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José Horta, Eitan Altman, Mathieu Caujolle, Daniel Kofman, David Menga

Proc. of the IEEE International Conference on Communications, Control, and Computing Technologies for Smart Grids (SmartGridComm), October 2018.
DOI: 10.1109/SmartGridComm.2018.8587495

Abstract: Future electricity distribution grids will host a considerable share of the renewable energy sources needed for enforcing the energy transition. Demand side management mechanisms play a key role in the integration of such renewable energy resources by exploiting the flexibility of elastic loads, generation or electricity storage technologies. In particular, local energy markets enable households to exchange energy with each other while increasing the amount of renewable energy that is consumed locally. Nevertheless, as most ex-ante mechanisms, local market schedules rely on hour-ahead forecasts whose accuracy may be low. In this paper we cope with forecast errors by proposing a game theory approach to model the interactions among prosumers and distribution system operators for the control of electricity flows in real-time. The presented game has an aggregative equilibrium which can be attained in a semi-distributed manner, driving prosumers towards a final exchange of energy with the grid that benefits both households and operators, favoring the enforcement of prosumers’ local market commitments while respecting the constraints defined by the operator. The proposed mechanism requires only one-to-all broadcast of price signals, which do not depend either on the amount of players or their local objective function and constraints, making the approach highly scalable. Its impact on distribution grid quality of supply was evaluated through load flow analysis and realistic load profiles, demonstrating the capacity of the mechanism ensure that voltage deviation and thermal limit constraints are respected.

José Horta, Daniel Kofman, David Menga, Mathieu Caujolle

Proc. of the ACM e-Energy Conference, Karlsruhe, Germany, June 2018.
DOI: 10.1145/3208903.3208937

Abstract: The limited capacity of distribution grids for hosting renewable generation is one of the main challenges towards the energy transition. Local energy markets, enabling direct exchange of energy between prosumers, help to integrate the growing number of residential photovoltaic panels by scheduling flexible demand for balancing renewable energy locally. Nevertheless, existing scheduling mechanisms do not take into account the phases to which households are connected, increasing network unbalance and favoring bigger voltage rises/drops and higher losses. In this paper, we reduce network unbalance by leveraging market transactions information to dynamically allocate houses to phases using solid state switches. We propose cost effective mechanisms for the selection of households to switch and for their optimal allocation to phases. Using load flow analysis we show that only 6% of houses in our case studies need to be equipped with dynamic switches to counteract the negative impact of local energy markets while maintaining all the benefits. Combining local energy markets and dynamic phase switching we improve both overall load balancing and network unbalance, effectively augmenting DER hosting capacity of distribution grids.

Sawsan Al Zahr

[Invited paper] Proc. of the IEEE MENACOMM Confrence, Jounieh, Lebanon, Apr. 2018
DOI: 10.1109/MENACOMM.2018.8371044

Abstract: Along with the growing penetration of renewable energy sources, demand side management (DSM) is becoming a key component of future energy systems such as smart grids. DSM aims at balancing the demand for power with intermittent renewable energy sources such as wind and solar units. DSM deploys various mechanisms to influence customer’s capability and willingness to modify their power consumption according to the utility’s energy production and the distribution capacity. DSM aims at either saving energy in sustainable manner (i.e. energy response) or/and shifting the time of energy use to off-peak hours (i.e. demand response). Indeed, DSM does not necessarily reduce the total customer’s power consumption but reshapes consumption patterns. Hence, DSM is expected to reduce the need for investments in networks and power plants in order to meet peak demands. In this paper, we propose an advanced demand response (DR) solution for individual households. Considering a household equipped with various domestic loads, we aim at optimally scheduling the day-ahead power consumption under timevariable rates while taking advantage of modular and deferrable loads, e.g. electric vehicle. Our proposal is numerically illustrated through real-life scenarios, elaborated using an existing simulator of human behavior regarding power consumption.

