[Partie 1 sur 6. Traduire cette partie en conservant la cohérence avec les parties précédentes.]
UK Power Networks exploite des réseaux de distribution dans le sud-est de l’Angleterre, où la population est en croissance rapide et où coexistent de nombreuses ressources énergétiques décentralisées : centrales solaires, stockages par batteries, installations de valorisation énergétique des déchets. Chaque nouvelle connexion de ressource énergétique décentralisée (DER) exige une mise à jour des paramètres de protection dans plusieurs sous-stations. Chaque changement de modèle de relais implique une qualification du firmware, une logistique des pièces de rechange et une formation renouvelée. À grande échelle, le modèle traditionnel – un relais dédié par baie, un fournisseur par relais – devient un goulot d’étranglement dans la coordination.
Le projet Constellation représente la tentative de UK Power Networks de sortir de cette contrainte. Financé par la compétition d’innovation réseau d’Ofgem (budget : 17,82 millions £, de mai 2021 à septembre 2026), l’idée consiste à remplacer les relais de protection au niveau des baies par un logiciel de protection virtualisé exécuté sur des ordinateurs de sous-station. La protection de baie, la protection à large échelle, la gestion des ressources énergétiques décentralisées (DER), les paramètres adaptatifs – tout cela fonctionne sous forme de machines virtuelles sur du matériel partagé, communiquant via le bus de processus IEC 61850 en interne et via la 5G Vodafone entre sites.
En janvier 2025, la première sous-station Constellation a été mise en service à Maidstone, dans le Kent. L’usine d’énergie issue des déchets d’Allington est devenue la première génératrice décentralisée connectée via ce nouveau système. Cinq autres sous-stations intelligentes sont prévues dans le sud-est de l’Angleterre avant la clôture de l’essai en septembre 2026.
De la centralisation à la virtualisation
Le point de départ est la protection et la commande centralisées (CPC). L’SSC600 d’ABB concentre la protection au niveau des baies sur un seul dispositif – un seul appareil gérant jusqu’à 30 baies via le bus de processus IEC 61850, remplaçant un panneau de relais de ligne individuels.
Le logiciel SSC600, lancé par ABB en 2023, franchit une étape supplémentaire : il sépare le logiciel de protection du matériel. Il s’exécute sur Linux KVM ou VMware Edge Compute Stack (ESXi 7.x et versions ultérieures), sur des processeurs Intel Xeon Gold standard. Plusieurs instances de SSC600 SW peuvent partager un même serveur, couvrant des sous-stations de plus de 30 baies. Les algorithmes de protection sont les mêmes codes éprouvés – seule la plateforme d’exécution change.
Pour le projet Constellation, cela ouvre une possibilité spécifique : plusieurs solutions de protection de différents fournisseurs coexistent sur le même ordinateur de sous-station. ABB fournit la protection de baie centralisée et la protection à large échelle. GE Vernova apporte le PhasorController pour l’intelligence locale en périphérie et la gestion des DER. Siemens fournit la protection adaptative – mise à jour automatique des paramètres de protection via IEC 61850 MMS. Tous fonctionnent en tant que logiciels sur une infrastructure partagée.
L’architecture
L’architecture Constellation comporte trois couches.
Au niveau du processus, les unités de fusion à chaque baie numérisent les mesures des transformateurs d’instrumentation et les publient sous forme de valeurs échantillonnées IEC 61850-9-2 sur le réseau LAN du bus de processus. Les commandes de fermeture de disjoncteur reviennent sous forme de messages GOOSE conformes à l’IEC 61850-8-1 sur le même réseau. Dans cette architecture, il n’y a pas de DDU (dispositif d’interface de baie) au niveau des baies – les unités de fusion et les entrées/sorties de disjoncteur sont connectées directement à la protection centralisée via des commutateurs Ethernet.
Au niveau de la station, les ordinateurs de sous-station hébergent les fonctions de protection virtualisées. Chaque application de protection s'exécute dans une machine virtuelle dédiée sur VMware ESXi. Le système est entièrement redondant — deux ordinateurs de sous-station, des commutateurs Ethernet redondants — avec le protocole de redondance parallèle (Parallel Redundancy Protocol, PRP) pour une bascule réseau sans interruption. Le protocole de temps précis (Precision Time Protocol, PTP) synchronise tous les dispositifs.
