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Communications de ligne électrique: l'épine dorsale du contrôle des réseaux électriques de basse tension
Que se passe-t-il si le réseau électrique est utilisé non seulement pour la distribution d'énergie, mais aussi pour l'envoi d'informations? C'est la base des communications de ligne électrique (PLC): utiliser les mêmes câbles de réseau électrique pour la transmission de données. Cette technologie n'est pas une proposition pour l'avenir, mais une technologie stratégique utilisée aujourd'hui pour réaliser le contrôle du réseau électrique à basse tension.
Dispositifs qui peuvent être trouvés dans les réseaux électriques modernes.
l’un des principaux objectifs de l’Accord de Paris sur le climat de 2015, promu sous l’égide des Nations Unies, est de parvenir à une économie mondiale tournée vers la neutralité carbone. Cet accord fixe des objectifs clairs à long terme pour tous les pays, y compris la réduction des émissions de gaz à effet de serre, dans le but de limiter l'augmentation de la température de ce siècle à 2°C. L'Union européenne a intégré ces engagements dans son cadre normatif par le biais du Traité vert européen de 2019 et de la loi européenne sur le climat de 2021. Ces règlements précisent que les émissions doivent être réduites de 55 % d'ici à 2030 par rapport au niveau de 1990. Dans ce contexte, l’électromobilité (e-mobilité) et la production distribuée d’énergies renouvelables sont des éléments essentiels pour réduire la dépendance de la société vis-à-vis des combustibles fossiles et ouvrir la voie à une transition énergétique durable.
Ces dernières années, les réseaux électriques connaissent de profonds changements dus à l'intégration de nouvelles technologies et de sources d'énergie renouvelables. Auparavant, le système était dominé par un système centralisé basé sur de grandes centrales, où le rôle de tous les acteurs du réseau électrique était très bien défini: la création, était la responsabilité des centrales électriques; le transport et la distribution, la responsabilité des entreprises électriques; et la consommation était faite par les utilisateurs et les entreprises. Aujourd’hui, il y a de plus en plus d’utilisateurs qui produisent de l’énergie, comme les maisons avec des panneaux solaires et/ou les communautés énergétiques. De nombreux consommateurs de sources d’énergie renouvelables distribuées sont devenus « prosumer » (en anglais « producer »/producteur et « consumer »/consommateur) : en plus de consommer de l’énergie, ils la produisent et l’intègrent dans le réseau. Cela a complètement changé la structure et le fonctionnement du réseau. En outre, la prolifération des points de charge des batteries et des véhicules électriques qui accumulent les excédents d'énergie générés par les panneaux solaires a modifié les modèles de demande d'énergie du réseau, ce qui nécessite plus de flexibilité et de coordination.
Dans ce contexte, la production distribuée d'énergies renouvelables et le contrôle intelligent de la consommation sont devenus indispensables. Pour assurer la stabilité du réseau électrique, il est nécessaire d'équilibrer la production et la consommation à tout moment, pour laquelle la surveillance et l'automatisation au moyen de nouvelles technologies sont essentielles.
Ce changement a conduit au passage à des réseaux électriques intelligents, c'est-à-dire à des systèmes capables de gérer la variabilité de l'énergie renouvelable en temps réel, d'optimiser la consommation et d'améliorer l'efficacité. La numérisation a joué un rôle clé dans ce processus en intégrant des capteurs, des systèmes de surveillance, des compteurs intelligents et des plates-formes de gestion de l'énergie pour contrôler l'état du réseau tout le temps et prendre des décisions en fonction de la demande.
L'automatisation moderne du réseau électrique n'aurait pas été possible sans un système de communication. Dans ce cadre, la technologie des communications par ligne électrique (PLC) est devenue essentielle. Les systèmes PLC utilisent le même réseau électrique comme support pour l'envoi et la réception de données sans câbles supplémentaires. En effet, les transmissions PLC se superposent sur le signal de puissance 50/60 Hz, ce qui permet de diffuser simultanément le flux d'électricité et les communications de données à une tension efficace de 230 V via le réseau électrique. Cela a permis, en exploitant l'infrastructure du réseau de distribution d'énergie, de faciliter la communication entre les appareils intelligents et de réduire les coûts d'installation.
