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Revue 172 - Smart Grids : les normes du changement

Articles Revue TELECOM

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10/04/2014


Smart Grids :

les normes du changement

 




par Emmanuel Darmois dans la revue TELECOM n° 172
 

L’avènement des Smart Grids marque une évolution profonde des réseaux électriques : architectures, acteurs et applications. Celle-ci sera possible grâce à un socle de normes ouvertes basées sur des approches nouvelles.
 

Smart Grids, Intelligence, Interopérabilité.

Partout dans le monde, pour des raisons diverses, les réseaux électriques sont soumis à une demande pressante d’évolution. Si, en Amérique du Nord, c’est d’abord pour mieux assurer l’interconnexion des fournisseurs d’électricité et permettre la remise à niveau de réseaux vieillissants, en Europe c’est principalement pour pouvoir mettre en œuvre les objectifs européens des 20% à l’horizon 2020 (20% d’énergies renouvelables, 20% de réduction d’émission de gaz à effet de serre, 20% d’amélioration de l’efficacité énergétique). Dans tous les cas, le défi posé aux réseaux existants est important et il faut envisager des évolutions très significatives (sinon des révolutions). C’est ce défi que les Smart Grids visent à relever.

Dans la suite de cet article, nous préférerons le terme anglais à son homologue français, Réseau Electrique Intelligent, principalement parce que les Smart Grids seront plus «astucieux» et communicants qu’intelligents : c’est d’abord l’interopérabilité qui est visée, c’est-à-dire la «capacité que possède un produit ou un système, dont les interfaces sont intégralement connues, à fonctionner avec d’autres produits ou systèmes existants ou futurs» (Wikipédia). Il s’agit de mettre en œuvre des architectures de réseau où divers acteurs sont capables d’interagir en coopération - plutôt que sous la commande centralisée d’un réseau hiérarchisé – pour offrir des applications nouvelles.

A certains égards, rien d’entièrement nouveau sous le soleil (à part, bien sûr, l’énergie photovoltaïque, mais nous y reviendrons) car la coopération entre réseaux de distribution pour l’équilibrage des charges est déjà entrée en service depuis longtemps. Ce qui est nouveau avec les Smart Grids, c’est notamment une plus grande variété des acteurs et des services qu’ils proposent : une illustration évidente en est le rôle accru des fournisseurs d’énergies renouvelables.
 

Les normes : pourquoi, par qui ?

Les réseaux électriques sont des systèmes complexes. On parle même de systèmes de systèmes, ce qui indique un niveau de complexité particulièrement élevé. Pour permettre à de tels systèmes de fonctionner, il faut des normes – et il en faut beaucoup. En effet, l’interfonctionnement de deux parties d’un système ne peut être assuré que si les participants (principalement des systèmes ou des sous-systèmes) sont parfaitement informés sur les conditions de l’interfonctionnement : nature des flux échangés, description des interfaces, etc. Dans le cas d’un réseau électrique, l’interfonctionnement implique à la fois un échange physique (de flux électriques) et un échange de communications (pour permettre la coordination et le contrôle). Les normes doivent gouverner ces deux aspects.

Pour les définir, il faut mettre en place à la fois un cadre institutionnel (qui est habilité à fabriquer les normes) et un cadre technique (quels sont les objets normés). Du point de vue institutionnel, la normalisation du réseau électrique implique non seulement les acteurs de la normalisation de l’électricité (en Europe, le CENELEC ; au niveau mondial, l’IEC) mais aussi ceux des techvnologies de l’information et de la communication (en Europe, l’ETSI ; au niveau mondial, un grand nombre d’acteurs tels que l’IETF pour Internet, le 3GPP pour le mobile, l’IEEE, etc.), ce qui demande un niveau important de coordination entre les deux écosystèmes de normalisation.

En outre, les spécificités régionales ont suscité une implication de fait d’autres acteurs tels que le National Institute of Standards and Technology (NIST) aux USA ou la Commission Européenne.

Les Smart Grids ont été placés en pleine lumière par le plan Obama de 2009 et son investissement de 3,4 Milliards de dollars US. Une partie de ce financement est allée à des actions de normalisation coordonnées par le NIST et rassemblant les principaux acteurs – opérateurs, vendeurs, régulateurs, normalisateurs, universités - au sein du Smart Grid Interoperability Panel (SGIP).

