L'évolution des réseaux électriques combinés avec les réseaux et les infrastructures des technologies de l'information et de la communication a donné lieu à une nouvelle génération de réseaux appelés Réseaux électriques intelligents (Smart grids). Ces réseaux ont des exigences relativement aux architectures de communication et des services. Cette génération de réseaux requiert également la mise en œuvre de services pour leur monitoring et leur surveillance. Avec la venue des compteurs intelligents, il devient possible de faire communiquer les foyers avec un centre de contrôle et de monitoring, ce qui permet de gérer et de contrôler à distance les appareils se trouvant dans le foyer. Les réseaux intelligents offrent également la possibilité d'intégrer des énergies alternatives et renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie éolienne. Tout foyer connecté au réseau peut non seulement consommer de l'énergie provenant d'un réseau électrique comme celui d'Hydro-Québec, mais également produire de l'énergie et la rendre disponible aux autres foyers. Dans ce mémoire, nous nous sommes intéressés à plusieurs de ces aspects et nous formulons des propositions pour répondre aux nouveaux besoins crées par ces réseaux. Nous avons proposé des infrastructures de communication impliquant des réseaux sans fil et une architecture permettant de connecter les différents éléments du réseau et les équipements des foyers (appareils électriques, appareils électroménagers, etc.). Nous avons proposé plusieurs services pour effectuer le contrôle et le monitoring du réseau et des équipements des foyers à travers les compteurs intelligents. À cet effet, nous avons utilisé des services Web. Nous avons proposé une procédure d'ordonnancement des appareils électriques et électroménagers des foyers en vue de gérer leurs consommations et faire face aux situations de panne, notamment dans les chutes de tension. Nous avons également développé des services et une application pour donner accès à ces services à travers des appareils portables, notamment les téléphones mobiles intelligents. Pour permettre aux fournisseurs d'énergie de mettre à la disposition des usagers du réseau le surplus d'énergie qu'ils produisent, nous avons mis sur pied une infrastructure et des mécanismes d'échange pour la négociation de l'offre et de la demande d'énergie. Ce mécanisme utilise les agents mobiles. Ces agents sont des programmes qui voyagent à travers le réseau grâce à un protocole de routage spécifique en vue de trouver les meilleurs fournisseurs qui répondent aux demandes des foyers qui ont un besoin en énergie. Ce protocole de routage est évalué par simulation, et les résultats sont présentés et discutés dans ce mémoire, démontrant ainsi des bonnes performances. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : réseaux électriques intelligents, compteurs intelligents, monitoring et contrôle de la distribution d'énergie, gestion de la consommation électrique, ordonnancement, communication sans fil, agents mobiles.

Les systèmes pair-à-pair (P2P) sont utilisés par des millions d'usagers tous les jours. Dans beaucoup de cas, un usager souhaite communiquer, échanger du contenu ou des services à travers différents systèmes P2P. Cela requiert de la coopération entre les différents systèmes P2P, ce qui est très souvent difficile ou même impossible à obtenir, à cause des raisons suivantes; in primis, l'absence d'une infrastructure de routage entre les réseaux, ce qui rend la communication étanche et, in secundis, l'incompatibilité des protocoles et des opérations des susdits systèmes. L'objectif principal de cette thèse est celui de permettre la coopération entre systèmes P2P. La thèse introduit un cadre de coopération rétro-compatible entre systèmes P2P hétérogènes constitué de deux parties. La première est un cadre de routage intra-réseaux permettant à des réseaux hétérogènes de communiquer. La deuxième est une application coopérative, conçue à l'aide et au travers du cadre de routage, dont l'objectif est celui de résoudre les incompatibilités protocolaires des systèmes P2P sous-jacents. Comme étude de cas de notre cadre de coopération, on présente une solution complète permettant une coopération entre des réseaux P2P spécialisés dans l'échange des fichiers pouvant s'appliquer aux réseaux P2P actuels. Dans la deuxième partie de la thèse, on présente une étude de cas d'usage de notre architecture d'interconnexion des réseaux P2P pour la collecte et la gestion des données dans réseaux d'électricité intelligents. / Peer-to-peer systems are used by millions of users every day. In many scenarios, it is desirable for the users from different P2P systems to communicate and exchange content or services with each other. This requires co-operation between the P2P systems, which is often difficult or impossible, due to the two following reasons. First is the lack of an inter-overlay routing infrastructure throughout these systems, caused by the incompatibilities in overlay networks on top of which they are built. Second, there are incompatibilities in the application protocols of these systems. The main topic of this thesis is enabling the cooperation between P2P systems. The thesis introduces a cooperation framework for backward-compatible cooperating heterogeneous P2P systems which constitutes two parts. The first one is an inter-overlay routing framework which allows to inter-routing between heterogeneous overlay networks. The second one is the cooperation application, built on the top of the inter-overlay routing framework, which aims at solving the incompatibilities in the application protocols of P2P systems. As a case study of the cooperation framework, we introduce a complete solution for cooperating P2P file-sharing networks which is applicable for all current P2P file-sharing networks. In the second topic of this thesis, we investigate a case study of using inter-connecting P2P overlays for collecting and managing data in smart grid, a typical example of cyber physical system.

