Transformateurs de tension extérieurs numériques pour l'intégration des réseaux intelligents

L'évolution vers des réseaux intelligents nécessite un changement transformateur dans les technologies de mesure et de surveillance de l'énergie. Les Transformateurs de Tension Numériques Extérieurs (DVT) ont émergé comme des composants indispensables, jouant un rôle crucial dans la possibilité de détection de tension en temps réel et de haute précision, l'intégration transparente avec l'Internet des Objets (IoT) et les réseaux de communication, des capacités de diagnostic avancées pour la maintenance prédictive, et le soutien à l'intégration des énergies renouvelables et à la modernisation des réseaux. En contraste avec les transformateurs de tension électromagnétiques ou capacitifs traditionnels (VT), les DVT offrent des avantages distincts tels que l'immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), une taille et un poids réduits (jusqu'à 70 % plus petits que les CVT conventionnels), des interfaces de sortie numériques conformes aux normes IEC 61850, une faible consommation d'énergie et une durée de vie opérationnelle prolongée.

2.1 Technologies de détection essentielles

2.1.1 Détection de Tension Optique

Les technologies de détection de tension optique reposent sur l'interaction entre la lumière et les champs électriques. Les capteurs à effet Pockels utilisent l'effet électro-optique linéaire dans des cristaux comme le niobate de lithium. Lorsqu'une tension est appliquée, la polarisation de la lumière passant à travers le cristal change proportionnellement. Par exemple, dans un VT optique de 220 kV, une cellule Pockels est intégrée dans une boucle de fibre optique, et le signal de tension est transmis sous forme de lumière modulée en phase. Les capteurs à réseau de Bragg en fibre (FBG), en revanche, mesurent le stress mécanique induit par la tension ou les variations de température. La longueur d'onde de la lumière dans les réseaux de fibres se déplace en réponse à ces changements, qui peuvent être corrélés à la tension appliquée.

2.1.2 Détection de tension électronique

Les diviseurs résistifs VTs utilisent des résistances haute tension (telles que des résistances en oxyde métallique ou de type film) pour diviser la tension d'entrée. La sortie basse tension est ensuite mesurée par des convertisseurs analogique-numérique (ADC). Les diviseurs capacitifs VTs, similaires en concept aux CVTs traditionnels mais avec un conditionnement de signal électronique, offrent des temps de réponse beaucoup plus rapides, souvent dans ≤1μs. Les VTs basés sur des bobines de Rogowski sont des capteurs inductifs qui mesurent le taux de changement de tension, ce qui les rend particulièrement adaptés à l'analyse transitoire dans les systèmes électriques.

2.2 Traitement et transmission des signaux numériques

La conversion analogique - numérique de haute précision est un aspect clé des DVT. Les ADC 24 bits avec des taux d'échantillonnage allant jusqu'à 1 MHz sont couramment utilisés pour capturer des formes d'onde de tension haute fidélité. Le protocole IEC 61850 - 9 - 2LE permet la transmission horodatée, de pair à pair, des valeurs échantillonnées (SV) sur Ethernet, garantissant un transfert de données précis et en temps voulu. Des mécanismes de redondance, tels que des liaisons en fibre optique doubles et des alimentations électriques à échange à chaud, sont mis en œuvre pour garantir une perte de données nulle, améliorant ainsi la fiabilité du système.

3.1 Adaptabilité environnementale

Les DVT sont conçus pour résister à des conditions extérieures difficiles. Pour les zones côtières sujettes au brouillard salin et à la corrosion, des matériaux comme l'acier inoxydable 316L pour le boîtier, combinés avec des revêtements en PTFE, peuvent offrir une durée de vie de plus de 10 ans. Pour faire face à des températures extrêmes allant de - 40°C à + 85°C, des fibres optiques compensées en température sont utilisées, garantissant que la dérive de précision de mesure est inférieure à 0,01 %. En présence de champs électromagnétiques élevés, l'isolation en fibre optique et le blindage en cage de Faraday peuvent réduire le bruit induit par l'EMI de plus de 30 dB. Pour les zones fortement polluées, des isolateurs en caoutchouc silicone autonettoyants sont employés, réduisant le besoin de nettoyage manuel à une fois tous les 5 ans ou plus.

