation diagram can be understood more concretely with the example of a community, in which different loads have different compensation levels.
  • the community including various expenses such as the swimming pool, cable departures to the light points of public lighting, the central school canteen, each of these charges can be compensated individually according to the process of compensation referred to the charges.
  • the compensation referred to the network can take place for the benefit of the public electricity grid, such as that of EDF.
  • the platform performs a plan execution for the compensation referred to the network.
  • the compensation referred to in the network consists in controlling the individual compensation of the pool beyond 0 , 93 for the benefit of the entire network.
  • the main advantage of the offsetting targeted to the public distribution network is to alleviate the constraint on the transmission system operator who must carry the reactive energy, including the end of the line as in the Var and the Roc Maritimes.
  • compensating reactive energy on a large scale with thousands of end-users is a credible alternative to strengthening the high-voltage electricity network in the elle-Roce d'Azur region, especially since the tertiary sector is largely equipped with air conditioning compressors. Air conditioning compressors are indeed likely to have a degraded power factor.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive dans un réseau électrique comportant un système de surveillance et de réglage d'alimentation électrique, ledit système comprenant un générateur d'électricité, des charges électriques, un système de compensation de puissance, une ligne de transport d'électricité, un processeur électro-numérique et un compteur possédant les télé-relevés. Le procédé comprend les étapes consistant à : mesurer l'ensemble de données des charges électriques par au moins un compteur possédant des télé-relevés, collecter l'ensemble de données des charges électriques et les transmettre au processeur électro-numérique pour l'établissement de courbes de données, calculer un facteur de puissance des charges électriques, - permettre une compensation de l'énergie réactive en fixant le type et la configuration des systèmes de compensation à installer, lorsque le facteur de puissance calculé présente une valeur inférieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie : - compenser l'énergie réactive par un actionnement des systèmes de compensation installés.

Description

PROCEDE POUR OPTIMISER LA CONSOMMATION DE L'ENERGIE REACTIVE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne le domaine de la surveillance des réseaux électriques et l'optimisation de la consommation de l'énergie réactive.
Elle concerne plus particulièrement un procédé pour automatiser la détection de l'énergie réactive et ainsi permettre l'optimisation de la consommation d'énergie mise en œuvre dans les réseaux électriques.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique une solution décrite dans la demande de brevet FR2494055. Cette demande décrit un dispositif de compensation de l'énergie électrique réactive dans un réseau comportant au moins une unité de compensation branchée sur le réseau. L'unité de compensation comprend une inductance, un condensateur et un premier interrupteur bidirectionnel à thyristors, et un second interrupteur directionnel à thyristors, et des moyens de commande comportant une porte logique « ou » , reliée en entrée d'une part à un premier circuit de mesure avec détection d'un seuil prédéterminé de la tension aux bornes dudit premier interrupteur et d'autre part à un second circuit de mesure avec détection d'un seuil prédéterminé de la tension aux bornes dudit second interrupteur.
On connaît aussi la solution proposée par la demande de brevet FR2693601 décrivant un dispositif de compensation de puissance réactive, qui comporte des moyens de mesure du courant dans le circuit principal d'alimentation électrique, en aval de la connexion de l'interrupteur commandé, et des moyens de mesure d'une grandeur représentative de la puissance apparente, connectés à la sortie des moyens de mesure de courant. L'ouverture de l'interrupteur commandé est commandée lorsque ladite grandeur représentative dépasse une valeur de seuil prédéterminée .
On connaît également dans l'état de la technique des solutions de régulation de courant pour un système de compensation d'énergie réactive.
La demande de brevet FR2873866 décrit un exemple de dispositif de régulation de courant. Le dispositif en question comprend un transformateur de couplage dont l'enroulement secondaire est destiné à être monté en série entre un réseau de distribution d'énergie électrique et un condensateur de compensation d'énergie réactive, un filtre actif comportant un onduleur, et une boucle de commande en courant estimant une valeur fondamentale de courant électrique, afin d'asservir en courant l'onduleur du filtre actif.
Inconvénients de l ' art antérieur
Les solutions de l'art antérieur portant sur des dispositifs de compensation de l'énergie électrique réactive dans un réseau présentent plusieurs inconvénients.
