Combler le fossé : intégration efficace des capteurs dans le logiciel de gestion de l’état des équipements pour le marché des services publics d’électricité

Les services publics d’électricité reconnaissent la valeur des capteurs et des données qu’ils fournissent pour un service fiable et rentable. Les avantages des capteurs de surveillance d’état sont bien connus en termes d’aide à la fourniture des données nécessaires à la maintenance proactive, mais de nombreux services publics ne disposent pas de tels systèmes installés sur tous leurs équipements.

Les services publics d’électricité peuvent résoudre les problèmes d’incompatibilité entre les systèmes et les capteurs et de manque de programmeurs IIoT qualifiés grâce à une solution de surveillance d’état qui facilite l’intégration de différents capteurs, sans codage requis. La solution peut se connecter à divers systèmes, tels qu’OSI PI Historian et OPC UA, pour enregistrer et analyser des données de séries chronologiques provenant de différents capteurs. Relier ces capteurs avec des logiciels et des ressources matérielles innovants permet aux entreprises d’agréger les données d’état requises pour les équipements importants facilement et efficacement afin d’améliorer la connaissance situationnelle, permettre la prise de décisions assurant la continuité des opérations, réduire les coûts de maintenance et améliorer la productivité, la fiabilité et la sécurité.

BESOINS ET DÉFIS AUXQUELS SONT CONFRONTÉS LES SERVICES PUBLICS D’ÉLECTRICITÉ

Les services publics d’électricité ont plusieurs impératifs commerciaux qu’ils doivent respecter :

• Améliorer la sûreté, la sécurité et la fiabilité
• Intégrer de nouveaux sources d’énergie et modèles de consommation
• Moderniser le réseau électrique

Ils sont également confrontés à une longue liste de défis :

• Intégration avec les anciens équipements
• Inspecteurs qualifiés à la retraite
• Accès aux équipements et aux données de production
• Risques de sécurité
• Infrastructure vieillissante
• Gestion et sécurisation des applications et des réseaux propriétaires en silos coûteux
• Expertise pour gérer les données, les réseaux et la sécurité

L’une des façons dont les services publics d’électricité peuvent résoudre ces problèmes est l’utilisation d’une passerelle périphérique IIoT conçue spécialement pour les environnements industriels.

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INSPECTIONS PONCTUELLES PÉRIODIQUES

Compte tenu de l’âge de l’infrastructure existante, il n’est pas surprenant qu’un grand nombre de services publics d’électricité aient peu ou pas de capteurs intégrés. Les inspections sont effectuées périodiquement, généralement par des équipes internes équipées de capteurs portables, pour la maintenance prédictive de routine. Le délai de ces inspections ponctuelles varie, mais il peut n’être que d’une ou deux fois par an.

La sécurité est importante pour les techniciens qui effectuent des inspections avec des appareils portables. Il y a peu de techniciens qualifiés pour ces inspections, et il peut être dangereux de se rendre dans des stations de transmission haute tension.

Les équipes d’inspection utilisent souvent des caméras thermiques portables pour inspecter les systèmes. Elles enregistrent les données pendant l’inspection, puis les téléchargent plus tard pour la transmission. Une fois les données reçues et examinées, l’équipe génère un rapport d’inspection qui peut prendre jusqu’à une semaine en fonction du nombre de systèmes examinés.

Les images suivantes sont des exemples de problèmes découverts lors d’inspections ponctuelles à l’aide de caméras thermiques portables :

Fusible grillé (second à partir de la gauche) (Réf : archives de la conférence Inframation – Centre de formation à l’infrarouge (ITC))

Ventilateur de transformateur défectueux (AR2) (Réf : archives de la conférence Inframation – Centre de formation à l’infrarouge (ITC))

Clapet à battant de radiateur fermé (Réf : FLIR)

La détection précoce des défauts lors des inspections périodiques de routine se traduira par des gains de temps et une réduction des coûts de maintenance et de réparation, en particulier si elles empêchent les interruptions imprévues. La détection et la correction de ces problèmes améliorent la fiabilité du service électrique.

