Application des technologies de Smart Grid dans la gestion des pertes sur les lignes des zones de transformateurs basse tension

En tant que composante essentielle du réseau de distribution, les zones de distribution à basse tension (ci-après dénommées "zones transformateur à basse tension") affectent directement les bénéfices économiques des entreprises de fourniture d'électricité et la qualité de consommation d'électricité pour les utilisateurs finaux à travers leurs problèmes de pertes de ligne. Cependant, les approches traditionnelles de gestion présentent des insuffisances évidentes en termes de précision et d'efficacité. Dans ce contexte, l'application des technologies de réseau intelligent offre de nouvelles solutions pour la gestion des pertes de ligne. En introduisant des moyens techniques avancés, on peut non seulement améliorer efficacement le niveau de raffinement de la gestion des pertes de ligne, mais aussi soutenir les objectifs d'économie d'énergie et de réduction des émissions, ce qui est d'une grande importance pour promouvoir un développement de haute qualité dans l'industrie électrique.

1. Les problèmes de pertes de ligne dans les zones transformateur à basse tension
Les problèmes de pertes de ligne dans les zones transformateur à basse tension sont principalement classés en pertes techniques et en pertes de gestion. Les pertes techniques proviennent des pertes inhérentes aux équipements et des contraintes opérationnelles - par exemple, les pertes fer et cuivre dans les transformateurs et les pertes de puissance causées par la résistance des lignes. En prenant une ligne de distribution à basse tension typique comme exemple, lorsque la section du conducteur est de 50 mm² et que le courant de charge atteint 200 A, la perte de puissance par kilomètre de ligne est d'environ 4 kW.

Lorsque la section du conducteur est augmentée à 70 mm² dans les mêmes conditions, la perte peut être réduite d'environ 30 %. D'autre part, les pertes de gestion sont souvent causées par des erreurs de comptage, des vols d'électricité ou des opérations et maintenances inappropriées. Par exemple, la précision de comptage des compteurs électriques mécaniques traditionnels sous des charges légères n'est que d'environ 85 %, bien inférieure à celle des compteurs intelligents, qui dépasse 99 %. De plus, le déséquilibre triphasé peut augmenter considérablement les pertes de ligne ; si le déséquilibre du courant triphasé dans une zone transformateur dépasse 15 %, le taux de perte de ligne augmentera de 2 % à 5 %. L'existence de ces problèmes indique que l'inspection manuelle seule ne peut plus répondre aux exigences de la gestion raffinée, et des méthodes intelligentes sont urgentes pour améliorer l'efficacité de la gouvernance.

2. Technologies de réseau intelligent appliquées à la gestion des pertes de ligne dans les zones transformateur à basse tension

2.1 Technologie HPLC (High-Speed Power Line Communication)
Le principe fondamental de la technologie HPLC consiste à utiliser les lignes de distribution à basse tension existantes comme médium de communication, couplant des signaux modulés à haute fréquence sur les lignes électriques via des circuits de couplage pour réaliser une transmission de données à haut débit. Cette technologie est principalement appliquée dans des scénarios tels que la surveillance en temps réel des conditions d'exploitation des lignes dans les zones transformateur, la collecte de données d'énergie électrique et l'interaction des informations d'électricité des utilisateurs.

Au cours de la mise en œuvre, la première étape consiste à effectuer une enquête sur site de l'environnement des lignes de la zone transformateur pour évaluer les caractéristiques du canal et les niveaux d'interférence, afin de déterminer la fréquence porteuse optimale (généralement comprise entre 1,7 et 30 MHz) et la méthode de couplage. Ensuite, des coupleurs et des modules de communication HPLC dédiés sont installés du côté basse tension du transformateur de distribution, des boîtes de branchement et des compteurs d'électricité des utilisateurs pour établir un réseau de communication à travers la zone transformateur. Parallèlement, un système de station principale est déployé pour s'intégrer de manière transparente avec les systèmes d'applications supérieurs via la conversion de protocoles.

Pendant la phase d'exploitation et de maintenance, des inspections et calibrages réguliers des équipements doivent être effectués, la qualité du signal de communication doit être surveillée, et tout anomalie doit être traitée rapidement. Par exemple, si l'atténuation du signal porteuse dépasse 30 dB ou si le taux d'erreur binaire augmente au-dessus de 1×10⁻⁴, les défauts de ligne ou les sources d'interférence électromagnétique doivent être investiguées. Si nécessaire, la puissance de transmission (généralement comprise entre –10 dBm et 30 dBm) doit être ajustée ou les coupleurs remplacés pour assurer un fonctionnement stable du système. 