3.2 Capacités d'intégration de réseau intelligent

3.2.1 Interfaces de communication

Les DVT sont équipés d'interfaces de communication avancées. Le protocole de temps de précision IEEE 1588 (PTP) permet une synchronisation temporelle sub-microseconde, ce qui est essentiel pour les unités de mesure de phase (PMU). Pour les sous-stations distantes sans infrastructure en fibre, des options de retour 5G et LTE sont disponibles, garantissant une transmission de données en temps réel et une intégration transparente avec le réseau intelligent.

3.2.2 Fonctions de l'informatique en périphérie

Les microprocesseurs embarqués dans les DVT effectuent diverses fonctions d'informatique en périphérie. Ils peuvent réaliser une analyse harmonique jusqu'au 50e ordre, détecter des baisses et des hausses de tension conformément à l'IEEE 1668, et estimer les emplacements de défauts en utilisant l'analyse des ondes progressives. Ces fonctions permettent une surveillance et un contrôle en temps réel du réseau électrique, améliorant sa stabilité et sa fiabilité.

4.1 Transformateurs de tension optiques (OVTs)

4.1.1 Tout - Architecture VT Optique

Dans un VT entièrement optique, l'électrode haute tension induit un champ électrique dans le cristal de Pockels. La lumière polarisée passe à travers le cristal, et son décalage de phase, qui est proportionnel à la tension, est détecté de manière interférométrique. Le décalage de phase détecté est ensuite converti en un signal de tension numérique. Cette architecture offre une grande précision et une immunité aux interférences électromagnétiques.

4.1.2 Étude de cas : OVT 500kV dans une sous-station intelligente

Un OVT de 500 kV déployé dans une sous-station intelligente à Shanghai dispose d'un cœur en cristal de niobate de lithium avec un revêtement anti-UV pour se protéger contre l'exposition prolongée au soleil. Des chemins de fibre dual sont fournis pour la redondance en utilisant un schéma de protection 1 + 1. L'OVT est intégré au système SCADA, permettant une analyse en temps réel de la stabilité de la tension. Il a atteint une précision de classe 0,1 % avec une latence de moins de 50 μs, démontrant ses capacités de haute performance dans un environnement de réseau intelligent.

4.2 Transformateurs de tension électroniques (EVTs)

4.2.1 Diviseur Résistif EVTs

Les diviseurs résistifs EVT se composent d'un bras haute tension avec des résistances en oxyde métallique connectées en série (avec une résistance de ≥10GΩ et un coefficient de température de <50ppm/°C) et d'un bras basse tension avec des résistances à film mince logées dans un compartiment thermiquement stabilisé. Ce design les rend idéaux pour les sous-stations urbaines de 110kV - 220kV où l'espace est limité en raison de leur empreinte compacte.

4.2.2 Diviseur capacitif EVTs

Les diviseurs capacitifs EVT combinent la division de tension capacitive avec une compensation électronique active. Ce design hybride élimine le risque de résonance ferromagnétique, qui est un problème courant dans les CVT traditionnels, et fournit une mesure de tension plus stable et précise.

4.3 Unités VT/CT numériques combinées

Les unités combinées VT/CT numériques intègrent à la fois des fonctions de mesure de tension et de courant, réduisant les besoins en espace jusqu'à 50 %. Par exemple, une unité combinée de 220 kV peut utiliser un capteur de tension optique, une bobine Rogowski pour la mesure du courant, et une unité de traitement de données commune avec une interface IEC 61850. Cette intégration simplifie l'installation, réduit les coûts et améliore l'efficacité globale du poste de transformation.

5.1 Stabilité du réseau et contrôle dynamique

Les DVT jouent un rôle vital dans la stabilité du réseau et le contrôle dynamique grâce à leur soutien aux unités de mesure de phasor (PMU). En permettant des mesures de synchrophasor à un taux de 30 à 60 images par seconde, les DVT facilitent la surveillance de la stabilité à grande échelle, le contrôle de l'amortissement des oscillations et la gestion du flux de puissance interzones. De plus, leurs temps de réponse rapides (moins de 1 ms) permettent un déclenchement rapide des restaurateurs de tension dynamique (DVR) pour atténuer les baisses de tension et protéger les charges critiques, garantissant le fonctionnement continu et stable du réseau électrique.

5.2 Intégration des énergies renouvelables

Avec la pénétration croissante des sources d'énergie renouvelable telles que les parcs éoliens et solaires, les DVT aident ces installations à respecter les exigences du code de réseau. Ils permettent de se conformer aux exigences de maintien de tension à faible voltage (LVRT), limitent la distorsion harmonique dans les limites de l'IEEE 519 et soutiennent la régulation de la tension pour les sources de génération variable. Dans la gestion des microgrids, les DVT permettent un contrôle de tension en temps réel dans les microgrids isolés, permettant une transition transparente entre les modes raccordés au réseau et hors réseau, améliorant la flexibilité et la fiabilité de l'intégration des énergies renouvelables.

