Trois capteurs PZEM-004T pour mesurer la consommation électrique triphasée dans Jeedom

Une tentative de mesure de consommation électrique.

La première idée que j’avais eue pour mesurer ma consommation électrique était un détournement du capteur infrarouge TRCT5000 afin de capter les impulsions, que je croyais infrarouges, émises par certains compteurs électriques. L’essai n’avait pas été du tout concluant.

J’ai, à la maison un compteur Landis+Gyr Dialog ZMD 310. Ce compteur fait partie de ce qu’on appelle les compteurs intelligents (smart meter) avec lesquels on peut dialoguer. Hélas, livré enfermé dans un coffret scellé par le gestionnaire de réseau (ORES), cela limite fortement ce qu’on peut y connecter. On n’a en effet accès à rien du tout, même pas la liaison optique en haut à droite.

J’ai contacté ORES, le gestionnaire belge de réseaux de distribution, pour connaître les possibilités de connexion à un compteur intelligent ou d’installation d’un nouveau compteur. J’ai en effet lu, sur le forum https://community.jeedom.com/t/smartmeter-avec-port-p1/15986/7 un possible déploiement en cours de compteurs intelligents Linky et/ou Sagecom. Deux mois plus tard, cinq emails envoyés et une plainte pour non-réponse déposée chez ORES, je n’ai eu aucuns retours de leur part. Et puis, fin décembre, ORES a enfin planifié l’installation d’un compteur intelligent T211 triphasé Sagecom pour fin janvier 2021. Après des jours de recherche, j’ai finalement réussi à l’intégrer dans mon Jeedom, ce que j’expliquais dans cet article-ci.

Sinon, en l’absence d’un compteur intelligent, la seule option possible restante était d’utiliser des pinces ampèremétriques et des capteurs pour les gérer. J’avais d’ailleurs réalisé un premier essai avec un seul ESP8266 et un seul capteur PZEM-004T et cet essai était concluant. Il n’y avait plus qu’à étendre la solution.

Ayant un compteur triphasé 230V sans neutre, j’ai donc maintenant besoin d’installer trois pinces ampèremétriques : une sur chacune des phases et d’utiliser un contrôleur ESP8266 pour remonter l’information en WIFI dans ma box domotique Jeedom.

L’installation proprement dite.

Pour la préparation du contrôleur ESP8266 et des capteurs PEZM-004T, je vous renvoie vers l’article précédent : https://www.objetsconnectes.be/2020/06/14/pzem004t-jeedom-espeasy-compteur-electrique/.. On peut très simplement reproduire trois fois ce qui est expliqué dans cet article (une fois par fil de phase) et calculer, dans Jeedom, la consommation totale.

Si vous souhaitez par contre n’utiliser qu’un seul micro-contrôleur ESP8266 pour gérer les trois capteurs PZEM-004T (au lieu d’un ESP8266 par PZEM-004T), c’est possible aussi moyennant quelques adaptations que je vais expliquer.

Les branchements des câbles

Côté 230V, les branchements ne changent pas pour les PZEM-004T. Si vous avez, comme moi, du triphasé 230V sans le neutre, alors vous pouvez utiliser les deux mêmes fils pour alimenter les trois capteurs PZEM-004T. Inutile d’essayer d’alimenter chaque capteur PZEM-004T avec des phases différentes, cela ne servirait à rien.

Pour le branchement des pinces ampèremétriques, rien ne change non plus. On continue de brancher une pince par capteur PZEM-004T.

Côté basse tension, il y a par contre du changement. Il faut brancher les capteurs PZEM-004T en série, c’est à dire raccorder les broches des trois PZEM-004T et celle de l’ESP8266 ensemble. On le fait quatre fois, une fois pour chacune de ces 4 broches : Tx, Rx, GND et 5V. On branche donc les 4 Tx ensemble, les 4 Rx ensemble et ainsi de suite.

Le plus compliqué, finalement, c’est d’arriver à trouver la place dans le compteur pour installer une pince sur chaque phase. Dans mon compteur, les phases arrivent en haut à droite et l’espace est relativement compté. Il a fallu pousser un peu tout cela pour arriver à en mettre les trois pinces ampèremétriques.