Certaines des solutions sont basées sur les seuils prédéterminés en machine, qui ne présentent pas de possibilité de détection à distance de l'énergie réactive et donc ne permettent pas de s'adapter aux situations réelles d ' utilisation .
D'autres solutions nécessitent de faire intervenir des ouvriers sur place à des instants donnés. Cette solution ne permet pas une surveillance à distance et une optimisation permanente .
Par ailleurs, les solutions de l'art antérieur sont adaptées pour la compensation de la charge électrique individuelle. Il ne permet pas une gestion centralisée de plusieurs sites dans le même temps.
Enfin, les solutions de l'art antérieur sont limitées à la compensation passive. Les dispositifs de compensation doivent attendre le déclenchement du seuil prédéterminé pour commencer la compensation. Ils n'offrent pas la possibilité d'une compensation active préprogrammée.
Solution apportée par 1 ' invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive dans un réseau électrique par un système de surveillance et de réglage, ledit système comprenant un générateur d'électricité, des charges électriques, un compteur électrique, un système de compensation de puissance, une ligne de transport d'électricité, et un processeur électro-numérique. Le procédé comprend les étapes consistant à mesurer les puissances consommées par les charges électriques par au moins un compteur électrique possédant des télé-relevés, à collecter l'ensemble de ces données et les transmettre au processeur électro-numérique pour l'établissement de courbes de données, à calculer le facteur de puissance des charges électriques, à identifier la nécessité de compenser l'énergie réactive lorsque le facteur de puissance calculé présente une valeur inférieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie, à déterminer le type et la configuration des systèmes de compensation à installer puis à piloter lesdits système de compensation. De préférence, la mesure de l'ensemble de données des charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance et la compensation de l'énergie sont automatisées.
Selon un mode de réalisation particulier, la mesure de l'ensemble de données des charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance et la compensation de l'énergie sont contrôlées en temps réel et en distance .
Selon un autre mode de réalisation, les étapes dans le procédé peuvent basculer entre un mode de mesure périodique et un mode de mesure aléatoire dans le temps Selon une autre mode de réalisation particulier, la compensation de l'énergie est réalisée activement par une préprogrammation des paramètres .
Avantageusement, il peut être réalisé deux types de compensation selon les objectifs à atteindre. Ainsi, il peut s'agir d'une compensation dite « compensation visée aux charges électriques » et d'une compensation dite « compensation visée au réseau électrique » . On entend par « compensation visée aux charges électrique » , une compensation réalisée lorsque le facteur de puissance au niveau des charges électriques franchit un seuil déterminé (seuil avantageusement par les utilisateurs finaux des charges), et par « compensation visée au réseau électrique » , une compensation réalisée lorsque le facteur de puissance au niveau du réseau électrique franchit un seuil déterminé (seuil avantageusement déterminé par les opérateurs du réseau) .
Selon une réalisation, la compensation visée aux charges électrique est réalisée par une compensation de l'énergie réactive selon un mode de compensation choisi parmi 1 ' un des trois modes suivants : un mode de compensation individuelle, un mode de compensation locale et un mode de compensation globale.
Selon une autre réalisation, la compensation visée au réseau électrique comprend une étape de la collecte des données, qui sont calculés, remontées automatiquement en mode passif et une étape de compensation logique, se présentant comme un plan de répartition de la compensation visée aux charges.
Cette invention présente plusieurs avantages, au point de vue techniques, une meilleure adaptation du dimensionnement , les diminutions des chutes de tension et des pertes en ligne. Au point de vue économique, la suppression de la consommation d'énergie réactive et l'augmentation de la puissance active réduisent la facture de l'entreprise.
De plus, cette invention permet de réaliser un diagnostic énergétique à distance et tout particulièrement d'éviter l'envoi de techniciens sur site et la pose d'appareils coûteux pour la mesure. C'est un service sur mesure.
Description détaillée des figures
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant des exemples non limitatifs de réalisation, et se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente un diagramme schématique selon l'invention illustrant un système de surveillance et de réglage dans un réseau d'électricité ;
- la figure 2 représente les vecteurs des parties apparentes, actives et réactives du courant et de la puissance ;
- la figure 3 représente la puissance active, la puissance réactive et la puissance apparente dans les circuits à courant alternatif triphasés ;
- la figure 4 représente les facteurs de puissances des trois phases collectées chaque seconde pendant une durée de 90 secondes.
