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L'action de diffusion technologique est cofinancée par l'Union européenne.L'Europe s'engage en région Centre avec le Fonds européen de développement régional.
SMART METERING : Solutions pour l'analyse et la gestion
de la consommation électrique
État de l'art des technologies de capteurs et radio pour les mesures de consommation
E.PATOUILLARD – Mai 2016
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SOMMAIRE
1) Généralités
2) Les capteurs & quelques solutions capteurs
3) Les technologies radio
4) Des solutions résidentielles & Benchmark de quelques produits
5) Des solutions tertiaires et industrielles
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GÉNÉRALITÉSRépartition de la consommation électrique
Source : http://www.rte-france.com/sites/default/files/pictures/actu/rte_be_2015_interactif.pdf
Exemple de consommation des ménagesSource : http://www.energie-environnement.ch/economiser-l-electricite/situer-sa-consommation-d-electricite
35 %
26 %
16 %
12 %10 %
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GÉNÉRALITÉS● Puissance = U x I (Watt)● Énergie = U x I x t (Joules ou Watt Heure)● Puissance active = valeur moyenne de la
puissance instantanée (Watt), dépend des valeurs efficaces de u et de i et du déphasage entre les deux grandeurs.
● Selon EDF Vmax (230V) peut varier de -10% à +6% (soit de 207 à 244 V)
● Facteur de puissance :
PF=PS Puissance apparente
Puissance active
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LES CAPTEURS● Capteur à Shunt
● Loi d'Ohm● Résistance très faible et précise (100 à 1600 µΩ)
Source : Techno Elec Mai Juin 2005
http://www.thierry-lequeu.fr/data/TF138-Mesure-courant.pdf
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LES CAPTEURS● Pinces ampèremétriques simples pour courant
alternatif (Transformateur de courant)Principe : un courant I1 passe dans un bobinage B1 et crée par le circuit magnétique commun, un courant I2 dans le bobinage B2
i1 x N1 = i2 x N2 Si N1=1, alors i2=i1/N2
Source : Chauvin Arnoud
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LES CAPTEURS● Capteurs à effet Hall pour courants alternatifs et continus :
Principe : Un matériau est parcouru par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle θ avec le courant. Il apparaît, dans une direction perpendiculaire à l'induction et au courant, une tension Vh
Source : http://www.lem.com/hq/fr/content/view/25/318/
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LES CAPTEURS● Capteurs MEMS
Oskar Zbigniew Olszewski et al. /Procedia Engineering 87 ( 2014 ) 1457– 1460
Sources : http://cap.ee.ic.ac.uk/~pdm97/powermems/2009/pdfs/papers/014_0045.pdf
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187770581402846X
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LES CAPTEURS● Capteurs à effet Neel de Neelogy (37)
● Utilisation de matériau superparamagnétique placé à l’intérieur d’une bobine conductrice
● L’intérêt de l’effet Néel est en particulier de permettre la mesure précise de courants continus ou de très faible fréquence avec un capteur du type transformateur de courant, sans contact.