José Horta a soutenu sa thèse intitulée « Paradigmes et architectures innovantes pour l’avenir des réseaux
électriques de distribution soutenant la transition énergétique » le 16 avril 2018 où il a obtenu le grade de « Docteur de Télécom ParisTech » avec la mention Très honorable. La soutenance a eu lieu devant le jury composé de :

  1. M. Georg CARLE, Professeur, TU München, Allemagne – Rapporteur
  2. M. Georges KARINIOTAKIS, Professeur, MINES ParisTech, France – Rapporteur
  3. Mme. Ana BUŠIĆ, Chargé de Recherche, Inria, France – Examinatrice
  4. M. Gérard MEMMI, Professeur, Télécom ParisTech, France – Examinateur
  5. M. Philippe FUTTERSACK, Chef de groupe, EDF R&D, France – Invité
  6. M. Daniel KOFMAN, Professeur, Télécom ParisTech, France – Directeur de thèse
  7. M. David MENGA, Chercheur, EDF R&D, France – Encadrant industriel

Résumé de la thèse

Les futurs réseaux de distribution d’électricité devront héberger une part importante et croissante de sources d’énergies renouvelables intermittentes. De plus, ils devront faire face à des nouvelles variations des courbes de charge, dues notamment à une part croissante de véhicules électriques. Ces tendances induisent le besoin de nouveaux paradigmes et architectures d’exploitation du réseau de distribution, afin de fiabiliser les réseaux et assurer la qualité de fourniture d’électricité. Par ailleurs, ces nouveaux paradigmes vont permettre le développement des services innovants.

D’un côté, les gestionnaires de réseau s’appuieront de plus en plus sur des flexibilités fournies par des ressources énergétiques distribuées (flexibilités de consommation, stockage électrique, modulation des sources d’énergie) à cause de son potentiellement meilleur rapport coût-efficacité par rapport au renforcement des infrastructures. D’un autre côté, les consommateurs deviendront progressivement des prosumers (acteurs de leur consommation d’énergie) qui joueront un rôle actif dans la gestion de l’énergie des réseaux intelligents, en exploitant la flexibilité de certaines des équipements de leur logement (appareils électroménagers, batteries et panneaux solaires) pour moduler leur courbe de charge. L’Internet des Objets est un outil essentiel pour permettre aux logements de jouer un rôle actif, car il a poussé une nouvelle vague d’appareils connectés à la Smart Home et de services associés, dont le domaine de l’énergie peut devenir l’une des principales applications.

Dans cette thèse nous proposons une nouvelle architecture capable de favoriser la collaboration entre les acteurs du marché de gros, les gestionnaires de réseau de distribution et les clients finaux, afin de tirer parti des ressources énergétiques distribuées tout en prenant en compte les contraintes des réseaux de distribution. L’architecture est conçue pour fournir des services innovants de gestion de la demande résidentielle, avec un focus particulier sur les services liés à l’autoconsommation individuelle (au niveau d’un logement) et collective (à l’échelle d’un quartier). Dans le cadre de ces objectifs généraux, la thèse apporte trois contributions principales. D’abord, sur la base de l’Internet des Objets et de la technologie blockchain, la thèse fournit les éléments de base pour les futures architectures de
gestion de l’énergie au niveau du réseau de distribution. Ensuite, en focalisant sur les services rendus par de telles architectures, nous proposons un marché intra-journalier au pas horaire pour l’échange local de l’énergie renouvelable entre les logements, associé à un mécanisme d’allocation dynamique des phases afin d’améliorer la qualité de fourniture d’électricité. Finalement, nous proposons un mécanisme de contrôle en temps réel pour l’ajustement des transactions du marché vers des échanges finaux d’électricité qui respectent les restrictions posées par le gestionnaire du réseau électrique.

L’architecture et les mécanismes de gestion de la demande proposés visent à réduire les transits et les pertes et, par conséquent, à augmenter la capacité d’accueil des sources d’énergie renouvelables sur les réseaux de distribution basse tension. Les performances sont évaluées à l’aide de simulations de load flow basées sur des profils de charge réalistes. Elles fournissent des éléments utiles à la conception des futurs systèmes de gestion des réseaux de distribution.

