Méthodologies pour l’évaluation de performances d’architectures réseaux smart grids

Performance evaluation methodologies for substation automation networks

• Auteur / Autrice : Théo Docquier
• Direction : Ye-Qiong Song, Vincent Chevrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Maryline Chetto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ye-Qiong Song, Vincent Chevrier, Jean-Luc Scharbarg, Emmanuel Grolleau, Jean-Marc Thiriet, Abdelaziz Ahmed Nacer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Scharbarg, Emmanuel Grolleau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordonnancement dynamique

Modélisation prédictive

Modélisation des données (informatique)

Réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Réseaux industriels

Co-Simulation

Modélisation analytique

Modélisation & Simulation

Evaluation de performances

Smart grid

Performance evaluation

Industrial network

Co-Simulation

Analytical modelisation

Smart grid

Modelisation

Résumé

Ce travail de thèse s'intéresse à l'évaluation de performances des systèmes industriels de type smart grids, dont le rôle est d'assurer la transmission d'électricité depuis la/les source(s) de production jusqu'aux consommateurs. Considérés comme des systèmes distribués à forte criticité, il en résulte une obligation de respect de contraintes temps-réel. Le standard IEC 61850, déployé pour l'automatisation et la protection des postes électriques composant ces smart grids, propose une quantification de ces contraintes sous forme de latences minimales à ne pas excéder. L'IEC 61850 ne préconisant aucune approche spécifique pour garantir ces contraintes temporelles, des solutions doivent alors être trouvées pour y répondre. Dans le cadre de cette thèse nous proposons en premier lieu un nouvel outil d'aide à la décision fournissant des résultats obtenus par simulation, basés sur le logiciel OMNeT++. Ces modèles intègrent à la fois des outils pour Ethernet classique, la norme Time Sensitive Networking (TSN) et l'IEC 61850. Une seconde contribution est la modélisation analytique des délais de pire cas, basée sur l'ordonnancement de flux en lieu et place d'un ordonnancement par trame. Cette nouvelle approche permet de simplifier l'analyse du délai pire de cas par une succession d'analyses locales reposant sur des opérations peu coûteuses en temps de calcul, tout en minimisant le pessimisme des bornes de ces délais. Cette analyse prend en considération des architectures reposant sur Ethernet classique et TSN. Enfin, nous étudions l'apport possible, à notre problématique, de la Multi-Modélisation et de la co-simulation, reconnue comme solution pour l'étude de systèmes complexes (dont les smart grids). Nous contribuons ainsi à l'amélioration des capacités de l'intergiciel de co-simulation MECSYCO, en permettant à ce dernier la possibilité de co-simuler des systèmes smart grids intégrant trois expertises métiers : électrotechnique, contrôle-commande et communication numérique.

This thesis work focuses on the performance evaluation of smart grids, whose role is to ensure the transmission of electricity from the production point(s) to the consumers . Considered as distributed industrial systems with high criticality, these systems have a strong need to meet hard real time requirements. The IEC 61850 standard, deployed for the automation and protection of electrical substations composing these smart grids, proposes a constraint quantification as minimum latencies which must not be exceeded. As IEC 61850 does not recommend any specific approach to guarantee these time constraints, solutions must be found to guarantee the performance. We first propose a new decision support tool, providing simulation results based on the OMNeT++ simulator. Theses models integrate modeling elements for classical Ethernet, Time Sensitive Networking (TSN) and IEC 61850. The second contribution is the analytical modeling of worst-case response time, based on flow scheduling in place of frame scheduling. Thanks to this, we can simplify the worst-case response time analysis by a succession of local analyses based on low computational time operations, while minimizing the worst-case response time pessimism. This approach encompasses classical Ethernet architecture as well as TSN ones. Finally, we study the possible benefits of the Multi-Modeling and co-simulation approach, recognized as a solution for the study of complex systems (including smart grids). We thus contribute to the improvement of the capabilities of the MECSYCO middleware, introducing the possibility for the latter co-simulate smart grids integrating three fields of expertise : electrical engineering, control and digital communication.