Principe du capteur de courant à effet Néel à rétroaction de champ
Source : http://www.neelogy.com/pages/l_effet_neel_r_nanotechnologie_magnetique_neel
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LES CAPTEURS● Comparaisons
Méthode Avantages Inconvénients Utilisation
Shunt Bas coûtPas d'isolation,Pertes en I2R
Appareils domestiques
bas coût
Transformateurde courant
(CT)
Isolation électrique, Mesure des forts
courants
Pertes et non linéarités (hystérésis,
rémanence, saturation dans le tore)
Appareils domestiques et
industrielspour des forts
courants
Capteur à effet Hall
Courant AC/DC, forts courants (< 500 A), isolation électrique,
Grande bande passante
Coût, Offset pour I = 0, source externe requise,
linéarité(Idem que CT) mais
moins utilisé
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LES CAPTEURS● Comparaisons
Source : Revue Mesures n°763
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LES CAPTEURS
● Solutions sans capteurs déportés :● Mesure optique :
– comptage du nombre de tours de roue codeuse du compteur
– ou reconnaissance de caractères d'un compteur numérique– ou comptage du clignotement de LED du compteur
● « Bus » téléinformations à la sortie du compteur d'énergie– plus de détails dans la présentation de Vientech
● Autres méthodes présentées par PRISME et le GREMAN
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DES SOLUTIONS CAPTEURS● Transformateurs de mesure de courant
– TCT (www.tct.fr, 58), – RS (www.rsisolsec.com, 45)
● Divers technologies :
– (www.chauvin-arnoux.com)– (www.lem.com)
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DES SOLUTIONS CAPTEURS● MEMS :
● TI DRV42x, capteur fluxgate
● Infineon TLI4970, capteur à effet Hall
● Allegro, capteurs à effet Hall
● Melexis MLX91205
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DES SOLUTIONS CAPTEURS
● Capteurs connectés● Wi6Labs (35) : LoRa/SigFox
www.wi6labs.com/
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LES TECHNOLOGIES RADIO
Source : http://www.inov360.com/blog/reseaux-sim-less-le-nouvel-eldorado-du-m2m-et-de-linternet-des-objets-2/
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LES TECHNOLOGIES RADIO● Courte portée: capteurs/capteurs ou capteurs/passerelle
● Wireless Meter Bus (WM-Bus)● KNX● ZigBee / Z-wave ● EnOcean● WiFi & Wifi passif
● Longue portée : capteurs / infrastructure● 3G / 4G● SigFox● LoRa● LTE-M
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RADIO COURTE PORTÉE● WM-Bus :
● Standard M-Bus (EN 13757) dédié pour la relève des compteurs
● Version wireless définie dans EN 13757-4● Fréquences disponibles : 169, 433 et 868 MHz● Différents modes suivant :
– Fréquences d'envoi– Mono ou bi-directionnel
● Débit de 32 à 100 kb/sSources : http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wireless-m-bus/basics-tutorial.php http://www.rfwireless-world.com/Terminology/What-is-Wireless-M-Bus.html
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RADIO COURTE PORTÉE
Source : http://serveur-infocom.fr/knx/site/doc/pdf/compteur_KNX_intellignent.pdf
● KNX ● Standard en domotique et GTB● Interface possible filaire ou radio
(868 MHz)● Intégré dans les compteurs Linky
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RADIO COURTE PORTÉE● ZigBee
● Couches basses 802.15.4, couches hautes spécifiques● Réseau Mesh● Applications principales : contrôle et monitoring :
– Capteurs– Contrôles d'éclairages– Sécurité
● Débits suivant bandes de fréquences :– 250kbps à 2,4 GHz– 20kbps à 868 MHz
● Evolutions : ZigBee Pro (+sécurité) et ZigBee RF4CE
● Z-Wave : équivalent mais radio Sigma designs et 868,42 MHz uniquement
● BLE : Annonce Cypress d'un chip BLE « longue portée » (400m) Sources : http://www.radio-electronics.com/info/wireless/zigbee/zigbee.phphttp://www.link-labs.com/z-wave-vs-zigbee/ https://www.lembarque.com/avec-cypress-la-technologie-bluetooth-low-energy-dope-sa-portee-a-400-metres_004651
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RADIO COURTE PORTÉE● EnOcean
● EnOcean Alliance avec EnOcean, Texas Instruments, Omnio, Sylvania, Masco, MK Electric
● Caractèristiques– Récupération d'énergie– Petits messages
● Bandes de fréquences :
– EnOcean annonce des modules en 2,4GHZ reposant sur la norme IEEE 802.15.4 (PTM215Z, PTM535Z et TCM515Z)
Sources :https://www.enocean.com/en/enocean_modules_2.4ghz/ https://www.enocean-alliance.org/en/enocean_technology/
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RADIO COURTE PORTÉE● Wifi : haut débit (entre 11 et 450 Mbit/s)
mais consommation importante● WiFi passif:
● utilise le principe des tags RFID : technique de réflexion des ondes qui synthétise des transmissions compatibles avec le 802.11b
● Ces transmissions peuvent être décodées par des objets Wi-Fi existants.
