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POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Graduate Electrical Engine

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Graduate Electrical Engineer, University of Belgrade, Serbie et de nationalité serbe acceptée sur proposition du jury: acceptée sur proposition du jury : Prof. J. R. Mosig, président du jury Dr F . Rachidi-Haeri, directeur de thèse Prof. M. Rubinstein, rapporteur Prof. A. Skrivervik Favre, rapporteur Prof. R. Thottappillil, rapporteur Electromagnetic Compatibility of Power Line Communication Systems Ana Vukicevic THÈSE NO 4094 (2008) ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE PRÉSENTÉE le 6 juin 2008 À LA FACULTE SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR LABORATOIRE DE RÉSEAUX ÉLECTRIQUES PROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIE Suisse 2008 Mom zrncetu kukuruza Résumé Depuis des décennies, les réseaux électriques sont utilisés comme un moyen de communication, principalement par les compagnies électriques pour le contrôle de leurs propres réseaux. Toutefois, l’ouverture des marchés ces 10 dernières années a permis d’envisager d’utiliser les réseaux électriques pour toute une gamme de nouvelles applications de communication et de services. Le concept a été développé puis implémenté sur deux catégories de plages de fréquences, la large-bande (broadband) et la bande-étroite (narrowband) : • Bande-étroite : entre 3 et 148,5 kHz en Europe (CENELEC Standard EN 50065), et jusqu’à 500 kHz au Japon et aux USA. • Large-bande : entre 1 et 30 MHz. Soit 1 à 15 MHz en externe (réseau basse tension) et 15 à 30 MHz en interne (intérieur des bâtiments). Il n’existe à ce jour aucune réglementation claire dans cette gamme de fréquence. Les systèmes et applications développés utilisent plusieurs secteurs du réseau électrique, soit les câbles moyenne et basse tensions (MT et BT) en extérieur, et le câblage électrique interne dans les bâtiments. Ces câbles sont conçus et optimisés pour la transmission de puissance aux fréquences de 50/60 Hz et représentent un moyen inadapté pour les transmissions à des fréquences plus élevées. Cette thèse se concentre sur les problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) et certains aspects d'optimisation des systèmes à large bande, actuellement connus sous le nom de Courants Porteurs en Ligne ou plus communément en anglais ‘Powerline Communications’ (PLC) ou ‘Broadband over Power Line’ (BPL). Ce travail de thèse a été effectué dans le cadre du projet européen OPERA (http://www.ist-opera.org/). Une brève description du projet OPERA est donnée au chapitre 1. Le deuxième chapitre présente une description des sujets abordés dans cette thèse et présente l'état de l'art des travaux effectués. Ce chapitre est divisé en trois parties dont chacune commence par une courte introduction destinée à ceux qui ne sont pas familiers avec le sujet en question. La première partie du chapitre 2 donne une vue d'ensemble et introduit les aspects de télécommunications pertinents à la thèse, ainsi que les spécifications techniques générales du projet OPERA. La deuxième partie traite du milieu de transmission qui, pour le cas du PLC, est le réseau électrique. Les différentes composantes du système PLC y sont décrites et l'état de l’art sur la caractérisation du canal de transmission y est présenté. La troisième partie traite du problème de la compatibilité et les questions de normalisation liés à la technologie PLC. Les principales contributions originales de cette thèse sont présentées dans les chapitres 3 à 7. La technologie PLC se distingue des autres technologies par l’utilisation de réseaux préexistant non dédiés à la transmission de données. Ce milieu (le réseau électrique) n’est, par conséquent, pas optimisé pour les fréquences et les applications pour la transmission à large bande. Pour que la technologie PLC soit compétitive, ces problèmes doivent être correctement identifiés et résolus, afin de pouvoir optimiser le système en tenant compte des contraintes dues au réseau existant. Bien que le système PLC soit en voie d'amélioration continue, il reste toujours des problèmes d’émissions, d’immunité et de standardisation qui restent à résoudre. Ces points sont d’autant plus importants que le système PLC utilise les mêmes fréquences utilisées par d’autres services, requérant une indispensable coexistence entre les systèmes. De plus, les modems PLC ont un port unique pour l’alimentation et les télécommunications. Par conséquent, les normes d’émissions conduites pour ces deux types de ports ne sont pas directement applicables. D’autre part, étant donné la très faible symétrie des câbles utilisés, les émissions sont plus élevées que celles des paires torsadées utilisées dans les systèmes xDSL. Une bonne compréhension de l’émission et de l'immunité des systèmes PLC est donc d'une grande importance pour que l'optimisation et la standardisation CEM soient basées sur des critères techniques objectifs. Même si les phénomènes de