De la télégestion et la régulation en temps réel à la gestion technique des systèmes hydrauliques

Les réseaux gérés par la Société du Canal de Provence sont situés dans le sud-est de la France. Ils permettent d’irriguer 80 000 hectares, d’alimenter plus de 100 communes, environ 800 industries et zones artisanales, de nombreux particuliers dans les zones péri-urbaines. Globalement, le système dessert environ 55 000 utilisateurs.

L’ouvrage principal est le Canal de Provence qui transporte les eaux du Verdon vers la Provence orientale et la zone côtière. Le Canal de Provence est alimenté à partir de plusieurs barrages sur le Verdon dans lesquels un volume total de 250 millions de m³ de stockage est réservé. Il permet de dériver jusqu’à 660 Mm³ par an.

Les ouvrages principaux se composent du canal maître et de quatre branches. Ils fonctionnent gravitairement et peuvent transporter un débit diminuant de 40 m³/s à 10 m³/s. Ils comportent 60 kilomètres de canaux à surface libre, 140 kilomètres de galeries en charge et 300 kilomètres d’adductions (500 à 1300 mm de diamètre). Le débit de ces ouvrages est réglé en utilisant des vannes télécommandées et des micro-centrales.

La distribution se fait par un réseau de 4 200 kilomètres de conduites secondaires. Ce réseau est alimenté gravitairement si la topographie le permet, dans le cas contraire des stations de pompage remontent l’eau.

Jusqu'à des réservoirs. Situés sur les hauteurs, ces derniers constituent le départ du réseau de distribution. Ainsi, le système comporte 73 réservoirs et 76 stations de pompage.

Les usagers peuvent utiliser l’eau à la demande sans recourir au système de rotations ou d’allocation prioritaire. Le débit maximum et la pression garantie sont fixés par contrat. Ce mode de distribution d’eau conduit à une desserte très efficace (environ 85 % entre le volume facturé aux usagers et le volume prélevé dans la ressource naturelle).

L’organisation généraleet le système de contrôle

Le personnel d’exploitation est réparti dans 11 Centres Régionaux d’Exploitation (CRE) chargés du réseau de distribution et des stations de pompage. Les tâches d’exploitation concernent les relations avec les usagers, la gestion technique des postes de livraison d’eau, la surveillance et l’entretien des ouvrages, le premier niveau de maintenance des équipements et les interventions sur les réseaux et ouvrages en cas de travaux programmés ou d'incidents. Le personnel d’exploitation est prêt à intervenir 24 h/24 pour réagir aux événements. Le système de télésurveillance et la permanence téléphonique permettent la mise en alerte. En dehors des heures de travail, et pour des raisons de sécurité et de fiabilité, un système d’astreinte est mis en place.

Le Centre Général de Télécontrôle supervise l'ouvrage principal à l'aide d’un logiciel de supervision complété d'un module de régulation automatique de la totalité du canal, prenant en compte le temps de propagation le long du canal et les contraintes d’optimisation.

Le logiciel fonctionne en temps réel avec deux Alphaservers 300. Un Alphaserver de secours surveille le premier et peut immédiatement prendre le relais en cas de panne. Le logiciel de supervision offre les fonctions nécessaires à la gestion des stations de télétransmission :

• Acquisition : toutes les minutes environ, le système interroge 270 terminaux répartis sur toute la zone desservie par le canal. Environ 10 000 informations sont traitées et stockées dans une base de données temps réel après validation. Ces données sont des mesures physiques (par exemple : le niveau de l'eau, la position des vannes, etc.), et des valeurs logiques (vannes ouvertes/fermées, alarmes, …).

Le logiciel de supervision peut traiter ces valeurs initiales en temps réel pour calculer des mesures de second niveau (volume de l'eau dans un réservoir à partir d'une courbe de niveau ou de remplissage, débit traversant une vanne à partir de l'ouverture de la vanne et des niveaux amont et aval de la vanne, …) ou des signaux (défaut de mesure, défaut d’exécution, …).