Les avantages en termes de coûts liés à l’identification et à la correction des défauts avant qu’ils deviennent des défaillances sont illustrés dans l’exemple suivant. L’image de droite montre un transformateur de tension défaillant à l’intérieur d’un disjoncteur. Si une caméra thermique avait été utilisée pour inspecter le transformateur avant la défaillance, le coût de réparation aurait été limité au remplacement du transformateur, avec un jour d’interruption. Cependant, la défaillance réelle a été à l’origine des coûts de remplacement du transformateur et du disjoncteur, ainsi que des coûts supplémentaires de main-d’œuvre et de construction du site, avec une panne de huit jours. Ce cas illustre que des défaillances peuvent se produire et se produiront entre les tests programmés.

Disjoncteur avec panneaux grillés

Transformateur de tension défaillant à l’intérieur du disjoncteur

En fonction des résultats et des rapports des inspections ponctuelles, la gravité des problèmes ou des événements identifiés peut être classée comme suit :

• Critique – nécessite une attention immédiate avec la possibilité de mettre l’équipement hors service
• Grave – évaluation dès que possible et augmentation de la fréquence des inspections
• Intermédiaire – poursuite des inspections à la fréquence existante

La vérification ponctuelle périodique avec des capteurs portables permet le développement et l’aggravation des problèmes entre les inspections. Évidemment, plus tôt un problème est détecté et signalé, plus tôt les travaux de réparation peuvent commencer pour éviter des pannes imprévues. L’augmentation de la fréquence des inspections périodiques réduira la fenêtre d’opportunité d’occurrence des défaillances, mais le risque de défaillance catastrophique existe toujours.

SURVEILLANCE DE L’ÉTAT DES ÉQUIPEMENTS

Le moyen le plus efficace de réduire le délai entre l’apparition d’un problème et sa découverte est d’installer des capteurs fixes qui fonctionnent en permanence. L’installation de caméras de surveillance de l’état thermique qui fonctionnent en continu génère des données sur la température, par exemple, à enregistrer sur une base continue plutôt que sous forme d’instantanés périodiques dans le temps. L’examen des données signalées permettrait à l’opérateur des services publics de prendre connaissance des problèmes et des défaillances potentielles avant que la prochaine inspection ponctuelle les révèle.

La surveillance d’état offre plusieurs avantages par rapport aux inspections ponctuelles périodiques :

• Permet à l’opérateur des services publics de détecter les problèmes plus tôt et de réagir plus rapidement
• Améliore la connaissance de la situation et permet aux services publics d’être proactifs en matière de réparations, en entretenant l’équipement avant qu’une situation devienne catastrophique
• Permet une maintenance prédictive qui préserve la productivité et l’intégrité de la planification
• Réduit les interruptions et les coupures de courant
• Économise de l’argent : la résolution de la plupart des problèmes est nettement moins coûteuse avant qu’une panne se produise (il est estimé que, pour les services publics, les coûts de réparation ne représentent qu’environ 1 à 2 % du coût total de la défaillance)

Les capteurs de caméra thermique de surveillance d’état offrent de nombreux avantages :

• Méthode de mesure efficace et sûre
• Mesure de température précise et hautement sécurisée à composants multiples sur une large zone, sans contact
• Données et images transmises en temps réel, et non en heures ou en jours

Cependant, équiper une infrastructure vieillissante de tels capteurs n’est qu’une partie du problème auquel est confronté le secteur des services publics d’électricité. L’accès aux données et leur intégration constituent un défi majeur. Les capteurs doivent être connectés au logiciel sur un réseau informatique pour extraire et analyser les données recueillies.

La connexion des capteurs à des systèmes tels qu’OSI PI Historian ou OPC UA permet au service public d’avoir accès aux données chronologiques enregistrées. Les services publics peuvent ne pas avoir suffisamment d’employés avec cette compétence particulière, et doivent donc faire appel à des consultants techniques.

L’installation de capteurs intelligents qui interprètent et analysent les données fournit aux services publics d’électricité des données de surveillance d’état plus avancées. Les capteurs intelligents permettent à l’utilisateur de surveiller l’état des appareils électriques, des moteurs ou des sous-stations à tout moment. Ils n’ont pas besoin d’attendre l’interprétation des données ; les capteurs peuvent déclencher une alarme, une sonnerie ou un klaxon, ou initier un processus d’arrêt. Cette surveillance d’état peut capturer, traiter et analyser les données, puis agir en conséquence.