base sont très semblables que pour tout autre système de transmission filaire, la complexité et la variabilité de la topologie des réseaux existants sont telles que des solutions simples ne sont souvent pas applicables. Les émissions provenant du câblage sont principalement dues aux signaux en mode commun. Une partie de l'énergie dans ce mode est directement injecté par les étages de sortie des modems PLC, dû à leur asymétrie. En outre, une conversion en mode commun intervient également lors de discontinuités et d’asymétries réparties le long du réseau PLC. Le chapitre 3 présente une étude théorique et expérimentale dont le but est d’améliorer notre compréhension sur les mécanismes de conversion du mode différentiel en mode commun. Un modèle d’habitation a été construit sur le site de l’EPFL. Différents types de câblages ont été utilisé afin d’étudier l’influence de différents paramètres sur le comportement des courants en mode commun. Ces courants sont la source principale des émissions rayonnées et conduites. Les mesures expérimentales sont également utilisées pour tester deux méthodes adoptées pour simuler la conversion mode différentiel – mode commun, à savoir la théorie des lignes de transmission et la théorie des antennes. Le chapitre 4 traite des problèmes liés au test d’immunité des modems PLC. Nous démontrons que la conversion du mode différentiel en mode commun est associée à la conversion inverse par une relation de réciprocité. En raison de la faible symétrie du câblage PLC, une partie du signal en mode commun injecté est convertie en mode différentiel qui interfère avec le signal PLC à l'entrée du modem sous test. En fonction de la symétrie du réseau de couplage-découplage (Coupling-Decoupling Network, CDN), non spécifiée dans les normes, l'essai d'immunité peut donner lieu à des résultats erronés en raison de l'effet de cette composante en mode différentiel. En supposant que le CDN est conçu pour présenter une symétrie semblable à celle des réseaux PLC, le niveau de perturbation au niveau du modem PLC a été estimé. Le taux d’erreur binaire induit par la présence du signal perturbateur en mode différentiel a aussi été estimé à 1x10-5 to 5x10-5, ce pour un débit total de 200 Mbps. Ces taux d’erreur peuvent être facilement corrigés par des procédures MAC ARQ. Par conséquent, les modems ne risquent pas de voir leur performance dégrader sérieusement à cause des tests d’immunité, pour autant que le niveau de symétrie du CDN soit du même ordre de grandeur que celui du réseau PLC. La simulation de la totalité ou d’une partie d’un réseau PLC à l’aide de techniques numériques comme la méthode des moments ne s’est pas avérée pertinente car ces réseaux s’étendent sur plusieurs, voire plusieurs dizaines de longueurs d’onde. De plus, l’approximation des lignes de transmission, même si elle convient parfaitement pour des calculs en mode différentiel, n’est pas directement applicable à la simulation EMC du câblage électrique interne, car elle ne tient pas compte des courants en mode d’antenne qui contribuent de manière significative aux émissions rayonnées. Le chapitre 5 présente une nouvelle approche basée sur la théorie des lignes de transmission, mais qui considère également les courants en mode antenne. Une équation intégrale décrivant les courants en mode d’antenne a été développée. Nous avons démontré que cette équation intégrale se réduit, pour le cas d’une ligne avec des dimensions transversales électriquement petites, à une paire d’équations de même forme que les équations des télégraphistes avec des paramètres linéiques équivalents. Les équations obtenues permettent d’évaluer les courants en mode d’antenne en faisant usage des codes basés sur la théorie des lignes de transmission, avec des paramètres linéiques appropriés. Les équations développées sont validées en utilisant les résultats numériques obtenus à l’aide du logiciel NEC (Numerical Electromagnetics Code). L’atténuation des émissions représente une autre préoccupation importante en vue de la compatibilité électromagnétique des systèmes PLC. Le chapitre 6 présente une technique basée sur l’injection d’un signal de compensation sur la ligne neutre-terre, ainsi que des propositions pour son implémentation dans les modems PLC. La méthode proposée permet de réduire sensiblement le rayonnement électromagnétique des signaux PLC par un choix judicieux de l’amplitude et de la phase du signal de compensation. Dans ce même chapitre 6, nous abordons la question plus générale de l'application de techniques d'atténuation des émissions pour augmenter le débit global de systèmes PLC. Nous montrons qu'une augmentation de la puissance du signal (rendue possible par l'application de techniques d'atténuation) conduit à une augmentation considérable de la capacité du canal PLC. En utilisant un certain nombre de simplifications, nous montrons qu’une atténuation de 10 dB des émissions permet d’augmenter la capacité du canal jusqu'à 66 Mbit/s. Nous présentons uploads/Ingenierie_Lourd/ power-line-communications.pdf