[APPLICATION MOUSER] Les réseaux électriques se complexifient à mesure qu’ils doivent s’adapter à la décentralisation et à l’intégration des énergies renouvelables. Afin d’optimiser les performances et de prévenir les pannes, la gestion de ces complexités doit s’accompagner d’une surveillance en temps réel et d’un contrôle intelligent. A ce niveau, un réseau fondée sur l’IoT assure de meilleures prises de décision en temps réel, ainsi qu’une efficacité et une sécurité accrue et garantit une infrastructure électrique plus résiliente et plus intelligente pour l’avenir.

Auteur : Mark Patrick

Directeur contenu technique, EMEA

Mouser Electronics

L’Union européenne prévoit un investissement de 584 milliards d’euros dans les réseaux électriques d’ici 2030, dont 170 milliards seront spécifiquement consacrés à la numérisation intelligente (*). Cet investissement substantiel montre à quel point l’Internet des objets (IoT) est désormais considéré comme un facteur essentiel de réseaux électriques plus intelligents et plus résilients.

A ce niveau, le matériel compatible IoT (modules de communication, processeurs d’intelligence artificielle (IA) en périphérie de réseau, capteurs avancés, etc.) livre des informations exploitables sur les performances du réseau aux opérateurs chargés de détecter et de résoudre les problèmes avant qu’ils ne se transforment en véritables pannes. Le défi qui se pose alors aux ingénieurs concepteurs est de développer des appareils évolutifs et sécurisés capables de fonctionner dans des environnements à bruit élevé tout en garantissant une latence minimale des données.

Face à cette situatiion, la necessité d'une surveillance intelligente apparait clairement. Pour cela, il faut analyser les considérations conceptuelles clés et les technologies IoT essentielles pour la mise en œuvre de solutions de surveillance des réseaux électriques de nouvelle génération.

Vers la nécessité d’une surveillance intelligente

Les réseaux électriques modernes sont confrontés à de nombreux problèmes : fluctuations de la demande, instabilité, cybermenaces… L’essor des ressources énergétiques réparties – comme les panneaux solaires et les systèmes de stockage sur batterie – a rendu la variabilité de l’offre et de la demande encore plus imprévisible.

Les fluctuations de tension et les déséquilibres de fréquence provoquent en sus des perturbations qui nécessitent d’apporter des ajustements en temps réel. De plus, le boom de la connectivité a fait naître de nouvelles vulnérabilités qui nécessitent de prendre des mesures de sécurité drastiques en prévention des cyberattaques. L’intégration de sources d’énergie renouvelables variables telles que l’éolien et le solaire complique encore davantage la stabilité du réseau, car elle nécessite de disposer de systèmes de gestion sophistiqués capables de s’adapter rapidement aux fluctuations de la production d’électricité.

A ce niveau, la collecte et l’analyse de données en temps réel permettent aux gestionnaires de réseau d’améliorer la fiabilité et l’efficacité. Des capteurs intelligents et des systèmes de communication compatibles avec l’IoT peuvent ainsi détecter les anomalies, prédire les pannes et faciliter les stratégies de réponse à la demande.

Dans ce cadre, les systèmes de surveillance de réseau s’appuient désormais sur l’apprentissage automatique et des algorithmes fondés sur l’IA pour analyser les données historiques et en temps réel en vue de prévoir la consommation et d’optimiser la distribution d’électricité.

Comme indiqué précédemment, l’investissement de l’UE dans la numérisation démontre l’importance accordée à la surveillance intelligente dans le contexte des futurs systèmes énergétiques. Mais grâce à la technologie IoT, les fournisseurs d’énergie peuvent passer d’une gestion réactive du réseau à une gestion proactive, avec pour effet de réduire les temps d’arrêt coûteux et d’améliorer la résilience globale du système.

Les systèmes avancés de surveillance IoT fournissent des informations en temps réel sur les performances du réseau électrique pour davantage d’efficacité, de fiabilité et de sécurité dans un paysage énergétique de plus en plus complexe

Au-delà, la surveillance intelligente améliore l’efficacité du réseau et joue un rôle crucial dans le renforcement de sa sécurité, car les cybermenaces ciblant les infrastructures critiques sont une préoccupation croissante. Pour y répondre, les solutions compatibles IoT permettent notamment de détecter et d’atténuer les cybermenaces en temps réel. Ici, déployer des protocoles de communication chiffrés, un système de détection des anomalies et des mesures de sécurité basées sur l’IA sont désormais des moyens courants par lesquelles les opérateurs de réseau peuvent empêcher les accès non autorisés et garantir l’intégrité des données.