Avec une main-d’œuvre qualifiée vieillissante et à la retraite, les services publics ont besoin de systèmes tels que celui-ci pour fournir de meilleurs renseignements plutôt que de simplement recueillir des données, et pour automatiser davantage la collecte et le traitement des données afin d’être plus rentables.

Actuellement, les capteurs intelligents représentent une petite partie du nombre total de capteurs utilisés dans le secteur des services publics d’électricité. Dans le cas de l’imagerie thermique, presque toutes les caméras sont des appareils portables utilisés pour les inspections ponctuelles. Malgré les avantages de la surveillance d’état continue, les inspections ponctuelles périodiques restent la forme la plus courante de maintenance préventive. Elles sont relativement peu coûteuses et constituent la méthode d’inspection la plus rentable pour les équipements électriques inférieurs à 2,5 kV (Réf : Mission Critical Magazine, 4-16-2021). Cependant, compte tenu du vieillissement de l’infrastructure des services publics d’électricité et du coût des pannes imprévues en termes d’insatisfaction des clients et de pénalités financières, cela peut changer. L’utilisation de capteurs de surveillance d’état sur certains des équipements les plus stratégiques peut être plus judicieuse sur le plan financier.

L’impact de l’utilisation d’une surveillance d’état, plutôt que d’inspections ponctuelles (ou d’une maintenance préventive temporelle) ou d’une maintenance corrective (ou d’une maintenance réactive), est illustré dans la figure suivante. Avec la maintenance préventive, l’objectif est de minimiser les défaillances en maintenant l’équipement en bon état. La prévention des défaillances réduit les coûts, mais il peut être difficile de déterminer l’intervalle approprié pour les inspections. Avec la maintenance réactive, le coût de réparation ou de remplacement de l’équipement peut être assez élevé, y compris les temps d’arrêt possibles, mais il n’y a pas de fréquence d’inspection à prendre en compte. La surveillance d’état génère des données en continu, ce qui permet à l’opérateur de surveiller les tendances et de connaître immédiatement les problèmes relatifs à l’équipement. Elle réduit les coûts et augmente le temps de fonctionnement de l’équipement (Réf : AIChE, CEP, août 2017).

Impact de la surveillance d’état sur les coûts de maintenance et de réparation

UTILISATION DE CAPTEURS DANS LES SERVICES PUBLICS D’ÉLECTRICITÉ

Les caméras thermiques peuvent détecter de très petites différences de température en recueillant des rayonnements infrarouges, puis créent une image électronique en utilisant différentes couleurs pour montrer ces différences de température. Certains exemples d’imagerie thermique ont déjà été abordés. En outre, ces capteurs peuvent être utilisés pour rechercher des connexions électriques desserrées ou corrodées, des pertes de tension, etc. Au fur et à mesure que la résistance s’accumule, la chaleur s’accumule et l’usure accélérée au point de connexion peut endommager l’équipement. Les capteurs IR peuvent révéler une mauvaise isolation au sein des structures, entraînant un gaspillage de chauffage par temps froid et des coûts de climatisation supplémentaires par temps chaud.

Les capteurs d’analyse des gaz dissous (DGA, Dissolved Gas Analysis) sont utilisés pour surveiller l’état de fonctionnement des transformateurs électriques en examinant les contaminants du pétrole par chromatographie en phase gazeuse. Les matériaux isolants libèrent des gaz lorsqu’ils se décomposent au fil du temps, de sorte que la composition et la distribution indiquent le niveau et la gravité de la situation. La DGA doit faire partie d’un programme de maintenance préventive pour déterminer les défauts en attente et éviter les défaillances des transformateurs de puissance.

Les capteurs de vibrations, également appelés capteurs piézoélectriques ou accéléromètres, mesurent la quantité et la fréquence des vibrations dans un système donné. Ils recherchent des changements qui indiquent des conditions qui pourraient entraîner une défaillance des machines (comme des roulements ou des boîtes de vitesses qui commencent à tomber en panne).