Les travaux développés durant cette thèse, ont permis la mise au point d'un simulateur qui permet de prévoir le comportement d'une hydrolienne dans son environnement. A cet effet, une approche multiphysique a été adoptée pour la modélisation de l'ensemble de la chaîne de conversion d'énergie. L'environnement de simulation ainsi développé peut également être utilisé pour le dimensionnement et l'évaluation de la rentabilité d'installations hydroliennes. A l'heure actuelle, l'outil développé permet de simuler tous les types de turbines à axe horizontal. De plus, il permet de choisir entre deux topologies électriques différentes ; une basée sur la génératrice asynchrone à double alimentation et une sur la génératrice synchrone à aimants permanents. Pour ces deux technologies, deux types de commande en vitesse ont été proposés. La première stratégie consacre l'utilisation des régulateurs linéaires PI. La deuxième, quant à elle, propose une commande non linéaire dite modes glissants d'ordre supérieur. Les différents composants du simulateur ont été testés et éprouvés expérimentalement en termes de modèles et en termes de performances de régulations de vitesse. Les développements présentés dans ce mémoire restent cependant perfectibles ouvrant ainsi la voie à d'intéressantes perspectives.

La valorisation du biogaz est une technologie permettant de recueillir et de traiter le biogaz issu des déchets organiques fermentescibles en vue de produire de l'énergie tout en préservant l'environnement grâce à la réduction des émissions de gaz à fort effet de serre tel que le méthane, l'élimination des odeurs et des risques d'explosion. Une des méthodes de la valorisation du biogaz est la production d'électricité dans des groupes électrogènes constitués des moteurs à biogaz couplés à des génératrices électriques. Pour une efficacité optimale de cette valorisation, il est très important que la production du biogaz et sa composition soient stables. Cependant, il y a beaucoup de facteurs qui influent sur la variation de la concentration de composants du biogaz, en particulier les paramètres météorologiques et les méthodes d'enfouissement. L'ensemble de ce travail a permis une étude à trois niveaux (à court terme, à moyen terme et d'un point de vue global) de la dynamique des processus de production et de comportement du biogaz sur des Centres de Stockage des déchets ménagers en fonction de différents paramètres extérieurs (météorologiques, d'exploitation).

