Technique d’estimation de l’emplacement de défaut basée sur les ondes voyageuses à deux terminaux assistée par l’écart type mobile pour un système de transmission incorporant un UPFC

Pourquoi il est crucial de localiser précisément les incidents sur les lignes électriques

Lorsqu’un défaut — un court‑circuit ou une panne soudaine — survient sur une ligne de transport haute tension, la fourniture d’électricité peut vaciller, des coupures peuvent se propager et des équipements peuvent être endommagés. Les réseaux modernes utilisent désormais de l’électronique sophistiquée, comme les contrôleurs unifiés de flux de puissance (UPFC), pour faire transiter davantage d’énergie par les lignes existantes et maintenir les tensions. Mais ces dispositifs compliquent aussi la tâche des opérateurs qui doivent déterminer exactement où le défaut s’est produit le long d’une ligne. Cet article présente une méthode plus simple et plus rapide pour localiser ces défauts avec une grande précision, même quand les UPFC et le bruit électrique rendent les signaux plus difficiles à analyser.

Comment se comportent les lignes lorsqu’un incident se produit

Les lignes de transport, longues de centaines de kilomètres, se comportent un peu comme de longs guides d’ondes métalliques. Lorsqu’un défaut survient — par exemple une surtension vers la terre ou un contact entre phases — il génère des « ondes voyageuses » électriques rapides qui se propagent dans les deux sens le long de la ligne à une vitesse proche de celle de la lumière. Si les ingénieurs peuvent détecter l’instant précis où ces ondes atteignent chaque extrémité de la ligne, ils peuvent calculer où l’événement a démarré, de la même manière que l’on utilise les temps d’arrivée des ondes sismiques sur différents sismomètres. Cette approche, connue sous le nom de localisation de défaut par ondes voyageuses, est très précise en théorie mais exige des mesures extrêmement rapides en pratique et peut être perturbée par des dispositifs comme les UPFC qui modifient les formes, la synchronisation et l’amplitude des tensions et des courants.

Électronique qui aide — et gêne — le réseau

Les UPFC constituent une puissante catégorie d’équipements FACTS, connectés à la fois en série et en dérivation sur une ligne de transmission. Ils peuvent orienter les flux de puissance, maintenir les tensions dans des limites et améliorer la stabilité, permettant aux corridors existants de transporter davantage d’électricité. Cependant, en injectant ou en absorbant des tensions de manière contrôlée, les UPFC modifient la forme, la chronologie et l’intensité des ondes voyageuses générées par les défauts, perturbant ainsi les schémas traditionnels de localisation de défauts. Les méthodes existantes reposent souvent sur des transformées complexes, des modèles d’apprentissage automatique ou des paramètres détaillés du réseau, et nombre d’entre elles peinent lorsque les taux d’échantillonnage sont modestes, que le niveau de bruit est élevé ou que les réglages du UPFC changent. Il existe donc un besoin d’une méthode à la fois simple et robuste face à ces conditions opérationnelles réalistes.

Une façon plus simple d’interpréter les ondes

Les auteurs proposent une technique de localisation de défaut qui s’appuie sur une idée statistique élémentaire : l’écart type mobile. Ils commencent par transformer les tensions triphasées mesurées à chaque extrémité de la ligne en un mode unique « aérien » en utilisant une rotation mathématique standard (transformation de Clarke). Cette étape isole la composante du signal où les perturbations liées au défaut ressortent le mieux. Ensuite, plutôt que d’effectuer des décompositions de signal lourdes, ils font glisser une courte fenêtre temporelle le long de cette forme d’onde du mode aérien et calculent la variation du signal à l’intérieur de chaque fenêtre. Lorsqu’une onde voyageuse arrive, la variabilité locale — et donc l’écart type mobile — augmente fortement, créant un pic distinct. En repérant les instants de ces pics aux deux terminaux et en connaissant la vitesse de propagation de l’onde, la méthode triangule la position du défaut le long de la ligne.

Mise à l’épreuve en conditions réalistes

Pour valider l’approche, les chercheurs ont modélisé un corridor de transmission de 500 kilovolts et 200 kilomètres équipé d’un UPFC de 100 mégavolt‑ampère et de plusieurs générateurs. Ils ont simulé une large variété de conditions de défaut : différentes distances le long de la ligne, tous les types courants de défaut (de monophasé à multi‑phasé et à la terre), une large plage de résistances de défaut et de nombreux angles d’amorce par rapport au cycle de fréquence du réseau. Ils ont aussi soumis le système à des défauts proches et éloignés, changé les modes de fonctionnement habituels du UPFC, varié ses objectifs de contrôle, réduit le taux d’échantillonnage jusque bien en dessous des niveaux normalement requis par les méthodes d’ondes voyageuses et ajouté un bruit important correspondant à de faibles rapports signal/bruit.

Ce que montrent les résultats pour la fiabilité du réseau

Sur cet ensemble de scénarios exigeants, la méthode basée sur l’écart type mobile a systématiquement localisé les défauts à l’intérieur d’une fraction de pour cent de la longueur de la ligne, avec des erreurs typiques de l’ordre de quelques dixièmes de kilomètre sur une portée de 200 kilomètres. Elle a conservé cette précision même avec des échantillonnages aussi faibles que 60 Hz — des ordres de grandeur en dessous des centaines de kilohertz souvent supposés pour les schémas d’ondes voyageuses — et lorsque les signaux étaient fortement pollués par le bruit. Comparée aux techniques plus complexes basées sur les ondelettes, les transformées ou les réseaux neuronaux, elle a obtenu une précision comparable ou meilleure tout en s’exécutant en moins de 0,05 seconde et en n’utilisant que les mesures de tension terminales. Pour les exploitants de réseau, cela signifie un outil pratique pouvant être intégré dans les relais numériques ou unités synoptiques existants, offrant une localisation rapide et fiable des défauts sur des lignes équipées de UPFC, et contribuant en fin de compte à des remises en service plus rapides et à des réseaux électriques plus résilients.

Citation: Mishra, S., Kumar, R., Kumari, S. et al. Moving standard deviation assisted two-terminal traveling wave based fault location estimation technique for transmission system incorporated with UPFC. Sci Rep 16, 12338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42393-3

Mots-clés: protection des systèmes électriques, localisation des défauts, ondes voyageuses, dispositifs FACTS, contrôleur unifié de flux de puissance