Les CPL : Comment ça marche?

La fonction d’une liaison C. P. L. H.T. (Courants Porteurs en Ligne à Haute Tension) est de transmettre des informations (téléphonie, signaux divers) à l’aide d’un courant porteur chargé de convoyer les dites informations en utilisant comme support de transmission les conducteurs des lignes de transport d’Energie. Les lignes d’énergie considérées sont les lignes aériennes (cas général du Transport d’Energie).

Le choix des fréquences porteuses.

Ce courant porteur est caractérisé par une fréquence porteuse. Celle-ci doit être très différente du 50 Hz pour faciliter à la fois son insertion et son extraction de cette ligne à Haute Tension. Le choix de cette fréquence porteuse doit bien évidemment tenir compte des conditions de propagation des ondes en fonction de la fréquence. sur les lignes H. T. dont les données constructives répondent en premier lieu aux contraintes de la Haute Tension, aux contraintes mécaniques et aux contraintes environnementales.

En complément à ces conditions techniques, d’importantes restrictions ont apportées au choix de cette fréquence porteuse par l’Administration des Postes et Télécommunications. dont E. D. F. devait obtenir l’agrément. Chargée du monopole des moyens de Télécommunications: l’administration des P&T tolérait néanmoins un certain nombre d’exceptions. En particulier, elle autorisait, sous conditions de motifs liés à la sécurité du réseau de transport d’électricité., la réalisation par E. D. F. de liaisons à courants porteurs dans les gammes de fréquences dites « ondes longues » et « ondes moyennes », c’est-à-dire approximativement entre 40 kHz et une limite supérieure mal définie à l’époque (en pratique inférieure à 500 kHz).

Cette autorisation était et, est toujours, assortie de restrictions et de règles déterminant le choix des fréquences. Ces conditions d’autorisation avait pour effet d’une part, d’empêcher E. D. F. d’utiliser certaines bandes de fréquence et, d’autre part, de limiter E. D. F. dans l’utilisation d’autres bandes de fréquence à certains emplacements géographiques.

L’origine de ces restrictions et limitations provient des rayonnements parasites des liaisons C. P. L. et des interférences susceptibles d’apparaître avec des utilisateurs radio de ces fréquences,  notamment les radio balises pour la navigation aérienne et la radiodiffusion publique.

Ces restrictions dans le choix des fréquences porteuses ont amené à rechercher une utilisation optimales des fréquences porteuses pour les liaisons CPL tant au niveau des principes que dans la répartition géographique (influence des CPL entre elles, influence avec les autres utilisateurs – Balises, Radio….)

Le choix de la modulation

Pour permettre la transmission des informations, le courant porteur émis en ligne est modulé. Plusieurs méthodes de modulation sont envisageables: modulation d’amplitude, modulation de fréquence, modulation de phase, modulation par impulsions …

Après une analyse multicritère le choix s’est porté sur  le procédé de modulation dit à bande latérale unique (B. L. U.). Ce procédé différe de la modulation d’amplitude par la création d’une seule bande latérale de modulation, la fréquence porteuse et la seconde bande latérale de modulation étant supprimées.

Ce type de modulation présente les avantages suivants :

– il permet d’occuper une bande réduite de fréquence,

– la puissance émise est concentrée sur la bande latérale de modulation conservée.

L’utilisation optimale des bandes de fréquence, les besoins de l’exploitation, la nature particulière du milieu de propagation (atténuation, parasites) ont amené à spécifier les caractéristiques générales suivantes des liaisons C. P. L. type BLU mixte :

– bande de fréquences attribuée à un sens de transmission: 4 kHz; bande minimale effectivement transmise 300 – 3400 Hz (bande téléphonique 300 – 2000 Hz, bande signaux 2280 – 3400 Hz),

–  fonctionnement bilatéral en bandes accolées de 8 kHz,

– possibilité de juxtaposer 2 liaisons bilatérales E. D. F. de bande nominale 8 kHz (bande occupée: 16 kHz).

Cette caractéristique impose le choix d’un type déterminé de modulation à bande latérale unique. Le choix s’est porté sur la modulation par bande latérale unique inversée (conservation de la bande F – f et suppression de la bande F + f).

– puissance d’émission élevée (puissance maximale en crête de modulation 40 watts, puissance moyenne maximale 20 watts, puissance efficace réellement émise de l’ordre de 2 watts)

– sensibilité et sélectivité importante du récepteur.

 En savoir plus sur la BLU…

La constitution d’une liaison

La constitution d’une liaison C. P. L. se définit à partir du support de la voie de transmission qu’est la ligne d’énergie. La transmission des courants porteurs demande à chaque extrémité du matériel de couplage et des équipements terminaux émetteur-récepteur à courants porteurs.

    La réalité                           Le schéma HT                 Le schéma de principe

Couplage à la ligne d’énergie

Il existe deux modes de couplage utilisés habituellement pour transmettre vers la ligne d’énergie et extraire de la ligne d’énergie les ondes porteuses:

– le couplage entre une phase et la terre

– le couplage entre deux phases (couplage biphasé).

