Réseaux électriques, Rés

DOSSIER
ransport et distribution d'énergie
électrique
par Jean-Louis RICHARD
GfC-/\om
Mots clés :
Réseaux
électriques,
Réseaux de
communication,
Contrôle-
commande.
Les réseaux de transport et de distri-
bution d'énergie électrique ont évolué
avec les techniques d'automatisation et
de communication. Ils recouvrent une
réalité plus complexe qu'il n'y paraît.
INTRODUCTION
Le titre général de Transport et Distribution recouvre
sous une définition simple - transporter et distribuer
l'énergie électrique - une réalité plus complexe qu'il n'y
paraît tant les solutions mises en oeuvre et l'organisation
peuvent varier d'un continent à l'autre et d'un pays à
l'autre. On n'abordera pas ici la description complète d'un
sujet qui remplirait une bibliothèque entière mais on s'atta-
chera à une observation macroscopique sous l'angle de la
communication dont l'importance pour l'évolution
n'échappe plus à personne.
Même en se limitant à ce seul aspect, il est difficile de
traiter de manière simple un sujet aussi vaste. Proposons
néanmoins un fil conducteur en rappelant brièvement ce
qui caractérise les réseaux d'énergie puis en identifiant les
tendances fortes dans l'évolution tant des techniques que
des modes d'exploitation des installations. Nous en défini-
rons alors les besoins ou plutôt l'évolution de ces besoins
en termes de communication.
CARACTÉRISTIQUES DES RÉSEAUX
D'ÉNERGIE
Structure et organisation
Une définition simple des réseaux de transport et de dis-
tribution d'énergie peut être fournie par le schéma de la
figure 1 :
Ce schéma générique montre une structure composée de
noeuds d'entrée (sources), noeuds de sortie et noeuds inter-
médiaires, les liens entre noeuds matérialisant les flux
d'énergie véhiculés par les lignes ou câbles.
Les réseaux d'énergie ont une structure composée
de noeuds d'entrée, de noeuds de sortie et de
noeuds intermédiaires et constituent un ensemble
distribué. Certains contrôles sont répartis, d'autres
centralisés et le réseau se double d'un réseau de
communication.
L'introduction de composants électroniques dans
les appareillages a permis une plus grande sou-
plesse, une commande et une surveillance amélio-
rées et les nouvelles techniques d'automatisation
ont remis en cause les modes d'exploitation tradi-
tionnels.
Le mouvement de déréglementation actuel et les
évolutions dans la stratégie des exploitants entraî-
nent de nouveaux besoins en matière de fonction-
nement du réseau, de performance, de sûreté et
surtout de communications. Les réseaux de terrain
devraient être d'une aide précieuse.
Power systems are made up of input nodes, output
nodes and intermediary nodes, forming a distribu-
ted network. Some control functions are distributed
while others are centralized, and the power line
network itself is shadowed by an accompanying
communication network.
The increasing use of electronic components in
power system devices brings greater flexibility,
plus substantial improvements in control and moni-
toring functions. And new automation techniques
are bringing major change to traditional operating
methods.
The current trend toward deregulation, coupled
with a general shift in operator strategies, is gene-
rating new requirements for power system func-
tions, covering operation, performance, safety and
-above a ! ! - communications. Field networks will
undoubtedly be of precious aid in meeting these
requirements.

Transport et distribution d'énergie électrique
TRANSPORT
j ------
1. Ré,eai (x (I'éiiergie.
S'agissant du transport, les noeuds d'entrée sont les cen-
trales de production, les noeuds de sortie sont les points de
livraison à la distribution, les noeuds intermédiaires étant
constitués par les postes de répartition. Dans le cas de la
distribution, les noeuds d'entrée sont les points de livraison
du transport, les noeuds de sortie sont les points de livrai-
son aux consommateurs, les postes de transformation ou de
répartition constituant les noeuds intermédiaires.
On peut compléter la définition en ajoutant qu'il s'agit
d'un ensemble nécessairement distribué et, du fait de
l'impossibilité de stocker les llux d'énergie, en recherche
permanente d'équilibre dynamique vis-à-vis de plusieurs
critères liés (ftux d'énergie, niveaux de tension, fréquence).
