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(D'après un article de J.M. Delaplace paru dans Electronique Radio-Plans en 1994)

Nous allons décrire une application du microcontrôleur SGS-Thomson ST6 dans un détecteur de signaux de changement de tarif d'électricité.

L'EDF offre un grand nombre de tarifs aussi bien pour les industriels que pour les particuliers. Un tarif particulièrement intéressant pour ceux qui n'ont pas le chauffage électrique est l'EJP. Avec ce dernier, le kilowattheure est facturé toute l'année avec 30% de remise, sauf pendant 22 jours répartis entre le 1^er octobre et le 31 mars durant lesquels le tarif est multiplié par 10. Les jours en question, dits "de pointe", sont choisis par l'EDF la veille.
 
 

Le tarif EJP.

Chaque abonné dispose d'un compteur à deux cadrans, dont la commutation est assurée par un récepteur de signaux de télécommande émis par l'EDF. Le jour de pointe, un signal est émis à 6h30 qui allume un voyant chez l'abonné. Ce signal indique qu'à partir de 7 heures, le tarif sera majoré pour toute la journée, jusqu'à 2 heures la nuit suivante. L'usager est de la sorte incité à délester sa consommation. Il peut cependant consommer ce dont il a besoin, mais est averti du coût élevé qu'il devra payer ce jour-là. La nuit étant toujours au tarif bas, même si deux jours de pointe se suivent, on peut reporter les consommations importantes pour cette période : chauffe- eau, lave-linge, lave-vaisselle...

Le système de comptage comporte un compteur à deux cadrans, et un relais récepteur d'impulsions qui bascule le comptage sur l'un ou l'autre cadran.

Un contact du relais est mis à la disposition de l'abonné pour télécommander ses circuits d'utilisation : quand le contact est fermé, le tarif est fort. On peut ainsi commander un contacteur à ouverture qui déleste les appareils qui ne nécessitent pas une disponibilité permanente.

Ce tarif permet, moyennant une gestion peu contraignante, une économie importante : nous avons réalisé une économie de 20% en moyenne sur les 3 dernières années par rapport au simple tarif.

Il y a cependant un problème : on peut par exemple avoir besoin de cuisiner beaucoup le jour de pointe, et si on possède des appareils de cuisson électriques, la cuisine va revenir cher ce jour-là ! Si on était averti la veille de l'imminence du jour de pointe, on pourrait précuire ce qui peut l'être, quitte à réchauffer aux micro-ondes le lendemain, ce qui consomme beaucoup moins.

Or, l'usager particulier n'est averti que le matin même, alors qu'en réalité, l'EDF envoie la veille dans l'après-midi un signal dit "d'alerte" à l'usage des industriels. Il serait bien utile pour les particuliers de pouvoir détecter ce signal. C'est le but du dispositif décrit ici.
 
 

Le système de télécommande PULSADIS.
 
 

Depuis une trentaine d'années, l'EDF utilise un système de télécommande appelé PULSADIS qui permet depuis les centres de distribution à moyenne tension de déclencher le changement de tarif des compteurs à l'heure voulue, et facultativement d'autres services comme l'éclairage public, etc.

Ce système repose sur l'injection dans le secteur de signaux selon un code que les récepteurs reconnaissent et qui leur donne l'ordre d'effectuer les commutations correspondant aux signaux qu'ils sont censés reconnaître.

Le signal porteur est à 175 Hz avec une amplitude minimum de 0,9% de la tension nominale du secteur, soit 2,3V.

Il est modulé par des impulsions binaires selon le code suivant :

Un top de 1 seconde suivi d'un silence de 2,75 secondes indique le début de trame. Le récepteur reconnaît ce top et commence à compter le temps à partir de ce moment. La trame comporte 40 emplacements d'impulsions de 2,5 secondes et sa durée totale est de 102,25 secondes.

Chaque emplacement d'impulsion se compose d'une durée de 1 seconde pendant laquelle il peut y avoir ou non émission de la porteuse à 175 Hz, et d'un silence de 1,5 secondes servant de séparateur avec l'emplacement suivant. Si le top est présent, il déclenche dans les récepteurs un basculement.

Une autre impulsion est prévue pour produire le basculement inverse. Si aucune de ce deux impulsions n'est présente, le récepteur ne change pas d'état. Les impulsions étant associées par paires (l'une démarre, l'autre arrête), 20 canaux sont disponibles pour autant de types différents de télécommande.

Le diagramme de la figure 1 représente la trame type. On y a montré deux impulsions manquantes, la 2 et la 4.

Le décodage de la trame exige donc de réaliser les fonctions suivantes :

- détecter le signal 175 Hz;

- repérer le top de départ;

- définir les instants prévus d'apparition des impulsions attendues ;

- noter leur présence ou leur absence ;

- effectuer les actions qui en découlent.

