Les appareils électroniques intelligents, ou IED (Intelligent Electronic Devices), sont largement utilisés dans les postes électriques modernes et les systèmes électriques. Ils collectent des données électriques, surveillent l’état des équipements, assurent des fonctions de protection et échangent des informations avec d’autres appareils.
Mais un IED ne fonctionne pas seul. Il a besoin d’un protocole de communication pour transmettre les mesures, les alarmes, les changements d’état et les commandes à d’autres systèmes.
Alors, qu’est-ce qu’un IED et quels sont les protocoles de communication les plus courants ? Ce guide présente les bases et compare quatre protocoles utilisés dans les systèmes électriques : Modbus RTU, DNP3, IEC 60870-5-104 et IEC 61850.
Qu’est-ce qu’un IED ?
Un IED est un appareil électrique basé sur un microprocesseur. Il peut surveiller, mesurer, contrôler ou protéger des équipements d’un système électrique.
Les IED comprennent notamment :
- Les relais de protection
- Les compteurs intelligents
- Les terminaux de départ
- Les contrôleurs de baie
- Les contrôleurs de disjoncteurs
- Les analyseurs de qualité de l’énergie
Un IED peut mesurer des valeurs comme la tension, le courant, la fréquence et la puissance. Il peut aussi détecter l’état des équipements et les défauts.
Selon le modèle, il peut envoyer des alarmes, enregistrer des événements ou exécuter des commandes de contrôle.
La principale différence avec les équipements électriques traditionnels vient de ses capacités de traitement et de communication. Un IED peut traiter les données du terrain et les échanger avec un système SCADA, un système d’automatisation de poste ou d’autres IED.
Pourquoi les IED ont-ils besoin de protocoles de communication ?
Des IED provenant de fabricants différents peuvent utiliser des méthodes différentes pour organiser et transmettre les données.
Un protocole de communication définit la manière dont ces données sont échangées. Il précise notamment :
- Les données qui peuvent être transmises
- La manière dont les appareils s’identifient
- Le fonctionnement des commandes et des réponses
- La manière dont les événements sont signalés
- La représentation des données
Par exemple, un IED simple peut utiliser Modbus RTU et fournir les valeurs de tension et de courant à travers des registres. Un IED plus récent peut utiliser les nœuds logiques et les modèles de données normalisés d’IEC 61850.
Le protocole choisi influence donc directement la manière dont l’IED peut communiquer avec le reste du système.
Protocoles de communication courants pour les IED
Modbus RTU
Modbus RTU est l’un des protocoles les plus simples utilisés avec les IED et d’autres équipements électriques.
Il fonctionne généralement sur RS-485 et utilise une architecture maître-esclave. Le maître, par exemple un automate PLC ou un système SCADA, demande les données aux appareils esclaves.
Modbus RTU utilise des registres pour représenter les données. Cela le rend simple à mettre en œuvre et largement compatible avec différents équipements.
Cependant, le maître doit normalement interroger l’esclave pour obtenir les données. Le protocole ne définit pas non plus la signification de chaque registre. Il faut donc consulter la documentation de l’IED et configurer les bonnes adresses.
Utilisez Modbus RTU lorsque la simplicité et la compatibilité avec les équipements sont plus importantes que les fonctions avancées d’un poste électrique.
DNP3
DNP3 a été développé pour les applications électriques. Il est couramment utilisé entre les RTU, les IED, les systèmes SCADA et les centres de contrôle.
Contrairement aux protocoles basés uniquement sur l’interrogation, DNP3 prend en charge les événements et les données horodatées. Il prend également en charge les réponses non sollicitées (Unsolicited Responses). Un IED peut ainsi signaler un changement important sans attendre une nouvelle demande.
DNP3 fonctionne avec des communications série et TCP/IP.
Il convient notamment à la surveillance des réseaux électriques, à l’automatisation de la distribution et au contrôle à distance lorsque la transmission des événements est importante.
IEC 60870-5-104
IEC 60870-5-104, souvent appelé IEC 104, étend les communications IEC 60870-5-101 aux réseaux TCP/IP.
Il est largement utilisé pour les échanges entre les postes électriques et les centres de contrôle ou de dispatching. Les réseaux Ethernet et IP permettent de l’utiliser sur des systèmes électriques répartis sur plusieurs sites.
IEC 104 prend également en charge la transmission des événements. Un changement d’état important peut être transmis sans dépendre uniquement d’une interrogation continue.
Utilisez IEC 104 lorsque le besoin principal est une communication IP entre les postes électriques et les systèmes de contrôle de niveau supérieur.
IEC 61850
IEC 61850 a été développé pour l’automatisation des postes électriques. Son approche est différente de celle des protocoles basés sur des registres comme Modbus.
Au lieu d’associer simplement les données à des adresses de registres, IEC 61850 utilise des modèles de données normalisés basés notamment sur les nœuds logiques (Logical Nodes, LN) et les classes de données communes (Common Data Classes, CDC).