Les capteurs de courant (également appelés transformateurs de courant ou TC) sont utilisés pour vérifier le débit du courant électrique dans un fil ou un système, pour reconnaître si le courant est trop élevé ou trop faible, et pour déclencher des systèmes de commande ou des alarmes si nécessaire.

Les capteurs de tension sont utilisés pour surveiller ou mesurer l’alimentation électrique et calculer la consommation électrique des circuits. Ils peuvent détecter les charges et les défauts, contrôler la demande d’alimentation et détecter les pannes d’alimentation.

Les capteurs de défaut à la terre détectent les défauts à la terre de faible amplitude (ruptures dans le chemin de mise à la terre de faible résistance d’un système électrique, où le courant peut prendre un autre chemin, par exemple par l’intermédiaire d’un opérateur humain). Ils protègent les personnes contre les blessures graves ou la mort, ou protègent l’équipement contre les dommages, en déclenchant une alarme ou en mettant l’équipement hors tension en ouvrant le sectionneur du circuit.

Les capteurs météorologiques, tels que les capteurs de vitesse relative de l’air (anémomètres) et les capteurs d’humidité (hygromètres), ont également un rôle à jouer.

Les caméras vidéo peuvent fournir des informations critiques qui sont téléchargées sur les réseaux informatiques. En dirigeant une caméra vidéo sur un équipement particulier, les jauges peuvent être lues à distance et les commutateurs peuvent être visualisés pour confirmer qu’ils sont dans la bonne position ouverte ou fermée. La sécurité des employés est améliorée en réduisant le besoin d’accès physique aux installations distantes tout en fournissant des données critiques. La détection de mouvement peut enregistrer les dommages causés aux systèmes par des facteurs environnementaux. L’examen visuel d’un problème avant l’arrivée sur un site distant permet de mettre en place une solution plus préparée (Réf : archives de la conférence Inframation – Centre de formation à l’infrarouge (ITC)).

Prenons l’exemple de l’impact que le temps peut avoir sur les réseaux électriques. En utilisant la surveillance d’état du réseau, les capteurs peuvent fournir aux services publics suffisamment d’informations pour résoudre les problèmes de manière proactive avant qu’ils surviennent. De cette façon, le temps est moins susceptible de causer des problèmes et des pannes parce que le réseau est sain. Bien que les grosses tempêtes puissantes, telles que les ouragans, puissent toujours détruire l’infrastructure, quelle que soit la puissance du réseau, la surveillance d’état peut permettre au service public de hiérarchiser les ressources pendant le processus de réparation. Les dommages causés aux superstructures des centrales électriques par les tempêtes, le vent et les débris peuvent être capturés à distance, afin de protéger les inspecteurs contre les dommages potentiels.

Enfin, les capteurs peuvent être utilisés pour protéger l’infrastructure électrique contre le vandalisme. Des caméras thermiques pour la sécurité, des caméras de sécurité visuelles, des capteurs d’agitation de clôture, des radars et d’autres capteurs de sécurité peuvent être utilisés pour avertir d’un accès non autorisé au site.

Prenons l’exemple suivant, qui fait partie du programme de subvention d’investissement pour réseau électrique intelligent, le Smart Grid Investment Grant (SGIG) lancé par le ministère américain de l’Énergie en 2009 (Réf : DOE, Automatisation de la distribution : résultats du programme SGIG, septembre 2016). Pour trois des entreprises de services publics participant au programme de subvention qui ont installé des réseaux intelligents, l’amélioration en pourcentage de l’indice de fréquence d’interruption moyenne du système (System Average Interruption Frequency Index, SAIFI) par rapport aux références avant le déploiement est présentée ci-dessous. L’utilisation de capteurs intelligents a réduit la fréquence d’interruption du service électrique.