Cette définition générale qui permet de distinguer l'ache-
minement de l'énergie (le transport) de sa fourniture aux
utilisateurs (la distribution) ne met pas une frontière
étanche entre les deux réseaux et ce pour des raisons qui
tiennent :
- aux particularité locales (étendue et géographie du
pays, répartition des sources de production et des points de
consommation,...)
- aux choix technologiques (niveaux de tension, mailla-
ge, plans de protection,...)
- à l'organisation de l'exploitation et de la gestion
(monopole, régie privée,...)
Ainsi la séparation, très nette dans certains pays où le
transfert entre transport et distribution s'accompagne
d'opérations de facturation, peut ne pas exister du tout dans
d'autres où la géographie ne justifie pas la distinction entre
les deux. Cependant, vues sous l'angle de la communica-
tion, les deux conceptions sont sensiblement voisines.
Le niveau de tension n'est pas, par ailleurs, un critère de
distinction absolu. La haute tension de certains est considé-
rée comme moyenne tension par d'autres, les termes
" haute " et " moyenne " n'ayant d'ailleurs pas de réelle
justification normative même s'ils sont employés dans le
langage courant.
c c
La Figure 1 représente un réseau de transport lié à plu-
sieurs réseaux de distribution, ce qui ne reflète pas totale-
ment la réalité du terrain où suivant le cas, on peut trouver
un réseau unique de transport géré de façon monopolis-
tique (en France, par exemple) ou de multiples réseaux
exploités par des régies privées (USA, par exemple). De
même, les réseaux de distribution peuvent être uniques ou
multiples. Le débat actuel autour du thème de la dérégle-
mentation ne fait qu'illustrer cette réalité.
De plus, les différents réseaux de transport ou de distri-
bution ne sont pas étanches entre eux, les transferts de flux
d'interconnexion étant depuis longtemps une nécessité
incontournable au moins au niveau d'un continent géogra-
phique.
Le schéma illustre également le fait que même si les élé-
ments qui composent les réseaux de transport et de distri-
bution et les contraintes de performances ou de coût ne
sont pas identiques, la structure de ces réseaux fait appa-
raître des besoins semblables en termes de communica-
tion.
Il faut aussi mentionner le besoin de communication à
l'intérieur même des noeuds (postes) qui sont eux aussi des
sous-ensembles répartis.
Exploitation des réseaux
La structure même des réseaux telle qu'elle est schémati-
sée ci-dessus montre de façon évidente que :
- l'exploitation de ces réseaux nécessite la connaissance
d'informations en provenance d'un ensemble distribué
(réparti) :
- cette exploitation requiert des points de commande et
de contrôle répartis mais exige en revanche la centralisa-
tion de certaines décisions nécessaires à l'obtention et au
maintien de l'équilibre dynamique du réseau ;
- les structures responsables de l'exploitation des diffé-
rents réseaux ne peuvent être disjointes à cause de l'inter-
action des réseaux entre eux.

LES RÉSEAUX DE COMMUNICATION DANS L'ÉNERGIE, L'INDUSTRIE ET LE BÂTIMENT
L'exploitation des réseaux est aussi tributaire du fait
qu'une grande partie des noeuds est gérée à distance sans
présence permanente de personnel d'exploitation.
On voit donc bien la nécessité d'une structure d'exploita-
tion hiérarchisée, basée sur des noeuds de conduite centrali-
sée (à plusieurs niveaux) capables de piloter à distance (télé-
conduite) des noeuds disposant d'organes de conduite sus-
ceptibles de fonctionner de manière autonome ou asservie.
Une telle structure, simple à définir dans un cadre mono-
polistique tel qu'on le trouve en France par exemple, est
plus délicate à concevoir lorsque les responsablités de
conduite et de gestion sont réparties entre des régies pri-
vées ou semi-privées ou débordent des limites territoriales
d'un pays.