A noter, pour la complétude du propos, on trouve en bas deux autres pinces afin de suivre la production de mes panneaux photovoltaïques avec, cette fois, une solution Flukso et MQTT.

L’installation des appareils dans une boite étanche IP55

Concrètement, pour placer mon NodeMCU ESP8266 et les trois PZEM-004T, j’ai acheté une grosse boite étanche IP55 sur Amazon et j’ai installé le tout à l’intérieur.

Voici ce que cela donne. Note: il y a deux NodeMCU ESP8266 car j’utilise le même boitier pour un capteur inductif LJ18A3 branché sur le compteur d’eau.

Pour les fixations, j’ai simplement utilisé de la colle pour coller les PZEM-004T dans la boîte. J’ai également utilisé, pour la basse tension, ce qu’on appelle un breadboard (collé également). Cela simplifie les branchements :

• L’alimentation 5V arrive sur l’ESP8266 via le port micro-usb. Un petit transformateur 5V, comme ceux utilisé pour charger un GSM, est branché sur le 230V en dehors de la boite. Cette alimentation 5V est ensuite amenée sur le breadboard via deux câbles qui partent des PIN Vin et GND de l’ESP8266 vers les lignes “+” et “-” du breadboard
• A partir des lignes “+” et “-” du breaboard, on alimente chaque PZEM-004T (ce sont les câbles en haut à droite du breadboard)
• Les câbles Tx et Rx, jaune et rouge, relient les Tx et RX des PZEM-004T avec le Tx et Rx de l’ESP8266 via le breadboard également

La configuration des PZEM-004T

Si vous avez installé un ESP8266 par PZEM-004T, l’article précédent explique comment configurer les capteurs PZEM-004T via l’interface web de l’ESP8266 https://www.objetsconnectes.be/2020/06/14/pzem004t-jeedom-espeasy-compteur-electrique/. 

Si vous avez choisi la méthode de cet article avec un seul ESP8266 et trois PZEM-004T comme branché ci-dessus, il y a une petite complication. Il faut attribuer à chaque PZEM-004T une adresse différente. Car, par défaut, elles ont toutes les trois la même adresse (1) et les trames de communication vont entrer en collision, ce qui donnera des mesures “NaN” au lieu des valeurs.

Voici comment, dans les grandes lignes, il faut procéder :

• 1. Installer sur son PC/MAC les drivers qui permettent d’utiliser un port USB au lieu d’un port série (souvent devenu inexistant sur les nouveaux PC) pour communiquer avec les PZEM-004T. Ce sont les drivers PL2303 Windows Driver Download USB to UART RS232 Serial. Avec Windows 10, vous aurez peut-être un problème de reconnaissance de ces drivers qui seront affichés comme obsolète. Une solution de contournement existe et est expliquée ici : http://wp.brodzinski.net/hardware/fake-pl2303-how-to-install/
• 2. Télécharger le software de communication qui permet de communiquer avec les PZEM-004T au travers de son PC/MAC via le port USB: http://www.mediafire.com/file/lk5wukg2v5n5iry/004T_software%252Bdriver%252Buser_manual.zip/file . Pour la version Windows, il faut bien lire le mode d’emploi dans le fichier “the user manuel of software.txt”. Pour lancer l’application, il faut cliquer avec le bouton droit et choisir “run as administrator”. Simplement double-cliquer sur le fichier run.bat ne fonctionnera pas car il faut les permissions administrateurs pour enregistrer les fichiers .ocx  

On branche ensuite une PZEM-004T sur le port USB du PC/MAC. Dans le software PZEM014 Master, on choisit tout d’abord le port de communication (via le bouton “Set COM Port”. Logiquement les drivers ont permis de transformer un port USB en port série utilisable ici). Si vous avez choisi le bon port et que vous avez branché une PZEM-004T, vous devriez alors avoir des valeurs de tension, de courant, de fréquence,… qui s’affichent. Si pas, c’est probablement que le port COM n’est pas le bon ou que les drivers ne fonctionnent pas.

