Protection, automatisation et contrôle du réseau électrique basé sur la 5G : étude, conception et mise en œuvre

5G-based Grid Protection, Automation, and Control : Investigation, design, and implementation

• Auteur / Autrice : Mohand Ouamer Nait Belaid
• Direction : Rami Langar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 25/05/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009) - Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rami Langar, Salah Eddine El Ayoubi, Thi-Mai-Trang Nguyen, Mariam Ait ou kharraz, Bertrand Decocq, Philippe Martins, Boris Deneuville, Vincent Audebert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salah Eddine El Ayoubi, Thi-Mai-Trang Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

ressources et distribution

Ressources énergétiques

Qualité -- Contrôle

Réseaux électriques intelligents

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

5g

Protections. automatisation et des réseaux électriques

Réseaux électriques intelligents

Edge computing

Virtualisation

Orchestration

5g

Protection. Automation. and Control Systems

Smart Grids

Edge computing

Virtualization

Orchestration

Résumé

Le système électrique entreprend des changements critiques en raison du déploiement accéléré des ressources énergétiques distribuées (DER), ainsi que des innovations récemment introduites comme le stockage omniprésent (batteries, V2G), l'automatisation de la distribution et l'Internet des objets (IoT). Le réseau qui en résulte incarne une évolution d'un système aveugle, centralisé et unidirectionnel vers un système hautement connecté, décentralisé et bidirectionnel, simplement appelé "smart grid". Afin de garantir la sécurité des personnes et des biens, les DER suivent des règles de protection statique qui limitent leur intégration au système électrique. Pour surmonter cela, des mécanismes de protection adaptatifs sont nécessaires, avec des exigences strictes en matière de vitesse et de fiabilité des communications. Le réseau de télécommunications 5G est capable de résoudre ces problèmes, par des connexions IoT massives et des services critiques, offrant une opportunité unique de repenser le mode de fonctionnement des protections électriques. La présente thèse propose une nouvelle approche pour concevoir et mettre en œuvre des systèmes de protection, d'automatisation et de contrôle (PAC) qui surmontent les limitations actuelles et permettent une intégration plus facile des DERs. Dans la première partie, une nouvelle approche pour la conception et la mise en œuvre des systèmes PAC est décrite. L'approche s'appuie sur les progrès des technologies opérationnelles et de l'information (OT/IT) pour collecter en toute sécurité davantage de données à partir des équipements électriques déployés, tout en respectant les contraintes de communication. Les données collectées sont traitées à différents niveaux pour proposer la meilleure solution possible, améliorant l'observabilité du réseau et permettant une meilleure coordination entre les composants pour répondre rapidement et efficacement à tout changement. Dans la deuxième partie de la thèse, le routage du trafic PAC critique dans un réseau 5G est modélisé, puis optimisé. L'objectif est de respecter la qualité de service du trafic PAC avec le moins d'impact sur la consommation énergétique des nœuds 5G et le trafic réseau existant. Le routage du trafic PAC est modélisé à l'aide de la programmation linéaire en nombre entier (ILP), ce qui donne un schéma qui améliore les différents paramètres. Dans la dernière partie, trois expériences sont construites pour valider l'architecture proposée et démontrer l'efficacité de la 5G dans la prise en charge de divers cas d'utilisation liés aux PAC. La première expérimentation valide la possibilité d'utiliser des protocoles dédiés aux réseaux électriques dans une infrastructure 5G. Ensuite, la deuxième expérience met en œuvre un cas d'utilisation complet du système PAC, en utilisant une architecture hardware-in-the-loop (HiL) pour interfacer les composants réels du système de télécommunications et PAC avec un modèle de réseau simulé. La troisième expérience construit une étude de cas complète avec de vrais réseaux électriques et télécoms

The electric system undertakes critical changes due to the accelerated deployment of distributed energy resources (DERs), as well as newly introduced innovations like ubiquitous storage (batteries, V2G), distribution automation, and internet of things (IoT). The resultant grid incarnates an evolution from a blind, centralized, and unidirectional system to a highly-connected, decentralizable, and bi-directional system, simply referred to as a "smart grid". In order to guarantee the safety of people and assets, DERs follow static protection rules that limit their integration to the electrical system. To overcome this, adaptive protection mechanisms are needed, with strict requirements on communications speed and reliability. The 5G telecom network is able to tackle those issues, by massive IoT connections and mission-critical services, offering a unique opportunity to rethink the operation mode of electrical protections. The present dissertation proposes a new approach to design and implement protection, automation, and control (PAC) systems that overcome current limitations and allow for easier DER integration. In the first part, a new approach for designing and implementing PAC systems is described. The approach is based on advancements in operational and information technologies (OT/IT) to securely collect more data from deployed electrical equipment, while complying with communication constraints. The collected data is processed at different levels to propose the best possible solution, improving grid observability and enabling better coordination between components to quickly and effectively respond to any changes. In the second part of the thesis, the routing of critical PAC traffic in a 5G network is modeled, then optimized. The goal is to respect the quality of service of PAC traffic with the least impact on the energy consumption of 5G nodes and existing network traffic. The PAC traffic routing is modeled using integer linear programming (ILP), resulting in a scheme that improves different parameters. In the final part, three experiments are built to validate the proposed architecture and demonstrate 5G effectiveness in supporting various PAC-related use cases. The first experiment validates the possibility to use dedicated protocols for electrical networks in a 5G network infrastructure. Next, the second experiment implements a complete PAC system use case, using a hardware-in-the-loop (HiL) architecture to interface real telecom and PAC system components with a simulated grid model. The third experiment constructs a comprehensive case study with real electrical and telecom networks