De plus, l’automatisation pilotée par l’IoT leur permet de réagir rapidement aux pannes inattendues de façon à réduire l’impact des pannes et à garantir la stabilité du réseau.

Des considérations conceptuelles à prendre en compte pour les ingénieurs

Le développement de matériel IoT pour la surveillance du réseau électrique présente plusieurs défis techniques qui nécessitent une réflexion approfondie. Les sous-stations électriques et les réseaux de transmission génèrent d’importantes interférences électromagnétiques (EMI) susceptibles de perturber les appareils IoT. Pour garantir la fiabilité de la transmission de données dans de tels environnements à bruit élevé, les ingénieurs ont recours à des techniques de blindage robustes, des algorithmes de filtrage avancés et des protocoles de communication résistants.

Les solutions matérielles doivent être renforcées pour résister aux conditions météorologiques extrêmes, aux fluctuations de température et aux altérations physiques potentielles, en particulier dans les zones reculées et non sécurisées.

Outre ces facteurs environnementaux, un autre aspect essentiel est l’efficacité énergétique. Les dispositifs de surveillance du réseau sont généralement implantés dans des endroits reculés avec une alimentation électrique limitée. C’est pourquoi le matériel utilisé doit être économe en énergie. À cet effet, les ingénieurs dotent leurs conceptions de microcontrôleurs à très faible consommation, de systèmes de gestion de l’énergie optimisés et de capacités de récupération d’énergie afin d’en prolonger la durée de vie opérationnelle.

Une autre mesure consiste à intégrer une alimentation de secours par batterie ou à énergie solaire afin d’assurer la continuité des opérations en cas de panne ou de perte de puissance prolongée.

L’évolutivité est un autre facteur clé dans la conception des appareils IoT. L’infrastructure du réseau électrique est en constante expansion et les solutions de surveillance doivent s’adapter à cette croissance. Les protocoles standards ouverts et les architectures modulaires facilitent l’interopérabilité entre les technologies existantes et futures et garantissent une intégration transparente dans divers environnements.

Il appartient dès lors aux ingénieurs de concevoir des systèmes flexibles capables de gérer des volumes de données croissants et de prévoir la mise à jour facile du micrologiciel, ainsi que la possibilité de réaliser des diagnostics à distance et d’optimiser les performances sans impliquer d’importants remplacements de matériel.

Afin de garantir la fluidité des échanges de données entre les différents appareils et les plateformes, les ingénieurs doivent prioriser l’utilisation des protocoles de communication standard de l’industrie (MQTT, OPC UA ou IEC 61850, par exemple).

De plus, la mise en œuvre d’une méthode de chiffrement de bout en bout, de mécanismes de démarrage sécurisé et d’algorithmes de détection d’anomalies aide à atténuer les risques pour la cybersécurité en protégeant les infrastructures critiques contre les attaques potentielles.

Bien que la cybersécurité soit soumise à une réglementation qui évolue continuellement, il est essentiel de s’assurer que les conceptions soient conformes à celle-ci, ainsi qu’aux pratiques d’excellences du secteur, car la protection de l’infrastructure réseau en dépend.

Un autre aspect essentiel est de réduire la latence des données à un minimum. Opérer un réseau nécessite de pouvoir prendre des décisions immédiates. Cela n’est possible que par le traitement en temps réel des données. La mise en œuvre en périphérie de réseau des capacités de traitement de l’IA permet de réduire le recours au cloud computing et améliore de fait les temps de réponse.

Les analyses générées par des logiciels d' IA permettent aux appareils IoT d’identifier les modèles de consommation d’énergie, de prédire les pannes et d’optimiser les stratégies de réponse à la demande plus rapidement qu’avec des centres de données distants.

Le calcul à faible latence est particulièrement important pour la régulation de fréquence, la stabilisation de la tension et la détection des défauts en temps réel, car ces tâches exigent une réponse rapide pour assurer la stabilité du réseau.

