Mesures de consommation électrique

 

L’ensemble des établissements d’enseignement sont engagés par l’arrêté de sobriété énergétique à une réduction de 10% des consommations énergétiques à horizon 2024.

Le décret tertiaire applicable à l’ensemble des bâtiments de ce type comporte une obligation réglementaire de diminution de 40% des consommations énergétiques en 2030, 50% en 2040 et 60% en 2050.

De plus, le campus Arts et Métiers de Metz s’est engagé dans une démarche Développement Durable et Responsabilité Sociétale (DD&RS) qui inclut une amélioration de la gestion énergétique ainsi que la mise en place d’un système global d’information patrimonial.

La collecte détaillée des consommations énergétiques permet une amélioration du suivi des performances des procédés installés, du confort des utilisateurs et de la facturation au plus juste des prestations fournies aux entités hébergées sur le campus. Le partage des données pour la pédagogie est également un atout dans le déploiement des Evolutive Learning Factory (ELF).

L’ensemble de ces exigences et des bénéfices induits rendent la mise en place d’un système de comptage des consommations électrique indispensable.

 

Dans un premier temps, nous avons mesuré pendant un an la consommation électrique totale dans chaque bâtiment. Au bout d’un an, nous avons mesuré la consommation électrique de chaque appareil dans le bâtiment où la consommation était la plus susceptible de baisser.

 

 

Mesures de consommation électrique totale dans chaque bâtiment

 

Les mesures sont faites à l’arrivée du courant de chaque tableau général basse tension (TGBT). Les TGBT sont alimentés en 380 V triphasé. Chaque phase supporte jusqu’à 400 A, 630 A ou 2500 A, suivant le TGBT. Suivant l’intensité, il y a 2 ou 4 câbles par phase, avec une section de 150 mm², 185 mm² ou 400 mm². Ces câbles sont plus faciles à courber lors de leur installation qu’un seul plus gros câble par phase :

Alimentation TGBT

Câbles à l’arrivée d’un TGBT © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

Nous avons clipsé une boucle de Rogowski autour des câbles de chaque phase pour mesurer l’intensité des courants. Faciles et rapides à installer, elles limitent les risques d’accident et évitent de couper l’alimentation. Une boucle est assez grande pour entourer tous les câbles d’une phase :

Boucles de Rogowski

Boucles de Rogowski © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

Il faut veiller au sens de pose d’une boucle de Rogoswki pour mesurer une intensité positive. La flèche doit être orientée vers l’entrée des câbles dans le TGBT :

Sens de pose d'une boucle de Rogowski

Sens de pose d’une boucle de Rogowski © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

Les trois boucles de Rogowski sont branchées sur un énergimètre triphasé. Attention à bien respecter la polarité ou sinon, les mesures seront ésotériques : puissance active négative et énergie active nulle par exemple. Les trois phases sont aussi branchées sur l’énergimètre via trois disjoncteurs 1A. Cela permet de tenir compte du déphasage entre l’intensité et la tension sur chaque phase. L’ordre des phases mesurées en intensité doit correspondre à l’ordre des phases mesurées en tension ou sinon, vous aurez aussi des mesures fausses, par exemple une énergie apparente dix fois plus importante que l’énergie active :

Énergimètre AcuRev

Énergimètre © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

À partir de la mesure d’intensité et de la tension de référence, sur chaque phase, l’énergimètre calcule la puissance active P (W) = U (V) x I (A) x cos φ et la puissance apparente S (VA) = U (V) x I (A) qui conditionne la puissance souscrite chez le fournisseur d’électricité, puis l’énergie active (Wh) facturée et l’énergie apparente (VAh).

Pour mesurer et transmettre ces valeurs à une plateforme IdO sur Internet, nous aurions pu utiliser un énergimètre intégrant une prise Ethernet ou le Wi-Fi, et un client MQTT, par exemple l’énergimètre Spoony de DotVision Energy, l’énergimètre de PHOENIX CONTACT ou l’énergimètre Accuenergy AcuVim-L avec son module AXM-WEB2. Mais pour éviter d’installer un câble réseau jusqu’à chaque lieu de mesure, nous avons choisi une transmission radio vers une passerelle DASH7 → Ethernet. La portée de la transmission radio DASH7 est plus courte que celle de la transmission radio LoRaWAN. Elle est similaire à celle du Wi-Fi, c’est suffisant pour répondre à nos besoins. Les spécifications de DASH7 sont disponibles sans licence ni brevet, c’est une technologie complètement ouverte, la bande de fréquence autour de 868 MHz est libre d’utilisation et ne gêne pas le Wi-Fi à 2,4 GHz, 5 GHz ou 6 GHz.

Chaîne de mesure LiQuiBit

Système de mesure de consommation électrique © LiQuiBit

 

Coffret électrique avec énergimètre et passerelle Modbus → DASH7 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

La sortie Modbus de l’énergimètre est branché à une carte avec une interface Modbus, une puce radio DASH7 et une antenne radio 868 MHz. Cette carte envoie les données par transmission radio à la passerelle DASH7 → Ethernet, toutes les 10 minutes.