La simulation des processus complexes dans des réseaux de transport d'électricité de grande taille nécessite la réduction de la dimension du problème. Comment réduire la complexité spatiale d'un réseau de grande dimension en gardant un bon niveau de précision ? Pour répondre à cette question nous avons divisé ce travail en trois grandes étapes : 1) la réduction par agrégation du nombre de nœuds; 2) la modélisation des liaisons entre ces clusters de nœuds et 3) le calcul des capacités des lignes équivalentes.L'agrégation des nœuds dans un cluster implique que celui-ci sera traité comme une plaque de cuivre par le modèle de marché. En conséquence, pour l'agrégation des nœuds, les congestions récurrentes dans le réseau sont identifiées et placées idéalement aux frontières des clusters. Après la réduction, la même répartition des flux dans le réseau complet et dans le modèle réduit du réseau doit être trouvée. Pour ce fait une méthodologie d'estimation d'une matrice PTDF a été développée. Pour les études économiques la limite thermique des lignes est un paramètre clé. Pour résoudre ce problème, nous proposons une méthodologie qui estime les capacités équivalentes à partir des points de fonctionnement historiques du système complet. Les approches présentées dans ce travail ont été appliquées sur un modèle du réseau continental européen et ont permis d'obtenir un modèle simplifié qui minimise la perte d'information. / The simulation of complex processes in large scale power systems needs the reduction of the problem. How to reduce the spatial complexity of a large scale power network while minimizing information loss? To answer this question we have divided this work in three main steps: 1) network buses aggregation; 2) modelling of the clusters' links; 3) defining the equivalent branches maximum exchange capacity.The bus aggregations in a cluster implies that it will be treated as a coppper-plate by the market model. Therefore, the most frequent network congestions must be identified ideally placed at the clusters frontiers. After the reduction, the same power flow repartition must be found in both reduced and complete model. To do that, a methodology to define a PTDF matrix was developed. For economic purpose studies, the branches maximum capacity is a key parameter, to define this value, a methodology is proposed that estimates the equivalent transmission capacities using historical system operating set points.These approaches were applied to the European transmission network and allowed to define a reduced model that minimises the information loss.

Dans cette thèse, les mesures de tension fournies par l'infrastructure de comptage avancé (Advanced Metering Infrastructure, AMI) sont utilisées pour contrôler un régleur en charge situé à la sous station HTA/BT. La thèse présente une méthode simple permettant de sélectionner les clients basse tension pour lesquels les mesures de tension sont utilisées comme une entrée au contrôleur du régleur en charge. Le procédé mis au point tient compte de la charge et de la topologie du réseau. En outre, une méthode simple pour créer des courbes réalistes et statistiquement correctes pour les études de réseaux est présenté. Les méthodes créées ont été testées en utilisant des données réelles de réseaux basse tension sur un logiciel très utilisé dans le secteur de la distribution d'électricité ont conduit à des résultats encourageants; quelques clients par réseau basse tension doivent être surveillés afin d’estimer avec une grande précision où se situe les extremums de tension sur le réseau.Cette méthodologie est également utilisée pour estimer la capacité d'accueil de génération d'énergie photovoltaïque dans un réseau à basse tension donné.Dans la première partie, l'évolution de la capacité d'accueil en utilisant trois types de contrôle de tension différents; un régleur en charge de cinq et neuf positions et le contrôle de la tension à travers les générateurs photovoltaïques, sont étudiés. L'étude considère deux cas différents pour le placement et le dimensionnement des générateurs photovoltaïques dans un réseau basse tension. Les résultats sur 38 réseaux basse tension sont fournis.Dans la deuxième partie, les capacités d'accueil de 631 réseaux basse tension, situés dans une région métropolitaine française, sont analysés en utilisant un régleur en charge de cinq et neuf positions.Le travail a été réalisé en collaboration avec Électricité Réseau Distribution France (ERDF), le principal opérateur du réseau de distribution français. Toutes les études présentées dans la thèse reposent sur les données réelles de fonctionnement normal. En outre, toutes les études sont mises en œuvre sur un logiciel largement utilisé dans l'industrie de la distribution d'énergie.Comme une partie introductive aux réseaux basse tension, la thèse fournit une vue générale sur le système électrique français. De plus, la thèse présente un certain nombre de technologies sélectionnés en tenant compte des réseaux basse-tension qui semblent prometteurs pour le futur. / In this thesis, voltage measurements provided by the advanced metering infrastructure (AMI) are used to control an on-load tap changer located at the secondary substation. The thesis presents a practical and a straightforward method of selecting the low voltage customers whose voltage measurements are used as an input to the controller of the on-load tap changer. The developed method takes into account the load and the topology of the network. Furthermore, a simple method of creating synthetic and statistically correct load curves for networks studies