Métrologie pour la gestion « intelligente » de l’énergie électrique dans les systèmes ferroviaires

Afin d'établir un espace européen unique de chemin de fer, la Commission européenne a réglementé, en 2014, la mesure et la facturation de l'énergie électrique à travers deux spécifications techniques d'interopérabilité : celle relative au sous-système d’énergie et l'autre sur le matériel roulant. En 2019, les États membres doivent avoir mis en place un système de collecte de données pour une facturation sur la base du comptage d'énergie. Comme pour les réseaux de distribution et de transmission de l’énergie électrique en général, des systèmes de mesure caractérisés sont les outils essentiels pour la gestion « intelligente » de l'énergie consommée sur le réseau ferré.

Sachant que tous les trains roulant sur le réseau ferroviaire européen doivent payer l'énergie électrique sur la base de la consommation réelle, ce projet européen a été financé dans le cadre du programme EMPIR d’EURAMET pour développer les moyens et les méthodes de mesure traçable de l'énergie consommée. Sachant que les mesures seront réalisées dans des conditions difficiles tant du point de vue de la mise en œuvre (à bord des trains) que de la nature même des signaux électriques, par essence très perturbés.

Le projet européen a débuté en septembre 2017 pour se terminer début 2021. Le programme de travail avait été réparti entre les 16 partenaires et était coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet a été structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management du projet et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Étalonnage de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tensions AC et DC ;
• WP2 -   Méthode de mesure harmonisée et synchronisée de la puissance et de l’énergie et d’évaluation de la qualité de l’énergie ;
• WP3 -   Outils de mesure et de simulation visant à soutenir la distribution de sous-stations réversibles (RSS) ;
• WP4 -   Procédures de mesure et scénarios modélisés pour quantifier le gain apporté par les stratégies de gestion de l'éco-conduite.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP MyRailS : site internet du JRP-MyRailS

Le laboratoire « Électricité basse fréquence » du LNE a été impliqué principalement dans le WP1 et le WP2 pour exécuter les actions suivantes :

• Développement d’un système de référence pour l’étalonnage en laboratoire de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tension alternative (AC) ;
• Étalonnage d’un EMF à bord des trains ;
• Constitution d’une base de données de formes d’ondes de test et de systèmes de mesures de puissance et d’énergie embarqués à bord des trains ;
• Implémentation d’une architecture de zone étendue pour la surveillance de la propagation de la puissance et de l’énergie.

La première action a été menée en tant que responsable et acteur majeur tandis que les trois dernières actions ont été une collaboration indirecte, par la mise en œuvre du système développé lors de la première action.

Au cours de ce JRP, le LNE a donc conçu et réalisé un banc d’étalonnage des systèmes de mesure d’énergie (EMS) utilisés à bord de trains et alimentés en courant alternatif. Plus précisément, ce système de référence, déplaçable dans les motrices des trains, comprend :

• une source fictive construite à partir d’un potentiel de 25 kV à 50 Hz et d’un courant sinusoïdal ou déformé pouvant atteindre 500 A en valeur efficace avec un contenu harmonique allant jusqu’à 5 kHz (1% de la composante fondamental) ;
• un système de mesure de référence constitué des capteurs étalon de tension ou de courant et des numériseurs de précision ;
• un logiciel de pilotage et de synchronisation des instruments d’acquisition, de traitement de données et de calcul des grandeurs électriques d’intérêt.

Le fonctionnement du banc d’étalonnage est conçu pour répondre à la norme NF EN 50463-2 qui fixe les exigences applicables à la fonction de mesure d’énergie d’un système EMS à utiliser à bord des trains.

En 2020, un système industriel de mesure d’énergie a pu être étalonné avec le banc réalisé.

Le LNE a contribué à la rédaction de la procédure d’étalonnage des systèmes de mesure de l'énergie utilisés dans les trains à courant alternatif, en collaboration avec le laboratoire espagnol LCOE qui a travaillé sur la génération des hautes tensions AC avec des harmoniques allant jusqu’à 5 kHz.

En 2021, l’étalonnage d’un système embarqué à bord d’une motrice (en collaboration avec le laboratoire LCOE) est testé. Les travaux réalisés au cours du JRP ont été présentés lors d’un séminaire de conclusion du projet fin janvier 2021. Le LNE a pu présenter ses résultats et des vues filmées du banc d’étalonnage réalisé au laboratoire.

