Approche distribuée basée sur un système multi-agent pour l'optimisation énergétique d'un micro-réseau de distribution DC.

A distributed approach based on a multi-agent system for energy optimization of a DC distribution microgrid.

• Auteur / Autrice : Karem Hafsi
• Direction : Jean-Marc Thiriet, Denis Genon-Catalot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 30/01/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de conception et d'intégration des systèmes (Valence ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Raison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Batard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Lise Gehin, Thierry Val

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Consommation

Électricité -- Production -- Génération répartie

Réseaux électriques intelligents

Traitement réparti

Mots clés libres

Système distribué

Micro-Réseau électrique DC

Systèmes multi-Agents

Intégration énergies renouvelables

Optimisation

Distributed system

DC microgrids

Multi-Agents systems

Renewable energy integration

Optimisation

Résumé

L’apport scientifique de cette thèse se concentre sur la résolution des défis particuliersliés à la stabilité et à l’optimisation des réseaux de distribution en courant continu (DC).Cette recherche vise à élaborer des stratégies de contrôle et des algorithmes d’optimisation avancés afin de maximiser l’intégration des sources d’énergies renouvelables en courantcontinu tout en minimisant les pertes d’énergie dans le but d’atteindre l’auto-consommation.L’architecture matérielle proposée dans ce travail s’appuie sur deux technologies de distribution électrique en courant continu, à savoir le Power over Ethernet (PoE) et le Power overData Line (PoDL). Grâce à ces deux technologies, il est possible d’obtenir une améliorationd’au moins 7 % en termes d’efficacité énergétique lorsque la source d’énergie est en courantcontinu, comme c’est le cas pour l’énergie photovoltaïque ou l’énergie stockée dans des batteries. L’intégration de ces technologies dans les bâtiments crée un système de distributionplus flexible, permettant l’incorporation de charges dans la stabilisation du micro-réseau. LePoE alimente les appareils via Ethernet, tandis que le PoDL permet la communication IP etl’injection d’énergie par l’intermédiaire de l’infrastructure de câblage électrique existante.L’architecture logicielle que nous avons proposée dans ce travail est basée sur une communication réactive entre les acteurs du réseau DC, garantissant ainsi la stabilité et la sécurité.La méthode s’appuie sur un système multi-agents coordonné pour des décisions contextuelles,maximisant les avantages du réseau DC tout en garantissant un fonctionnement stable etéconome en énergie.La mise en œuvre d’un système de distribution électrique réactif est un défi majeur.La nature décentralisée de ce système nécessite un protocole de communication capablede répondre aux exigences de latence et de flexibilité. Par conséquent, après avoir évaluéplusieurs protocoles, nous avons confirmé que le protocole Data Distribution Service (DataDistribution Service (DDS)) se distingue par ses performances en temps réel, offrant unelatence bien délimitée et contrôlée. Grâce à sa structure distribuée et à ses capacités avancéesde gestion des données, le DDS peut assurer une communication en temps réel fiable etprévisible.En plus du protocole de communication réactif, nous avons utilisé une approche multiagents pour ses avantages tels que la gestion de l’incertitude, la flexibilité, l’extensibilité, laprise de décision distribuée, entre autres. Cependant, leur mise en œuvre dans un contexte oùla réactivité et la stabilité des micro-réseaux sont essentielles représente un défi particulier.Dans ce contexte spécifique, nous avons développé une architecture de système multi-agentsbasée sur la coordination avec des interactions bien définies. De plus, nous avons proposéune méthode d’optimisation basée sur le cycle hamiltonien de la théorie des graphes afind’optimiser les temps de latence des agents dans leurs tâches. L’approche multi-agents etles algorithmes d’optimisation proposés visent à répondre simultanément aux exigences deréactivité du système de contrôle et aux défis liés à l’optimisation de la gestion de l’énergiedans le micro-réseau DC.

The scientific contribution of this thesis focuses on addressing specific challenges relatedto the stability and optimization of direct current (DC) distribution networks. This researchaims to develop control strategies and advanced optimization algorithms to maximize theintegration of renewable energy sources in DC while minimizing energy losses in order toachieve self-sufficiency. In pursuit of this objective, we have proposed in this work a hardware and a software architecture. The hardware architecture relies on two DC electrical distribution technologies, namely Power over Ethernet (PoE) and Power over Data Lines (PoDL). With these two technologies, it is possible to achieve at least a 7% improvement in energy efficiency when the energy source is in DC, such as photovoltaic energy or energy stored in batteries. Integrating these technologies into buildings creates a more flexible distribution system, allowing for the incorporation of loads in microgrid stabilization. PoE powers devices via Ethernet, while PoDL enables IP communication and power injection throughthe existing electrical wiring infrastructure.The software architecture that we have proposed in this work is based on reactive communication among the actors of the DC network, thus ensuring stability and safety. The method relies on a coordinated multi-agent system for context-aware decisions, maximizing the benefits of the DC network while ensuring stable and energy-efficient operation. Implementing a reactive electrical distribution system is a major challenge. The decentralized nature of this system requires a communication protocol capable of meeting latencyand flexibility requirements. Therefore, after evaluating several protocols, we have validated that the Data Distribution Service (DDS) protocol stands out for its real-time performance, offering well-bounded and controlled latency. Due to its distributed structure and advanced data management capabilities, DDS can ensure dependable and anticipatable real-time communication.In addition to the reactive communication protocol, we have used a multi-agent approachfor its benefits like uncertainty management, flexibility, scalability, and distributed decision-making. However, their implementation in a context where microgrid reactivity and stability are essential represents a particular challenge. Within this specific context, we have developed a coordination-based multi-agent system architecture with well-controlled interactions and latencies. Furthermore, we have proposed an optimization method based on the Hamiltonian cycle from graph theory to optimize the latencies of the agents in their tasks. The proposed multi-agent approach and optimization algorithms aim to simultaneously address the reactivity requirements of the control system and the challenges related to optimizing energy management in the DC microgrid.