IEC 61850 définit également plusieurs services de communication importants :
- MMS : utilisé pour la supervision, l’échange de données et le contrôle.
- GOOSE : utilisé pour les communications rapides liées aux événements, par exemple pour les signaux de protection et d’interverrouillage.
- SV : utilisé pour transmettre des valeurs électriques échantillonnées.
Cette approche donne aux données des IED une structure plus normalisée. Elle peut aussi faciliter l’interopérabilité entre des appareils de différents fabricants.
En contrepartie, la configuration est plus complexe. Les projets IEC 61850 demandent une bonne conception du réseau, des modèles de données et de l’ingénierie de configuration.
Comparaison des protocoles IED
| Protocole | Communication principale | Applications courantes | Principale limite |
| Modbus RTU | Série RS-485 | Communication simple avec les IED et équipements | Basé sur les registres et l’interrogation |
| DNP3 | Série / TCP/IP | SCADA, surveillance à distance, automatisation de la distribution | Plus complexe que Modbus |
| IEC 104 | TCP/IP | Communication entre postes électriques et centres de contrôle | Principalement destiné aux communications à distance |
| IEC 61850 | Ethernet | Postes numériques et automatisation des postes | Configuration plus complexe |
Il n’existe pas un seul protocole adapté à tous les projets IED.
Commencez par vérifier les protocoles pris en charge par les équipements existants. Examinez ensuite le temps de réponse nécessaire, le type de réseau, les données à transmettre, l’interopérabilité et les fonctions de contrôle.
Comment intégrer des IED utilisant différents protocoles ?
Ce problème apparaît souvent lors de la modernisation d’un poste électrique.
Le nouveau système peut utiliser IEC 61850, alors que les IED existants utilisent encore Modbus RTU, DNP3 ou IEC 104. Remplacer tous les anciens équipements n’est pas toujours nécessaire. Cela peut aussi augmenter fortement le coût du projet.
Une passerelle de protocole peut être placée entre les différents systèmes pour convertir les données d’un protocole vers un autre.
Par exemple :
IED existant → Passerelle de protocole → Réseau IEC 61850 → SCADA
La passerelle récupère les données de l’IED existant, associe les points de données nécessaires et les transmet au nouveau système dans le format attendu.
Pour les projets basés sur IEC 61850, une passerelle IEC 61850 peut servir à intégrer des IED existants dans un réseau IEC 61850. Selon le modèle utilisé, cela peut inclure la conversion de protocoles, le mapping des données et la modélisation des données IEC 61850.
Avant de choisir une passerelle, vérifiez les protocoles réellement utilisés par les IED. Contrôlez aussi les interfaces série et Ethernet, les points de données, les besoins en événements et les services IEC 61850 nécessaires.
Ne partez pas du principe que deux appareils peuvent communiquer simplement parce qu’ils utilisent tous les deux Ethernet. Le protocole et le modèle de données doivent également correspondre.
Comment choisir un protocole de communication pour un IED ?
Quelques questions permettent de réduire rapidement les options.
Quels protocoles l’IED existant prend-il en charge ?
Commencez par consulter le manuel de l’appareil. Les protocoles disponibles déterminent souvent les choix possibles.
La communication est-elle locale ou à distance ?
Modbus RTU peut suffire pour une communication locale entre équipements. DNP3 et IEC 104 sont souvent utilisés pour la surveillance et le contrôle à distance.
Avez-vous besoin d’une transmission basée sur les événements ?
Si l’IED doit signaler rapidement un changement important sans attendre une interrogation, envisagez DNP3, IEC 104 ou IEC 61850.
Avez-vous besoin d’un modèle de données normalisé ?
IEC 61850 est plus adapté lorsque la normalisation des données et l’intégration d’équipements de plusieurs fabricants sont importantes.
Le projet doit-il conserver des équipements existants ?
Lorsque les anciens et les nouveaux protocoles doivent fonctionner ensemble, une passerelle de protocole peut être plus pratique que le remplacement de tous les équipements.
Conclusion
Un IED n’est pas seulement un appareil de mesure ou de protection. Il peut collecter et traiter des données, exécuter des fonctions de contrôle et communiquer avec d’autres systèmes.
Le protocole de communication détermine la manière dont ces informations circulent dans le système électrique.
Modbus RTU est simple et largement compatible. DNP3 convient à la surveillance des réseaux électriques et à la transmission des événements. IEC 104 fournit une communication IP pour les applications à distance. IEC 61850 ajoute des modèles de données normalisés et plusieurs services de communication pour les postes numériques modernes.
Pour un nouveau projet, choisissez le protocole en fonction de l’IED, du réseau, des données nécessaires et de l’architecture du système.
Pour une modernisation, les passerelles de protocole et les passerelles IEC 61850 peuvent permettre de connecter les anciens IED aux nouveaux systèmes sans remplacer chaque équipement existant.
Source : Adapté du blog technique sur les réseaux industriels de COME-STAR → https://www.come-star.com/fr/blog/ied-protocol/