5.3 Gestion de la santé des actifs

Les DVT sont équipés de fonctionnalités pour la gestion de la santé des actifs. La température des composants internes peut être surveillée à l'aide de capteurs FBG, l'intrusion d'humidité peut être détectée par spectroscopie diélectrique, et la dégradation du revêtement peut être évaluée avec des jauges de contrainte intégrées. Les données en temps réel des DVT peuvent être intégrées dans des jumeaux numériques d'actifs de réseau, permettant une modélisation de l'espérance de vie avec une précision de 90 %, la prédiction des modes de défaillance (comme le vieillissement de l'isolation) et l'optimisation de la planification de la maintenance. Cette approche de maintenance prédictive réduit les pannes imprévues, diminue les coûts de maintenance et prolonge la durée de vie des actifs du réseau.

6.1 Normes internationales pour les VTs numériques

Les normes internationales jouent un rôle crucial dans l'assurance de la qualité et de la compatibilité des DVT. IEC 60044 - 8 définit les exigences pour les transformateurs de tension de sortie numérique, y compris les classes de précision et les spécifications d'interface. IEEE C37.118.1 établit les normes pour les synchrophasors dans les systèmes électriques, ce qui est essentiel pour le bon fonctionnement des DVT dans les applications de réseau intelligent. IEC 61850 - 9 - 2 spécifie la transmission des valeurs échantillonnées sur des réseaux de communication série, rendant les DVT interopérables avec d'autres dispositifs de réseau intelligent.

6.2 Protocoles de test d'interopérabilité

Les tests d'interopérabilité sont nécessaires pour garantir que les DVT peuvent fonctionner sans problème au sein d'un réseau intelligent. Les tests de conformité comprennent les tests d'immunité aux transitoires/burst électriques rapides (EFT/B) selon la norme IEC 61000 - 4 - 4, les tests de protection contre les surtensions selon la norme IEC 61000 - 4 - 5, et les tests de compatibilité électromagnétique (CEM) conformes à la norme CISPR 32. Les tests de mise en service sur le terrain se concentrent sur la mesure du temps de retard (avec une tolérance de ≤100μs), garantissant la cohérence des données à travers des canaux redondants, et évaluant les vulnérabilités en matière de cybersécurité pour répondre aux exigences de conformité NIST SP 800 - 53.

7.1 Risques de cybersécurité

Comme les DVT sont connectés à des réseaux de communication, ils sont vulnérables aux menaces de cybersécurité telles que la falsification de données par intrusion dans le réseau et les attaques par déni de service (DoS) sur les liens de communication. Pour atténuer ces risques, les DVT sont équipés de fonctionnalités de cybersécurité conformes à la norme IEEE 1686 - 2013, y compris le démarrage sécurisé utilisant un module de plateforme de confiance (TPM), le chiffrement des données avec AES - 256 pour la transmission SV, et des systèmes de détection d'intrusion (IDS) au niveau du poste de transformation.

7.2 Intégration des systèmes hérités

La modernisation des DVT dans les sous-stations avec des relais de protection analogiques existants pose un défi significatif. Pour y remédier, des passerelles de protocole sont utilisées pour convertir entre IEC 61850 (utilisé par les DVT) et IEC 60870 - 5 - 10, permettant une intégration transparente des nouvelles technologies numériques avec les systèmes hérités. Cela permet une mise à niveau progressive du réseau électrique sans avoir besoin d'une refonte complète de l'infrastructure existante.

Les transformateurs de tension numériques en extérieur sont essentiels pour l'intégration et le fonctionnement réussis des réseaux intelligents. Leurs technologies de détection avancées, leurs caractéristiques de conception compatibles avec les réseaux intelligents et leurs multiples applications dans la stabilité du réseau, l'intégration des énergies renouvelables et la gestion de la santé des actifs en font une pierre angulaire des systèmes électriques modernes. Bien que des défis tels que les risques de cybersécurité et l'intégration des systèmes hérités existent, avec des stratégies d'atténuation appropriées et le respect des normes internationales, les DVT continueront à propulser l'évolution des réseaux intelligents vers un avenir plus fiable, efficace et durable.