- la figure 5 représente un diagramme schématique illustrant le flux des données collectées entre la compensation visée aux charges électrique et la compensation visée au réseau électrique .
Description détaillée d'exemples non limitatifs de l'invention
La figure 1 représente un diagramme schématique selon l'invention illustrant un système de surveillance et de réglage d'alimentation électrique 100. Le système de surveillance comprend un générateur d'électricité 110, les charges électriques 120, un système de compensation de puissance réactive 130, une ligne de transport d'électricité 140, un processeur électro-numérique 150 et un compteur électrique possédant les télé-relevés 160. Le générateur d'électricité 110 fournit de l'énergie aux charges électriques 120 via la ligne de transport d'électricité 140. Dans les circuits à courant alternatif, un transformateur délivre un courant sous une certaine tension fixée. Selon les caractéristiques des charges électriques 120, ils peuvent être classés en tant que des récepteurs résistifs, des récepteurs inductifs et des récepteurs capacitifs. Les récepteurs inductifs et des récepteurs capacitifs induisent des déphasages du courant par rapport à la tension. Ce déphasage provoque la consommation inutile de l'énergie électrique, qui ne correspond ni à la chaleur, ni au travail mécanique. Afin d'économiser de l'énergie, le système de compensation de puissance 130 est mis en place et configuré grâce au processeur électro-numérique 150.
Des compteurs électriques (160) possèdent des télérelevés et mesurent les puissances consommées par les charges électriques selon le besoin d'utilisateur, soit ponctuellement dans un moment prédéterminé, soit automatiquement en continu. Les compteurs électriques être situés soit du côté des charges électriques, soit du côté du générateur d'électricité, soit situé comme un intermédiaire. Les compteurs électriques transfèrent les données de puissances consommées par les charges électriques au processeur électro-numérique 150, où les données sont analysées grâce à l'algorithme qui permet de déterminer la configuration à appliquer au contrôleur du système de compensation de puissance 130.
La figure 2 représente le déphasage du courant et de la puissance active et réactive. Les charges électriques comportent les récepteurs inductifs, capacitifs et résistifs, qui peuvent induire le déphasage. Quand un récepteur inductif /capacitif est branché dans le circuit, le courant total Is sera déphasé de phi (φ) par rapport à la tension et décomposé en deux parties : le courant actif Ip = Is x cos<p , où la composante est en phase avec la tension, et le courant réactif Iq = Is x sirup , où la composante est déphasée de 90° de la tension . La formule de la puissance active :
P = U x Is x cos<
φ est le déphasage du courant total par rapport à la tension, et le facteur cos<p s'appelle la facteur de puissance, qui est souvent indiqué sur la plaquette électrique de la plupart des machines électriques. La puissance réactive Q est définie par analogie à la puissance active P :
Q = U x Is xsincp
La puissance réactive permet d'évaluer l'importance des récepteurs inductifs (moteurs, lampes fluorescentes,) et des récepteurs capacitifs (condensateurs,) dans l'installation. Le produit de la tension par le courant total s'appelle la puissance apparente S :
S = U x Is
La figure 3 représente la puissance active, la puissance réactive et la puissance apparente dans les circuits à courant alternatif triphasés. Ces données sont collectées chaque seconde pendant une durée de 90 secondes.
Les charges électriques, alimentées en courant alternatif, font intervenir des énergies actives et réactives, qui correspondent au travail respectivement sous des puissances actives et réactives pendant une certaine durée. L'énergie active se transforme en énergie mécanique ou en chaleur. L'énergie réactive est due essentiellement aux récepteurs inductifs/capacitifs présentes dans les charges et ne correspond ni à la chaleur ni à un travail mécanique. De façon connue, l'énergie réactive peut être réduite en connectant sur la ligne de transport d'électricité le système de compensation, par exemple, un système de batterie de condensateur. Le système de compensation peut intégrer aussi un filtre anti-harmonique, qui vise à réduire la distorsion des harmoniques et à éviter les pics engendrant la surconsommation et affectant la durée de vie des équipements .
