Développement d'une architecture sécurisée et polyvalente d'échange d'électricité d'origine renouvelable dans une approche smart-grid

Distributed renewable energy resources enablement based on a secure and versatile electricity trading architecture

• Auteur / Autrice : Carine Zaraket
• Direction : Michel Aillerie, Panagiotis Papageorgas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Aillerie, Panagiotis Papageorgas, Cécile Belleudy, Fabienne Uzel-Nouvel, Alexandre de Bernardinis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cécile Belleudy, Fabienne Uzel-Nouvel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes, Conception de

Énergies renouvelables

Objets coopérants (informatique)

Réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Énergie d'Internet

Systèmes cyber-physiques

Marché de l'énergie

Energy-Internet

Cyber Physical system

Energy trading

Résumé

Les technologies de l'information et de la communication, adoptées par le Smart Grid, ont été utilisées pour améliorer le contrôle du système électrique. Aujourd'hui, les objectifs sont, entre autres, de permettre une intégration efficace des ressources énergétiques renouvelables (RES), de maintenir la sécurité de l'approvisionnement énergétique et d'encourager le futur marché de l'énergie. En conséquence, la mise en œuvre d'un tel système nécessite l'échange de données entre les applications de réseau intelligent existantes et nouvelles. Pour rendre cela possible, une plate-forme de communication polyvalente est nécessaire, de sorte que la principale question à laquelle cette thèse répond est : que serait une telle plate-forme ? L'objectif de ce travail est de concevoir, mettre en œuvre une plate-forme de passerelle de télémétrie à faible coût, open source et résiliente, capable d'intégrer les applications de réseau intelligent existantes et futures. Cette plate-forme est optimisée et testée à l'aide d'une variété d'outils de simulation, d'analyse, de mise en œuvre réelle et de prototypes. Dans notre cas, cette plate-forme est capable d'intégrer des compteurs d'énergie conformes DLMS /COSEM avec LoRaWAN, où une étude des performances LoRaWAN, dans un environnement réel est effectuée. LoRaWAN a été choisie comme une solution de dernier kilomètre à faible coût, longue portée et fiable pour le comptage intelligent de l'énergie dans les zones urbaines où une solution à courte portée peut ne pas être optimale, cependant, DLMS/COSEM a été choisi car il s'agit du protocole d'application standard mondial pour le comptage, le contrôle de l'énergie et il est largement accepté en Europe et aux États-Unis. La combinaison de ces deux protocoles présente des défis importants tels que la conception d'un module interopérable qui peut être facilement intégré dans l'infrastructure existante et capable de répondre aux exigences de transmission LoRaWAN et DLMS/COSEM en termes de temps de transmission et de taille des paquets. En outre, il y a toujours des défis de sécurité à considérer, par conséquent, nous proposons une approche basée sur la combinaison des technologies Secure Element (SE) et Blockchain pour fournir une plate-forme sécurisée de bout en bout. SE a été utilisé pour fournir aux nœuds IoT une certaine puissance de calcul et Blockchain a été utilisé pour améliorer l'intégrité et la sécurité. Blockchain est utilisé pour certifier les données transmises, les fournir aux applications distribuées (DApp) et pour conduire à la démocratisation du marché de l'énergie. Cette thèse est composée de 5 chapitres qui sont résumés ci-dessous : Le chapitre 1 vise à décrire l'évolution du réseau énergétique conventionnel en définissant et en décrivant le système AMI. Le chapitre 2 donne un aperçu des progrès actuels et à venir de l'IoE en Europe. Le système allemand a été discuté en détail car il a été utilisé comme architecture de référence de notre passerelle développée. Les chapitres 3 et 4 proposent la conception et le déploiement d'un système open-source, low-cost et modulaire basé sur la technologie de télécommunication LoRa pour les applications de comptage d'énergie. Le prototype conçu sera présenté en détail, en plus la mise en œuvre et les résultats des tests seront expliqués et discutés. Le chapitre 5 représente la passerelle énergétique développée pour le commerce d'énergie P2P de quartier. Notre hypothèse est que la passerelle développée permettra le marché local de l'énergie sans l'intervention des services publics où les petits prosommateurs peuvent participer ainsi un bon investissement des ressources énergétiques renouvelables. Ce manuscrit qui avait commencé par une introduction se termine par une conclusion générale sur cette étude et rappelant les résultats originaux obtenus à laquelle se rajoute une partie, perspectives que ce travail permet d'envisager. Des listes d'acronymes et de références sont également présentées.

Information and communication technologies (ICTs), adopted by the Smart Grid (SG), have been used to improve the control of the power system beyond that implemented in the conventional grid. Todays the objectives are, among others, to enable efficient integration of the renewable energy resources (RES), to maintain security of energy supply and to encourage the future energy market. As a result, the implementation of such a system requires the exchange of data between legacy and new smart grid applications. To make this possible, a versatile communication platform is required, so the main question that is answered in this thesis is: what would such a platform be?The objective of this work is to design, implement and evaluate a low-cost, open-source, resilient telemetry gateway platform capable of integrating existing and future smart grid applications. This platform is optimized and tested using a variety of simulation, analysis, real implementation and prototypes tools.In our case this platform is capable to integrate DLMS / COSEM compliant energy meters with LoRaWAN, where a study of LoRaWAN performance, when transporting energy metering packets, in a real-world environment is performed. The LoRaWAN technology has been chosen as a low-cost, long-range, and reliable last-mile solution for smart energy metering in urban areas scenario where a short-range solution may not be the optimum one, however, DLMS / COSEM was chosen since it is the world standard application protocol for smart energy metering, control, and management and it is getting widely accepted in Europe and US. The combination of these two protocols presents significant challenges such as designing an interoperable module that can be easily integrated into the existing infrastructure and is able to meet both LoRaWAN and DLMS/ COSEM transmission requirements in terms of transmission time and packet size. In addition, there are always some security challenges to consider, since cyber-attacks can not only threaten the consumer's privacy but they can even lead to a compromised system with direct impact on the safety of individuals and the activities of society. Therefore, we propose an approach based on combining Secure Element and Blockchain technologies to provide an end to end IoT secure platform. Secure Element has been used to provide IoT nodes with some computational power where Blockchain has been used to enhance integrity, transparency, and security it is used to certify the transmitted energy metering data and to provide these data to Distributed Applications (DApp). In this way, producers and consumers will be able to trade energy (especially from distributed renewable energy sources) over the existing infrastructure, using Blockchain technology, thus leading to the democratization of the energy market.The manuscript of this thesis is composed of five chapters which are summarized below:Chapter 1 is intended to describe the evolution of the conventional energy grid by defining and describing the Advanced Metering Infrastructure (AMI) system.Chapter 2 gives an overview of the current and upcoming IoE advancements in Europe was.The German system was presented and discussed in details since it was used as reference architecture of our developed energy metering gateway.Chapters 3 and 4 present the designing and deployment of an open-source, low-cost, and modular system based on LoRa telecommunication technology for energy metering applications. The designed prototype will be presented in details, in addition the implementation and testing results will be explained and discussed.Chapter 5 represents the developed energy gateway as a use case for neighborhood P2P energy trading. Our assumption is that the developed gateway will enable the local energy market without the intervention of the utilities where small prosumers can participate thus a good investment RES. Lists of acronyms and references are also present in this manuscript.