Pour améliorer la stabilité de la communication, les systèmes HPLC adoptent généralement des schémas de modulation adaptative, sélectionnant dynamiquement les modes de modulation en fonction de la qualité du canal. Les différents modes de modulation varient en termes de débit de données, de résistance au bruit et de portée, nécessitant une configuration optimisée en fonction des fluctuations de charge et des conditions de bruit dans la zone transformateur. Par exemple, une modulation d'ordre supérieur peut être activée pendant la nuit lorsque les charges sont plus légères et les niveaux de bruit plus faibles pour améliorer le débit de données, tandis qu'un passage en mode robuste pendant les heures de pointe de la journée assure la fiabilité de la communication. Le tableau 1 liste trois méthodes de modulation couramment utilisées dans les systèmes HPLC ainsi que leurs caractéristiques techniques, fournissant une référence pour la configuration des paramètres sur le terrain.

Tableau 1 Comparaison des caractéristiques techniques des méthodes de modulation courantes pour HPLC

2.2 Dispositif de commutation intelligent à changement de phase
Le principe du dispositif de commutation intelligent à changement de phase est de mesurer les courants et tensions triphasés, de calculer l’imbalances de charge en temps réel, et lorsque l’imbalances dépasse un seuil prédéfini (généralement 10%–20%), de contrôler la commutation des charges pour rééquilibrer les charges triphasées. Ce dispositif est principalement appliqué à l'extrémité des zones de transformateurs, en particulier dans les zones avec des charges monophasées importantes.

Lors de la mise en œuvre:
Tout d’abord, il faut choisir un emplacement d’installation approprié—comme dans les boîtes de dérivation ou du côté basse tension des transformateurs de distribution—pour faciliter la construction et la maintenance.
Ensuite, une enquête sur le terrain doit être réalisée pour comprendre la distribution de la charge et configurer de manière raisonnable la capacité de commutation (voir Tableau 2). Pendant la phase d’installation et de mise en service, des tests de simulation de charge doivent être effectués pour optimiser la stratégie de contrôle et les paramètres de protection; par exemple, le réglage de la protection contre les surintensités est généralement configuré à 1,2 fois le courant nominal.
Troisièmement, le système de surveillance de l’exploitation de la zone de transformateur doit être amélioré pour permettre l’échange d’informations et le contrôle à distance avec le dispositif de commutation.
Quatrièmement, pendant la phase d’exploitation et de maintenance, des tests préventifs doivent être régulièrement effectués sur le commutateur pour détecter et corriger rapidement les éventuels défauts tels que l’usure mécanique ou les mauvais contacts, garantissant ainsi un fonctionnement sûr et fiable. De plus, une analyse des tendances de variation de la charge de la zone de transformateur doit être réalisée périodiquement afin d’ajuster la logique de contrôle et les paramètres de réglage du commutateur si nécessaire.

Tableau 2 Référence de configuration de capacité pour le matériel de commutation intelligent

2.3 Régulateur automatique de tension pour lignes basse tension
Le principe de base du régulateur automatique de tension pour lignes basse tension est de mesurer en temps réel la tension et le courant de la ligne, de calculer des paramètres tels que l'impédance de la ligne et le facteur de puissance, et d'ajuster automatiquement la position du changeur de prises du transformateur en fonction de l'écart, afin de maintenir la tension de sortie dans une plage acceptable. Cet appareil est principalement utilisé dans les réseaux de distribution basse tension, en particulier dans les zones situées à l'extrémité des lignes où la tension a tendance à devenir excessivement haute ou basse.

Tout d'abord, un emplacement d'installation approprié doit être sélectionné, par exemple du côté basse tension d'un transformateur de distribution ou d'une armoire de jonction, et une enquête sur le terrain doit être menée pour comprendre le rayon d'alimentation et la répartition des utilisateurs le long de la ligne.
Deuxièmement, la capacité du régulateur (voir Tableau 3) et la stratégie de contrôle doivent être déterminées. Pendant la phase d'installation et de mise en service, des essais à vide et sous charge doivent être effectués pour vérifier la précision de la régulation de tension (généralement requise dans une plage de ±1,5%) et le temps de réponse (généralement ne dépassant pas 30 secondes), ainsi que pour valider les fonctions de protection telles que la surtension et la sous-tension.
Troisièmement, après la mise en service, un système de gestion opérationnelle complet doit être établi, définissant clairement les exigences relatives aux inspections, à l'exploitation et à la maintenance pour garantir le fonctionnement sûr et stable du régulateur. Par exemple, si la tension monophasée s'écarte continuellement de plus de ±7% de la valeur nominale pendant 5 minutes, ou si l'instabilité de la tension triphasée dépasse 2%, la cause doit être rapidement identifiée et des mesures correctives prises. L'analyse des données opérationnelles montre que des régulateurs de tension automatiques correctement configurés peuvent améliorer le taux de conformité de la tension de ligne de 5% à 15%, réduisant considérablement les pertes de ligne causées par les violations de tension.