Superposition du signal de puissance de 50 Hz et des transmissions PLC.
Grâce à la technologie PLC, ils peuvent connecter des compteurs intelligents, des transformateurs et d'autres composants au réseau pour échanger des informations en temps réel. Cela permet de surveiller la consommation, de détecter les pannes et d'optimiser le fonctionnement du réseau. Cette technologie utilise plusieurs protocoles dans la gamme de fréquences de 2 kHz et 500 kHz, tels que PRIME, Meters&More et G3-PLC, chacun adapté à différentes applications et exigences techniques.
Chaque maison et chaque entreprise dispose d'au moins un compteur intelligent qui stocke les données de consommation ou de production d'énergie. Ces données sont transmises de manière automatisée et la présence d’un technicien n’est pas nécessaire pour l’enregistrement manuel des lectures. Ces informations sont envoyées via des câbles de réseau électrique aux concentrateurs de données situés dans les transformateurs. Les concentrateurs reçoivent les données de plusieurs compteurs, puis les transmettent aux entreprises énergétiques. Pour ce faire, différentes technologies sont utilisées, telles que 3G, 4G, fibre optique ou réseaux locaux, en fonction de la distance de communication et de l'environnement technologique.
En outre, les systèmes PLC sont dotés de mécanismes permettant d'accroître la fiabilité du réseau. Les compteurs intelligents peuvent agir comme des répéteurs. En d'autres termes, lorsqu'un autre compteur ne peut pas se connecter directement au concentrateur, les informations peuvent être redirigées via un compteur voisin. De cette façon, le réseau crée des voies de communication alternatives et maintient la capacité de transmettre des données de manière fiable même dans des environnements à forte interférence ou à faible couverture. Ce mécanisme améliore considérablement la résilience du réseau et la robustesse du système de communication et est essentiel pour une distribution intelligente et stable de l'énergie.
Les communications PLC sont utilisées dans le monde entier et ont été particulièrement répandues dans plusieurs pays européens tels que l'Espagne, la France, l'Italie et l'Allemagne. En Espagne, par exemple, le déploiement de compteurs intelligents a été réalisé principalement par PLC, et certaines entreprises, comme Iberdrola et Endesa, ont utilisé cette technologie pour stimuler la numérisation du réseau.
Les technologies PLC présentent un certain nombre de défis techniques. Tout d'abord, le réseau électrique n'est pas conçu pour transmettre des données et, dans certains cas, les communications ne sont pas exécutées correctement. Les phénomènes les plus importants qui empêchent les communications PLC sont les interférences d'émissions guidées non intentionnelles, l'impédance changeante du réseau et la forte faiblesse des signaux.
Tout d'abord, les émissions involontaires guidées sont des bruits électromagnétiques générés par tous les appareils et appareils électriques connectés au réseau électrique. Ceux-ci peuvent interférer avec les signaux de communication PLC, car les deux phénomènes peuvent se produire dans la même bande de fréquence. En outre, ces émissions guidées sont plus importantes dans les appareils qui mettent en œuvre l'électronique de puissance, à savoir les onduleurs de plaques photovoltaïques et les chargeurs de véhicules électriques, qui génèrent ou consomment de grandes quantités d'énergie. D'autre part, l'affaiblissement du signal se produit sur de longues distances, ce qui réduit la qualité de la transmission. En outre, les systèmes PLC ont une bande passante limitée, ce qui limite leur capacité à transmettre de grandes quantités de données pouvant affecter des applications complexes. En ce qui concerne la sécurité, étant donné que les données sont envoyées via le réseau électrique, les systèmes de cryptage et d'authentification sont nécessaires pour garantir la confidentialité des données. Enfin, dans les réseaux électriques anciens ou complexes, la couverture peut être irrégulière, ce qui peut entraîner des lacunes de communication. Cependant, malgré ces défis, la technologie PLC continue de jouer un rôle essentiel dans le développement de réseaux électriques intelligents et la numérisation du système énergétique.