Dans ce dernier cas, on distingue le couplage entre deux phases d’une même ligne ou entre deux phases de lignes différentes.

Nous allons décrire ci-après la constitution d’une liaison C. P. L. en se référant au couplage phase-terre (le plus employé parce que le plus économique). Il est aisé comme on le verra plus loin d’en déduire la constitution d’une liaison fonctionnant avec un couplage biphasé.

Côté haute tension :

Les courants porteurs étant émis côté ligne d’énergie, leur aiguillage vers la direction choisie (sens de la voie de transmission) est réalisé à l’aide de circuits-bouchons qui ont pour fonction d’empêcher toute injection inutile de courants porteurs vers des tronçons de ligne ou les barres d’un poste qui ne sont pas concernés par la transmission.

Ces circuits-bouchons présentent les caractéristiques suivantes

– impédance très faible à 50 Hz,

– caractéristiques électriques leur permettant de supporter d’une part, en permanence le courant nominal des lignes, d’autre part les divers courants de surcharge de ces lignes ainsi que les ondes de choc à front raide transmises par ces lignes en cas d’incident ou de manœuvre sur le réseau, impédance élevée dans la bande des fréquences à courants porteurs qu’ils doivent empêcher de transiter vers les mauvaises directions.

 

E. D. F. dans ses spécifications a normalisé une valeur comprise entre 160 et 200 μH pour la self constituant ces circuits-bouchons. Ceux-ci comprennent, en outre, des condensateurs d’accord et un parafoudre de protection.

Coté basse tension

La liaison avec la ligne d’énergie de la partie basse tension de l’installation à courants porteurs se fait à l’aide d’un condensateur de couplage. Il présente les caractéristiques suivantes :

–  Impédance très élevée à 50 Hz,

– Caractéristiques électriques lui permettant de supporter d’une part en permanence la tension de la ligne, d’autre part les diverses surtensions pouvant provenir de la ligne,

–  Impédance faible aux fréquences à courant porteur,

– Angle de perte à ces fréquences suffisamment faible pour entraîner une atténuation négligeable de ces fréquences.

Ces caractéristiques tiennent compte du couplage à une ligne haute tension présentant une impédance comprise entre 300 Ω et 600 Ω. De ces conditions, il s’ensuit l’utilisation en FRANCE d’une capacité de l’ordre de 4000 pF (valeur normalisée).

Un dispositif appelé groupe de couplage est inséré à la sortie basse tension du condensateur de couplage. Il assure la liaison entre le câble coaxial transmettant les signaux issus de l’émetteur-récepteur à courants porteurs et la ligne d’énergie attaquée à travers le condensateur de couplage. Il a deux fonctions : adaptation d’impédance entre la liaison câble coaxial ligne d’énergie, protection contre toutes les surtensions pouvant provenir de la ligne d’énergie.

La fonction d’adaptation d’impédance consiste d’une part à adapter l’impédance du coaxial (valeur nominale 75Ω) à celle de la ligne (variable entre 300Ω et 600Ω.), d’autre part à compenser l’impédance réactive du condensateur.

En général, pour une bande de fréquence étroite- (une liaison BLU à fréquence accolée, ou deux ayant des fréquences juxtaposées et des fréquences porteuses> à 100 kHz), cet objectif est obtenu à l’aide d’un autotransformateur adaptant les impédances et d’une self corrigeant le terme capacitif du condensateur de couplage (l’ensemble des éléments forment un filtre passe-bande).

Dans le cas où l’on a à adapter le câble coaxial et la ligne haute tension pour deux bandes de fréquence très différentes, on utilise un dispositif de filtres d’aiguillage.

A ces éléments d’adaptation, dans le cas d’un couplage biphasé, on ajoute un transformateur symétriseur permettant de répartir de façon optimale l’émission des ondes porteuses entre les deux phases. Par ailleurs, le couplage biphasé réclame de disposer en double de l’ensemble des éléments d’un couplage monophasé.

La fonction protection permet à l’aide d’une bobine de drainage l’écoulement du 50 Hz à la terre, à l’aide de parafoudres convenables, la limitation aux bornes du dispositif d’adaptation des surtensions pouvant provenir de la ligne d’énergie, et, par la mise en place d’un sectionneur de terre, la possibilité pour un opérateur d’effectuer sans danger des mesures et des travaux sur le groupe de couplage, la ligne d’énergie étant sous tension.

– Equipements terminaux émetteur-récepteur

Un câble coaxial relie le groupe de couplage à l’émetteur-récepteur à courants porteurs dont les fonctions de base sont :

– à l’émission, transposer les fréquences vocales de la téléphonie et des signaux dans la bande des fréquences porteuses,

– à la réception, restituer ces fréquences vocales à partir de la bande des fréquences porteuses

La liaison CPL se présente aux équipements terminaux avec des caractéristiques similaires (gabarit) d’une liaison spécialisée téléphonique (banale paire de cuivre) avec une bande passante de type voix 300-3400 Hz ce qui permet la réutilisation en principe des nombreux équipements compatibles. Les équipements de transmission ont été conçus pour une utilisation mixte voix-données avec des compromis sur la qualité de la voix et le débit de données (50 bauds et 200 bauds, cf. page 25), qui apparaît ridicule au XXIème siècle mais qui qui était suffisant pour permettre l’instrumentation de l’exploitation à distance (télé-mesures) et l’automatisation dès le début du XXème.