Les impulsions qui nous intéressent ici sont la 5ème et la 15ème. Elles obéissent au code suivant :

5 seule : Alerte, la veille ;

5 et 15 ensemble : Début de jour de pointe ;

15 seule : Fin de jour de pointe.

Seuls les deux derniers messages sont exploités par le relais de changement de tarif installé à proximité du compteur.
 

PRINCIPE DEFONCTIONNEMENT
Le détecteur décrit ici comporte un microcontrôleur SGS-Thomson ST6 qui réalise la totalité de la fonction de décodage et d'affichage. Les caractéristiques de ce circuit lui permettent d'être alimenté sur secteur à l'aide d'un schéma très simple, et le traitement du signal est effectué intégralement en numérique, grâce au convertisseur analogique-numérique incorporé. De ce fait, il est entouré de peu de composants.

Le schéma est représenté en figure 2.

L'alimentation se fait sur secteur par l'intermédiaire des condensateurs C5 et C6 qui limitent le courant à environ 10 mA. Ce courant est redressé par Dl et Zl qui limitent la tension à 15V, puis la tension est filtrée par C7, et abaissée à 5,lV par Z2 pour fournir une source stable au processeur. En effet, la tension de référence du convertisseur analogique - numérique est dérivée du Vcc du microcontrôleur, et il est nécessaire d'avoir une conversion de bonne qualité pour détecter correctement le signal.

On doit noter que les deux condensateurs connectés sur le point chaud du secteur qui servent à l'alimentation doivent être de type X, c'est-à-dire autocicatrisables pour éviter l'incendie du montage en cas de claquage.

La résistance R5 ne sert qu'à protéger les diodes lors de la pointe de courant qui se produit au moment du branchement si on se trouve au sommet de la tension secteur. Elle doit pouvoir supporter cette crête de courant sans dommage et dans le cas d'une résistance à film métallique, il faut choisir un modèle spécifié pour 1 Watt.

Le signal vient directement du secteur.

Il est atténué par le réseau Rl, R2, R3,R4, C3 et C4, qui fixe la composante continue à la moitié de la tension d'alimentation. Le signal 50 Hz est ainsi ramené à 5V crête à crête, et utilise toute l'excursion disponible à l'entrée analogique. Un filtre passe-bas supprime les composantes supérieures à 175 Hz pour éviter que la détection soit perturbée par les parasites. Le condensateur d'entrée est choisi pour qu'il constitue un filtre passe-haut qui atténue le 50 Hz. Le taux de 175 Hz est ainsi doublé, et devient donc 1,8 % au minimum, ce qui facilite sa détection. L'entrée RESET est retardée par un condensateur de 1 µF pour laisser à la tension d'alimentation le temps de s'établir avant que le processeur démarre.

La sortie du montage consiste en deux diodes électroluminescentes, l'une rouge, l'autre verte. Elles ont la signification rappelée au tableau de la figure 3.
 
 

La partie logicielle.

La détection des trames de commande se compose de deux parties : la détection de la présence de la composante à 175 Hz et la reconnaissance des impulsions en fonction de leur position.
 
 

La détection du signal à 175 Hz peu complexe dans le principe, bien que le programme correspondant soit assez court. Nous détaillerons cette partie plus loin. Pour l'instant, il suffit de savoir qu'une interruption périodique incrémente toutes les 200 ms un compteur appelé mesures, ce qui permet de déterminer l'emplacement des impulsions à raison de 5 incrémentations par seconde. Un autre compteur appelé mespos est incrémenté au même rythme mais seulement à chaque fois que le signal 175 Hz a été détecté présent durant les 200 ms qui viennent de s'écouler.
 
 

Reconnaissance du message.
 
 

On a vu plus haut la forme des impulsions. Une fois le signal à 175 Hz reconnu, il est simple de détecter le top de départ, puis à partir de celui-ci, de repérer la présence ou l'absence de deux impulsions prédéterminées, puisqu'on connaît le délai qui les sépare du top de départ. Enfin, à l'intérieur des fenêtres de temps ainsi définies, on compte le nombre de mesures positives. Si au moins deux mesures sont positives, cela indique que le signal a été vu pendant 400 ms au moins, et on considère l'impulsion comme présente ; dans le cas contraire, on la déclare absente. A la fin du temps imparti pour la trame, on exploite les drapeaux indiquant la réception ou non des impulsions et on allume le voyant approprié.

L'algorithme de la reconnaissance des impulsions est donné figure 4.
 
 

Couleur Situation

Verte : Normale.

Clignotant vert-rouge : Alerte, la veille du jour de pointe.