is presented. The created methods have been tested by using real data of low voltage networks on a common platform in the power distribution industry leading to encouraging results; a few customers per low voltage network should be monitored in order to achieve accurate voltage measurements.This methodology is further applied to estimate the hosting capacity of photovoltaic power generation in a given low voltage network.In the first part, the evolution of the hosting capacity by using three different types of voltage control; an on-load tap changer of five and nine tap positions and voltage control through photovoltaic power generators, is studied. The study considers two different cases for placing and sizing the photovoltaic generators in a low voltage network. The results of 38 low voltage networks are provided.In the second part, the hosting capacities of 631 low voltage networks, located in a French metropolitan area, are analysed by using an on-load tap changer of five and an on-load tap changer of nine tap positions.The work has been together with Électricité Réseau Distribution France (ERDF), the major French distribution system operator. All studies presented in the thesis are based on the real operational data of the company. Moreover, all studies are implemented on a platform that is widely used in the power distribution industry.As an introductory part to low voltage networks, the thesis provides a general view about the French power system. In addition, the thesis presents a number of selected technologies considering low voltage networks that seem promising in the future.

Cette thèse étudie l'interaction technico-économique entre véhicules électriques et réseaux d'électricité. Le développement récent de la mobilité électrique invite en effet à analyser les impacts potentiels de la recharge de ces véhicules sur les réseaux électriques, mais aussi le soutien que ceux-ci pourraient apporter dans les réseaux du futur. Ce travail s'inscrit résolument dans le cadre des réseaux d'électricité intelligents ; la plupart des résultats de cette thèse s'appliquent tout aussi bien à un lave-linge, un chauffe-eau, une télévision tant que l'on leur prête la capacité d'intelligence ! Dès lors que les décisions des consommateurs électriques flexibles interagissent, ce cadre d'étude offre un terrain de jeu propice aux outils de théorie des jeux. Ceux-ci ont un apport direct lorsque le problème considéré a un fondement stratégique, mais leur application permet aussi de proposer des solutions sur des aspects où la théorie des jeux n'est pas forcément attendue : algorithmique, dans l'échange d'information entre acteurs, etc. La description de cet apport est l'objet principal de ce travail de thèse et se décompose en trois parties. En fil rouge, le cas des profils de charge rectangulaires – soutenus par de nombreux arguments pratiques mais souvent délaissés par les chercheurs – est analysé. En premier lieu, des questions algorithmiques se posent pour coordonner la charge de véhicules électriques dans un même périmètre du système électrique. Proposant et étudiant un algorithme de coordination, il est montré comment les propriétés fondamentales de celui-ci - sa convergence, l'efficacité de ses points de convergence – peuvent être déduite d'un jeu auxiliaire sous-jacent. L'analyse de ce jeu est faite en montrant qu'il appartient à la classe des jeux de potentiel, sous des hypothèses physiques et économiques très générales. Sur le plan de l'échange d'information, un modèle est proposé pour réfléchir à la bonne communication entre un opérateur du réseau et un véhicule. Ces deux agents ont intérêt à communiquer pour planifier la charge intelligente du véhicule électrique, mais ont des objectifs distincts. Ce cadre est très proche du Cheap-talk en théorie des jeux, mais aussi de la problématique de la quantification en traitement du signal. Ce travail tisse au passage des liens entre ces sujets. Il propose aussi une méthode pour que l'agent du réseau et le véhicule s'accordent hors-ligne sur un bon mécanisme d'échange d'information. Enfin, la théorie des jeux est appliquée dans un cadre plus habituel, pour analyser le jeu des acteurs. Ceci est fait quand des ensembles de véhicules de taille importante, vus comme des flottes, cohabitent avec des véhicules individuels. Ceci offre un terrain de jeu applicatif aux outils très récents des jeux composites. Dans ces trois directions de recherche, des simulations sont effectuées dans le cadre d'un réseau de distribution d'électricité, maille du système électrique qui pourrait vivre des impacts significatifs si la charge est non-coordonnée. En particulier, elles montrent la robustesse des méthodes proposées face aux incertitudes sur les données lorsque des profils de charge rectangulaires sont considérés. / This thesis studies the technical and economical interaction between electric vehicles and electrical networks. The recent development of electric mobility leads to the analysis of potential impacts of electric vehicle charging on the electrical networks, but also to the possible support that these particular electric consumers could provide in the future smart grids. In this direction, most of the results given in this thesis also apply to a washing machine, a water-heater, a TV, as soon as these equipments are capable of being smart! When the decisions of flexible electric consumers interact, the considered framework naturally offers a unique exercise area for the tools of game-theory. The interpretation is straightforward when the considered problem is strategic by definition, but