Interface Modbus - DASH7

Carte avec interface Modbus, puce radio DASH7 et antenne radio 868 MHz interne © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

La passerelle DASH7 → Ethernet envoie les données à la plateforme IdO, avec le protocole de communication MQTT :

Passerelle DASH7/Ethernet

Passerelle DASH7 → Ethernet, avec transmission en MQTT © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

Pour améliorer la réception radio, l’antenne de la passerelle DASH7 → Ethernet a été remplacée par un kit antenne radio 868 MHz.  L’antenne a été placée en hauteur et au milieu du bâtiment :

Antenne 868 MHz

Antenne radio 868 MHz © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

La société LiQuiBit, spécialiste de la transmission radio DASH7, fournit un petit boîtier émetteur / récepteur pour évaluer la qualité de réception du signal radio DASH7 par la passerelle DASH7 → Ethernet. Vous pouvez l’utiliser pour cartographier la réception dans un bâtiment. Ce boîtier existe en deux version, avec une antenne interne ou avec une antenne externe (plus longue portée) :

Boîtier Link7 avec antenne interneBoîtier Link7 de LiQuiBit pour évaluer la qualité de la transmission radio DASH7 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

Graphique sur la plateforme IoT

Graphique sur la plateforme IdO © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

 

 

Mesures de consommation électrique de chaque appareil

 

Les mesures sont faites en priorité sur les appareils de forte puissance, même s’ils ne sont pas utilisés en permanence. Cela permet de connaître leur consommation annuelle réelle. Les autres appareils sont aussi équipés progressivement. La méthode de mesure est identique à celle utilisés sur les TGBT, avec un énergimètre et une émission radio des données vers la passerelle DASH7 → Ethernet. Mais nous utilisons un autre modèle d’énergimètre, avec des transformateurs d’intensité ouvrants à la place des boucles de Rogowski :

Machine à instrumenter

Tension (V)

Phases

Puissance (kW)

Intensité (A)

Énergimètre

Qté

Transformateurs d’intensité

Qté

Four de fonderie aluminium (MÉTAFOUR)

400 V

3

40 A

AcuRev 1312-333-X0

1

AcuCT-H040-40:333

3

Grenailleuse (USF Wheelabrator Sisson-Lehmann)

380 V

3

2,5 kW

3,8 A

AcuRev 1312-333-X0

1

AcuCT-H040-5:333

3

Presse (SCOVAL – FONDARC)

380 V

3

9,7 kW

14,7 A

AcuRev 1312-333-X0

1

AcuCT-H040-20:333

3

Presse (I.M.F. Impianti Macchine Fonderia)

380 V

3

20 A

AcuRev 1312-333-X0

1

AcuCT-H040-20:333

3

Presse (Laempe – LL 5)

400 V

3

9 kW

13 A

AcuRev 1312-333-X0

1

AcuCT-H040-20:333

3

Presse (Laempe – LBB1)

400 V

3

5 kW

7,2 A

AcuRev 1312-333-X0

1

AcuCT-H040-10:333

3

Les valeurs ont été relevées sur les plaques signalétiques des machines et dans leur documentation technique. Les intensités manquantes ont été calculées sur le site web RapidTables.

 

Sécurité

Les branchements électriques ont été faits par un électricien habilité à travailler sur les TGBT et dans les coffrets électriques.

Un plan de prévention a été établi avant l’intervention de chaque entreprise.

Par sécurité, la passerelle DASH7 → Ethernet est branchée dans un réseau informatique dédié à l’Internet des Objets, séparé logiciellement (VLAN) du reste du réseau privé. Les flux dans le réseau IdO sont surveillés, pour se protéger d’une éventuelle attaque depuis les autres réseaux. On aurait aussi pu utiliser une passerelle DASH7 avec carte SIM 4G, pour ne plus utiliser Ethernet et être complètement indépendant du réseau privé.

Ce projet a pu aboutir grâce aux installation, aux tests et aux résolutions des dysfonctionnements, faits par Nicolas BEAUFRERE, Ozlay KORKMAZ et Jean-François NOLLER.

 

Auteurs : Clément LE HUBY, David VANTYGHEM <david.vantyghem@ensam.eu>. Ce document est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International. Logotype licence CC BY-SA

Image en vignette : Multimètre avec pince ampèremétrique © Pano38 / Wikimedia Commons, licence CC BY-SA 4.0.


Documentation technique

Boucles de Rogowski Accuenergy AcuCT RCT16-1000 pour les phases supportant jusqu’à 1200 A et AcuCT RCT16-2500 pour les phases supportant jusqu’à 3000 A : Caractéristiques.

Énergimètre Accuenergy AcuRev 1312-RCT-X0 :

Paramétrage de l’énergimètre, documentation de la carte avec interface Modbus et puce radio DASH7, documentation de la passerelle DASH7 → Ethernet, code source des logiciels sous Licence Libre.

Kit antenne radio 868 MHz McGill Microwave Systems : Caractéristiques. Prévoir un adaptateur coaxial SMA mâle / RP-SMA mâle.

Boîtier Link7 : manuel d’utilisation (fichier LibreOffice ou fichier PDF).

 

Documentation pédagogique et données

Bientôt disponibles.

 

Pour ouvrir, modifier et imprimer les fichiers LibreOffice, téléchargez et installez LibreOffice. Si vous n’avez pas le droit d’installer un logiciel sur votre ordinateur, téléchargez LibreOffice Portable et enregistrez-le dans un dossier, il fonctionne immédiatement sans installation.

2 thoughts on “Mesures de consommation électrique

Laisser un commentaire