Rouge : jour de pointe.

Figure 3 : signification de l'état des LED.

Détection du signal 175 Hz.
 
 

Le problème de la détection du signal utile vient de sa faible amplitude (2% environ, soit -40 dB) par rapport à la tension nominale du secteur, et de la faible différence de fréquence des deux signaux :

Fsignal/Fpuissance = 175/50 = 3,5

Si on voulait utiliser des filtres analogiques, on devrait soit utiliser un circuit résonnant avec un coefficient de surtension d'au moins 10 à une fréquence de 175 Hz, c'est-à-dire utilisant une inductance de grande valeur bobinée sur noyau de fer, ce qui n'est pas miniaturisable aisément, soit utiliser un filtre passe-bas RC et alors il faudrait un filtre du 15ème ordre, c'est-à-dire utilisant 15 condensateurs et résistances !

Le filtre numérique offre l'avantage de ne pas consommer d'espace, si on possède déjà le microcontrôleur, puisqu'il s'agit uniquement d'un algorithme effectuant le traitement numérique des différents échantillons du signal d'entrée après conversion en nombres par le convertisseur analogique - numérique intégré à la puce.

Dans le cas présent, l'algorithme doit offrir les deux fonctions suivantes:

- Détecter la présence de 2 % de la pleine échelle d'un signal à 175 Hz ;

- Ne pas être perturbé par la présence du signal 50 Hz occupant toute l'échelle du convertisseur.

La détection est effectuée par détection synchrone. Cette méthode consiste à échantillonner le signal au double de sa fréquence fondamentale, et à soustraire les échantillons pairs des échantillons impairs. En effet, considérons le graphique de la figure 5.

L'échantillonnage du signal est représenté par les points aux sommets de la courbe. La fréquence d'échantillonnage étant le double de celle du signal, tous les échantillons impairs sont positifs, et tous les échantillons pairs sont négatifs. La différence entre un échantillon et le suivant vaudra donc l'amplitude crête à crête :
 
 

Acc=Ml-M2
 

La somme des 7 paires de mesures vaudra donc 7 fois l'amplitude crête à crête du signal. On pourra donc comparer cette valeur à un seuil et décider s'il y a ou non le signal à 175 Hz.

Mais que se passe-t-il avec le signal à 50 Hz ? Il est superposé au signal à 175Hz avec une amplitude très supérieure ; comment y être insensible ?

Considérons le signal à 50 Hz échantillonné aux mêmes instants de la figure 6.

On voit qu'il n'y a que deux périodes de 50 Hz pendant qu'il y a sept périodes du 175 Hz, comme il fallait s'y attendre, puisque le rapport des frequences est de 3,5. Si on observe la répartition des échantillons, on s'aperçoit que les mêmes valeurs de tension se répètent tous les sept échantillons :M1 est égal à M8, M2 à M9, etc. Or, comme on soustrait les échantillons pairs des échantillons impairs, on voit que :

(Ml+M3+M5+M7+M9+M11+Ml3) - (M2+M4+M6+M8+Ml0+Ml2+Ml4) = 0

Ainsi, si on choisit d'échantillonner le signal intéressant deux fois par période pendant sept périodes, il apparaît que le signal 50 Hz est sans effet puisque le résultat de son échantillonnage est nul. Bien entendu,ceci ne fonctionne que si les valeurs des fréquences sont respectées ; le principe permet une certaine tolérance sur la fréquence, mais nous ne rentrerons pas dans ces détails ici.

Il faut remarquer que les graphiques évoqués montrent l'échantillonnage du signal à 175 Hz à des instants bien choisis : au maximum et au minimum de la sinusoïde. Et si on prenait des points qui tombent sur le zéro de la sinusoïde ? Le signal détecté serait nul !

Comment alors s'assurer que l'on échantillonne bien au bon endroit ?

Si on regarde plus en détail l'expression de la tension détectée, on trouve la valeur suivante :
 
 

A = Acc x n x sinj

Où Acc est l'amplitude crête à crête, n est le nombre de périodes échantillonnées, et j le déphasage entre l'échantillonnage et le signal échantillonné.

On voit que la valeur de A peut varier entre -nA et +nA selon la phase. Cette incertitude rend la mesure inutilisable.

Pour parer au problème, on va échantillonner le signal deux fois, dans deux canaux indépendants, mais les instants d'échantillonnage seront décalés d'un quart de période du signal à 175 Hz.

Aussi, on échantillonne le signal deux fois plus vite, soit 700 fois par seconde.