Au niveau large, les sous-stations et les sites de production décentralisée (DER) communiquent via le réseau 5G SA de Vodafone en utilisant le R-GOOSE (GOOSE routable). Les messages de protection circulent entre des sites géographiquement séparés, et pas uniquement entre les baies au sein d'une seule sous-station.
flowchart BT
subgraph PL["Niveau de processus"]
CT["CTs / VTs"] --> MU["Unités de fusion"]
CB["Disjoncteurs"]
end
subgraph PB["Réseau local de bus de processus (redondance PRP)"]
SW["Commutateurs Ethernet"]
end
subgraph SL["Niveau de station"]
SC1["Ordinateur de sous-station A\n(VMware ESXi)"]
SC2["Ordinateur de sous-station B\n(VMware ESXi)"]
VM1["VM: Protection de baie\n(logiciel ABB SSC600)"] --- SC1
VM2["VM: Intelligence aux limites\n(contrôleur de phasors GE)"] --- SC1
VM3["VM: Protection adaptative\n(Siemens)"] --- SC1
end
subgraph WA["Niveau large"]
WAN["Réseau 5G Vodafone\n(séparation de réseau)"]
DER["Site DER\nOrdinateur de sous-station"]
end
MU -->|"IEC 61850-9-2\nValeurs échantillonnées"| SW
SW -->|"IEC 61850-8-1\nGOOSE"| CB
SW --> SC1
SW --> SC2
SC1 -->|"R-GOOSE\nsur 5G SA"| WAN
WAN -->|"R-GOOSE"| DER
Protection large d’absence de connexion
Constellation met également en œuvre un schéma de protection large pour la détection de l’absence de connexion (loss-of-mains, LoM) des unités de production décentralisée (DER) — c’est là que la liaison 5G trouve sa place dans l’architecture.
La protection traditionnelle de l’absence de connexion repose sur des mesures locales — généralement la variation de fréquence (ROCOF). Le problème est bien connu : lors de perturbations de fréquence à large échelle (par exemple, le déclenchement d’un gros générateur sur le réseau de transport), les relais ROCOF situés aux sites DER peuvent interpréter à tort la déviation de fréquence comme un isolement et déconnecter les générateurs. Cette déconnexion en cascade des unités DER aggrave l’événement de fréquence.
L’approche de Constellation combine cinq fonctions dans un schéma coordonné :
Déconnexion par transfert : déconnecte les unités DER isolées lorsque le disjoncteur amont s’ouvre — une commande directe via R-GOOSE sur 5G, sans nécessité de mesure locale de fréquence.
Blocage basé sur ROCOF : c’est la partie à étudier. Lorsque la protection centralisée à la sous-station principale détecte une perturbation de fréquence à l’échelle du système (et non locale), elle transmet une commande « bloc ROCOF » via R-GOOSE à tous les sites DER connectés. La protection ROCOF locale des DER est inhibée pendant la durée de la perturbation, empêchant les déclenchements erronés.
Réouverture sécurisée : empêche la reconnexion désynchronisée des DER après un événement d’isolement.
Surveillance de la communication : surveille en continu la réception des messages R-GOOSE. Si la liaison 5G tombe, le système de secours ROCOF local s’active comme sauvegarde.
Sauvegarde locale du ROCOF fonctionne en continu, sauf si bloquée par une commande à large échelle — garantissant que la protection n’est jamais perdue, seulement affinée.
sequenceDiagram
participant PS as Sous-station principale<br/>(Protection centralisée)
participant 5G as Réseau 5G<br/>(R-GOOSE)
participant DER as Site EG<br/>(Protection locale)
Note over PS,DER: Fonctionnement normal — ROCOF local actif au niveau du DER
PS->>PS: Détecte une perturbation de la fréquence du système<br/>(ROCOF > 1 Hz/s, pas d’îlot local)
PS->>5G: R-GOOSE : Bloquer ROCOF
5G->>DER: R-GOOSE : Bloquer ROCOF
DER->>DER: ROCOF local désactivé
Note over PS,DER: La fréquence se rétablit — pas de déclenchement erroné du DER
PS->>5G: R-GOOSE : Débloquer ROCOF
5G->>DER: R-GOOSE : Débloquer ROCOF
DER->>DER: ROCOF local réactivé
Ce que les tests en laboratoire ont montré
Avant que tout matériel ne soit installé à Maidstone, l’équipe Constellation a mené des tests approfondis en laboratoire. La configuration utilisait un simulateur de système électrique en temps réel alimentant deux unités de protection centralisées via des signaux échantillonnés IEC 61850-9-2. Le réseau simulé représentait des sections de barre 33 kV (Main 1 et Main 2) avec plusieurs points de connexion de production décentralisée (DG). Un simulateur distinct injectait des retards configurables dans les messages R-GOOSE afin de reproduire la latence du réseau 5G.