Pourcentage d’amélioration de la réduction des interruptions de service attribuées aux capteurs intelligents

Une deuxième illustration du même programme SGIG montre l’impact de l’utilisation de commutateurs intelligents et de compteurs intelligents dans le réseau. Après une tempête, l’électricité des clients affectés a été rétablie beaucoup plus rapidement grâce à ces pratiques, comme indiqué ci-dessous. L’alimentation a été rétablie presque instantanément à près de la moitié des clients des services publics, car les commutateurs intelligents ont transféré la charge vers des circuits non affectés, ce qui permet aux équipes de se concentrer sur les autres clients et de rétablir leur alimentation beaucoup plus rapidement.

Heures de panne évitées grâce à la mise en œuvre d’une technologie intelligente

COMMENT POUVONS-NOUS RAPIDEMENT ET EFFICACEMENT RELIER CES CAPTEURS EN UN SEUL RÉSEAU ?

Si le service public d’électricité n’utilise pas déjà de capteurs intelligents et de surveillance d’état sur site, quels sont les problèmes et les obstacles auxquels il est confronté ? Peut-être, malgré tous ses nombreux avantages, la surveillance d’état est trop coûteuse à mettre en œuvre. Le service public peut ne pas être en mesure de justifier les coûts supplémentaires associés à l’installation des capteurs intelligents, à leur intégration avec les capteurs existants, les réseaux logiciels et informatiques, et à la formation des opérateurs, sur la base de la technologie actuellement disponible.

Cependant, de nouvelles technologies sont disponibles pour faire face à ce scénario. Avant de prendre une telle mesure, il est important que les services publics répondent aux questions suivantes :

• Accumulation de données – obtenons-nous les données dont nous avons besoin ?
• Traitement des données – à quelle fréquence et à quelle vitesse analysons-nous les données et agissons-nous en conséquence ?
• Pouvons-nous accumuler plus de données pour améliorer nos performances, notre efficacité, notre productivité, notre rentabilité, notre sécurité, notre qualité et notre fiabilité globales ?
• Si nous avons besoin de plus de données et de capteurs, comment pouvons-nous le faire facilement ? Pour certains services publics d’électricité, les réponses peuvent ressembler à ceci :
• Les systèmes existants peuvent recueillir des données provenant de nombreux types de capteurs différents, traduire ces données en une forme exploitable par notre système de gestion des équipements et fournir des commentaires aux systèmes de contrôle des équipements locaux
• Les entreprises recueillent des données à partir d’équipements dans des « lacs de données », soit sur site, soit dans le cloud
• Ces données sont analysées à l’aide d’un logiciel avancé, utilisé pour améliorer les performances, réduire les coûts de maintenance et les dépenses d’investissement

La plus grande difficulté rencontrée par les services publics est l’intégration des données de plusieurs capteurs (en particulier ceux qui ne sont pas des capteurs intelligents) provenant de divers fournisseurs dans leur propre plateforme logicielle.

Plusieurs aspects doivent être pris en compte afin de relier ces capteurs en un seul réseau (Réf : DIANOMIQUE, Caractéristiques Edge 4.0, Exigences fonctionnelles et commerciales, 8-02-2021) :

• Acquisition universelle des données – les services publics doivent acquérir des données provenant de tous les équipements, indépendamment du fabricant, du fournisseur de cloud ou des kits d’outils logiciels, qu’il s’agisse d’outils existants ou d’achats futurs
• Intégration universelle des données – ils doivent accepter, filtrer et traiter tous les ensembles de données, quel que soit le format, pour les systèmes anciens, actuels et futurs
• Migration des données et convergence TO/TI – une fois que le service public a pu acquérir et intégrer des données avec succès, cette étape a été accomplie, permettant à l’entreprise de travailler avec les données des anciens et nouveaux systèmes lorsque les systèmes se modernisent
• Méthodes d’intégration multi-clouds/cloud hybride/multiples – la solution doit pouvoir permettre de travailler avec tous les fournisseurs de cloud, tout en fournissant la sécurité appropriée et en permettant la communication entre les fournisseurs