• Présentation des informations et archivage : un terminal alphanumérique peut être utilisé pour obtenir, à partir de la base de données, toutes les informations nécessaires à l’opérateur.

Ces informations peuvent aussi être matérialisées sur des synoptiques graphiques par des icônes représentant l’équipement comme les vannes ou les pompes qui sont ainsi animées selon l’état de l’équipement sur site.

Des courbes de tendances restituent l’évolution d’une mesure sur les trois derniers jours, renouvelées toutes les 15 minutes. S'il le désire, l'opérateur peut avoir accès directement par le même menu aux données archivées sur les trois dernières années.

Le module d’archivage à long terme et d’enregistrement chronologique des données peut générer automatiquement des bilans, par exemple les débits moyens journaliers/mensuels ou les débits journaliers maximum/minimum.

* Les pages alarmes et appels : les signaux déclarés comme alarmes sont affichés sur des tableaux avec la date de leur apparition. Les alarmes critiques sont envoyées par un système d’astreinte vers le domicile des agents d’exploitation ou vers des téléphones mobiles en utilisant un synthétiseur vocal.

* La fonction de régulation : l’opérateur peut envoyer, grâce au système, des télécommandes (enclencher ou stopper une pompe par exemple), ou des téléréglages (ajuster l’ouverture d’une vanne ou le débit d'un ouvrage). Dans les conditions normales de fonctionnement, les principaux ouvrages sont régulés automatiquement par le module de « Régulation Dynamique ». Trois actions différentes sont simultanément calculées et effectuées.

- Action d’anticipation (prévision de la demande et commande en boucle ouverte) :

Selon le type d’utilisations, les prévisions de prélèvement peuvent être effectuées à partir d'un programme préétabli, ou être produites par le logiciel de gestion sur la base de données enregistrées et par l'extrapolation de la tendance pour les prochaines heures. Cette deuxième méthode emploie les tendances moyennes calculées au cours des dix jours précédents.

Les débits prévus aux ouvrages de régulation sont alors calculés en tenant compte du retard hydraulique et permettent de déterminer les volumes de consigne pour les divers biefs du canal pour la période suivante. Le calcul des volumes de consigne tient compte des contraintes de fonctionnement (niveau d’eau maximum et minimum). Entre ces deux limites, le choix de ces volumes de consigne peut suivre des objectifs différents comme par exemple réduire le temps de réponse du canal, diminuer la consommation d’énergie d'une station de pompage ou augmenter la recette provenant de la production d’énergie en cas d’existence de micro-centrale.

- Action corrective (commande en boucle fermée) :

En pratique, les débits entrants et sortants dans chaque bief ne sont pas strictement équilibrés. Ceci entraîne des variations de volume dans les biefs, qui doivent être corrigées lorsqu’elles s’écartent des variations prévues par une autre action que l’on appelle action corrective. Cette action consiste à augmenter le débit entrant dans un bief si le volume réel est en dessous du volume de consigne et à diminuer le débit entrant dans le cas contraire.

- Action de coordination :

L’action corrective peut être différente pour deux biefs adjacents et introduire ainsi un écart entre les débits entrant et sortant d'un bief. Il est ainsi recommandé de reporter l’action corrective d'un bief aux autres biefs situés en amont. Cette action présente l’avantage d’accélérer le processus et permet de mieux maintenir le volume de consigne.

Les ordres de réglage provenant de cet algorithme sont transmis tous les quarts d’heure pour une exécution automatique par les équipements situés sur le terrain.

Le logiciel de régulation est conçu comme un outil industriel qui fonctionne 24 heures sur 24 dans un environnement souvent imparfait. Il inclut une série de prétraitements comme la validation des données avant leur utilisation, la reconstitution de données absentes ou inadmissibles. L’opérateur peut à tout moment basculer le fonctionnement d'un ou de plusieurs ouvrages sur un fonctionnement manuel depuis le centre de contrôle ou sur le site. Les opérateurs sont présents au centre seulement pendant les heures de travail et, à tour de rôle, l'un d’eux est d’astreinte à domicile pendant les nuits et les week-ends.