Il est compréhensible, de ce fait, que les choix d'organi-
sation et d'exploitation des réseaux diffèrent suivant les par-
ticularités locales : monopoles publics (France, Italie,...),
structure mixte privé-public (Royaume-Uni, Allemagne),
régies privées pour le transport et la distribution (USA),
transport et distribution confondus (Suisse etc.).
Communication et réseaux d'énergie
Dans tous les cas de figure et quelle que soit l'organisa-
tion de leur exploitation, les réseaux d'énergie sont par
nécessité doublés de réseaux de communication qui peu-
vent utiliser la même topologie -voire les mêmes supports-
ou un maillage distinct mais qui dans tous les cas présen-
tent le même degré de répartition et du fait des redon-
dances exigées pour la sûreté, un degré de complexité
supérieur.
Réseaux de transport
Les réseaux de transport sont par nature des réseaux à la
topologie complexe due à l'éloignement et à la multiplicité
des noeuds de production et des noeuds de transfert vers la
distribution, à l'interconnexion avec les réseaux étrangers
au pays ou à la région ; ils s'étendent sur des zones souvent
très vastes. La conduite et l'exploitation de ces réseaux
ainsi que le niveau de sécurité exigé, eu égard aux consé-
quences d'une défaillance à ce stade, requièrent des tech-
niques de communication entre noeuds dotées de méca-
nismes de routage et des dispositifs de protection de
RESEAU
x d'information
- - - fluxdénergie
......... nx ar,rormatio
l'information similaires à ceux des grands réseaux informa-
tiques.
A l'intérieur des noeuds, donc sur de faibles distances, les
besoins de communication sont du type réseau local avec
des exigences de sécurité et de rapidité élevées mais une
moindre complexité dans le routage.
On peut observer que jusque dans un passé récent, le
terme de réseau de communication recouvrait des mises en
oeuvre de technologies très diverses, lignes téléphoniques,
lignes spécialisées, liaisons herztiennes et parfois une
transmission manuelle des informations.
Il faut aussi mentionner les besoins de synchronisation
(temps) qui exigent des performances particulières peu
compatibles jusqu'à présent avec celles offertes par les
transmissions numériques.
Noeuds du réseau de transport
Les postes de transport sont eux-mêmes des sous-
ensembles répartis où les communications sont nécessaires
entre travées (tranches) et éléments centraux. Les besoins
de communications sont clairement identifiés à ce niveau
et sont pris en compte par les systèmes de conduite et de
supervision de poste (SCS) avec des options technolo-
giques diverses : réseau de poste en étoile, bus ou anneau,
réseau de travée, réseau de capteurs et actionneurs, liaisons
point à point, liaisons électriques, liaisons hertziennes.
Dans la représentation de la figure 3, le terme réseau signi-
fie : " ensemble des liens de communication " sans préju-
ger des choix technologiques.
Nota : le schéma de la figure 3 omet, pour des raisons de
simplicité, de représenter des liaisons horizontales entre
postes (téléprotections par exemple) qui ne passent pas
nécessairement par le système central du poste.
Réseaux de distribution
Les réseaux de distribution sont multiples et divers tant par
leur structure que par leur finalité. On distingue par exemple
les réseaux de distribution primaire (réseaux moyenne ten-
sion au départ des ou entre les postes sources) des réseaux de
distribution secondaire - moyenne et basse tension - ou enco-
re des réseaux privés internes à un site d'abonné.
ntertace homme-m
réseau de poste
système central interface homme-machine
réseau de poste
itravée travée travée
1
réseau de poste
réseaudetravée !capteurs, actionneurs,....
2. Réseaax cl'énergie et réseaux cle comrnuuicatiou. 3. A rchitectbii-e dt (iioetid du réseaii (trajisport).
REE
" f,
30'
1

Transport et distribution d'énergie électrique
i
systèmecentra ! interfacehomme-machhe
réseau de poste
n--
cellule cellule cellule
réseau de cellule
équipement primaire I
4. Architectiii-e (les iioeticls de disti-ibi (tioii.
La topologie de ces réseaux et leurs conditions d'exploi-
tation sont beaucoup plus diversifiées que celles du trans-
port, ce qui accroît la complexité des communications. En
revanche, les zones couvertes sont plus restreintes et les
niveaux d'interconnexion moins contraignants.
