G3-PLC

G3-PLC : G3-Power Line Communication, Courants porteurs en ligne

La communication par courants porteurs en ligne (abréviation : CPL) permet de construire un réseau informatique sur le réseau électrique.

Le protocole CPL de communication global, simple et ouvert, dit G3-PLC a été spécialement développé pour le fonctionnement des Smart Grid.

G3-PLC permet la gestion intelligente des compteurs, le contrôle et la surveillance du réseau de distribution électrique, la gestion énergétique, le chargement des véhicules électriques, le contrôle de l’éclairage ainsi que d’autres applications des réseaux du futur.

À l’instar d’autres normes de communication universelles telles que WiFi et Bluetooth, cette alliance a pour vocation d’encourager l’adoption généralisée de la norme G3-PLC, en permettant son développement rapide à tous les niveaux de l’écosystème électrique.
Il est opérationnel sur la basse et la haute tension.

Principe de fonctionnement des CPL

Le principe des CPL consiste à superposer au courant électrique alternatif de 50 ou 60 Hz un signal à plus haute fréquence et de faible énergie.
Ce deuxième signal se propage sur l’installation électrique et peut être reçu et décodé à distance par tout récepteur CPL de même catégorie se trouvant sur le même réseau électrique.

Il existe un inconvénient de taille : le réseau électrique n’est pas adapté au transport de haute-fréquence car il n’est pas blindé.
En conséquence, la plus grande partie de l’énergie injectée par le modem CPL est rayonnée sous forme d’onde radio. On classe traditionnellement les CPL en deux catégories en fonction du débit offert. Les CPL à haut débit utilisent des modulations multiporteuses de type OFDM dans la bande 1,6 à 30 MHz (bande HF allant de 3 à 30 MHz).

Les CPL à bas débit utilisent des techniques de modulations assez simples, par exemple quelques porteuses (mais une seule à la fois) en modulation de fréquence. Les bandes des fréquences utilisées sont comprises entre 9 et 150 kHz en Europe et entre 150 et 450 kHz aux États-Unis.

En haut et en bas débit, la communication est soumise aux bruits et aux atténuations. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre de la redondance, ainsi qu’un contrôle d’intégrité par exemple sous la forme de codes correcteurs d’erreurs.
Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basses fréquences avant le traitement du signal.
Le modem transforme un flux de bits en signal analogique pour l’émission et inversement en réception, celui-ci inclut les fonctions d’ajout de la redondance et de reconstitution du flux de bits original ou correction d’erreur.

Le protocole CPL-G3 ou G3-PLC, a été homologué par l’Union internationale des télécommunications (UIT) comme nouveau standard de communications par courants porteurs à bande étroite (NB-PLC), utilisant le multiplexage par répartition orthogonale de fréquence (OFDM) en basse fréquence.
Le CPL-G3 est le seul standard CPL à bande étroite supportant le protocole internet IPv6 et la compression d’entête IP 6LoWPAN5, ce qui permet la création de nouveaux systèmes de gestion de compteurs d’énergie, basés sur internet. C’est ce protocole CPL-G3 qui est utilisé par ERDF pour la mise en place du compteur communicant Linky.

La norme G3-PLC est destinée à être exploitée dans des bandes de fréquence 10-490 kHz et est conforme aux organes réglementaires CENELEC, FCC et ARIB.
Elle a été conçue pour répondre aux exigences suivantes:

– Profil de communications adaptée à une exploitation dans des environnements bruyants tels que les lignes à haute tension, les communications longues distances dans des lignes à moyenne tension, et surtout pour permettre la communication entre les transformateurs de HTA -> BT.
– Performance: communication numérique bidirectionnelle avec un taux de transmission des données pouvant aller jusqu’à 300 Kbps.
– Simplicité de mise en œuvre, à installer (Plug-and-Play), à faire fonctionner et à entretenir.
– Sécurité avec un moteur cryptographique AES-128.
– Modularité: G3-PLC intègre 6LoWPAN couche d’adaptation pour transmettre des paquets IPv6 sur des canaux de courant porteur en ligne. Les couches MAC basée 802.15.4-permet l’interopérabilité.
– Interopérabilité : G3-PLC soutient bandes de fréquences à travers le monde (10 kHz à 490 kHz). Coexiste avec la CEI 61334, la norme IEEE P1901 et ITU G.hn.
– Coût: sa capacité à traverser les transformateurs HTA -> BT réduit les concentrateurs de données. La communication haut débit sur de longues distances (10 km) réduit le nombre de répéteurs requis.