Le logiciel de régulation dynamique a été développé et installé en 1970. Il fonctionne depuis plus de 30 ans donnant entière satisfaction tant du point de vue de la sûreté que de celui de la qualité du service de fourniture d’eau. La méthode de régulation employée a été améliorée de façon continue notamment par la synthèse du contrôleur par placement de pôle, et par l'utilisation d'une structure à modèle interne de type prédicteur de Smith pour certaines branches du canal.

L’extension du système

Sur cette base, un ensemble d’applications de plus haut niveau est développé pour mettre à profit les informations en provenance du système de télétransmission. Le but est d'une part d’améliorer la mise à disposition d'informations fiables et utiles aux prises de décision de l’exploitant, d’autre part de développer les traitements automatiques de haut niveau. Cet ensemble intègre notamment une aide à l’exploitation des ouvrages dans des conditions de fonctionnement dégradées, la validation et la reconstruction de données en s’appuyant sur le principe de la réconciliation de mesure, l’optimisation opérationnelle à l'aide de logiciels de simulation des réseaux sous pression, et un outil de gestion géographique des données.

Ainsi, les modules complémentaires suivants ont été mis au point et sont opérationnels :

* Un module de réconciliation des données

(développé par la SCP) ;

• Un module d'aide à la décision, d'information et de diagnostic (« ALEX » développé par la SCP) ;
• Un module de simulation, de prédiction et d’optimisation en ligne des réseaux hydrauliques (« FINESSE » développé par De Montfort University – Water Software Systems in UK dans le cadre d’un projet européen piloté par SCP) ;
• Une application permettant de visualiser et de mettre en forme des cartes des réseaux et les données associées (« NETVIEW » développé par la SCP).

Le point important est qu'il n’existe pas de redondance fonctionnelle avec le système de supervision et entre les applications mises en œuvre. Ces modules et les principaux avantages que la SCP peut en retirer sont décrits ci-après.

Les modules logiciels et les méthodes utilisées

Le but de la réconciliation de données est de détecter les incohérences dans les mesures en s'appuyant sur la vérification des bilans de matière au pas de temps journalier.

Le réseau hydraulique est assimilé à une série de nœuds correspondant aux équations de bilan (débits entrants, débits sortants et réserve). Le débit entrant à un nœud donné est égal aux débits sortant de ce nœud. Le module ne peut traiter qu’un jeu initial complet sans valeurs manquantes. Dans le cas d’une mesure de débit non valide, une estimation à partir des mesures des débits voisins est faite avant d’appliquer la réconciliation de données.

Le logiciel a été initialement utilisé sur une base journalière pour vérifier les débits mesurés sur le canal principal. Il a ensuite été mis en œuvre et utilisé toutes les 15 minutes sur un réseau particulier de canalisations et de canaux. Ce second projet a nécessité que soient prises en compte les variations de stockage dans le canal et dans les réservoirs et le temps de transit dans les canaux. Pour éviter les bruits de mesure, les bilans ont été calculés sur une heure (débit moyen durant l'heure écoulée, différence de volume durant l'heure écoulée).

Afin de détecter les mesures incohérentes, quatre critères sont utilisés :

• Un test matriciel global qui vérifie que les mesures sont compatibles avec une hypothèse de conservation des bilans en eau ;
• Les écarts instantanés entre les valeurs mesurées et les valeurs estimées sont comparés à la précision attribuée à chaque point ;
• Un test de dérive est appliqué à l’écart moyen calculé sur un « horizon glissant » ;
• La précision supposée est comparée à la moyenne quadratique de l’écart calculé sur l’« horizon glissant ».