A l'intérieur des noeuds primaires (postes sources), on
trouve les mêmes besoins de communication que pour le
transport. Le cas des noeuds secondaires ou terminaux est en
général différent en raison de la simplicité de leur structure.
Comme pour Je transport, mais avec des choix technolo-
giques encore plus diversifiés, le qualificatif de réseau de
communication recouvre des mises en oeuvre très diverses,
voire hétéroclites.
Noeuds primaires du réseau de distribution
Les postes sources ou les postes de distribution intermé-
diaires importants sont constitués de la même manière
(figure 4) que les postes de transport mais avec une notion
particulière de baie (cellule) beaucoup plus intégrée. De ce
fait, le besoin essentiel de communication se situe entre les
cellules et le système central. Les communications internes
à la cellule sont assimilables à des liaisons internes à un
équipement, ce qui ne supprime pas complètement le pro-
blème mais en change la nature.
Expression des besoins de communication
On peut résumer l'exposé des besoins de communica-
tions dans les réseaux d'énergie par le tableau de la figu-
re 5 qui par un bref rappel des caractéristiques élémentaires
des réseaux d'énergie électrique illustre clairement la
nécessité de disposer, à tous les niveaux, de moyens de
communication adaptés à des contraintes qui peuvent
prendre des formes diverses et posent souvent des pro-
blèmes délicats à résoudre en termes de capacité de trans-
fert et de vitesse de transmission sans oublier les exigences
de sûreté très fortes à tous les niveaux.
Couvert dans le passé et aujourd'hui encore par l'utilisa-
tion de techniques très diverses allant de la liaison élec-
trique analogique au grand réseau informatique en passant
par le Minitel et les transmissions hertziennes, ce besoin de
communication évolue, tant du fait du progrès des tech-
niques que par les modifications majeures observées dans
l'exploitation et la gestion économique des réseaux d'éner-c
gie. C'est cette évolution que nous nous attacherons à
décrire maintenant.
ÉVOLUTION DES TECHNIQUES
Évolution de l'appareillage primaire
L'appareillage dit " primaire " assurant le transfert de
l'énergie, la coupure et les adaptations de tension, s'il a
considérablement progressé dans un passé récent et s'il
continue à évoluer, ne subit pas, sauf cas particuliers, de
transformations radicales : les principes de fonctionnement
restent globalement les mêmes et les progrès actuels ou
prévisibles à moyen terme concernent davantage l'amélio-
ration des performances (réduction de volume, améliora-
tion du comportement mécanique, augmentation des
vitesses d'exécution, progrès dans l'isolement etc.). D'une
manière générale, le progrès vise à réduire de plus en plus
la marge existant entre la capacité intrinsèque de l'appa-
reillage et celle utilisée réellement dans le respect des exi-
gences de sûreté.
Le véritable changement au niveau de l'appareillage
concerne en fait la commande et la surveillance des
organes de puissance où l'introduction de l'électronique et
de la micro-informatique laisse apparaître des perspectives
d'évolution très importantes mais aussi des exigences nou-
velles et des problèmes inconnus auparavant.
Il est clair, par exemple, que l'introduction de compo-
sants électroniques dans un ensemble essentiellement élec-
tro-mécanique ou électromagnétique, amène :
- de l'intelligence, donc une capacité de traitement de
l'information ;
- une souplesse plus grande dans la mise en oeuvre ;
- des problèmes de réglage et de paramétrage ;
- des problèmes de maintenance (l'électronique exige un
entretien plus contraignant que des composants magné-
tiques passifs).
Ces changements exigent une approche différente au
plan de l'architecture des équipements, de la sûreté de
fonctionnement et de la maintenance. L'émergence des
IED (Intelligent Electronic Devices) liée à une plus grande
répartition de l'intelligence, augmente le volume d'infor-
mation disponible aux différents niveaux et accroît le
besoin de communication.