L’étude de cas PAC World (Kulmala et al.) détaille les résultats du test de blocage du ROCOF. Pendant ce test, la fréquence du système a chuté en dessous de 47 Hz pendant environ 300 millisecondes, avec un taux de variation dépassant le seuil de 1 Hz/s. La protection centralisée a détecté la perturbation, l’a classifiée comme globale (non liée à un îlot local), et a transmis des commandes de blocage du ROCOF à quatre unités EG via R-GOOSE. Aucun déclenchement erroné n’a eu lieu — la fréquence s’est rétablie au-dessus du seuil de protection contre la sous-fréquence avant que le délai d’opération de 500 millisecondes ne soit atteint.
La conclusion des auteurs est claire : « la protection centralisée virtualisée remplit les exigences de protection avec des retards et une fiabilité équivalents à ceux des équipements matériels dédiés, à condition que le matériel satisfasse aux exigences définies pour lui. »
Cette dernière clause est essentielle. La virtualisation ne rend pas acceptable un matériel médiocre. L’ordinateur de sous-station doit fournir une entrée/sortie réseau cohérente et à faible latence. Les ressources CPU et mémoire doivent être réservées — non partagées avec des charges de travail non critiques. La synchronisation PTP doit être maintenue. Ce sont des contraintes d’ingénierie, pas des risques théoriques, et l’équipe Constellation a dû traiter chacune d’entre elles lors des tests d’intégration au Power Networks Demonstration Centre (PNDC) de l’Université de Strathclyde, près de Glasgow.
De laboratoire à terrain
Le projet suit quatre phases : tests en laboratoire, intégration au PNDC, essais sur réseau passif (moniteurs du système aux côtés de la protection existante), et essais sur réseau actif (le système contrôle le réseau). Après cela — rédaction du rapport BAU et planification du déploiement.
gantt
title Chronogramme du projet Constellation
dateFormat YYYY-MM-DD
axisFormat %Y
section Projet
Constellation (Ofgem NIC) :2021-05-04, 2026-09-29
section Conception & Laboratoire
Conception et développement du système :2021-05-04, 2022-12-31
Essais en laboratoire (ABB) :2022-06-01, 2023-06-30
section Intégration PNDC
Mise en place de l’environnement d’essai PNDC :2023-01-01, 2023-12-31
Intégration de Maidstone WAP et SAT :done, 2023-06-01, 2023-12-31
section Essais sur site
Essai du réseau passif à Maidstone :active, 2025-01-21, 2026-03-31
Livraison de la livrable 5 à Ofgem :milestone, 2024-11-29, 0d
Essais du réseau actif (prévu) :2026-04-01, 2026-09-29
section Jalons
Annonce du partenariat avec Vodafone 5G :milestone, 2021-07-22, 0d
Première sous-station intelligente en service :milestone, 2025-01-21, 0d
Fin des essais :milestone, 2026-09-29, 0d
Note : les limites de phase exactes sont approximatives lorsque les sources publiques ne fournissent que l’ordre et non des dates précises. Les jalons avec des dates exactes proviennent des dépôts de UKPN, Vodafone et Ofgem.
L’installation à Maidstone constitue un essai de réseau passif — la sous-station intelligente surveille et analyse en parallèle avec la protection existante, sans en être le système de protection principal. Une livrable couvrant « l’examen et les enseignements tirés de la mise en place du site et de la démonstration d’un réseau passif à mi-parcours » a été soumise à Ofgem le 29 novembre 2024. Le plan de projet comprend également une phase d’essais sur réseau actif et une rédaction de la documentation BAU (Business As Usual) avant la clôture des essais en septembre 2026.
D’où vient la capacité ?
UK Power Networks estime que la mise en œuvre de cette approche sur l’ensemble de son réseau pourrait libérer 1,4 GW de capacité supplémentaire pour les raccordements de sources décentralisées (DER) — sans construire de nouvelles infrastructures. Le mécanisme repose sur deux volets. La blocage large-area ROCOF (Rate of Change of Frequency) élimine les déconnexions erronées des sources décentralisées lors d’événements de fréquence du réseau, ce qui permet aux gestionnaires de réseau de distribution (DNO) de raccorder davantage de sources décentralisées sur les mêmes alimentateurs sans dépasser leur seuil de risque de déclenchement en cascade. La protection adaptative met à jour dynamiquement les paramètres via MMS (Manufacturing Message Specification), en fonction de la topologie réelle du réseau, remplaçant les calculs statiques basés sur des cas les plus défavorables qui laissent de la capacité inutilisée. Le communiqué de presse de UKPN indique que la marge potentielle pourrait atteindre jusqu’à 50 % de capacité supplémentaire « lorsque cela est sécurisé ».