Le module ALEX assure une assistance documentaire concrète au personnel d’exploitation. Un premier module permet de gérer un ensemble de documents qui décrivent les consignes de fonctionnement et d’exploitation des ouvrages. Ces documents peuvent facilement être mis à jour par le personnel d’exploitation, ils sont liés par des liens hypertextes qui facilitent la navigation. Le deuxième module s'appuie sur le filtrage d’alarmes. Il propose automatiquement à l’opérateur la démarche à adopter lorsqu’un scénario de défaut survient. Là aussi de nouveaux scénarios peuvent être facilement rentrés par les opérateurs pour formaliser le retour d’expérience. ALEX permet ainsi le partage et la capitalisation de la connaissance des exploitants et, en conséquence, de réduire les durées d’interventions nécessaires à la suite de défaillances des équipements ou ouvrages.

Les principaux composants de l’architecture d’ALEX sont les suivants :

• Acquisition de données : accès aux données temps réel à partir de la base de données du superviseur ;
• Raisonnement : la tâche de raisonnement est un moteur de recherche pour les scénarios appropriés. Il s’active quand l’acquisition est terminée et recherche le(s) scénario(s) approprié(s). Quand un scénario approprié est trouvé, sa fiche de consigne associée est automatiquement affichée. Si plusieurs scénarios sont appropriés, une liste permettra de faire une sélection ;
• Interface homme-machine : les menus pour la gestion des fiches (scénarios, consignes et documentation) sont disponibles (impression, effacement, modification, consultation). Un synoptique affiche le réseau supervisé et permet d’obtenir une information statique (fiche documentaire) par un simple clic de la souris sur une icône ;
• ALEX Explorer est un explorateur simplifié qui permet d’afficher deux sortes d’informations : des fiches de consigne et des fiches documentaires.

FINESSE est un environnement de modélisation qui utilise les données temps réel du superviseur. FINESSE est composé d’un simulateur hydraulique, d’un module d’optimisation, d’un module de prédiction de la demande et d’un outil de calage automatique de modèle de réseau.

FINESSE est utilisé pour reproduire une séquence de fonctionnement passée, simuler un possible fonctionnement futur ou comme « capteur virtuel » en temps réel pour calculer, en l’absence de capteur, les conditions hydrauliques en tout point. Le module d’optimisation peut, par exemple, définir le programme optimal de fonctionnement d'une station de pompage en tenant compte de contraintes de tarification énergétiques ou de pression à certains points du réseau.

NETVIEW fournit un accès rapide et fiable aux informations à jour sur les réseaux de distribution (tuyaux, équipement, clients, etc.) :

• fond topographique (cartes cartographiques ou cadastrales),
• plans des réseaux hydrauliques,
• plans techniques (schémas d’installation ou fiches techniques),
• caractéristiques des réseaux (fiches de données appelées dynamiquement à partir de plans).

Le logiciel gère deux types de bases de données statiques :

• la base de données cartographiques,
• la base de données relationnelle (données techniques concernant l’équipement, le diamètre des canalisations et les nœuds hydrauliques).

NETVIEW comprend toutes les données statiques nécessaires à FINESSE pour simuler le fonctionnement des réseaux.

Les résultats obtenus

Tous ces modules ont été testés dans le cadre du projet européen WaterMAIN (WaterMAIN Consortium, 1999) sur un site pilote spécifique. Cette expérience a démontré leurs atouts.

Leur impact est une meilleure productivité (moins de temps passé à effectuer les diverses tâches), une limitation des coûts relatifs aux interventions sur le terrain (grâce à une détection plus rapide, un meilleur diagnostic et une rationalisation des actions) et une réduction des dépenses d'énergie (grâce à la régulation centralisée).

Le module de réconciliation des données

améliore la robustesse du système d'information par :

• la détection des différents types de dysfonctionnements des capteurs, tels que manque de précision, dérive et défaut temporaire, et une élimination des valeurs éloignées,
• le remplacement des données manquantes (temporaires/durables) en estimant une valeur à partir des valeurs avoisinantes.