On peut maintenant cliquer sur “Set Parameters” et régler l’adresse de la PZEM-004T. Il faut choisir, pour chaque PZEM-004T, une adresse différente (et retenir cette adresse car elle sera utilisée dans la configuration du plugin ESPEasy).

Après coup, je pense qu’il y a plus simple mais je ne l’avais pas vu et, du coup, je ne l’ai pas testé. Dans le firmware EspEasy, le dévelopeur Djelau a eu l’intelligence d’ajouter ce qui semble être une fonctionnalité pour régler les adresses des PZEM-004T. On se connecte donc sur l’ESP8266 installé et configuré comme expliqué dans l’article précédent et on voit, au niveau des PZEM actions, qu’on peut choisir “Program adress”. Je suppose qu’il suffit de brancher une seule PZEM-004T à la fois (important : ne pas brancher les trois PZEM-004T pour cette fonctionnalité), de choisir le mode “Program_adress”, de choisir l’adresse dans “Address of PZEM” et puis de cliquer sur le bouton “Submit”. L’adresse de la PZEM-004 devrait alors être changée. A tester toutefois.

Après vos tests, je vous conseille de réinitialiser votre consommation d’énergie avec cette commande:

http://192.168.0.1/control?cmd=resetenergy,2 où il faut remplacer 192.168.0.1 par l’adresse de votre NodeMCU et le ,2 par ,adresse de la PZEM.

La configuration de l’ESP8266 et dans Jeedom

La configuration de l’ESP8266 et la remontée dans Jeedom a déjà été expliquée dans l’article  https://www.objetsconnectes.be/2020/06/14/pzem004t-jeedom-espeasy-compteur-electrique/. La seule chose qui diffère, avec trois PZEM-004T branchées comme ici, c’est qu’il faut bien penser à indiquer les adresses configurées pour chaque PZEM-004T.

Si tout fonctionne correctement, vous devriez maintenant voir toutes les mesures des trois capteurs dans l’ESP8266 :

Même chose dans Jeedom

La configuration de l’ESP8266 et dans Jeedom

La configuration de l’ESP8266 et la remontée dans Home Assistant a déjà été expliquée dans l’article  https://www.objetsconnectes.be/2020/06/14/pzem004t-jeedom-espeasy-compteur-electrique/. 

Cela donne:

Les limitations du système

1. La précision de la mesure

Le système n’est pas parfait. Il y a tout d’abord les limitations inhérentes à tout capteur : sa précision. Pour les PZEM-004T, les précisions annoncées par le constructeurs sont celles-ci:

La mesure ne sera donc jamais parfaite.

2. Le facteur de puissance cos phi, la puissance apparente et la racine de trois

Il y a ensuite la complexité liée à la différence entre puissance apparente et puissance réelle. C’est là qu’intervient le facteur de puissance cos phi, une valeur mesurée par les pinces ampèremétriques. Ces notions sont complexes pour un non électricien. On peut résumer et simplifier en disant qu’il y a plusieurs puissances telles qu’illustrées sur ce schéma de wikipédia:

Diagramme complexe de la puissance en régime alternatif :

Puissance active (P, en watts (W)) = U (tension) * I (courant) * Cos Phi
Puissance réactive (Q, en voltampères réactifs (VAr)) = U (tension) * I (courant) * Sin Phi
Puissance apparente (S, en voltampères (VA)) = U (tension) * I (courant) 

Les compteurs électriques en Belgique et pour les particuliers, mesurent la consommation relative à la puissance active, c’est-à-dire le P sur le schéma ci-dessus. Il faut donc, pour s’aligner avec les mesures du compteur électrique, utiliser le Cos Phi.

Mais, et tant mieux, la puissance calculée par la PZEM-004T est justement la puissance active.