Les technologies IoT essentielles pour la surveillance du réseau

Les ingénieurs qui développent des solutions de surveillance du réseau électrique compatibles avec l’IoT ont à leur disposition diverses technologies de pointe pour créer des systèmes robustes et fiables.

Les modules de communication sont essentiels pour garantir la sécurité et la fiabilité de la transmission des données. La technologie de réseau étendu à basse consommation (LPWAN) permet une communication longue portée et peu énergivore, ce qui la rend idéale pour les applications de surveillance à distance. Dans les cas où une latence ultra-faible et un débit élevé sont requis, les réseaux 5G offrent des avantages significatifs, notamment la prise en charge des analyses en temps réel.

Certaines applications peuvent nécessiter des protocoles de communication propriétaires adaptés à des besoins spécifiques en matière de performances et de sécurité. Ceux-ci offrent en effet des solutions personnalisées qui améliorent la fiabilité du système. Le module LoRaWAN Type 1SJ de Murata en est un bon exemple. Ce module offre une connectivité LPWAN compacte et économe en énergie, ce qui en fait un excellent choix pour les applications de surveillance du réseau. Il affiche une sensibilité élevée de -137 dBm avec une puissance de sortie pouvant atteindre +22 dBm.

Il utilise en outre les bandes ISM 868 MHz et 915 MHz afin de garantir une communication longue portée fiable. Conçu pour les applications économes en énergie, le Type 1SJ de Murata offre une autonomie prolongée, ce qui le rend particulièrement adapté aux installations de surveillance de réseau distantes où l’alimentation peut être problématique.

Le module LoRaWAN Type 1SJ de Murata est doté d’une connectivité LPWAN compacte et basse consommation qui permet une communication longue portée fiable pour la surveillance intelligente des réseaux et les applications IoT

Outre les modules de communication, les processeurs IA en périphérie de réseau et l’électronique de contrôle jouent un rôle essentiel dans la surveillance du réseau. Ils permettent en effet la réalisation d’analyses et la prise de décision en temps réel à la source.

Grâce à leurs capacités de détection d’anomalies, ces systèmes sont capables d’identifier les perturbations du réseau et les éventuelles pannes des équipements avant qu’elles ne s’aggravent, ce qui a pour avantage de réduire les temps d’arrêt et d’éviter de coûteux dommages matériels. Les fonctionnalités de maintenance prédictive analysent les données transmises par les capteurs pour anticiper les défaillances des composants, ce qui permet en conséquence d’optimiser les calendriers de maintenance et de prolonger la durée de vie des équipements.

Enfin, la compression des données alimentée par l’IA réduit les besoins en bande passante, ce qui permet aux systèmes de surveillance à distance de transmettre uniquement les informations essentielles afin de préserver les ressources et de maintenir l’efficacité. Le système sur puce (SoC) compatible IoT et IA Genio 1200 de MediaTek est un produit exemplaire dans cette catégorie.

Dotée d’une IA puissante pour les applications d’edge computing, cette technologie permet d’optimiser la surveillance du réseau en autorisant le traitement intelligent des données à la source en vue de réduire la latence à un minimum et d’améliorer la réactivité globale du système. Les solutions de surveillance du réseau basées sur l’IA peuvent également intégrer des modèles avancés d’apprentissage automatique pour améliorer la prévision de la demande, optimiser l’équilibrage de charge et prendre en charge les réseaux autoréparateurs qui redirigent automatiquement l’alimentation en cas de panne.

Le Genio 1200 de MediaTek est un SoC haut de gamme conçu avec la technologie de pointe en 6 nm

Une autre technologie qui a le vent en poupe dans le domaine de la surveillance intelligente de réseau est la simulation à l’aide de jumeaux numériques. En s’appuyant sur les données collectées par IoT et grâce à la modélisation par IA, les gestionnaires de réseau peuvent créer des répliques virtuelles de leur réseau afin de simuler différents scénarios, de tester de nouvelles configurations ou d’optimiser les performances avant la mise en œuvre de changements dans l’environnement réel. La technologie des jumeaux numériques permet aux opérateurs de détecter les déficiences, de prédire les pannes matérielles et d’évaluer l’impact de l’intégration des sources d’énergie renouvelable avec une précision inédite.

(*) https://www.iea.org/energy-system/electricity/smart-grids