La figure 4 représente les facteurs de puissances des trois phases collectées chaque seconde pendant une durée de 90 secondes. Le facteur de puissance cos φ sur une valeur de 0.75 est en dessous de la valeur seuil prédéfinie, ce qui indique un appel d'énergie réactive trop important des équipements de l'installation. Le but de la compensation est de maximiser le facteur de puissance sans induire une surcompensation/surcharge. Par exemple, quand le facteur de puissance est au-dessous de 0.95, il déclenche une alerte email de déphasage élevé. De plus lorsque la compensation devient non nécessaire, une autre alerte est envoyée.
Le procédé pour optimiser la consommation de l'énergie comporte quatre étapes.
La première étape consiste à mesurer, pendant une période de surveillance, les puissances consommées par des charges électriques. La mesure est réalisée automatiquement en continu pendant une durée donnée ou jusqu'à une quantité d'énergie consommée prédéfinie. Par exemple, à partir des télérelevés des compteurs électriques de nouvelle génération, les données sont collectées toutes les 10 minutes. Dans une usine où les ouvriers travaillent de 8h à 2 Oh, l'enregistrement des charges de puissance pendant une semaine va montrer les comportements typiques de consommation, tels que les changements des paramètres au moment du branchement de chaque machine. Lorsque la consommation d'énergie réactive dépasse un certain seuil avant la fin de la semaine, indiquant alors un gaspillage d'énergie, la période de surveillance se termine plus tôt.
La deuxième étape consiste à transmettre les données au processeur électro-numérique 150 lequel analyse le type de déphasage (avance ou retard), le moment de déphasage et la durée de déphasage. De manière connue, la phase du courant capacitif est en avance de 90° par rapport à la phase de la tension tandis que la phase du courant inductif est en retard de 90°. Les récepteurs résistifs ne changent pas la phase du courant.
La troisième étape est une étape de diagnostic au cours de laquelle l'algorithme de compensation calcule le facteur de puissance et déclenche, si nécessaire, une alerte, en fonction notamment du contrat liant le fournisseur d'électricité et l'utilisateur qui possède les charges électriques. Un exemple est celui présenté sur la figure 4 : la valeur conseillée du facteur de puissance cos φ située dans la plage (0.95, 1) est considérée comme la situation optimisée. En dehors de cette plage, le système de compensation est activé soit sous contrôle manuel, soit automatiquement. Afin d'assurer la stabilité du système de compensation, la durée du facteur de puissance en dehors de cette plage est aussi considérée.
La quatrième étape consiste à installer les équipements de compensation selon un mode de compensation adapté au réseau concerné et aux besoins de celui-ci. La compensation peut ainsi s'effectuer selon trois modes.
Le premier mode consiste en une compensation individuelle : les équipements de compensation sont raccordés directement aux bornes de chaque récepteur inductif/capacitif . Cette compensation est techniquement idéale puisqu'elle produit l'énergie réactive à l'endroit même où elle est consommée, et en quantité ajustée à la demande. Cependant, cette compensation est utilisée de préférence pour la machine dont les horaires d'utilisation atteignent certaines heures et/ou l'énergie réactive atteint un certain seuil.
Le deuxième mode consiste en une compensation locale : les équipements de compensation sont installés par secteur. Dans un secteur, plusieurs machines avec des récepteurs différents sont branchées sur le même réseau d'alimentation électrique. La courbe des charges des puissances d'un secteur présente des puissances réactives et des énergies réactives par suite de l'annulation et de l'amplification du déphasage des machines différentes branchées dans ce secteur.
Le troisième mode consiste en une compensation globale : les équipements de compensation sont installés en tête des charges électriques et assurent l'ensemble des charges de la compensation. Ils permettent de soulager le transformateur installé par le fournisseur d'électricité. Cependant le déphasage peut varier de façon aléatoire en raison de l'effet collectif de toutes les machines branchées. Toutes les étapes sont automatisées et peuvent être contrôlées en temps réel et à distance. Selon l'historique de consommation, les paramètres peuvent être programmés en amont pour compenser activement l'utilisation des charges électriques. Selon l'exigence de l'utilisateur, les paramètres peuvent être différents au moment demandé, tel que la plage du facteur de puissance cos φ peut être modifiée à distance de façon à présenter, par exemple, une valeur de l'après-midi différente avec celle du matin et respectivement.
En raison de la périodicité de certaines machines, le mode de mesure périodique pourrait masquer certaines informations. Le passage d'un mode de mesure périodique au mode de mesure aléatoire aide à vérifier certaines informations. Aussi, et avantageusement, lorsque l'opération de mesure des puissances de la charge est en mode aléatoire, toutes les autres opérations basculent en mode aléatoire.