these tools allow also shedding light on other aspects: algorithmic coordination, information exchange, etc. The description of the benefits of using game-theory in this context is the aim of this work. This is done according to three aspects. In these three directions, a particular attention is drawn to the case of rectangular charging profiles, which are very practical, but often ignored by the literature. First, algorithmic issues arise when coordinating the charging of electric vehicles in a same area of the electrical network. A charging algorithm is proposed and analyzed. This is done by studying an underlying auxiliary game. This game is proved to belong to the class of potential games under very general physical and economic assumptions. In turn, it inherits from the strong properties of this class of games, namely convergence and an efficiency result in the case of a large number of electric vehicles. Considering information exchange, a model is proposed to design a good communication scheme between an operator of the electrical system and an electric vehicle. Both agents have an interest in exchanging information to schedule optimally the charging profile of the electric vehicle but they do not share the same objective. This framework is closely related to Cheap-talk in game theory and to quantization in signal processing. Amongst others, this work explains interesting connections between both topics. Furthermore, a method, which is used offline, is given to obtain a good communication mechanism between both agents. Finally, game theory is used in its traditional form, studying the strategic interaction when groups of a large number of electric vehicles – seen as fleets – coexist with individual vehicles. This allows the application of the very recent concept of composite games. In the three parts of the work, simulations are conducted in a French realistic distribution network, which could be the first part of the electrical system severely impacted by a non-coordinated charging. This highlights the robustness of rectangular charging profiles against forecasting errors on the parameters of the models.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Depuis quelques années de nombreux modèles de véhicules électriques et hybrides rechargeables sont disponibles à la vente. Les prévisions annoncent des niveaux de pénétration importants pour ces prochaines années. En effet, l’État français a annoncé deux millions de véhicules électrifiés pour 2020. Les véhicules électriques impactent les réseaux d’électricité en se rechargeant, c’est alors que les flux électriques dans les réseaux évoluent. Cette recharge qui induit un changement du dimensionnement du réseau est abordée dans ce manuscrit, qui s’attache à évaluer ce changement. De plus, avec le développement de la thématique des “smart grid”, les véhicules électrifiés peuvent avoir un intérêt pour la conduite du système électrique. Cette étude a pour objectif s’attachera aussi à tenter de déterminer l’équilibre entre intérêts des véhicules électrifiés dans ce contexte et difficultés (sous la forme de coûts) qu’ils pourraient rencontrer s’ils participaient à la conduite du système.L’impact des véhicules électrifiés se concentre principalement sur les réseaux de distribution d’électricité. Dans les réseaux de distribution d’électricité, les lignes et les câbles sont des infrastructures indispensables. Alors que de nombreuses études s’intéressent au dimensionnement des transformateurs du réseau d’électricité, peu d’entre elles analysent les lignes et les câbles du réseau. Une volonté de combler ce manque est alors apparue. Ce manuscrit traite la problématique du dimensionnement des conducteurs, des lignes et des câbles du réseau de distribution d’électricité. Les véhicules électrifiés peuvent également être utilisés comme moyen de stockage de l’électricité, afin d’améliorer la conduite des réseaux d’électricité. L’étude s’intéresse également à l’évaluation de l’impact sur les conducteurs de l’utilisation des véhicules électriques et hybrides rechargeables comme moyen de stockage (donc comme moyen de conduite du système). / In recent years many models of electric and plug-in hybrid vehicles are available for sale. The forecasts predict high levels of penetration in the coming years. Indeed, the French government announced two million electric vehicles by 2020. Electric vehicles impact the electric grid by recharging, changing electricity flows in the grid. Electric vehicles charging changes the manner of sizing the grid which is the topic of this manuscript. Moreover, with the development of the smart grids, electric vehicles may have an interest as actor of the electrical system. This study also focuses on trying to determine the balance between interests of electrified vehicles in this context and challenges (in the form of costs) they might encounter if they are involved in the operation of the electric system.The impact of electric vehicles mainly focuses on the distribution grid lines and cables are a major infrastructure of the distribution grid. While many studies focus on electric transformers sizing, few of them analyze the lines and cables of the grid. A desire to fill that gap then appeared. This manuscript deals with the problem of sizing lines' and cables' conductors of the electric distribution grid. Electric vehicles can also be used as electricity storage device to improve the operation of electricity networks. The study also assesses the impact on grid conductors of electric vehicles use for storage (i.e. as a means for operating the system).

