Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le domaine de l'énergie éolienne est en plein développement au Québec et ailleurs dans le monde, c'est un secteur qui connaît une croissance très rapide ces dernières années. Avec la sensibilisation de la population à la protection de l'environnement, l'essor de l'énergie éolienne et les investissements majeurs dans le secteur, le Québec fait face à un besoin important de main d'oeuvre spécialisée dans ce domaine. L'Université du Québec à Rimouski est à l'avant-garde du secteur éolien et son laboratoire de recherche en énergie éolienne représente le plus important regroupement de chercheurs multidisciplinaires dans le domaine éolien au Canada.

Un nombre grandissant d'appareils se connectent sur le réseau Internet et, parmi ceux-là nous trouvons les téléphones cellulaires, les systèmes d'alarme, les machines distributrices, les systèmes automatisés de production, les compteurs d'électricité, etc. Les technologies actuelles permettent de connecter ces appareils à Internet via une ligne téléphonique, la téléphonie cellulaire ou un réseau Ethernet, que ce soit avec un fournisseur d'accès à Internet ou par connexion directe. Cette technologie, comprend aussi la pile classique des protocoles TCP/IP. Ces protocoles permettent, entre autres, l'envoi (SMTP) et vu la réception (POP3) de courriels, le transfert de fichiers (FTP), l'accès à des pages Web(HTTP).

La connexion d'une éolienne à Internet offre la possibilité d'avoir accès en temps réel ou différé aux données et au contrôle de celle-ci et de n'importe où. L'accessibilité et la connectivité apportent plusieurs avantages tels que la supervision à distance de l'état de l'éolienne, la modification à distance des paramètres, la visualisation de l'historique des données de production, de la supervision en temps réel, l'échange de données par courriel, l'analyse statistique des données et le support aux travaux de recherche en modélisation.

Bien que les éoliennes soient contrôlées par des automates programmables ou par micro-ordinateur, leur éloignement géographique et les conditions environnementales les rendent souvent difficiles à superviser et à surveiller. Une solution consiste à surveiller à distance l'éolienne via le réseau Internet afin d'effectuer les tâches de supervision, de contrôle et d'acquisition de données. Lors d'un bris d'équipement le personnel d'entretien peut être averti directement par la console de supervision, par téléavertisseur ou par courriel. L'acquisition des données météorologiques et de production permet de mieux planifier les entretiens, de valider la courbe de puissance, d'optimiser le rendement et de fournir des données pour des travaux de recherche.

Dans ce type d'application, l'analyse des besoins doit tenir compte des aspects spécifiques: localisation et accès au site, accès au réseau Internet, types de données à acquérir et le traitement statistique, supervision en temps réel ou en différé, contrôle sécuritaire à distance, mise à jour des paramètres du contrôleur de l'éolienne. Ainsi, plusieurs solutions peuvent être envisagées selon le site de l'éolienne et les besoins particuliers.

Pour une application simple, les équipements nécessaires à la mise en oeuvre d'un tel système sont : un micro-ordinateur avec modem téléphonique, un module de communication et un accès à Internet par ligne téléphonique. Pour une application plus élaborée, nous aurons besoin, par exemple, d'un serveur HTTP /JSP, d'un serveur de données SQL, d'un module Ethernet et un accès Internet haute vitesse. Le serveur http /JSP gère la base de données et l'interactivité avec les utilisateurs par Internet. L'utilisation du langage de programmation Java facilite le développement d'applications réseau, côté client, avec ses applets et, côté serveur, avec ses servlets.

Le but de cette recherche est de développer un système de supervision d'une éolienne de moyenne puissance par le réseau Internet. La complexité croissante des parcs éoliens et de leurs turbines justifie le développement d'outils complets pour l'analyse de leurs performances. Par exemple, la connaissance des variables météorologiques de vitesse et de direction du vent et de la puissance électrique permet, entre autres, de valider la courbe de puissance de l'éolienne. Dans un premier temps, les données météorologiques, les données électriques et une caméra ont permis l'observation en direct de l'éolienne à l'aide d'un navigateur Internet. Ensuite, l'ajout d'un module permettant l'acquisition des données fournit au Groupe Éolien de l'UQAR un outil puissant afin de poursuivre des travaux de recherche sur l'énergie éolienne.

La plupart des travaux de recherche récents dans le domaine de la supervision et de l'acquisition de données par Internet utilisent une architecture client / serveur. Un micro-ordinateur, situé sur le site, s'occupe de récupérer les données provenant d'une carte d'acquisition. Ce micro-ordinateur fournit les données à un serveur HTTP connecté au réseau Ethernet. Le serveur HTTP se charge ensuite de rendre les données disponibles aux clients. Depuis peu, la technologie du web embarqué est disponible. Ainsi, nous pouvons remplacer le micro-ordinateur installé sur le site, par un système avec microcontrôleur offrant la technologie web embarquée.

Le système développé permet de superviser, à l'aide d'un lien Internet haute vitesse, une éolienne de moyenne puissance. L'utilisateur a accès aux informations sur l'énergie produite au cours des derniers 24 heures, la puissance électrique produite, la vitesse et la direction du vent et de la température. Une caméra web permet aussi de visualiser en tout temps l'éolienne. On peut aussi accéder aux statistiques de l'éolienne, car la plupart des paramètres mesurés sont emmagasinées dans une base de données. Les statistiques disponibles sont la moyenne, l'écart type, la valeur maximale et la valeur minimale sur une période de 10 minutes et ce, pour tous les paramètres mesurés. Les fenêtres de visualisation s'exécutent dans le micro-ordinateur de l'utilisateur grâce à des "applets" développés en langage Java. Du côté du serveur, des "servlet" permettent d'interroger la base de données en utilisant des requêtes SQL et ainsi fournir les informations demandées par l'utilisateur.