La compensation est réalisée en fonction des objectifs à atteindre. Il y a en général deux catégories d'objectifs à atteindre: celle par rapport aux charges électriques et celle par rapport au réseau électrique. La compensation visée aux charges électrique est une compensation réalisée quand le facteur de puissance au niveau des charges électriques franchit un certain seuil déterminé par les utilisateurs finaux des charges, tandis que la compensation visée au réseau électrique est une compensation réalisée quand le facteur de puissance au niveau du réseau électrique franchit un certain seuil déterminé par les opérateurs du réseau.
Les exemples au-dessus portent sur une compensation visée aux charges pour des clients finaux, notamment PME-PMI, ou les collectivités. Les données collectées sont des données brutes concernant la consommation de l'énergie réactive des charges électriques. Et la compensation se fait par le pilotage à distance du dispositif de compensation, par exemple une batterie de condensateur.
Les paragraphes suivants présentent la compensation visée au réseau électrique. Le problème de l'état de l'art est que normalement elle se fait dans le sens Top-Bottom. Le document "Réalisation de compensation de puissance réactive dans le système de surveillance de transformateur de distribution" présenté lors de la Conférence internationale de la distribution d'électricité (C1CED) 2012, présente la réalisation d'un dispositif pour la compensation visée au réseau basé sur un système de transformateur distribué.
Toutefois , il s ' agit seulement d'une compensation globale basée sur des données globales de la consommation, aucun procédé de l'art antérieur n'intègre la possibilité de compensation grâce au contrôle et au pilotage de la compensation d'un ensemble d'utilisateurs PME-PMI ou de collectivités.
Notre proposition est de proposer un procédé de compensation visée au réseau basé sur un système de distribution. Grâce à la compensation visée aux charges, les données de compensation individuelle sont obtenues pour les charges de chaque utilisateur PME-PMI. Et avec ces données, une compensation peut être faite par rapport au réseau électrique public en pilotant chaque utilisateur. Grâce à des capteurs actionneurs dirigés à partir d'une plateforme technique située dans le cloud, il est possible de piloter la consommation d'énergie réactive d'utilisateurs finaux. Il est possible également d'actionner en fonction des propres contraintes du réseau de distribution qu'il soit public ou qu'il concerne un réseau d'utilisateurs différents.
Pour réaliser la compensation visée au réseau, deux aspects sont développés respectivement dans les domaines de la collecte des données et de la compensation. Dans la compensation visée aux charges, la collecte des données est réalisée par télé-relève en mode actif avec des données brutes, tandis que dans la compensation visée au réseau, la collecte des données est une mesure en mode passif, avec toutes les données déjà calculées, remontées automatiquement. De plus, dans la la compensation visée aux charges, la compensation est physique par des dispositifs comme une batterie, tandis que la compensation visée au réseau est logique, qui se présente comme un plan de répartition de la compensation visée aux charges afin de fournir un bénéfice à l'ensemble de réseau électrique.
La compensation se repose sur une infrastructure technique à deux niveaux:
• 1er niveau,
une plateforme comprenant un moteur d'agrégations, un moteur de recherche et un moteur de calcul dans le Cloud afin de :
-déterminer si un utilisateur est éligible à la compensation de l'énergie réactive,
-superviser l'énergie réactive,
-permettre aux operateurs d'électricité comme EDF d'exploiter le modèle de données pour leurs plateformes d'exploitation Big data.
• 2ème niveau,
des actionneurs, sans fil (Internet des Objets), installés en complément de la partie hardware de la compensation de l'énergie réactive et pilotés par la plateforme.
La figure 5 représente un diagramme schématique illustrant le flux des données collectées entre la compensation visée aux charges électriques et la compensation visée au réseau électrique. Les compensations sont déjà effectuées au niveau des charges 510 et 511. Puis des données 540 préalablement calculées sont transmises à la plateforme en Cloud 520. La plateforme en Cloud 520 transfère le flux informatique pour la compensation visée au réseau 550 aux différents opérateurs d'électricité 530.