Technologies de Courants porteurs en ligne G3-PLC -> Smart Grid

CPL sur les lignes à haute tension HTB

Sur les lignes à haute tension l’utilisation de coupleurs capacitifs ou transformateurs de tension capacitifs permettent de connecter les transmetteurs radio à fréquence moyenne sur les conducteurs.
Les fréquences sont de l’ordre de 24 à 500 kHz, avec des puissances de transmetteurs de l’ordre de quelques dizaines de watts. Ces signaux sont appliqués à un conducteur, ou à deux, voire aux trois conducteurs de la ligne à haute tension. On peut passer plusieurs canaux de CPL sur une seule ligne. Ces circuits servent au contrôle de l’appareillage électrique à haute tension, et à la protection des réseaux électriques.

Dans les postes HTB, la communication se fait en point à point entre les 2 extrémités de la ligne.
La non propagation des signaux en dehors de la ligne est assurée par un circuit bouchon, composant associant une self d’inductance de l’ordre du mH (millihenry) .
Le couplage est assuré soit par un condensateur de couplage isolé à l’huile, soit par un transformateur de tension si celui-ci est de technologie capacitive. On y injecte les conversations téléphoniques, les transmissions de mesures pour les dispatchings et les ordres de fonctionnement de certains appareils.

La transmission par courant porteur en ligne n’a malheureusement qu’un débit très limité, incompatible avec certaines applications telles que la télésurveillance.
Ce système comporte également un défaut : en cas de maintenance, les câbles de la ligne sont mis à la terre de part et d’autre de la zone de travail et les signaux CPL sont perturbés.

Les systèmes utilisent la communication par micro-onde et de plus en plus la communication par câble fibre optique pour l’essentiel de leurs besoins en communication, les CPL restent utilisés comme système de secours pour des installations simples pour ne pas avoir à installer de fibres optiques sur les lignes à haute tension existantes.

Les raisons du Smart Grid

Le Smart grid désigne deux grandes évolutions dans la gestion de l’électricité :

– La première est l’évolution du réseau électrique, dont l’organisation doit changer pour s’adapter à des productions d’énergies intermittentes et décentralisées que sont les énergies renouvelables et de nouvelles consommations comme la recharge des véhicules électriques, qui menacent de déstabiliser le réseau et de provoquer sans réaction des gestionnaires des coupures et des surtensions. Aujourd’hui le réseau basse tension est aveugle, il s’agit de le rendre pilotable afin de gérer et d’assurer sa qualité.

– La deuxième évolution concerne les utilisateurs du réseau : on souhaite les rendre acteurs du système électrique, dans le but est de diminuer les consommations énergétiques et de maîtriser les pointes de consommations génératrices d’investissements lourds et d’émissions de gaz à effet de serre. Cela passe par une communication renforcée entre le réseau et le consommateur, et peut prendre plusieurs formes comme par exemple les « energy box » pour contrôler sa consommation à la maison, les contrats « d’effacement » rémunéré des consommations de pointe, une nouvelle grille tarifaire dynamique pour les particuliers prolongeant le système heure creuse/heure pleine, ou des compteurs communicants.

Essais en cours

Nexans qui participe au projet SoGrid (démonstrateur de Smart Grid)) met en œuvre des solutions facilitant la transmission G3-PLC sur les réseaux basse et haute tension ainsi que des dispositifs électroniques de gestion et de transfert de données locales sur les réseaux haute tension. Nexans fourni sur ce projet les coupleurs G3-PLC et des capteurs haute précision de tension et d’intensité.