Méthodologie et algorithmes pour la distribution large échelle de co-simulations de systèmes complexes : application aux réseaux électriques intelligents (Smart Grids)

Methodologies and algorithms for large-scale distribution of complex system co-simulations : Application to Smart Grids

• Auteur / Autrice : Cherifa Dad
• Direction : Stéphane Vialle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique (STIC)
• Date : Soutenance le 26/06/2018
• Etablissement(s) : CentraleSupélec
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeorgiaTech-CNRS (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Michaël Krajecki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mongi Ben Gaid, Mathieu Caujolle, Sara Tucci-Piergiovanni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Krajecki, Hervé Guyennet
• DOI : 10.70675/7b4bcd0az2eddz4075z8cfazd463e0b5963f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques intelligents

Électricité -- Distribution

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Co-simulation

Placement des tâches

Exécution distribuée et parallèle

Large échelle

Pas de temps variable

Co-simulation

Task placement

Distributed and parallel execution

Large scale

Variable time step

Résumé

L’apparition des réseaux électriques intelligents, ou « Smart Grids », engendre de profonds changements dans le métier de la distribution d’électricité. En effet, ces réseaux voient apparaître de nouveaux usages (véhicules électriques, climatisation) et de nouveaux producteurs décentralisés (photovoltaïque, éolien), ce qui rend plus difficile le besoin d’équilibre entre l’offre et la demande en électricité et qui impose d’introduire une forme d’intelligence répartie entre leurs différents composants. Au vu de la complexité et de l’ampleur de la mise en oeuvre des Smart Grids, il convient tout d’abord de procéder à des simulations afin de valider leur fonctionnement. Pour ce faire, CentraleSupélec et EDF R&D (au sein de l’institut RISEGrid) ont développé DACCOSIM, une plate-forme de co-simulation s’appuyant sur la norme FMI1(Functional Mock-up Interface), permettant de concevoir et de mettre au point des réseaux électriques intelligents et de grandes tailles. Les composants clés de cette plate-forme sont représentés sous forme de boîtes grises appelées FMU (Functional Mock-up Unit). En outre, les simulateurs des systèmes physiques des Smart Grids peuvent faire des retours arrière en cas de problème dans leurs calculs, contrairement aux simulateurs événementiels (unités de contrôle) qui, bien souvent, ne peuvent qu’avancer dans le temps. Pour faire collaborer ces différents simulateurs, nous avons conçu une solution hybride prenant en considération les contraintes de tous les composants, et permettant d’identifier précisément les types d’événements auxquels le système est confronté. Cette étude a débouché sur une proposition d’évolution de la norme FMI. Par ailleurs, il est difficile de simuler rapidement et efficacement un Smart Grid, surtout lorsque le problème est à l’échelle nationale ou même régionale. Pour pallier ce manque, nous nous sommes focalisés sur la partie la plus gourmande en calcul, à savoir la co-simulation des dispositifs physiques. Ainsi, nous avons proposé des méthodologies, approches et algorithmes permettant de répartir efficacement et rapidement ces différentes FMU sur des architectures distribuées. L’implantation de ces algorithmes a déjà permis de co-simuler des cas métiers de grande taille sur un cluster de PC multi-coeurs. L’intégration de ces méthodes dans DACCOSIM permettraaux ingénieurs d’EDF de concevoir des « réseaux électriques intelligents de très grande taille » plus résistants aux pannes.

The emergence of Smart Grids is causing profound changes in the electricity distribution business. Indeed, these networks are seeing new uses (electric vehicles, air conditioning) and new decentralized producers (photovoltaic, wind), which make it more difficult to ensure a balance between electricity supply and demand, and imposes to introduce a form of distributed intelligence between their different components. Considering its complexity and the extent of its implementation, it is necessary to co-simulate it in order to validate its performances. In the RISEGrid institute, CentraleSupélec and EDF R&D have developed a co-simulation platform based on the FMI2 (Functional Mock-up Interface) standard called DACCOSIM, permitting to design and develop Smart Grids. The key components of this platform are represented as gray boxes called FMUs (Functional Mock-up Unit). In addition, simulators of the physical systems of Smart Grids can make backtracking when an inaccuracy is suspected in FMU computations, unlike discrete simulators (control units) that often can only advance in time. In order these different simulators collaborate, we designed a hybrid solution that takes into account the constraints of all the components, and precisely identifies the types of the events that system is facing. This study has led to a FMI standard change proposal. Moreover, it is difficult to rapidly design an efficient Smart Grid simulation, especially when the problem has a national or even a regional scale.To fill this gap,we have focused on the most computationally intensive part, which is the simulation of physical devices. We have therefore proposed methodologies, approaches and algorithms to quickly and efficiently distribute these different FMUs on distributed architectures. The implementation of these algorithms has already allowed simulating large-scale business cases on a multi-core PC cluster. The integration of these methods into DACCOSIM will enable EDF engineers to design « large scale Smart Grids » which will be more resistant to breakdowns.