Les avantages indirects, mais tout aussi intéressants, sont les suivants :

• L'aide à l'exploitation : les mesures des débits sont fournies en continu même en cas de dysfonctionnement du capteur. Ceci permet aux applications « clientes » telles que ALEX et FINESSE de fonctionner correctement.
• La gestion technique des installations : le calcul des rendements des installations de transport et de distribution, les audits de consommation. Ceci est en complément du remplacement de certains capteurs.
• La détection précoce des prises illégales ou des fuites importantes dans les canalisations principales.
• Une meilleure information concernant la qualité de chaque capteur et donc une meilleure planification de leur maintenance.
• La sécurité d'opération améliorée sans duplication de capteurs (reconstitution de relevés plutôt que remplacement).

ALEX permet de tirer pleinement parti de l'expérience acquise par les exploitants et de la partager entre agents en archivant les descriptions des problèmes rencontrés et les actions qui y ont été associées. Le stock d'informations disponible par ALEX permet par exemple de former plus rapidement le personnel nouveau et d'utiliser l'expérience supplémentaire utile à l'exploitation et qui résulte de diverses compétences techniques (exploitation, maintenance, conception). Grâce à ALEX, les opérateurs ont à leur disposition un accès simple et synthétique à l'information directement utile décrivant le fonctionnement et le mode d'exploitation des ouvrages. Ce type d'information ne peut généralement pas être obtenu rapidement par la consultation des nombreux documents « papier ».

Le renseignement de la base de connaissances ALEX est un processus progressif qui peut être effectué à un rythme compatible avec la disponibilité et les besoins des opérateurs. Il n'est pas nécessaire que le système soit entièrement renseigné pour en retirer des bénéfices.

L'avantage principal d'ALEX est qu'il rend plus efficaces les opérations de maintenance de niveau 1 effectuées par les opérateurs. Le fait d'éviter les fausses alertes est une conséquence intéressante de l'outil de par le nombre de vérifications qui peuvent être effectuées à partir du centre, évitant ainsi les déplacements inutiles et inefficaces.

FINESSE est utile pour :

• la conception du réseau (optimisation du fonctionnement durant la phase de conception),
• les études sur l'exploitation du réseau (pour comprendre le fonctionnement hydraulique, l'adaptation et l'optimisation du fonctionnement, étudier les contrats d'énergie du client, etc.),
• l'exploitation (optimiser la régulation en temps réel, la prévision de la demande, le calcul de pseudo-mesures servant de complément à l'information fournie par le superviseur).

Le potentiel de FINESSE est vaste et de nombreuses possibilités restent encore à explorer dans le domaine de l'aide à l'exploitation des réseaux et de leurs équipements.

Il existe quatre types d'avantages que FINESSE peut nous offrir, ils sont détaillés ci-dessous car ce sont les plus représentatifs pour la SCP :

• l'économie d'énergie (5 à 10 % d'économie sur la facture d'électricité),
• l'économie sur la durée de vie de l'équipement (la pression dans les canalisations est adaptée),
• l'économie au niveau des capteurs puisque l'installation de quelques capteurs de mesure de pression et de débit peut être évitée,
• la réduction du temps d'étude de fonctionnement des réseaux, en complément des outils déjà utilisés par la SCP.

NETVIEW remplace les plans papiers et permet ainsi un accès facile aux informations actualisées (situation, matériau des canalisations, composants spécifiques). Il simplifie et facilite les mises à jour ainsi que l'impression des plans avant de partir sur le terrain (plans A3 ou A4, schémas d'assemblage) pour toutes les interventions.

Les bénéfices déjà répertoriés pour NETVIEW sont les suivants :

• accès plus facile aux informations descriptives concernant les réseaux de distribution,
• rapprochement de deux vues des systèmes de distribution « une vue géographique » et une « vue de la desserte d'eau », en créant un lien entre différentes bases de données (technique et contractuelle). NETVIEW donne la possibilité de consulter directement et instantanément les données contractuelles relatives à tout nœud hydraulique.

L'ensemble des bénéfices que l'on peut retirer de NETVIEW est important, mais les coûts d'investissement ne sont pas négligeables (une quantité énorme de données doit être numérisée).