Les échantillons sont triés, de sorte qu'on accumule d'une part :

Ml-M3+M5-M7... = S1

et d'autre part :

M2-M4+M6-M8... = S2

Les sommes S1 et S2 correspondent à des échantillons décalés d'un quart de période, de sorte qu'au moins une des deux sommes soit non nulle. Malgré tout, S1 est affecté du coefficient sin j , comme on l'a dit plus haut, et S2 est affecté, lui, du coefficient : Sin (j +p /2) puisqu'échantillonné un quart de période plus tard. Si on prend la valeur absolue de S1 et de S2, ils ne varieront plus chacun que dans l'intervalle [0,nAcc], donc seront toujours positifs ou nuls. Grâce au déphasage, ils ne seront pas nuls en même temps, et en prenant la somme des valeurs absolues de S1 et S2 on obtient la somme :
 

S = |S1|+ |s2| =
 
 

N x Acc x(|sinj |+|sin(j /2)|

qui varie avec le déphasage selon le diagramme de la figure 7.Cette somme n'est nulle que si le signal utile est absent.Dans le montage décrit, l'intégration se fait sur des tranches de 10 périodes secteur, ou 35 périodes du signal à 175 Hz, ce qui donne une sensibilité suffisante pour détecter le signal sans interférence du bruit présent sur le secteur. Le signal ne représente que 2 % de l'échelle de conversion qui fait 256 points, mais le moyennage sur 35 périodes permet de l'identifier malgré le bruit de conversion qui peut atteindre 10 points de conversion (2 fois l'amplitude crête à crête du signal utile). La somme S est enfin comparée à un seuil et si elle lui est supérieure, on incrémente le compteur de mesures positives mespos. L'algorithme de la détection du signal est représenté à la figure 8.

Une interruption est déclenchée par le timer interne du ST6 à une fréquence de 700 Hz. Le cycle de mesures comprend 140 interruptions au bout desquelles on calcule le cumul du signal,on le compare au seuil, et on incrémente le nombre de mesures positives mespos si la comparaison a confirmé la présence de la porteuse. On incrémente aussi inconditionnellement le compteur de mesures mesures, ce qui fournit une horloge à 5 Hz au programme principal qui détermine les positions des impulsions par comparaison du compteur de mesures avec des constantes calculées en conséquence.
 
 
 

Réalisation
 

Le montage est réalisé sur un petit circuit imprimé simple face dont le cuivre et le plan d'équipement sont donnés figure 9 et 10. Le circuit est logé dans un petit boîtier branché sur le secteur par un câble muni d'une prise ordinaire. Aucune mise au point n'est nécessaire, le fonctionnement est immédiat.

Cependant, la signalisation des états de tarif étant donnée deux fois par jour, le détecteur doit être branché en permanence. Son état au démarrage est le "hors pointe" ; si on le démarre un jour de pointe, il ne l'indiquera pas le premier jour.

Pour en savoir plus sur le ST62XX le lecteur pourra se rapporter à l'ouvrage "Le ST62XX : mise en oeuvre progressive d'un contrôleur" par J-M- Delaplace et J. Luc Grégoriadès aux éditions Dunod.

Conseils:

J.M. DELAPLACE.
Le programme source et fichier hex à implanter dans le ST62T20 est disponible dans le fichier suivant:
detejp2.zip Shift-Cliquer pour télécharger l'archive.

Un typon amélioré au Format BMP est donné dans le fichier suivant:
typgf1.bmp Shift-Cliquer Pour télécharger.

Si vous désirez obtenir un typon sur film pour réaliser le circuit imprimé , voire pour obtenir le circuit imprimé du montage n'hésitez pas à me contacter à l'adresse suivante:
matthieu.benoit@free.fr
De même, je peux fournir le microcontrôleur ST62T20 programmé, N'hésitez pas à me contacter: matthieu.benoit@free.fr

Une version commerciale d'un détecteur EJP basé sur une autre architecture est disponible à l'adresse suivante. Le seul désavantage est que l'alerte n'est plus matérialisée par le clignortement de 2 LEDS mais par une seule fixe et donc est moins visible.

Si vous recherchez plus d'informations sur le protocole PULSADIS, vous pouvez demander le Guide des Spécifications Techniques EDF (référence HN) auprès du Centre de Normalisation d'EDF:
( Contact: Mme J.BONNAUD - EDF IPN 1 av. du Général de Gaulle 92140 CLAMART - France. Tel: 01.47.65.30.81 ).

Des informations concernant le système TEMPO d'EDF ainsi qu'une ébauche d'un projet pour utiliser les ordres PULSADIS TEMPO avec un PIC16C71 sont disponibles.

Le schéma s'y rapportant est disponible dans le fichier : Schema.pdf. SHIFT-Cliquer pour télécharger.
Enfin le principe de fonctionnement est décrit ici.

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matthieu.benoit@free.fr
m-àj:. 21 septembre, 2000.