À l’ère de l’électrification, un réseau résilient signifie ne jamais avoir à s’excuser pour une panne de courant imprévue. Les relais de protection différentielle sont prêts à faire de ce rêve une réalité.
De nos jours, tout le monde veut plus d’électricité du réseau. Les industries passent des combustibles fossiles à l’électricité pour alimenter tout, des équipements de production et des camions de livraison aux chariots élévateurs, chaudières et fours. Beaucoup s’appuient de plus en plus sur des centres de données AI, qui ont un appétit insatiable pour l’électricité. Les consommateurs échangent les voitures et camions à essence contre des véhicules électriques et des pompes à chaleur. Les services publics ressentent également la pression de répondre à ces nouvelles demandes et d’offrir à leurs clients une électricité sûre, de haute qualité, sans interruption.
La partie “sans interruption” de cette équation a longtemps été le rêve de nombreux acteurs. Les technologies de communication innovantes pour les relais de protection différentielle sont sur le point de concrétiser ce rêve.
Les services publics ressentent la pression de fournir une énergie ininterrompue et de maintenir un réseau résilient. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Nokia
Les relais différentiels exigent une communication ininterrompue
Lorsque des problèmes surviennent sur les lignes électriques, les services publics comptent sur les relais différentiels pour détecter et isoler de manière fiable les défauts. Chaque relais exige une communication ininterrompue avec un homologue distant pour fournir ces capacités.
La plupart des relais différentiels et autres applications du réseau fonctionnent sur des réseaux de communication robustes basés sur SONET/SDH et TDM qui ont fait leurs preuves depuis des décennies. Grâce à ces réseaux, les services publics ont largement réussi à protéger leurs actifs essentiels du réseau, y compris les transformateurs, et à minimiser les interruptions de l’approvisionnement en électricité lors des événements de défaut. Cependant, les réseaux SONET/SDH et TDM sont désormais obsolètes. Les fournisseurs ne les soutiennent plus.
De nombreux services publics migrent les communications du réseau vers des réseaux étendus (WAN) modernes basés sur le protocole Internet Multi-Protocol Label Switching (IP/MPLS) qui peuvent améliorer les performances, la flexibilité et l’évolutivité des services.
Les services publics utilisent IP/MPLS pour adopter davantage d’applications pour les opérations de réseau numérique. Ces applications leur fourniront un niveau d’automatisation supérieur et une meilleure supervision pour répondre aux exigences d’électrification et d’autres tendances mondiales, telles que le passage à la génération d’énergie renouvelable distribuée et le déploiement rapide de nouveaux centres de données AI.
IP/MPLS est-il prêt à supporter les communications des relais ?
Une infrastructure de communication moderne IP/MPLS est la base essentielle du réseau numérique. Mais la question cruciale est la suivante : IP/MPLS a-t-il ce qu’il faut pour répondre aux exigences strictes des communications des relais ?
Les relais de protection sont très sensibles aux impairments et interruptions du réseau. Ils ont besoin que le réseau fournisse des canaux de communication fiables pour transmettre et recevoir des données actuelles avec un faible délai et une variation de délai cohérente (également appelée jitter), ainsi qu’une asymétrie de délai.
Les relais ont également besoin que le réseau offre le meilleur niveau de résilience possible. Si les communications des relais s’arrêtent, les opérations des relais s’interrompent également. En d’autres termes, la fiabilité du réseau est directement liée à la fiabilité des communications des relais.
Le rapport technique IEC 61850-90-12:2020, qui définit les lignes directrices d’ingénierie WAN pour l’automatisation des services publics, souligne la nécessité critique de communications résilientes des relais. Il spécifie qu’il ne peut y avoir aucun délai de récupération—c’est zéro milliseconde—s’il y a une défaillance dans le chemin réseau qui transporte le trafic différentiel entre les relais à chaque extrémité d’une ligne électrique donnée.
Cette exigence dépasse le temps de récupération de 60 millisecondes que les services publics peuvent atteindre avec des mécanismes avancés de redondance réseau 1+1 basés sur SONET/SDH et TDM, tels que le changement de protection automatique (APS) et la protection de connexion de sous-réseau (SNCP). Mais, bien que la récupération en 60 millisecondes soit rapide, elle entraîne néanmoins une perte de données pouvant perturber les opérations des relais, mettant en danger la sécurité et la fiabilité du réseau – et pourrait suspendre les plans d’électrification des clients.