• Intégration intercloud – elle doit également permettre une communication rapide et fiable entre les fournisseurs de cloud et entre les appareils cloud et les appareils sur site
• Types de données multiples – la solution doit détecter, traiter et intégrer différents types de données chronologiques, de données de vibration, de vidéos, de données radiométriques thermiques, etc.
• Les cycles de vie ML/AI distribués en périphérie – doivent pouvoir recueillir des données de plusieurs types en parallèle et les envoyer à l’outil d’analyse approprié. Aucun développement d’application de code/Low-code /code source– la solution doit s’adapter aux différents ensembles de compétences (ingénierie, opérations, maintenance, informatique et gestion), ce qui permet à tous les niveaux d’utiliser le système.
• Gestion évolutive – elle doit gérer différentes applications et configurations en périphérie, différents équipements et sources de données, tout en offrant un contrôle sur le système
• Aucun verrou de fournisseur – l’open source permet de communiquer entre différents équipements, clouds et méthodologies

UNE SOLUTION EST DISPONIBLE AUJOURD’HUI

Le FLIR Bridge est une passerelle périphérique IIoT qui fournit une solution complète, connectant des capteurs tiers de différents fabricants à un réseau industriel commun, la première solution de ce type dans le secteur. Le Bridge effectue les tâches suivantes :

• Recueillir
• Transformer
• Informer

Le Bridge recueille les données de plusieurs capteurs en une seule plateforme. Il existe d’autres appareils concurrentiels offrant des passerelles périphériques. Cependant, ils recueillent uniquement des données à partir de leurs propres capteurs. Le BRIDGE de FLIR recueille des données des caméras à capteur intelligent FLIR et d’autres types de capteurs, et détecte automatiquement ces capteurs/caméras sur un réseau partagé.

Le Bridge transforme les données entrantes des capteurs en appliquant de puissants outils d’analyse pour créer des alarmes et des alertes en périphérie. Les outils d’analyse comprennent un logiciel intégré ainsi que des modèles de code et d’apprentissage automatique personnalisés. Il fournit une sortie flexible qui inclut des données traitées, des données brutes ou une combinaison des deux simultanément.

Le Bridge informe en rendant possible la communication entre plusieurs capteurs et plus de 20 systèmes de surveillance des équipements industriels courants, y compris les plateformes logicielles de surveillance d’état standard du secteur, telles qu’OSI PI Historian et OPC UA. Il permet un routage et une création de rapports de données flexibles pour optimiser l’aide à la décision, en fournissant des données simultanément vers plusieurs destinations sur site et dans le cloud.

Le graphique suivant illustre le fonctionnement d’une passerelle périphérique IIoT, en recueillant des données à partir de caméras thermiques et d’autres capteurs, en les transformant en appliquant des outils d’analyse et en informant l’utilisateur en communiquant les résultats à divers systèmes de surveillance des équipements.

CONCLUSION

Les services publics d’électricité doivent assurer la circulation continue de l’électricité. Les perturbations de l’alimentation ont des impacts majeurs, tant en termes de satisfaction des clients que de pénalités financières. La maintenance des équipements des services publics est primordiale, les inspections et la surveillance jouant un rôle clé. La maintenance proactive entraîne des coûts de réparation beaucoup moins élevés que l’attente d’une défaillance inattendue.

Les services publics d’électricité évoluent vers des systèmes de surveillance dotés de capteurs d’imagerie thermique fixes plutôt que la réalisation d’inspections ponctuelles périodiques avec des caméras portables. Cela permet aux données de circuler en permanence au lieu d’analyser un instantané unique périodique.

Les services publics ont besoin de caméras thermiques intelligentes et d’autres capteurs pour surveiller en permanence les pertes de tension, les dommages causés par les tempêtes et d’autres perturbateurs. L’objectif est d’aider les installations, les centrales et les postes électriques à améliorer l’efficacité, à optimiser les performances et à éviter les pannes inattendues grâce à la surveillance d’état.

Il est essentiel d’obtenir des données fiables à partir de divers types de capteurs et de les intégrer dans un réseau de manière sécurisée et facile, sans les dépenses et le temps associés à un codage compliqué.

Une nouvelle technologie, qui peut facilement intégrer les données de n’importe quel capteur dans le système de gestion des équipements du service public, est disponible. Elle traitera les données des capteurs intelligents et les données brutes des capteurs « passifs », ce qui rendra la communication possible. Cette passerelle périphérique optimise l’aide à la décision en fournissant des données en temps réel de manière continue.