Pour l’avenir, les communications PLC évolueront de manière significative afin de répondre aux exigences croissantes des réseaux électriques intelligents. La technologie PLC (Broadband over Power Lines) à large bande (BPL), une version avancée de PLC qui fonctionne sur une plage de fréquences de 1 MHz à 30 MHz, est un exemple de cette évolution. Les systèmes BPL offrent une bande passante plus large, ce qui permet d'augmenter considérablement la vitesse et la capacité de transmission des données, permettant des applications plus complexes et des services en temps réel. Cette technologie permet, par exemple, l'intégration d'une gestion avancée de l'énergie et d'une surveillance précise de l'état du réseau via PLC. En outre, les systèmes BPL offrent une meilleure résistance aux interférences et une meilleure couverture aussi bien en milieu urbain qu'en milieu industriel. C'est pourquoi la BPL est en train de devenir l'un des piliers des réseaux énergétiques intelligents de l'avenir, et les entreprises du secteur de l'énergie sont de plus en plus nombreuses à tester et à mettre en œuvre cette technologie, ouvrant la voie à une numérisation plus poussée du réseau.
Communication entre le concentrateur PLC et les compteurs intelligents avec un compteur en mode répéteur.
L'équipe de recherche TSR de l'École d'ingénierie de Bilbao de l'Université du Pays basque travaille depuis dix ans sur les systèmes de communication pour les réseaux électriques intelligents, en particulier dans l'application de la technologie PLC. L'une des principales recherches du groupe est l'étude des caractéristiques du canal de communication PLC, dans le but d'améliorer les performances et la fiabilité de la transmission de données sur le réseau électrique.
Pour ce faire, le groupe TSR a développé ses propres compteurs pour caractériser le comportement du réseau entre 9 kHz et 10 MHz, ainsi que des outils pour analyser l'affaiblissement des signaux PLC, l'impédance du réseau et les mécanismes d'interférence. Ces mesures ont été indispensables pour identifier les mécanismes d'interférence dans les communications par la technologie PLC, que ce soit lors d'expériences en laboratoire ou lors d'essais sur des réseaux réels. Les données recueillies ont également été utilisées dans des travaux de recherche métrologique pour analyser l'incertitude des techniques utilisées par les instruments de mesure de la qualité de la puissance.
Le travail du groupe TSR a également eu un impact important sur la normalisation internationale: il a participé à des projets européens tels que EURAMET et EMPIR-SupraEMI, EPM-Met4EVCS et EPM-SBS Uncert, financés par l'UE, et a contribué à des groupes de travail d'organisations telles que le CEI, le CENELEC et le CIGRE pour la définition de nouvelles normes et l'élaboration de rapports techniques.
En résumé, les systèmes PLC sont devenus l'une des principales bases technologiques des réseaux électriques intelligents d'aujourd'hui. Sa capacité permet la transmission de données via la même infrastructure de réseau électrique, ce qui permet un contrôle en temps réel de la consommation et de la production distribuée. Les systèmes PLC permettent la surveillance de l'état du réseau, la détection automatique des pannes et l'optimisation des flux d'énergie, contribuant ainsi à assurer l'efficacité et la stabilité du réseau. À l'avenir, des technologies de pointe telles que la BPL augmenteront la capacité de transmission des données, mais il est déjà clair que les systèmes PLC sont essentiels dans le processus de numérisation et d'automatisation du réseau électrique.
Merci.
Ce travail a été financé par le Gouvernement basque grâce aux subventions IT1910-26. Ces travaux ont également été financés par la subvention du gouvernement espagnol PID2025-170561OB-I00 (projet SEFONIS), MCIN/AEI/10.13039/501100011033 et par le Fonds européen de développement régional (ERDF/UE).
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