Le système a été expérimenté, sur une éolienne de petite puissance (35 kW) en opération, 2 solutions ont été expérimentées. D'abord une solution permettant de visualiser en direct sur Internet une image de l'éolienne en production, de la tension produite, du courant fournit, de la température, de la vitesse du vent et de la direction du vent sur le site. Avec cette solution, les clients se raccordent directement à la carte de communication de l'éolienne, ce qui peut causer un problème important. Le serveur HTTP de la carte de communication ne peut que deux communications simultanées. Ceci limite le nombre de clients. Néanmoins, une communication par le protocole HTTP n'est pas constamment active car un client fait une requête au serveur, il envoie sa réponse et ferme la communication. Ainsi, nous avons programmé dans l'applet une demande de données à toutes les cinq secondes ce qui permet au serveur de répondre à plusieurs clients dans cet intervalle. L'avantage de cette solution est le développement facile de l'application. Les désavantages sont qu'on ne peut pas fournir en temps réel les données aux clients, il n'y a aucune sauvegarde de l'historique des données, il n'y a aucun calcul statistique de la moyenne et de l'écart type et, enfin, plusieurs clients peuvent avoir accès directement au serveur HTTP de la carte de communication ce qui pourrait occasionner des problèmes.

Dans la deuxième solution expérimentée, nous avons ajouté un serveur qui permet de récolter les données de l'éolienne, d'archiver les données dans une base de données ou dans un fichier texte et d'interroger la base de données afin de répondre aux requêtes des clients. Cette solution comporte le développement d'un programme beaucoup plus élaboré puisqu'on doit gérer les échanges avec une base de données en utilisant un applet et un servlet.

Sur le site de l'éolienne, un réseau Ethernet à haute vitesse a été installé afin de permettre le raccordement à l'Internet du système de supervision et de la caméra. Un système d'acquisition collecte les données météorologiques telles que la vitesse et la direction du vent, la température, ainsi que les paramètres électriques - la tension, le courant et la fréquence de la tension produite par la génératrice. Le module d'acquisition de données communique par un port série avec un module de communication qui supporte un serveur HTTP. Les paramètres mesurés sont transmis à intervalle régulier via le port série au module de communication. Le serveur HTTP récupère ces données. Ces données peuvent ensuite être récupérées sur le réseau Internet. Un micro-ordinateur raccordé au réseau Internet est chargé de récupérer les données du serveur HTTP du site de l'éolienne et de les emmagasiner dans une base de données. Un logiciel de serveur JSP/servlet est installé dans ce micro-ordinateur afin de répondre aux requêtes des utilisateurs. Lorsqu'un utilisateur communique avec le serveur JSP, il télécharge un applet qui va supporter l'interface utilisateur. Cette interface permet aux utilisateurs de visualiser les données actuelles reçues du site de l'éolienne. L'interface permet aussi de placer des requêtes à la base de données pour visualiser des données historiques, des statistiques et des courbes de tendances.

Après l'analyse des avantages et des inconvénients des solutions, la deuxième solution semble répondre plus exactement à la problématique de notre application. Cette solution permet de gérer plusieurs connections avec des clients car le serveur externe http /servlet est un micro-ordinateur et non un serveur web embarqué. De plus, ce serveur peut être installé à n'importe quel endroit avec une connexion Internet haute vitesse. Seul ce serveur communique avec la station d'acquisition des données de l'éolienne.

La réalisation d'un système de supervision d'une éolienne par Internet nécessite des connaissances multidisciplinaires (électricité, électronique analogique et numérique et informatique). Nous avons aussi besoin de différents équipements et logiciels:

1. instrumentation pour mesurer les différents paramètres de fonctionnement et les données météorologiques, 2. des circuits électroniques pour conditionner les signaux reçus de l'instrumentation et les rendre utilisables par une carte d'acquisition de données (circuits de conversion analogique à numérique), 3. un micro-ordinateur pour récupérer et emmagasiner les données et les transmettre à un serveur web, 4. un serveur web qui va fournir par Internet les données aux clients sous forme de pages graphiques, de graphiques de tendances historiques et de statistiques.

Le choix du matériel pour la communication est directement lié au système de contrôle de l'éolienne. Généralement, on utilise un automate programmable pour contrôler une éolienne et elles possèdent pour la plupart un module de communication TCP/IP ce qui facilite l'intégration. La particularité du système développé est qu'il est conçu autour d'un microcontrôleur ayant les capacités d'échanger de l'information par port série ou par Ethernet. Donc, il peut s'adapter à n'importe lequel système de contrôle déjà en place afin de rendre les informations disponibles sur Internet.

Les résultats obtenus sont très acceptables pour la supervision et l'acquisition de données à distance par Internet. L'acquisition des données peut s'effectuer pour toutes les variables à un intervalle aussi petit qu'une seconde ce qui permet de bien modéliser les phénomènes climatiques et le fonctionnement de la turbine éolienne.