Un facteur important d'évolution est constitué également
par l'apparition et l'émergence de capteurs non conven-
tionnels, parfois dotés d'une certaine intelligence et d'une
capacité de mémorisation de l'information. A terme, ces
capteurs nouveaux peuvent modifier singulièrement les
concepts d'architecture en faisant " glisser " vers le bas les
traitements d'information et en accentuant le caractère
réparti des systèmes de commande et de supervision.

LES RÉSEAUX DE COMMUNICATION DANS L'ÉNERGIE, L'INDUSTRIE ET LE BÂTIMENT
Réseau d'énergie
transport
noeuds du réseau de
transport (postes)
distribution primaire
ii (etid du réseau de
distribution (postes
sources)
distribution
secondaire (en aval
des postes sources)
jonctions assurées
et caractéristiques
transfert de l'énergie
c
stabilité électrique
protection des équipements
protection des personnes
répartition des flux
contrôle des flux
comptage
protection des équipements
protection des personnes
maintenance
transfert de l'éner-ie
c
stabilité électrique
protection des équipements
protection des personnes
comptage
répartition des flux
contrôle des flux
protection des équipements
protection des personnes
comptagec
besoins de coiiiiiiiiiiicatioii
utilisé ou souhaité
longues distances
rapidité moyenne et élevée dans
certains cas
volume important d'informations
sécurité
synchronisation
réseau inter baies
réseau de baie
réseau de capteurs
rapidité élevée
sécurité très élevée
synchronisation
distances moyennes
forte dispersion (topologie)
rapidité élevée
sécurité
synchronisation
réseau de poste
réseau de baie
réseau de capteurs
rapidité élevée
sécurité élevée
synchronisation
transfert de l'énergie
c
protection des équipements
protection des personnes
éléments de faible capacité
très grande dispersion
c
volume d'information unitaire
faible
rapidité moyenne
sécurité moyenne
noeuds terminaux
(communication
interne)
contrôle des flux
protection des équipements
protection des personnes
comptage
c
liaisons courtes
peu d'information
rapidité moyenne
sécurité moyenne
type de communication
réseaux informatiques
(WAN, LAN)
lignes spécialisées
lignes téléphoniques
liaisons hertziennes
liaisons par satellites
réseaux locaux
réseaux de terrain
liaisons électriques
(TOR, analogiques)
c
réseaux locaux
liaisons hertziennes
lignes spécialisées
c
lignes téléphoniques
réseaux de terrain
réseaux de capteurs
liaisons électriques (TOR,
analogiques)c
réseauxlocaux
réseaux de terrain
réseaux de capteurs
lines téléphoniques
c
courant porteur
liaisons herztiennes
liaisons électriques
5. Besoins de communication dans les réseaux d'énergie électrique.
Évolution des techniques d'automatisation
Les techniques d'automatisation utilisées pour la com-
mande et la surveillance des réseaux d'énergie entraînent
de la même manière une remise en cause des modes
d'exploitation et de gestion de ces réseaux. Le passage iné-
luctable des techniques conventionnelles encore largement
utilisées aujourd'hui, ne serait-ce que du fait de l'existence
d'un parc important exigeant des investissements lourds
pour son renouvellement, à des techniques numériques, ne
trouvera son plein épanouissement que par une modifica-
tion des architectures de contrôle-commande mettant à pro-
fit les possibilités d'intégration des fonctions, de réduction
du câblage et de répartition de l'intelligence.
Au niveau des postes, le décalage que l'on pouvait
observer entre les systèmes de contrôle-commande dédiés,
le plus souvent propriétaires, basés sur des composants
spécifiques, relativement peu flexibles et les systèmes
Qénéraux largement répandus dans le contrôle industriel est
en train de se réduire même si les obstacles restent encore
nombreux. L'utilisation de systèmes génériques configu-
rables et paramétrables, utilisant des composants standards
(PC ou stations de travail, progiciels de supervision etc.)
identiques ou similaires à ceux employés dans l'industrie
répond de mieux en mieux aux exigences de réduction des
coûts de mise en oeuvre et d'exploitation, de normalisation
des produits et des interfaces de communication. Les équi-
REE
- -- IZEE
32'1@.'i 11) 1) (
32