Par contre, il y une chose dont il faut tenir compte, selon son installation électrique, comme expliqué ici : https://energieplus-lesite.be/mesures/energie-et-consommations2/mesurer-la-consommation-electrique/#La_mesure_via_une_pince_amperemetrique

La PZEM-004T calcule la puissance comme ceci : P = U * I * cos phi. On peut vérifier le calcul sur base des données brutes. P = 236,8 * 2,65 * 0,81 = 508,29 (je suppose que la différence avec les 508,6 sont une histoire d’arrondis).

Toutefois, vu que mon installation est en triphasé 230V sans neutre, j’ai un facteur racine de trois en trop. Il faut donc que je divise, dans Jeedom, la mesure de puissance par racine de trois pour trouver la vraie puissance consommée telle que mesure par le compteur électrique de mon gestionnaire de réseau.

3. Le sens du courant et les panneaux photovoltaïques

Une pince ampèremétrique ne connait pas le sens du courant. Elle mesure un courant qui passe dans le conducteur mais ignore si le courant vient du réseau ou s’il est injecté sur le réseau. Si vous avez des panneaux photovoltaïques et que, lors d’une belle journée ensoleillée, vous produisez plus que vous ne consommez, du courant est réinjecté sur le réseau. La pince ampèremétrique, quand elle est placée à la sortie du compteur, ne le sait pas. Elle va donc croire que c’est du courant consommé et va additionner votre production à votre consommation. Les chiffres sont alors complètement faux. Si vous avez un système de production d’électricité, cette solution ne fonctionnera pas.

Mais un internaute a visiblement trouvé la solution en commentant sur mon blog. Son idée me semble excellente. Je cite donc Damien:

pour mesurer la consommation électrique quand des panneaux photos-voltaiques sont presents, il suffit de passer aussi le cable venant de l’onduleur des panneaux dans la pince amperemetrique, a cote du cable venant du reseau .
Le principe est “d’annuler” le courant provenant des panneaux, il passe une fois dans la pince dans un sens en venant de l’onduleur, il repasse dans l’autre sens en repartant vers le reseau electrique, son effet est nul donc
Attention au sens relatif des deux cables !!!
De cette facon on mesure la consommation électrique totale : la somme de l’energie electrique venant du reseau et celle venant des panneau

…

je l’ai fait chez moi et je confirme que cela fonctionne tres bien, dans tous les cas de figure.
cela donne la consommation électrique reelle de la maison, pas la consommation réseau nette qui sera facturee par le gestionnaire de réseau.
L’idéal est de faire un schéma et de conceptualiser.
la pince mesure la somme des courants de l’onduleur et du réseau :
Deux cas de figure extremes :
+ les panneaux ne produisent rien, toute l’energie consommee vient du reseau, c’est bien cela que l’on va mesurer. OK
+ les panneaux produisent et rien n’est consomme, tout est reinjecte dans le reseau. le courant produit passe une premier fois dans la pince, de l’onduleur vers l’installation, et repasse une deuxieme fois mais dans l’autre sens, de l’installation vers le réseau, donc l’effet mesuré par la pince est nul.
Toute autre situation (courant produit partiellement reinjecte) n’est qu’une combinaison linéaire des 2 cas extremes, donc le raisonnement est toujours appliquable, le courant reinjecte n’est jamais mesure.

il faut par ailleurs mesurer aussi la production de l’onduleur, mais soit elle est fournie par l’onduleur, soit il faut un autre systeme de mesure base sur des pinces amperemtriques, mais la c’est plus trivial puisque le courant ne peut passer que dans un sens.

En soustrayant la production des panneaux de la consommation réelle mesurée comme expliqué ci-dessus, on obtient la consommation (facturée) réseau nette.

Conclusions

Beaucoup parlent de compteur intelligent et du port P1. En Belgique, ORES a débuté en 2021 son déploiement et ce sera l’objet d’un article futur. Cette solution de compteur intelligent a toutefois un coût : comptez plus de 200 euros. Mais c’est une solution qui fonctionne très bien et dont je suis ravi.

Si vous n’avez pas de panneaux photovoltaïques, cette solution à base de trois pinces ampèremétriques vous permettra d’avoir une mesure assez proche de la réalité pour pas trop cher. Idem pour ceux qui n’ont pas la possibilité de faire installer un compteur intelligent.