Performances réclamées sur le plan d’utilisation mixte voix-données

 La qualité de service réclamée à une liaison C. P. L. tient compte :

 – de l’utilisation mixte (téléphonie, signaux divers) de cette liaison
– de l’établissement possible d’une liaison de téléphonie par la mise en série de plusieurs liaisons C. P. L. (3 ou 4 fréquemment),
– de la transmission d’information (transmission de données) par la mise en série de plusieurs canaux « signaux » de liaisons C. P. L. différentes.

 On est amené́ sur le plan qualité de service à considérer deux points de vue :

 a) Le service de téléphonie vocale

 La qualité d’une liaison téléphonique dépend d’un certain nombre de paramètres lies aux caractéristiques fonctionnelles de cette liaison :

– restitution des fréquences émises par la voix,

– restitution de l’amplitude relative des différents sons,

– niveau des bruits parasites.

Une certaine limitation de performances théoriques (transmission sans distorsion des fréquences et des niveaux définissant la parole) est Les caractéristiques de qualité de transmission correspondant aux spécifications E. D. F. sont les suivantes :

 – transmission de la bande vocale: 300-2000 Hz,

– tolérance d’une certaine distorsion dans la transmission de l’amplitude relative des différents sons.

 Cette tolérance, pour une seule liaison C. P. L., peut varier entre :

+/- 1dB                     à 800 Hz

– 1 dB + 3 dB            à  300 Hz

– 1 dB + 3 dB            à 2000 Hz

 – tolérance d’un bruit parasite moyen inférieur seulement à 40 dB par rapport au niveau de référence téléphonique correspondant à la puissance en crête de modulation des sons émis par une personne parlant normalement.

 b) Les signaux d’information (automates, télérelève, téléréglages …)

La transmission des signaux d’information demande de satisfaire les deux qualités suivantes:

– la précision dans la transmission de l’information

– la vitesse de transmission d’information.

 Les signaux d’information peuvent se présenter  sous deux formes différentes : analogique, numérique.

Un signal analogique perd de sa précision en présence de bruit. Les phénomènes de distorsion peuvent, dans certaines conditions, avoir des répercussions sur sa qualité́. Le temps de réponse du fait de la transmission est lié essentiellement à la largeur de bande du canal harmonique attribué à la transmission de ce signal.

Un signal numérique est constitué d’un certain nombre de signaux élémentaires représentant un code définissant la grandeur (chiffre) de ce signal numérique. Il peut supporter une distorsion importante sans que sa précision en soit affectée. Si cette distorsion dépasse un seuil élevée, on peut transmettre une informations erronées, mais généralement un certain nombre de critères permet de déceler l’erreur. Le temps de réponse est relativement important et fonction du nombre de signaux élémentaires constituant ce signal numérique.

 La bande de fréquence réservée aux signaux d’information dans une BLU type E. D. F. va de 2280 Hz à 3400 Hz. Elle comprend 9 canaux harmoniques 120 Hz (ou 4 canaux harmoniques 240 Hz).

 Attribution des canaux de fréquence CPL

ddd

 …(à compléter page 45=65)

(Les textes qui précèdent sont des extraits d’un document interne anonyme de formation des années 1965-1984, pages 37 et suiv. (c) EDF-RTE)

Photo terminal CPL à trouver

Normalisation

Les CPL font l’objet d’une normalisation internationale par la CEI, c’est le standard CEI/ IEC 62488-1 : Edition 1.0 2012-11 : Systèmes de communication sur lignes d’énergie pour les applications des compagnies d’électricité –Partie 1: Conception des systèmes à courants porteurs de lignes d’énergie analogiques et numériques fonctionnant sur des réseaux d’électricité EHT/HT/MT

Voici une illustration d’une version précédente du standard CEI avec la traduction en anglais des mots clé : PLC (Power Line Carrier) line trap, coupling capacitor, coupling device :

Le livre  d’André Chevallier de 1946  « TELETRANSMISSION par ONDES PORTEUSES dans LES RÉSEAUX DE TRANSPORT D’ÉNERGIE A HAUTE TENSION » donne dans son  CHAPITRE II LA LIGNE A HAUTE TENSION MILIEU DE TRANSMISSION D’ONDES A HAUTE FRÉQUENCE les bases théorique électrotechniques de la propagation des ondes dans ce milieux et dans son CHAPITRE III MOYENS D’ÉTABLISSEMENT D’UNE LIAISON A HAUTE FRÉQUENCE SUR UNE LIGNE A HAUTE TENSION les dispositions constructives prises pour la réalisation et le bon fonctionnement en régime normal ou perturbé de la ligne HT des liaisons CPL.

Circuit Bouchon planche OCR

1946 CPL Chevallier – sommaire