Présentation du banc d'étalonnage réalisé au LNE :

• Industrie : Ce projet apportera de la fiabilité et de la précision dans la facturation de l’énergie consommée à bord des trains par le développement de références de mesure et de banc d’étalonnage spécifiquement adaptés aux mesures de l’énergie véhiculées par des signaux électriques très perturbés que sont les signaux d’alimentation des systèmes ferroviaires. De plus, le développement de bancs de test de CEM avec ces signaux spécifiques permettra d’augmenter la performance des systèmes embarqués. La possibilité de caractériser et de surveiller la qualité de l’énergie délivrée en temps réel permettra aux fabricants de sous-stations d’améliorer leurs systèmes d'alimentation ferroviaire en courant continu.
• Métrologie et communauté scientifique : Les résultats du projet permettront de disposer de nouvelles méthodes et moyens d'étalonnage adaptés aux transducteurs électroniques compacts à courant alternatif et continu utilisés dans des conditions ferroviaires difficiles. En plus de la fiabilité des instruments de mesure apportée par les étalonnages, un guide des conditions de conduite en situation d’économie d’énergie (éco-conduite) énergie complète l’impact du projet pour les utilisateurs finaux des systèmes ferroviaires.
• Réglementation/Normalisation : À l’issue de ce projet, le règlement (UE) n° 130/2014 de la Commission européenne concernant une spécification technique d'interopérabilité relative aux sous-systèmes "matériel roulant" - locomotives et matériel roulant voyageurs - du système ferroviaire pourra être mis en œuvre. Le consortium apportera ses connaissances techniques aux comités techniques de CEI/CENELEC spécialisés dans les mesures d'énergie à bord (TC9X, TC38 et TC85) ainsi qu’aux organisations de métrologie légale OIML (TC12) et WELMEC (WG11).
• Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet contribueront à la création d'un réseau ferroviaire moderne, compétitif et intégré. Cela est une priorité de l'UE, de développer un système de transport durable et un marché libre et compétitif. La maîtrise de l’énergie consommée et l’amélioration des systèmes électriques à bord des trains, à l’échelle paneuropéenne, permettra de réduire significativement la consommation d'énergie et, par conséquent, les émissions de dioxyde de carbone.

Istrate D., “Laboratory calibration of EMF working under AC supply – LNE contribution since month 18”, 3rd annual JRP MyRailS meeting, December 2020, Madrid, Spain.

Istrate D., Soccalingame S., Fortune D., Rovira J., Garnacho F., Sira M., “Laboratory calibration of energy measurement systems (EMS) under AC distorted waveforms”, MDPI Sensors, Special Issue Advanced Transducers and  Systems for Voltage and Current Measurement, Nov. 2020, 20, 6301, DOI: 10.3390/s20216301.

Garnacho F., Rovira J., Khamlichi A., Simón P., García T., Istrate D., “Calibration set-up for energy measuring systems installed in AC railway systems”, I2MTC 2020, IEEE International Instrumentation & Measurement Technology Conference, 25-28 May 2020, Valamar Lacroma, Dubrovnik, Croatia.

Giordano D., Clarkson P., Garnacho F., van den Brom H.E., Donadio L., Fernandez-Cardador A., Filippini N., Gallo D., Istrate D., De Santiago Laporte A., Mariscotti A., Mester C., Navarro N., Porzio M., Roscoe A., Šíra M., “Accurate Measurements of Energy, Efficiency and Power Quality in the Electric Railway system”, CPEM 2018, 8-13 July 2018, Paris, France. DOI: 10.1109/CPEM.2018.8500811.

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 16 partenaires :

• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
• FII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
• LNE, France
• NPL, Royaume-Uni
• VSL, Pays-Bas
• Universidad Pontificia Comillas, Espagne
• HRI (Hitachi Rail), Italie
• Metro de Madrid, Espagne
• RFI (Rete Ferroviaria Italiana), Italie
• Railenium, France
• University of Strathclyde, Royaume-Uni
• Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli, Italie
• Trenitalia, Italie
• ASTM (Analysis, Simulation, Test and Measurement), Suisse
• METAS, Suisse