Jumeau numérique du Réseau Electrique Intelligent par la simulation temps réel : méthodologie et applications

Digital twin for Smart Grids by real time simulation : methodology and applications

• Auteur / Autrice : Thien Phong Tran
• Direction : Quoc Tuan Tran, Raphael Caire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble - LITEN
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Benbouzid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuela Sechilariu, Zita Vale, Eric Zamai, Quoc Tuan Tran, Raphaël Caire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Zamai, Mohamed Benbouzid

Mots clés

Mots clés libres

Jumeau numérique

Réseau électrique intelligent

Sources d’énergie renouvelables

Systèmes d’énergie cyber-physiques

Digital twin

Renewable energy sources

Smart Grid

Cyber-physical energy system

Résumé

Afin de faire face aux défis, notamment liés à l’intégration croissante des sources d’énergie renouvelables (RES), les réseaux électriques actuels doivent évoluer tout en garantissant la qualité et la fiabilité d’électricité et deviennent des systèmes énergétiques cyber-physique (SECP) grâce au support du digital. Dans ce contexte, la technologie des jumeaux numériques (JN) émerge comme un outil essentiel pour la surveillance, l'optimisation et la maintenance prédictive. Un JN est une réplique virtuelle d'actifs et de systèmes physiques, capable de représenter les comportements et les performances de sa contrepartie physique en temps réel avec une communication bidirectionnelle. Avec un modèle synchronisé et dynamique des actifs physiques et de leurs interactions cybernétiques, le JN permet une efficacité opérationnelle, réduit les temps d’interruption et facilite la transition vers des architectures durables et décentralisées tout en améliorant la résilience et optimisant l’intégration des RES dans le cadre du contrôle décentralisé au sein des systèmes énergétiques distribués. Cette thèse vise à proposer une nouvelle architecture du JN pour implémenter dans les réseaux électriques intelligents (REI). La partie communication, dont la synchronisation et le protocole utilisé, est étudiée dans le cadre du couplage du JN géographiquement distribué. Les travaux de la thèse portent sur les applications du JN proposé : contrôle de tension optimal du réseau de distribution et gestion de flexibilité du réseau de distribution par le pilotage de consommation (chauffage) des bâtiments. Pour maintenir un bon fonctionnement et une gestion optimale du réseau à forte pénétration des RES ainsi qu’en cas de risques de cybersécurité, l’estimation d’état et la prévision de charge et de production sont développées comme fonctions centrales du JN.

In order to cope with the XXIst century challenges, especially at the increasing rate of renewable energy sources (RES), current electrical grids must evolve while ensuring the power quality and reliability, and become cyber-physical energy systems (CPES) with digitalization as enabler. In this context, the digital twin (DT) technology emerges as an essential tool for monitoring, optimizing and maintaining predictively. A DT is a virtual replica of physical assets and systems, capable of representing the behaviors and performances of its physical counterpart in real time with bidirectional communication. With a synchronized and dynamic model of physical assets and their cyber interactions, the DT enables operational efficiency, reduces downtime and facilitates the transition to sustainable and decentralized architectures, improving resilience and optimizing the integration of RES in the framework of decentralized control within distributed energy systems. This thesis aims to propose a new architecture of DT to implement in smart grids (SG). Communication aspect, including synchronization and protocol used, is studied in the context of coupling of geographically distributed DT. The thesis work focuses on the applications of the proposed DT: optimal voltage control of distribution networks and flexibility management of distribution networks by controlling consumption (heating) of buildings. To maintain proper operation and optimal management of the network with high RES penetration as well as in the event of cybersecurity risks, state estimation, and load and production forecasting are developed as crucial functions of DT.