Tableau 3 Référence de sélection pour les régulateurs automatiques de tension pour lignes basse tension

3. Application de la technologie

3.1 Contexte du cas et problèmes de pertes en ligne
La zone de transformateur A est située dans le centre-ville d'un quartier urbain ancien, avec un rayon d'alimentation électrique de 1,5 km, desservant 712 clients résidentiels et 86 clients commerciaux. L'infrastructure de distribution de cette zone comprend principalement un transformateur de distribution S11-M.RL-400/10 d'une capacité nominale de 400 kVA ; six lignes de sortie basse tension—deux avec des conducteurs JKLGYJ-120 mm² et quatre avec des conducteurs JKLGYJ-70 mm²—avec une longueur moyenne de ligne de 510 mètres par circuit ; en outre, il y a quatre unités de raccordement HXGN-12 et 18 armoires de distribution intégrées basse tension.

Ces dernières années, en raison de la rénovation urbaine locale et de l'expansion des établissements commerciaux, la charge dans cette zone de transformateur a montré une croissance continue. Par exemple, en 2018, la charge de pointe a atteint 285 kW, avec une consommation d'électricité augmentant de 7,6% en glissement annuel, mais le taux de perte en ligne était aussi élevé que 9,7%, dépassant considérablement l'objectif de gestion de 6,5% pour la même période.

Les inspections sur site ont révélé les problèmes clés suivants :

• Un mauvais contact aux points de connexion du transformateur de distribution et des lignes a causé un chauffage localisé et des pertes supplémentaires ;

• Une répartition inégale de la charge triphasée, avec un déséquilibre maximal atteignant 18,2% ;

• Des branchements non autorisés et des vols d'électricité par certains utilisateurs ;

• Des dispositifs de comptage vieillissants avec des erreurs de mesure dépassant ±5%.

Ces facteurs ont collectivement contribué à des pertes en ligne persistantes élevées dans la zone, créant un défi de gouvernance sévère.

3.2 Sélection et mise en œuvre de la technologie
Pour résoudre les problèmes de pertes en ligne dans la zone de transformateur A, une solution globale intégrant la communication HPLC, des interrupteurs de commutation de phase intelligents et des régulateurs de tension automatiques a été mise en œuvre après une évaluation approfondie.

Tout d'abord, des coupleurs HPLC et des modules de communication ont été installés du côté basse tension du transformateur, et des équipements correspondants ont été déployés dans chaque boîte de branchement et compteur d'utilisateur, établissant un réseau de communication par porteur haute fréquence couvrant toute la zone de transformateur. Ce réseau a permis une surveillance en temps réel de l'état opérationnel, y compris la tension, le courant, la puissance sur les barres et les branches, ainsi que des indicateurs clés tels que la température de l'équipement et la distorsion harmonique. Le personnel d'exploitation et de maintenance pouvait ainsi détecter rapidement les anomalies. De plus, les données de comptage d'énergie de haute précision ont fourni un soutien solide pour l'analyse et la gestion des pertes en ligne.

Deuxièmement, six unités d'interrupteurs de commutation de phase intelligents (conçus pour un courant nominal maximum de 250 A) ont été installées dans les principales boîtes de branchement et les emplacements de charge clés. Ces interrupteurs mesuraient continuellement le déséquilibre du courant triphasé et redistribuaient automatiquement la charge lorsque le déséquilibre dépassait 15%, équilibrant efficacement les trois phases. Les tests sur le terrain ont confirmé que les actions de commutation étaient complétées en moins de 30 ms, avec des transitions fluides n'entraînant aucune perturbation pour les utilisateurs. Trois mois après la mise en service, le déséquilibre triphasé dans la zone est passé de 18,2% à 6,5%, et le taux de perte en ligne a baissé de 1,7%.