En Europe, la Commission Européenne a créé une Smart Grid Task Force en 2009 qui a notamment abordé la normalisation dans le contexte européen. Il faut rappeler que seuls trois organismes européens sont habilités à produire des Normes Européennes : le CEN, le CENELEC et l’ETSI. Fin 2010, la Commission a publié un «Mandat Européen» (M/490) définissant les objectifs pour la normalisation des Smart Grids : les trois organismes européens se sont réunis dans le Smart Grid Coordination Group (SG-CG) pour les mettre en œuvre.

Le SG-CG a aussi pris en compte le travail déjà fait, dans le cadre du Mandat Européen M/441, pour la normalisation des infrastructures de compteurs intelligents («Smart Metering»), essentielles dans le développement des Smart Grids car elles permettent un suivi beaucoup plus précis des consommations et, en principe, une possibilité d’intervenir sur la régulation des flux d’électricité.
 

Un modèle pour définir des normes.

L’approche suivie, en Europe comme aux USA, a été de coordonner le travail technique en laissant la plus grande initiative à l’industrie. Ainsi, le SG-CG n’a pas vocation à fabriquer des normes, mais à identifier celles qui sont déjà applicables et celles qui font défaut, les trous normatifs («gap») qu’il faudra développer dans les Comités Techniques (par exemple à l’IEC, à l’ETSI, etc.).

Ce travail de coordination a demandé le développement d’un cadre conceptuel commun très innovant. Tout d’abord, il a fallu collecter et modéliser un grand nombre de cas d’étude («use case») couvrant des aspects génériques ou plus spécifiques d’applications. En parallèle, il a fallu clarifier les terminologies, identifier les différents acteurs et modéliser leurs interactions, proposer une structuration de l’espace complexe des Smart Grids en un modèle en couches («layer») pour faciliter l’analyse des cas d’usage.

La modélisation des acteurs et des rôles est très importante dans les Smart Grids. En effet, le temps n’est plus où l’essentiel des interactions entre acteurs (ex. EDF, E-ON) se faisaient dans le cadre de rôles similaires (ex. distributeur d’énergie). Avec les Smart Grids, il faut permettre des interactions beaucoup plus complexes entre acteurs jouant des rôles différents (ex. courtier en énergie et distributeur), avec des organisations de marché et des réglementations plus complexes.

Un autre des éléments clés de cette approche est le modèle SGAM (Smart Grid Architecture Model), une représentation tridimensionnelle de l’espace des Smart Grids, résumée dans la figure ci-dessous, qui décrit deux aspects principaux de l’espace des Smart Grids :

  • Le plan («Smart Grid Plane») dans lequel fonctionneront les mises en œuvre effectives des Smart Grids. Il recouvre deux dimensions :

Les domaines, représentant les différents composants de la partie physique du traitement de l’électricité : Génération, Transmission, Distribution, Ressources Distribuées, Locaux des clients (particuliers ou entreprises). Une partie de la nouveauté du modèle tient dans la prise en compte, sous le vocable de «ressources distribuées» de l’énergie produite localement, notamment les énergies renouvelables, ce qui constituait un prérequis essentiel du travail en Europe.

Les zones, qui représentent les niveaux hiérarchiques du système de gestion de l’électricité (dont la partie informatique) depuis le processus électrique : Terrain, Station, Gestion du réseau, Activité commerciale, Marché. Un des aspects importants du modèle est la prise en compte du niveau «Marché» qui permet de décrire de façon neutre différents «modèles d’affaire» sans en rendre aucun obligatoire.

  • Les couches d’interopérabilité décrivent un système Smart Grid à des niveaux d’abstraction de plus en plus élevés depuis le niveau physique : Composant, Communication, Information, Fonction, Entreprise. Ces niveaux permettent d’analyser un cas d’usage avec des approches différentes selon les besoins : par exemple, analyser un modèle d’affaire mettra en œuvre le niveau «Marché» ; analyser les protocoles de communication se fera au niveau «Communication».

Le modèle SGAM a été défini pour la communauté de la normalisation : pour un cas d’étude donné, il permet l’identification – au niveau(x) d’interopérabilité souhaité(s) - des normes existantes ou manquantes. Il peut être utilisé par d’autres acteurs : chercheurs analysant un nouvel élément de système, ingénieurs considérant l’implémentation d’un produit, etc.