● Débit atteint entre 1 et 11Mbps avec 15 à 60 µW
● Pour l'instant prototypes de labo seulement
Sources :http://www.silicon.fr/des-chercheurs-mettent-au-point-un-wifi-a-ultra-basse-consommation-139968.html
http://passivewifi.cs.washington.edu/files/passive_wifi.pdf
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RADIO LONGUE PORTÉE
Couverture Débit théorique
Portée Commentaire
GSM (Edge, 3G, 4G)
Mondiale, fréquences différentes Europe, US, Asie
Edge : 384 kb/s3G : 10Mb/s à 40Mb/s4G : 150 Mb/s
~20km + couverture mondiale si module radio compatible- coût / consommation
SIGFOX France, Espagne, …Europe, US (fréquences différentes)
0,5kb/s ~20km en champ libre~5km en ville
+ coût+ consommation+ déployé- peu ou pas de débit descendant
LoRaWAN Peu déployé Europe, US (fréquences différentes)
0,3 à 100kb/s ~5km + coût ?+ consommation- pas encore très déployé
LTE-M Pas encore normé
1Mb/s sur 1,4MHz de BP
Idem 4G + couverture ?- norme prévue fin 2016
● LONG RANGE pour la télérelève
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DES SOLUTIONS RESIDENTIELLESAvidsen (37)
● Pince ampèremétrique et afficheur
● Prises de courant et afficheur
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DES SOLUTIONS RESIDENTIELLES
ALTYOR / NODON (45)● Prises avec interrupteur qui mesurent le
courant consommé et l'envoi à une passerelle
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DES SOLUTIONS RESIDENTIELLES
● Delta Dore
Source : http://www.deltadore.fr/produits/suivi-consommations
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DES SOLUTIONS RESIDENTIELLES● Legrand
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BENCHMARK de quelques produitsDispositifs de comptage (calculateurs d’énergie) évalués par le laboratoire PRISME
28
Avidsen
Otio
Casto
Voltcraft
Puissance active (W) Energie (kWh) Courant (A) Tension (V) Fréquence (Hz) Facteur de puissance Date et heure Coût de la consommation
(€) …
31,95 € 16,90 €
30,00 €12,90 €
Grandeurs affichées :
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Mesures de puissance : erreurs relatives par rapport à une référence laboratoire
Radiateurs électriques
Aspira-teurs
Lampes halogènesVentila-
teursLampe
halogèneSwitch
Ethernet
P nominale
(W)
2000 – 500 W
1150 – 400 W
500 – 150 W
150 – 53 W
40 – 25 W
15 W 3 W
Erreur ≤ 2%
C1, C2, C3, C4
C1, C2, C3, C4
C1, C2, C3, C4
C2, C4 C1 C2 –
2% < Erreur ≤
5%– – – C1, C3
C2, C3, C4
C3, C4 –
Erreur > 5%
– – – – – C1C1, C2, C3, C4
C1 : Avidsen, C2 : Otio, C3 : Castorama, C4 : Voltcraft
• Calculateurs précis pour P > 150 W (erreur ≤ 2% : correspond à la notice constructeur)
• Calculateurs pas adaptés pour P < 5 W• Précision des calculateurs dépend du type de la charge pour 15 < P < 150 W
BENCHMARK de quelques produits
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Revame (45) : ● Architectures hybrides avec
solutions propres et solutions du marché
● Applications : gestion de l'énergie dans les bâtiments/immeubles de bureau
DES SOLUTIONS BÂTIMENTS COLLECTIFS & TERTIAIRES
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DES SOLUTIONS BÂTIMENTS COLLECTIFS & TERTIAIRES
● NKE Watteco (56)
Capteurs + transmissions LoRa ou SigFox ou WM Bus
http://www.nke-watteco.fr/
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GreenPriz (06)
Solutions pour le tertiaire et collectivités :
Solutions GreenStick :
DES SOLUTIONS BÂTIMENTS COLLECTIFS & TERTIAIRES
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DES SOLUTIONS TERTIAIRES & INDUSTRIELLES
Linaware (28)
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Comment reconnaître des appareils électriques grâce à leurs signatures
courant-tension ?
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