Troisièmement, pour répondre aux violations de tension à l'extrémité des lignes, un régulateur de tension intelligent de 200 kVA a été installé à 710 mètres du transformateur. Le régulateur accepte une plage de tension d'entrée de 210 à 430 V et maintient une sortie de 220 V ±2%. Il ajuste automatiquement son rapport de tours en fonction des mesures de tension en temps réel à l'extrémité de la ligne, maintenant la tension terminale constamment dans la plage acceptable. Depuis sa mise en service, le régulateur a réagi rapidement à travers divers pics et creux de charge, faisant passer le taux de conformité de la tension à neuf points de surveillance clés de 87% à plus de 98,5%.

Grâce à une approche de gestion en boucle fermée de « surveillance–contrôle–optimisation », ces mesures ont considérablement amélioré les performances des pertes en ligne de la zone de transformateur A, réalisant une économie d'énergie annuelle estimée à environ 120 000 kWh, avec des bénéfices économiques notables. Une comparaison des indicateurs clés est présentée dans le tableau 4.

Tableau 4 Comparaison des principaux indicateurs de la zone A avant et après la gouvernance globale

Dans la mise en œuvre réelle, les points suivants doivent également être pris en compte:
En premier lieu, concernant la fiabilité de la communication HPLC, la puissance de transmission, le codage de canal et d'autres paramètres doivent être configurés de manière raisonnable en fonction des conditions spécifiques du poste de transformation ; si nécessaire, des méthodes de relais peuvent être utilisées pour étendre la distance de communication.
Deuxièmement, le timing et la logique de verrouillage des opérations de commutation de phase doivent être soigneusement définis afin d'éviter des commutations excessives ou erronées—par exemple, le commutateur peut être configuré pour agir uniquement lorsque l'asymétrie dépasse 15 % et persiste pendant 3 minutes.
Troisièmement, le choix et la configuration de la capacité du régulateur de tension doivent inclure une certaine marge pour éviter des ajustements fréquents qui pourraient causer un usure mécanique ; se référer au Tableau 5 pour les directives sur le choix et la configuration des régulateurs de tension automatiques.

Tableau 5 Référence de sélection des modèles de régulateurs de tension automatiques

De plus, une équipe d'exploitation et de maintenance de haute qualité est également cruciale pour garantir le fonctionnement stable à long terme du système. Seulement en s'alignant étroitement sur les besoins réels, en sélectionnant et en optimisant les solutions techniques selon les conditions locales, et en les soutenant par un mécanisme de gestion solide, peut-on vraiment atteindre une amélioration continue dans la gouvernance des pertes de ligne.

4.Conclusion
La gestion des pertes de ligne dans les zones de transformateurs basse tension est d'une grande importance pour améliorer la qualité de l'alimentation électrique et l'efficacité économique, et l'application des technologies de réseau intelligent fournit un soutien fort dans ce domaine. Dans la pratique, des technologies telles que HPLC (Communication par Ligne Électrique à Haute Vitesse), des dispositifs de commutation de phase intelligents et des régulateurs de tension automatiques basse tension sont devenus des points clés de recherche et de mise en œuvre. Avec ces technologies, il est possible de réaliser une surveillance en temps réel des conditions de fonctionnement de la zone de transformateur, un équilibrage dynamique des charges triphasées et une régulation précise de la tension terminale.

Prenons l'exemple de la Zone de Transformateur A dans une certaine ville de comté, après une remédiation complète, le taux de perte de ligne a diminué de 9,7 % à 6,1 %, et le taux de conformité de la tension a augmenté de 11,5 %, réalisant des bénéfices économiques et sociaux significatifs.

Cependant, il y a encore des domaines nécessitant des améliorations dans les applications actuelles de la technologie—par exemple, l'amélioration des capacités anti-interférences de la communication et l'affinement des stratégies de contrôle auto-adaptatif des équipements. À l'avenir, l'accent devrait être mis sur la conception intégrée et le contrôle coordonné des dispositifs intelligents, ainsi que sur l'exploration plus approfondie des modèles de prédiction des pertes de ligne basés sur les données massives et l'intelligence artificielle. De plus, la formation technique renforcée du personnel d'exploitation et de maintenance est essentielle pour assurer le fonctionnement stable à long terme du système. Ces mesures fourniront des solutions plus efficaces et durables pour la gestion des pertes de ligne dans les zones de transformateurs basse tension.