Conception et mise en œuvre d’une unité de mesure de phase utilisant une nouvelle technique de mesure

Maintenir l’éclairage dans un réseau en mutation

À mesure que davantage de parcs éoliens, de centrales solaires et d’autres sources renouvelables se raccordent à nos réseaux électriques, le flux d’électricité devient moins prévisible et plus complexe. Pour maintenir l’éclairage et éviter les coupures, les opérateurs de réseau ont besoin d’outils capables de voir en temps réel ce qui se passe sur l’ensemble du réseau, avec une précision remarquable. Cet article décrit la conception et les essais d’un nouveau type d’appareil de surveillance, appelé unité de mesure de phase (PMU), capable de suivre l’état du réseau plus rapidement et plus précisément que de nombreux dispositifs existants, même lorsque le système est soumis à des tensions.

Une « caméra » rapide pour le système électrique

Une PMU est comme une caméra haute vitesse pour l’électricité. Au lieu de photographies, elle capture des instantanés synchronisés de grandeurs électriques clés comme la tension, le courant et la fréquence à de nombreux points du réseau. Ces instantanés, appelés synchrophases, sont tous horodatés avec la même référence temporelle précise fournie par les satellites GPS, de sorte que les centres de contrôle peuvent les aligner et obtenir une image cohérente de l’ensemble du réseau. Aujourd’hui, les PMU aident à des tâches telles que la détection de défauts, la coupure de charge avant que des équipements ne soient endommagés, et la surveillance de la proximité du système à l’instabilité. À mesure que nos réseaux deviennent « plus intelligents » et davantage chargés en renouvelables, le besoin de PMU plus précises et robustes a fortement augmenté.

Pourquoi les outils existants sont insuffisants

La plupart des PMU actuelles estiment les synchrophases en utilisant une méthode mathématique connue sous le nom de transformée de Fourier discrète (DFT). Si cette approche est efficace, elle révèle ses limites lorsque le signal est déformé, lorsque la fréquence du réseau dérive de sa valeur nominale, ou lors d’événements soudains tels que des défauts ou des variations brusques de charge. Ces conditions deviennent plus courantes avec la production renouvelable et l’électronique de puissance. Le résultat peut être des erreurs dans la magnitude, l’angle ou la fréquence mesurés — précisément quand les opérateurs ont le plus besoin de données fiables. De nombreux chercheurs ont proposé des algorithmes améliorés au fil des ans, mais beaucoup d’études s’arrêtent à des simulations ou se concentrent uniquement sur les aspects mathématiques, sans construire ni valider un dispositif triphasé complet traitant à la fois la tension et le courant en temps réel.

Une nouvelle façon de mesurer en temps réel

Les auteurs comblent cette lacune en construisant une PMU complète autour d’une méthode de mesure avancée appelée Sliding Fourier Transform Phase-Locked Loop (SFT‑PLL). En termes simples, leur approche glisse en continu une fenêtre de mesure le long des signaux triphasés entrants et utilise une boucle de commande pour se verrouiller sur la véritable fréquence et la phase du réseau, même lorsqu’elles évoluent. Le prototype matériel inclut des capteurs de tension et de courant commerciaux capables de supporter les niveaux typiques du réseau, un convertisseur analogique‑numérique 16 bits à haute résolution, et une carte de traitement Texas Instruments Delfino pour exécuter l’algorithme en temps réel. Un module GPS fournit une impulsion par seconde afin que toutes les mesures soient alignées sur l’heure universelle, permettant de combiner les données de nombreuses PMU pour obtenir une vue unique et synchronisée du réseau.

Soumettre le prototype à rude épreuve

Pour vérifier si cette nouvelle PMU est prête pour une utilisation réelle, l’équipe l’a connectée à une source de référence triphasée capable de générer une grande variété de signaux de test précis. Ils ont vérifié la qualité des mesures de tensions de 100 à 300 volts et de courants de 1 à 5 ampères, le tout à la fréquence standard du réseau de 50 hertz. Ensuite, ils l’ont mise au défi avec des scénarios sévères : tensions déséquilibrées où une phase est augmentée et une autre réduite, variations soudaines d’angle de phase, et harmoniques injectées imitant la distorsion provenant d’équipements électroniques et d’onduleurs renouvelables. Pour chaque cas, ils ont évalué des indicateurs de performance standard, notamment l’écart entre le phasor mesuré et la valeur vraie (erreur vectorielle totale), l’erreur de lecture de la fréquence, et la précision du dispositif à rendre compte de la vitesse à laquelle la fréquence change.

Ce que les résultats signifient pour le réseau

Les mesures montrent que la PMU basée sur le SFT‑PLL reste bien à l’intérieur des limites internationales strictes définies par les normes IEC/IEEE, même dans des conditions fortement déséquilibrées ou distordues. Les erreurs sur les phasors de tension et de courant restent inférieures à 1 %, et les erreurs de fréquence sont inférieures à 0,005 hertz, avec des écarts très faibles sur le taux de variation de la fréquence également. En termes pratiques, cela signifie que l’appareil peut fournir des informations propres et fiables, suffisamment rapidement pour suivre les perturbations du réseau au fur et à mesure de leur déroulement, donnant ainsi aux opérateurs une meilleure chance d’agir avant que les problèmes ne se propagent. Parce que la conception est modulaire et relativement peu coûteuse, elle pourrait être largement déployée dans les réseaux intelligents, les laboratoires de recherche et les établissements d’enseignement. Pour le grand public, la conclusion est claire : des « yeux » plus intelligents et plus précis sur le réseau, comme cette PMU, peuvent rendre les systèmes d’alimentation plus résilients, contribuant à garantir qu’un avenir de plus en plus alimenté par les renouvelables reste stable et fiable.

Citation: Mohamed, S.A., Mageed, H.M.A., Arafa, O.M. et al. Design and implementation of a phasor measurement unit using a new measurement technique. Sci Rep 16, 14281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49889-y

Mots-clés: unité de mesure de phase, synchrophase, réseau intelligent, surveillance des systèmes électriques, intégration des énergies renouvelables