Analyse et modélisation du réseau électrique basse tension aux fréquences courants porteurs de la gamme [1 MHz-30 MHz]

Analysis and modeling of the low voltage power network for the transmission of power line communications in the [1 MHz-30 MHz]

• Auteur / Autrice : Fawsi Issa
• Direction : André Pacaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Rayonnement

Théorie des antennes

Propagation

Modélisation

Théorie des lignes

Analyse modale

Matrice de dispersion

Méthode des éléments finis

Potentiels de Hertz

Résumé

La technique des courants porteurs en ligne (CPL) consiste à superposer un signal radiofréquence de la bande (1MHz-30 MHz) à l'onde de puissance 50 Hz. Ces signaux sont superposés véhiculer sur le réseau électrique basse tension (BT). Des données numériques peuvent ainsi être transmises à hauts débits aux différents abonnés du réseau électrique BT. Les services proposés peuvent être de l'internet, de la voix sur IP ou encore des films numériques. Nous étudions le rayonnement électromagnétique associé aux signaux CPL ainsi que la propagation de ces derniers. La caractérisation du rayonnement associé à la plupart des supports de transmission BT aériens et souterrains a été traitée. Les méthodes mises en œuvre pour la modélisation des phénomènes de rayonnement sont basées sur la théorie des antennes et la méthode des éléments finis. Une méthode originale basée sur les potentiels de Hertz a été aussi développée pour l'étude des lignes aériennes. Par ailleurs, des résultats théoriques d'incidence pratique ont été mis en évidence concernant la surestimation du champ électrique infèrente à l'utilisation de l'impédance d'onde du vide. Des aspects relatifs à la standardisation des réseaux et systèmes CPL sont aussi abordés. L'étude de la propagation des signaux CPL sur réseaux électriques BT s'est faite à plusieurs niveaux. Partant de la modélisation des lignes et câbles du réseau BT, la théorie de l'analyse modale a été appliquée de façon à mettre en évidence des modes de propagation propres propices à la transmission de données. Des résultats concernant tous les supports de transmission du réseau BT ont servi de référence à trois dépôts de brevet d'invention quant au couplage optimal du signal CPL. Les résultats théoriques issus de la théorie des lignes de transmission classique ont été utilisés pour le développement d'un simulateur de réseaux électriques monophasés. Par ailleurs, les résultats concernant la théorie des lignes transmission étendue au cas multiconducteur ont servis de base à l'introduction de la notion de matrice de réflexion modale. Cette dernière permet le calcul des tensions et courants connaissant les conditions aux bornes du support étudié. Le problème complexe de la modélisation des réseaux électriques triphasés est aussi traité. Pour ce faire, un formalisme original basé sur les matrices de dispersion a été développé par la proposition de formulations simples en termes d'ondes entrantes et sortantes des différents éléments constructifs du réseau électrique BT.

A power line communication (PLC) signal is a radiofrequency signal which is superimposed to the 50 Hz power wave. These high frequency signals are assumed to propagate in low voltage (LV) networks and to have a spectrum extends from 1 MHz up to 30 MHz. Hence, some numerical data can be transmitted to the customers of the LV power network with high data rates. The proposed services can be internet, voice over IP or even numerical movies. We study the radiated emission likewise the conducted aspects associated with PLC signals. The characterization of the electromagnetic radiations associated with most of both overhead and underground LV transmission media have been done. The numerical proposed models are based on the antenna theory and the finite element method. An original method has been developed using Hertz potentials computation for the modelling of overhead lines. Moreover, some theoretical results with practical applications have been found dealing with the overestimation of the electric field using the freespace impedance. Some aspects relative to the standardization of PLC systems and networks are discussed. The study of the PLC signals propagation in LV networks is proposed at several levels. In the light of the modelling of the lines and cables of the LV network, the modal analysis theory has been applied thus carrying out some propagation eigenmodes optimal in a data transmission way. Some results concerning all the transmission media used on the LV network allowed three patents for an optimal coupling of the PLC signal. The theoretical results coming from the classical transmission line theory have been applied for a complete computation code with an associated graphical user interface for the simulation of single phase networks. Besides, some results of the multiconductor transmission lines theory have been used for the introduction of the modal scattering matrix concept for the computation of voltages and currents knowing the boundary conditions of the studied medium. The complex issue of the modelling of the three phase networks is also analysed. Hence, an original formalism based on scattering matrix has been developed and proposed some simple incoming-outgoing waves formulations of the different elements of a power network.