Par sa prise en compte des énergies renouvelables et des questions de sécurité, le modèle développé en Europe utilise une approche très large et il n’est pas exagéré de considérer qu’à ce stade, il est devenu la référence mondiale pour la normalisation des Smart Grids.

SGAM : Smart Grid Architecture Model - Source SG-CG

Maintenant. Bientôt. Plus tard.

Un des résultats attendus de la première phase (2011-2012) du mandat M/490 était une liste de normes disponibles. En effet, les opérateurs et les industriels, aussi bien que la Commission Européenne, souhaitaient avoir une idée précise de ce qui pouvait être développé à partir de l’existant et de ce qui relevait du risque à prendre pour développer de nouveaux systèmes.

Là aussi, une méthodologie rigoureuse – basée sur le modèle SGAM - a été mise en place pour s’assurer d’une liste aussi complète que possible et de la lisibilité des résultats. Pour ce faire, le SG-CG a identifié 24 systèmes composant l’ensemble des applications Smart Grid telles qu’on peut les envisager à ce jour. L’objectif était non seulement d’identifier les normes disponibles, mais aussi de donner des indications quant à celles qui s’appliquent dans le contexte de chacun de ces systèmes.

Le résultat a été une liste de plus de 400 normes produites par plus de 50 organismes différents. Parmi ces normes, un nombre important ressortissent du domaine de la communication et sont produites par l’industrie des Technologies de l’Information et de la Communication dans un nombre important d’organismes différents. De plus, un certain nombre de trous normatifs ont été identifiés qui seront l’objet d’un travail à venir dans les Comités Techniques intéressés.

Il est intéressant de noter qu’une norme peut s’appliquer dans un contexte différent de celui qui a été à l’origine de sa production. Un exemple est celui de IP/MPLS, qui est une norme issue de l’Internet, de plus en plus utilisée sur les réseaux d’opérateurs de distribution électrique. Cette norme a été développée dans un contexte où une application typique est la voix sur IP (VoIP) avec des temps de latence de l’ordre de la centaine de millisecondes. Dans le contexte des Smart Grids, elle peut être utilisée pour une application telle que la télé-protection (qui permet de fermer à distance en urgence des éléments du réseau électrique lorsque des problèmes de stabilité se manifestent). Les temps de latence dans ce type d’applications sont inférieures à la dizaine de millisecondes ce qui constitue une utilisation nouvelle (mais possible) d’une norme dans un autre contexte technique.

A la fin de la deuxième phase (2013-2014) du mandat M/490, une nouvelle liste de normes sera proposée. Elle prendra en compte les nouveaux développements de la normalisation lors des deux dernières années, destinés au comblement des trous normatifs identifiés en première phase.

Etant donnée la complexité des Smart Grids, les industries concernées sont embarquées dans un travail de longue haleine. Si de nombreux systèmes seront disponibles à moyen terme, d’autres (pensons par exemple à un marché instantané pan-européen ouvert des énergies renouvelables) se feront davantage attendre. De ce point de vue, la normalisation sera un accélérateur, d’autant qu’elle s’est organisée dans un modèle où, même si le travail à faire est identifié assez tôt, il n’est de fait lancé que lorsque les acteurs sont prêts, en évitant ainsi les normes trop précoces.
 

Glossaire
 

3GPP : 3rd Generation Partnership Project

CEN : Comité Européen de Normalisation

CENELEC : Comité Européen de Normalisation Electrotechnique

ETSI : European Telecommunications Standards Institute

IEC : International Electricity Commission

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF : Internet Engineering Task Force

IP/MPLS : Internet Protocol/Multiprotocol Label Switching

NIST : National Institute of Standards and Technology

SGAM : Smart Grid Architecture Model

SG-CG : Smart Grids Coordination Group

VoIP : Voice over IP



 

L’auteur
 


Emmanuel Darmois

Emmanuel Darmois a plus de trente ans d’expérience en informatique et télécommunications. Il a enseigné à l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, puis travaillé plus de 20 ans chez Alcatel-Lucent, principalement dans la Recherche, le développement de produits ou la Direction Technique.

Dans son denier poste, il était Directeur Mondial pour la Normalisation. Il est très impliqué dans l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) où il est vice-président du Conseil d’Administration. Ses principaux domaines d’activité sont les Smart Grids (au sein du SG-CG), le Cloud Computing et les Smart Cities.

emmanuel.darmois@commledge.com


 

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