Ce diagramme schématique de compensation peut être compris plus concrètement avec l'exemple d'une collectivité, au sein de laquelle les différentes charges ont des niveaux de compensation différents. Pour la collectivité comprenant différentes charges telles que la piscine, les départs de câbles vers les points lumineux de l'éclairage public, la cantine scolaire centrale, chacune de ces charges peut faire l'objet d'une compensation individuelle selon le procédé de la compensation visée aux charges. De plus, grâce aux données remontées automatiquement, la compensation visée au réseau peut avoir lieu au profit du réseau électrique public, comme celui de 1 ' EDF .
Dans le cas d'un facteur de puissance cos φ global à 0,8 obtenu grâce au système de remontée d'information en automatique avec la compensation individuelle des charges sans toutefois atteindre 100 % d'équipements, la plateforme effectue un plan d'exécution pour la compensation visée au réseau. Ainsi si on prend l'exemple de la piscine compensée à 0,93 et des points lumineux ne pouvant faire l'objet d'une compensation individuelle, la compensation visée au réseau consiste à piloter la compensation individuelle de la piscine au-delà de 0,93 au bénéfice de l'ensemble du réseau.
Le principal avantage de la compensation visée au réseau de distribution publique est d'alléger la contrainte sur le gestionnaire du réseau de transport qui doit acheminer l'énergie réactive, y compris en bout de ligne comme dans le Var et les Alpes Maritimes. C'est ainsi que compenser l'énergie réactive à grande échelle auprès de milliers d'utilisateurs finaux est une alternative crédible au renforcement du réseau d'électricité en haute tension dans la région Provence-Alpes- Côte d'Azur, d'autant que le secteur tertiaire y est largement équipé de compresseurs de climatisation. Les compresseurs de climatisation sont en effet susceptibles de présenter un facteur de puissance dégradé.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive dans un réseau électrique par un système de surveillance et de réglage d'alimentation électrique (100), ledit système comprenant un générateur d'électricité (110), des charges électriques (120), un système de compensation de puissance (130), une ligne de transport d'électricité (140), un processeur électro-numérique (150) et un compteur possédant les télé-relevés (160),
caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes consistant à :
- mesurer des puissances consommées par les charges électriques par au moins un compteur possédant des télé-relevés,
- collecter des puissances consommées par les charges électriques et les transmettre au processeur électro-numérique pour l'établissement de courbes de données,
calculer un facteur de puissance des charges électriques ,
- permettre une compensation de l'énergie réactive en fixant le type et la configuration des systèmes de compensation à installer, lorsque le facteur de puissance calculé présente une valeur inférieure ou égale à une valeur seuil prédéfinie,
- compenser 1 ' énergie réactive par un actionnement des systèmes de compensation installés.
2 — Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie réactive dans un réseau électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure des puissances consommées par les charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance, la configuration et 1 ' actionnement des systèmes de compensation sont automatisés.
3 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon la revendication 1 ou la revendication 2 , caractérisé en ce que la mesure des puissances consommées par les charges électriques, la collecte des données, le calcul du facteur de puissance, la configuration et 1 ' actionnement des systèmes de compensation sont contrôlées en temps réel et en distance.
4 — Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que toutes les étapes dans le procédé peuvent basculer entre un mode de mesure périodique et un mode de mesure aléatoire dans le temps .
5 — Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la compensation de l'énergie est réalisée activement par une pré-programmation d'une plage de valeurs du facteur de puissance.
6 - Procédé pour optimiser la consommation de l'énergie dans un réseau électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la configuration des systèmes de compensation à installer consiste à définir le seuil d ' actionnement dudit système.
7 — Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la compensation est réalisée en fonction de deux catégories d'objectifs à atteindre : la compensation visée aux charges électriques est une compensation réalisée lorsque le facteur de puissance au niveau des charges électriques franchit un seuil déterminé, la compensation visée au réseau électrique est une compensation réalisée lorsque le facteur de puissance au niveau du réseau électrique franchit un seuil déterminé..
8 — Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la compensation visée aux charges électrique est réalisée par une compensation de l'énergie réactive selon un mode de compensation choisi parmi 1 ' un des trois modes suivants : un mode de compensation individuelle, un mode de compensation locale et un mode de compensation globale.
9 — Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la compensation visée au réseau électrique comprend une étape de la collecte des données préalablement calculées et remontées automatiquement en mode passif .
10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la compensation visée au réseau électrique est logique, se présentant comme un plan de répartition de la compensation visée aux charges.
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