Rayhana Bouali Baghli, Elie Najm, Bruno Traverson
Proc. of the 6th International Conference on Model-Driven Engineering and Software Development (MODELSWARD), Jan. 2018.

Abstract: In the context of the Internet of Things (IoT), it is necessary to design services that are loosely coupled to the objects on which they act. We call these loosely coupled services generic services. Based on a previous work that defines a three-levelled architecture for the IoT, we first propose a declarative approach to the design generic services for the IoT. Then, based on this declarative description, we define service orchestrators which are high level services that are able to manage access conflicts of services to connected objects. Next, we describe consistency rules to check validity of a generic service or an orchestrator. Finally, we illustrate our approach with use cases around services in a smart home.

Sawsan Al Zahr, Elias A. Doumith, Philippe Forestier

Proc. of the IEEE Globecom Confrence, Singapore, Singapore, Dec. 2017
DOI: 10.1109/GLOCOM.2017.8255068

Abstract: As the global energy policy is changing from a demand-driven to a supply-driven approach, demand side management (DSM) is becoming a key component of future energy systems. Indeed, it helps power grids’ operators to balance the demand for power with intermittent renewable energy sources such as wind and solar units. DSM consists in optimizing/adapting the power consumption to meet the production through various methods such as improving the energy efficiency by using better equipment and materials, implementing demand response (DR) solutions, etc. DSM mechanisms do not necessarily reduce the total power consumption, but reshape the consumption pattern. Hence, DSM is expected to reduce the need for investments in networks and power plants in order to meet peak demands. In this paper, we propose an advanced DR solution for individual households. Considering a household equipped with various domestic loads, we aim at optimally scheduling the day-ahead power consumption under time-variable rates while taking advantage of modular and deferrable loads, e.g., electric vehicle. For this purpose, we propose an exact approach to solve the problem of energy management within a household under both system’s and user’s constraints. Our proposal is numerically validated through real- life scenarios, elaborated using an existing simulator of human behavior regarding power consumption.

Rayhana Baghli a soutenu sa thèse intitulée « Approche sémantique de la conception de services connectés – cadre d’architecture, algorithmique de composition, application à la maison connectée » le 15 décembre 2015 où elle a obtenu le grade de « Docteur de Télécom ParisTech » avec la mention Très honorable. La soutenance a eu lieu devant le jury composé de :

  • M. Alessandro FANTECHI, Professeur, Universita degli Studi di Firenze, Italie – Rapporteur
  • Mme Zoubida KEDAD, Maître de Conférences HDR, Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines – Rapporteur
  • M. Gerard MEMMI, Professeur, Télécom ParisTech – Examinateur
  • Mme Nawal GUERMOUCHE, Maître de Conférences, INSA de Toulouse – Examinateur
  • M. Philippe FUTTERSACK, Ingénieur Chercheur, EDF R&D – Invité
  • M. Elie NAJM, Professeur, Télécom ParisTech – Directeur de thèse
  • M. Bruno TRAVERSON, Ingénieur Chercheur, EDF R&D – Co-encadrant de thèse

Résumé de la thèse

Dans le contexte de l’Internet des Objets, la conception de services connectés – c’est-à-dire de services portés par des objets connectés – nécessite une approche de bout en bout pour non seulement répondre aux attentes des bénéficiaires de ces services mais aussi pour adapter le fonctionnement de ces services à des conditions d’exécution très variées allant de la maison à la ville connectée.

L’approche sémantique proposée par cette thèse offre un niveau d’abstraction qui permet aux concepteurs de services de se concentrer sur les aspects fonctionnels des services et des objets. Elle s’inscrit dans un cadre d’architecture plus large qui aborde, en plus de ce niveau sémantique, les aspects plus opérationnels de mise en œuvre de ces services (niveau Artefacts) dans des environnements techniques éventuellement hétérogènes (niveau Ressources).