Depuis quelques années de nombreux modèles de véhicules électriques et hybrides rechargeables sont disponibles à la vente. Les prévisions annoncent des niveaux de pénétration importants pour ces prochaines années. En effet, l’État français a annoncé deux millions de véhicules électrifiés pour 2020. Les véhicules électriques impactent les réseaux d’électricité en se rechargeant, c’est alors que les flux électriques dans les réseaux évoluent. Cette recharge qui induit un changement du dimensionnement du réseau est abordée dans ce manuscrit, qui s’attache à évaluer ce changement. De plus, avec le développement de la thématique des “smart grid”, les véhicules électrifiés peuvent avoir un intérêt pour la conduite du système électrique. Cette étude a pour objectif s’attachera aussi à tenter de déterminer l’équilibre entre intérêts des véhicules électrifiés dans ce contexte et difficultés (sous la forme de coûts) qu’ils pourraient rencontrer s’ils participaient à la conduite du système.L’impact des véhicules électrifiés se concentre principalement sur les réseaux de distribution d’électricité. Dans les réseaux de distribution d’électricité, les lignes et les câbles sont des infrastructures indispensables. Alors que de nombreuses études s’intéressent au dimensionnement des transformateurs du réseau d’électricité, peu d’entre elles analysent les lignes et les câbles du réseau. Une volonté de combler ce manque est alors apparue. Ce manuscrit traite la problématique du dimensionnement des conducteurs, des lignes et des câbles du réseau de distribution d’électricité. Les véhicules électrifiés peuvent également être utilisés comme moyen de stockage de l’électricité, afin d’améliorer la conduite des réseaux d’électricité. L’étude s’intéresse également à l’évaluation de l’impact sur les conducteurs de l’utilisation des véhicules électriques et hybrides rechargeables comme moyen de stockage (donc comme moyen de conduite du système). / In recent years many models of electric and plug-in hybrid vehicles are available for sale. The forecasts predict high levels of penetration in the coming years. Indeed, the French government announced two million electric vehicles by 2020. Electric vehicles impact the electric grid by recharging, changing electricity flows in the grid. Electric vehicles charging changes the manner of sizing the grid which is the topic of this manuscript. Moreover, with the development of the smart grids, electric vehicles may have an interest as actor of the electrical system. This study also focuses on trying to determine the balance between interests of electrified vehicles in this context and challenges (in the form of costs) they might encounter if they are involved in the operation of the electric system.The impact of electric vehicles mainly focuses on the distribution grid lines and cables are a major infrastructure of the distribution grid. While many studies focus on electric transformers sizing, few of them analyze the lines and cables of the grid. A desire to fill that gap then appeared. This manuscript deals with the problem of sizing lines' and cables' conductors of the electric distribution grid. Electric vehicles can also be used as electricity storage device to improve the operation of electricity networks. The study also assesses the impact on grid conductors of electric vehicles use for storage (i.e. as a means for operating the system).