Soutenance de thèse – Approche distribuée basée sur un système multi-agent pour l’optimisation énergétique d’un micro-réseau de distribution

Nous avons le plaisir de vous inviter à la soutenance de la thèse de Mr Karem Hafsi, qui aura lieu le mardi 30 janvier 2024 à 13h30 dans l’amphithéâtre A042 de l’Esisar (50, rue Barthélémy de Laffemas, bâtiment AB).

Cette thèse s’intitule : « Approche distribuée basée sur un système multi-agent pour l’optimisation énergétique d’un micro-réseau de distribution « 

Cette thèse a été réalisée au sein du laboratoire de Conception et d’Intégration des Systèmes dans le cadre d’abord d’une thèse CIFRE engagée avec la société UBIANT (novembre 2022) et qui se termine dans le cadre d’un contrat avec la société Schneider Electric.

La thèse de Karem a été co-dirigée par Denis Genon-Catalot et Jean-Marc Thiriet du Gipsa-Lab.

Les membres du jury seront :

Mme Anne-Lise GEHIN Université de Lille, Rapporteure

M. Thierry VAL Université de Toulouse Jean-Jaurès, Rapporteur

M. Christophe BATARD Université de Nantes, Examinateur

M. Bertrand RAISON Université Grenoble Alpes, Examinateur

M. Stéphane FOLLIC Schneider Electric, Invité

M. Jean Marc THIRIET Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse

M. Denis GENON-CATALOT Université Grenoble Alpes, Co-directeur de thèse

Résumé

L’apport scientifique de cette thèse se concentre sur la résolution des défis particuliers liés à la stabilité et à l’optimisation des réseaux de distribution en courant continu (DC). Cette recherche vise à élaborer des stratégies de contrôle et des algorithmes d’optimisation avancés afin de maximiser l’intégration des sources d’énergies renouvelables en courant continu tout en minimisant les pertes d’énergie dans le but d’atteindre l’autoconsommation. L’architecture matérielle proposée dans ce travail s’appuie sur deux technologies de distribution électrique en courant continu, à savoir le Power over Ethernet (PoE) et le Power over Data Line (PoDL). Grâce à ces deux technologies, il est possible d’obtenir une amélioration d’au moins 7 % en termes d’efficacité énergétique lorsque la source d’énergie est en courant continu, comme c’est le cas pour l’énergie photovoltaïque ou l’énergie stockée dans des batteries. L’intégration de ces technologies dans les bâtiments crée un système de distribution plus flexible, permettant l’incorporation de charges dans la stabilisation du micro-réseau. Le PoE alimente les appareils via Ethernet, tandis que le PoDL permet la communication IP et l’injection d’énergie par l’intermédiaire de l’infrastructure de câblage électrique existante. L’architecture logicielle que nous avons proposée dans ce travail est basée sur une communication réactive entre les acteurs du réseau DC, garantissant ainsi la stabilité et la sécurité. La méthode s’appuie sur un système multi-agents coordonné pour des décisions contextuelles, maximisant les avantages du réseau DC tout en garantissant un fonctionnement stable et économe en énergie. La mise en œuvre d’un système de distribution électrique réactif est un défi majeur. La nature décentralisée de ce système nécessite un protocole de communication capable de répondre aux exigences de latence et de flexibilité. Par conséquent, après avoir évalué plusieurs protocoles, nous avons confirmé que le protocole Data Distribution Service (Data Distribution Service (DDS)) se distingue par ses performances en temps réel, offrant une latence bien délimitée et contrôlée. Grâce à sa structure distribuée et à ses capacités avancées de gestion des données, le DDS peut assurer une communication en temps réel fiable et prévisible. En plus du protocole de communication réactif, nous avons utilisé une approche multi-agents pour ses avantages tels que la gestion de l’incertitude, la flexibilité, l’extensibilité, la prise de décision distribuée, entre autres. Cependant, leur mise en œuvre dans un contexte où la réactivité et la stabilité des micro-réseaux sont essentielles représente un défi particulier. Dans ce contexte spécifique, nous avons développé une architecture de système multi-agents basée sur la coordination avec des interactions bien définies. De plus, nous avons proposé une méthode d’optimisation basée sur le cycle hamiltonien de la théorie des graphes afin d’optimiser les temps de latence des agents dans leurs tâches. L’approche multi-agents et les algorithmes d’optimisation proposés visent à répondre simultanément aux exigences de réactivité du système de contrôle et aux défis liés à l’optimisation de la gestion de l’énergie dans le micro-réseau DC.

Mots- clés : Système distribué, Micro-réseau électrique DC, Systèmes multi-agents, Intégration énergies renouvelables, Optimisation.

Abstract:

The scientific contribution of this thesis focuses on addressing specific challenges related to the stability and optimization of direct current (DC) distribution networks. This research aims to develop control strategies and advanced optimization algorithms to maximize the integration of renewable energy sources in DC while minimizing energy losses in order to achieve self-sufficiency. In pursuit of this objective, we have proposed in this work a hardware and a software architecture. The hardware architecture relies on two DC electrical distribution technologies, namely Power over Ethernet (PoE) and Power over Data Lines (PoDL). With these two technologies, it is possible to achieve at least a 7% improvement in energy efficiency when the energy source is in DC, such as photovoltaic energy or energy stored in batteries. Integrating these technologies into buildings creates a more flexible distribution system, allowing for the incorporation of loads in microgrid stabilization. PoE powers devices via Ethernet, while PoDL enables IP communication and power injection through the existing electrical wiring infrastructure. The software architecture that we have proposed in this work is based on reactive communication among the actors of the DC network, thus ensuring stability and safety. The method relies on a coordinated multi-agent system for context-aware decisions, maximizing the benefits of the DC network while ensuring stable and energy-efficient operation.

Implementing a reactive electrical distribution system is a major challenge. The decentralized nature of this system requires a communication protocol capable of meeting latency and flexibility requirements. Therefore, after evaluating several protocols, we have validated that the Data Distribution Service (DDS) protocol stands out for its real-time performance, offering well-bounded and controlled latency. Due to its distributed structure and advanced data management capabilities, DDS can ensure dependable and predictable real-time communication. In addition to the reactive communication protocol, we have used a multi-agent approach for its benefits like uncertainty management, flexibility, scalability, and distributed decision-making. However, their implementation in a context where microgrid reactivity and stability are essential represents a particular challenge. Within this specific context, we have developed a coordination-based multi-agent system architecture with well-controlled interactions and latencies. Furthermore, we have proposed an optimization method based on the Hamiltonian cycle from graph theory to optimize the latencies of the agents in their tasks. The proposed multi-agent approach and optimization algorithms aim to simultaneously address the reactivity requirements of the control system and the challenges related to optimizing energy management in the DC microgrid.

Keywords: Distributed system, DC microgrid, Multi-agent systems, Renewable energy integration, Optimization.

Si vous ne pouvez venir assister à cette soutenance, vous pourrez suivre la présentation de Karem sur le lien Zoom suivant :

https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/99266333052?pwd=bmRUUEdJbXVLZVpGVVFwT0pQSEdzdz09

avec le code secret : 521522

Au plaisir de vous retrouver pour cet événement important de la carrière professionnelle de Karem .