En proposant cette approche sémantique de conception, la thèse vise plusieurs objectifs qui peuvent être regroupés en trois catégories. La première catégorie d’objectifs est de décloisonner le monde actuel des services connectés en découplant les services des objets connectés et en permettant le partage d’objets par plusieurs services connectés. L’ouverture induite par ces premiers objectifs conduit à viser une deuxième catégorie d’objectifs qui a trait à la composition des services connectés. Chaque service devra être conscient et adopter un comportement compatible avec les autres éléments de son contexte d’exécution.Ces éléments de contexte comprennent bien sûr les autres services mais aussi les phénomènes physiques et les actions des occupants des espaces concernés. Enfin, la troisième catégorie d’objectifs s’adresse plus particulièrement aux bénéficiaires des services connectés afin d’optimiser l’expérience utilisateur par des attentes mieux prises en compte et des automatismes respectueux des comportements humains.

Rim Kaddah a soutenu sa thèse intitulée « Gestion Active de la Demande Basée sur l’Habitat Connecté » le 15 avril 2016 où elle a obtenu le grade de « Docteur de Télécom ParisTech » avec la mention Très honorable. La soutenance a eu lieu devant le jury composé de :

  • György DÁN, Maître de Conférence, KTH, Suède (Rapporteur)
  • Adam OUOROU, Chargé de Projet de Recherche, Orange Labs, France (Rapporteur)
  • Ana BUŠIC, Chargé de Recherche, Inria, France (Examinatrice)
  • Gérard MEMMI, Professeur, Télécom ParisTech, France (Président)
  • David MENGA, Chercheur, EDF R&D , France (Examinateur)
  • Michal PIÓRO, Professeur, Warsaw University of Technology, Pologne (Examinateur)
  • Maria POTOP-BUTUCARU, Professeur, UPMC, France (Examinatrice)
  • Philippe FUTTERSACK, Chef de groupe, EDF R&D, France (Invité)
  • Daniel KOFMAN, Professeur, Télécom ParisTech, France (Directeur de thèse)
  • Fabien MATHIEU, Chercheur, Nokia Bell Labs, France (Encadrant)

Résume de la thèse

L’équilibre entre la production et la consommation est essentielle pour un bon fonctionnement du système électrique. Le déploiement croissant des sources d’énergie renouvelables intermittentes, parmi d’autres facteurs, rend cet équilibre plus difficile à maintenir. La Gestion Active de la Demande (GAD) est une solution capable de contribuer à répondre aux besoins d’équilibre grâce à l’exploitation de la flexibilité de la consommation. Cela permet de réduire les coûts du système et d’augmenter sa fiabilité.
L’Internet des Objets (IdO) et le déploiement des équipements connectés permettent la mise en place de solutions avancées. En effet, il devient possible d’avoir plus de visibilité et un contrôle fin sur différents équipements qui consomment, stockent ou produisent de l’énergie dans une maison.

Dans cette thèse, nous considérons des solutions ayant la capacité de produire des décisions de contrôle direct à différents niveaux de granularité en fonction des variables mesurées dans les habitats. Nous nous sommes concentré particulièrement sur le contrôle optimal des équipements durant des périodes où la capacité de génération disponible ne suffit pas pour satisfaire la demande générée par toutes les maisons. Le contrôle est basé sur une optimisation d’utilité perçue. Des fonctions utilité sont définies à travers une approche générique qui considère la flexibilité de la charge et l’impact des décisions de contrôle sur les utilisateurs. L’approche proposée n’impose pas de restrictions sur le type des équipements contrôlés ni sur la granularité des décisions de contrôle. Ceci permet un contrôle joint d’équipements hétérogènes.
Nous considérons trois types d’architectures de contrôle à savoir : des solutions centralisées, partiellement distribuées et entièrement distribuées. Ces architectures diffèrent dans la distribution de la prise de décision entre les entités impliquées dans le contrôle et les données qui sont mis à disposition de ces entités. L’analyse numérique montre les compromis des solutions proposées du point de vue de la performance, de l’extensibilité et de la complexité.

Mots-clés : Gestion active de la demande, contrôle direct des équipements, réseau électrique intelligent, Internet des Objets, recherche opérationnelle