La pile IEC 61850 complète, enfin fonctionnant comme conçue
Depuis des années, de nombreux ingénieurs ont considéré la norme IEC 61850 comme « une simple autre protocole » — souvent limitée à GOOSE pour la mise en verrouillage ou à MMS pour le sondage SCADA, les valeurs échantillonnées étant rejetées comme trop complexes et trop coûteuses pour la distribution. Constellation est un cas où l’ensemble de la pile fonctionne ensemble et le résultat est bien plus qu’additif. SV (9-2) numérise le bus de processus. GOOSE (8-1) transporte les commandes de déclenchement. R-GOOSE étend les signaux de protection sur un réseau WAN 5G. MMS fournit des mises à jour en temps réel des réglages pour la protection adaptative. Retirez n’importe lequel de ces éléments et l’architecture s’effondre.
La virtualisation soulève ses propres questions d’ingénierie. Quel hyperviseur utiliser ? Quels sont les latences maximales en cas de charge ? Comment les ressources CPU et mémoire sont-elles partitionnées entre les machines virtuelles de protection et tout le reste sur le serveur ? L’équipe de Constellation a évalué VMware ESXi, Linux KVM et les conteneurs Docker avec le patch PREEMPT_RT. Ce ne sont pas des questions nouvelles — dès 2019, l’expérience de mise en service avec la protection centralisée basée sur ISAS avait déjà montré que les dépendances du noyau, la compatibilité des pilotes de carte réseau et la planification en temps réel sont des obstacles pratiques qui consomment des mois de temps de projet (Anoshin, Golovin, Svistunov, PAC World Numéro 050). Constellation opère à plus grande échelle, mais les défis de qualification restent les mêmes.
La 5G est un support large bande viable pour les signaux de protection — à certaines conditions. La mise en réseau par tranches (network slicing) fournit le canal à faible latence et haute fiabilité dont R-GOOSE a besoin. Une connexion mobile large bande à meilleure effort ne serait pas acceptable.
Le modèle multi-vendeurs soulève des questions des deux côtés. Pour les fournisseurs, le passage de la vente d’un relais autonome à la livraison d’un composant logiciel sur du matériel d’un autre fournisseur change le produit, le modèle de support et la relation commerciale. Pour les fournisseurs d’énergie, une sous-station où ABB fournit la protection de baie, GE Vernova gère la gestion des RÉ (régénérateurs électriques), et Siemens s’occupe des réglages adaptatifs signifie qu’il n’y a pas un seul fournisseur responsable du système dans son ensemble. Qui détient l’intégration ? À qui appelle-t-on à 2 heures du matin lorsqu’une machine virtuelle de protection ne démarre pas après un redémarrage du serveur ? Ce ne sont pas des questions techniques — ce sont des questions d’approvisionnement et d’exploitation que l’industrie n’a pas encore résolues.
Sources
-
Kulmala, A., Raipala, O., Hovila, P., Yazadzhiyan, B., Dantas, R., Scoble, C. "Protection et contrôle centralisés virtualisés — Étude de cas du projet Constellation." PAC World. pacw.org
-
UK Power Networks. "Constellation." UKPN Innovation. innovation.ukpowernetworks.co.uk
-
ABB. "ABB lance la première solution mondiale de protection et de contrôle virtualisée." Centre d’actualités, 2023. new.abb.com
-
Réseau électrique du Royaume-Uni. « La première sous-station intelligente du Royaume-Uni installée dans le cadre de la prochaine génération de technologies électriques. » 21 janvier 2025. ukpowernetworks.co.uk
-
Vodafone Royaume-Uni. « Premier mondial : Réseau électrique du Royaume-Uni utilisera la 5G Vodafone dans des sous-stations intelligentes. » 22 juillet 2021. vodafone.co.uk
-
GE Vernova. « Réseau électrique du Royaume-Uni : La première sous-station intelligente au monde. » gevernova.com
-
ABB. « La technologie ABB permet au réseau britannique d’intégrer davantage d’énergies renouvelables. » Centre d’actualités. new.abb.com
-
Réseau électrique du Royaume-Uni. « Rapport d’avancement du projet Constellation. » Décembre 2024. cloudfront.net (PDF)
-
Anoshin, A., Golovin, A., Svistunov, N. « Protection centralisée basée sur logiciel : expérience de mise en service. » PAC World, numéro 050, décembre 2019. pacw.org