Cela signifie que les services publics ne peuvent pas continuer à utiliser les mêmes anciennes approches de redondance lorsqu’ils passent les communications des relais différentiels à IP/MPLS. Il est temps d’adopter une nouvelle approche pour rediriger sans interruption les communications des relais vers un chemin de sauvegarde redondant si le chemin actif échoue.
Redondance IP/MPLS sans interruption
La bonne nouvelle est que de telles solutions existent aujourd’hui. Les services publics peuvent garantir des communications de protection différentielle très résilientes sur IP/MPLS avec un mécanisme de redondance qui combine deux innovations de routeur : la redondance pseudowire multipath active sans interruption et la compensation d’asymétrie de délai (ADC).
Ce nouveau mécanisme n’est pas semblable à la redondance conventionnelle 1+1. Il ne vise pas à détecter les défauts du réseau d’abord, puis à transférer le trafic de données du chemin actif vers un chemin de sauvegarde aussi rapidement que possible. Au contraire, il réplique simultanément le trafic de données des relais et le transmet sur plusieurs chemins de pseudowire actifs à travers le réseau IP/MPLS. Le routeur récepteur choisit la meilleure copie de ce trafic de données dans l’ensemble des chemins actifs et l’envoie au relais. Il n’y a pas de temps de basculement.
Les relais différentiels sur les lignes électriques peuvent détecter et isoler de manière fiable les défauts pour fournir une alimentation ininterrompue. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Nokia
La redondance pseudowire multipath active est cruciale car elle garantit une résilience multi-faux sans interruption et respecte l’exigence de zéro délai de l’IEC 61850. Les relais ne détectent pas la défaillance du réseau et continuent de communiquer sans interruption, ce qui signifie que les clients ne remarqueront pas non plus la défaillance.
Le mécanisme utilise l’ingénierie du trafic IP/MPLS pour garantir que chaque chemin actif utilise une route physique distincte pour offrir une résilience multi-faux. Si des liens réseau échouent sur plusieurs chemins actifs, les routeurs continuent de recevoir des données des chemins actifs restants. Il n’y a aucun impact sur les communications des relais ou la performance des applications de protection.
Les opérations des relais ont également des exigences strictes concernant l’asymétrie de délai causée par le jitter du réseau. L’asymétrie de délai peut amener un relais à déclencher faussement un circuit parce que ses mesures de courant ne correspondent pas aux mesures correctes recueillies par le relais à l’autre extrémité de la ligne.
La technologie ADC, un algorithme de manipulation de tampon intelligent dans le routeur IP/MPLS, atténue l’impact de l’asymétrie de délai sur les chemins de communication avant et arrière entre les relais de protection. Elle fonctionne de manière transparente avec la redondance pseudowire multipath active. L’ADC neutralisera également l’asymétrie de délai causée par une défaillance de lien.
Une innovation validée par l’industrie
Des tests rigoureux ont été réalisés avec des partenaires de l’industrie des services publics et des télécommunications pour valider le nouveau mécanisme de redondance. Ces tests visaient à démontrer que les réseaux de communications IP/MPLS pouvaient offrir des performances et une résilience pour répondre aux exigences strictes des services de protection différentielle basés sur TDM et Ethernet.
Pour les tests, de nombreux scénarios ont été tentés pour défaillir les chemins réseau sur lesquels les relais comptent pour les communications, allant des coupures de fibre et de congestion aux défaillances de nœud, de lien, de port, de carte et de routeur. Ils ont été centrés sur l’assurance que le mécanisme de redondance multipath active/active fournit :
- Une communication et une synchronisation de temps hautement fiables et disponibles
- Un délai réseau minimal
- Des mesures de séparation du trafic et de qualité de service (QoS) appropriées
- Un délai réseau constant et symétrique avec un minimum de jitter
Les résultats des tests ont prouvé que le mécanisme de redondance répond à toutes ces exigences et fournit une résilience supérieure pour les communications de protection différentielle en ligne. Lorsque un défaut réseau déclenche la protection par redondance, les opérations des relais peuvent se poursuivre sans interruption, et les lignes électriques restent protégées.
Les services publics ne doivent plus s’inquiéter de savoir si des problèmes réseau laisseront les lignes non protégées ou provoqueront des pannes de courant imprévues. Les clients peuvent se concentrer sur l’électrification, sachant que le réseau est prêt à soutenir leurs besoins quotidiens et leurs plus grandes ambitions sans interruption