Cette mémoire de master traite du routage de données dans les smart grids, en mettant l'accent sur le protocole RPL, considéré comme l'un des plus utilisés pour les réseaux à faible puissance et à perte. L'étude explore les défis associés aux systèmes électriques actuels et évalue les performances du protocole RPL à travers des simulations. Les résultats obtenus fournissent des pistes pour améliorer ce protocole dans des travaux futurs.

1. République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Amar Telidji
Laghouat
Faculté des Sciences
Département de Mathématiques Informatique
Mémoire de Master
Filiére: Informatique
Option: Réseaux, systémes et applications réparties (ReSar)
Théme:
Le routage de données dans les
Smart Grids
Présenté par:
Mebarka Boussebci
Soutenu devant le jury composé de:
Mme F.Z. Bousbaa M.A.A UATLaghouat (Présidente)
Mr B. Brik M.A.B UATLaghouat (Examinateur)
Mr A. Lakhdari M.A.B UATLaghouat (Examinateur)
Mr. N. Lagraa M.C.A UATLaghouat (Rapporteur)
Année 2015

2. À la mémoire de ma grand mére Mebarka Belmechri
ii

3. Remerciements
Je remercie tout d’abord ALLAH , le tout puissant de m’avoir donné la force et la patience
et de m’avoir rapprocher des personnes qui m’ont soutenu et aidé pour accomplir ce
travail.
Mes remerciements s’adressent également à tous les personnes qui ont contribué de
près ou de loin avec leurs conseils ou avec leurs encouragements à l’accomplissement de
ce travail.
Je tiens à exprimer ma sincère reconnaissance et remerciements à Mr. LAGRAA NAS-
REDDINE, professeur à l’université de Laghouat d’avoir accepté d’encadrer et de diriger
mes travaux.
Enfin, j’exprime mes vifs remerciements à toute ma famille et amis spécialement à mes
deux soeurs FATIMA ZOHRA GUELLOUMA et SAYAH LEILA CHOUROUK.
iii

4. Résumé
Dans les systèmes électriques actuels, plusieurs défis sont affrontés tels que la planifica-
tion, la gestion et la fiabilité. Les Smart Grids représentent une solution prometteuse
aux problèmes des réseaux de distribution d’électricité. Cette solution se base essentielle-
ment sur l’échange des messages entre les différents acteurs de ce réseau.
Dans ce mémoire, on s’intéresse au problème d’acheminement de données dans les
smart grids et plus particulièrement le problème de routage (couche réseau). Ainsi, plu-
sieurs protocoles ont été présentés mais, une étude profonde du protocole RPL (Routing
Protocol for Low power and lossy networks) est effectuée. Ce protocole, par ses caracté-
ristiques, est considéré comme l’un des protocoles de routage de données les plus utilisés.
Les résultats de simulation nous ont permis d’évaluer les performances de ce protocole, et
d’en tirer des conclusions qui permettent de l’améliorer dans des travaux futurs.
Mots clés :Smart Grid, Routage, réseau électrique intelligent.
Abstract
In the current electricity systems, several challenges are confronted such as planning,
management, and reliability. Smart Grids represent a promising solution to the problems
of electricity distribution networks. This solution is essentially based on the exchange of
messages between the different actors of this network.
In this thesis, we focus on the problem of delivering data in smart grids and more
particularly the routing process (network layer). Thus, several protocols have been studied
with a particular analysis to RPL protocol (Routing Protocol for Low power and lossy
networks). This protocol, by its characteristics, is considered as one of the most used routing
protocols. Simulation results allowed us to evaluate the performance of this protocol, and
draw conclusions that can improve it in future work.
key words :Smart Grids, Routing, RPL , Simulation.
iv

5. ? ? ? ?
v

6. Table des matières
Table des matières vi
Liste des figures viii
Liste des tableaux ix
Introduction générale 1
1 Généralités sur les Smart Grids 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Définitions du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Objectifs des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Caractéristiques des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Architecture et Systèmes des SG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.1 Système de gestion intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2 Système d’infrastructure intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2.1 Sous-système d’énergie intelligent . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2.2 Sous-système d’informations intelligent . . . . . . . . . . . . 10
1.5.2.3 Sous-système de communication Intelligent . . . . . . . . . . 11
1.5.3 Système de protection intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Smart Grid : scénario de fonctionnement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Projets et thèmes de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Smart Grids -partie communications 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Les réseaux de communication du Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Types des réseaux de communication dans les SG . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 HAN (Home Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 NAN (Neighborhood Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 BAN (Building Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4 IAN (Industry Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.5 WAN (Wide Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Technologies et standards de communications . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 Technologies pour les réseaux HAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Technologies pour les NAN et les WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Standards des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Protocoles de routage pour le réseau de communications des Smart
Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 RPL (Routing Protocole for Low power and lossy networs -LLNS-) . . . . . 22
2.5.1.1 Messages du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
vi

7. 2.5.1.2 Fonctionnement du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1.3 Limites du protocole RPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 DADR : Distributed Autonomous Depth-first Routing . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2.1 Fonctionnement du DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2.2 Limites du protocole DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.3 Hydro (Hybrid Routing Protocol for LLNs) : . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.3.1 Les informations stockées dans les tables de routages sont : 26
2.5.3.2 Limites du protocole HYDRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4 N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.1 Acteurs : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.2 Les informations stockées au niveau de chaque
noeud(MSAP) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.3 Fonctionnement du protocole : . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.4 Limites du protocole N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 Performances du protocole RPL 29
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Outils de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Contiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1.1 Architecture : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1.2 Connectivité : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1.3 La simulation : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Simulation du RPL et résultats : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.0.4 Paramètres et environnement de simulation : . . . . . . . . . 33
3.3.1 Caractéristiques de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 Métriques de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.3 Résultats de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3.1 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur le nombre
de messages de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3.2 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le
nombre de messages de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3.3 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur l’overhead 35
3.3.3.4 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur
l’overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3.5 l’impact de la variation du nombre de noeuds sur le PDR . . 36
3.3.3.6 l’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le
PDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3.7 L’occupation de la bande passante en fonction du temps . . 37
Conclusion et Perspectives 39
Bibliographie 41
A Annexe : Outil de la simulation (COOJA) 45
A.1 Installation de contiki : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A.1.1 COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A.2 Étapes de la simulation : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
vii

8. Liste des figures
1.1 Classification des systèmes des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Structure de l’infrastructure électrique du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Production mondiale de l’électricité classée par source -2012-[ The shift Pro-
ject data portal ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Domaine de production électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Domaine de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Domaine de distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7 Domaine des consommateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.8 Compteurs intelligents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.9 Schéma synoptique d’un compteur intelligent [STM] . . . . . . . . . . . . . . 11
1.10 Infrastructure de communications du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.11 Exemple de fonctionnement du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Architecture hiérarchique du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Home Area network (HAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Architecture hiérarchique du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Fonctionnement du DADR [IYY+10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Réseau avec N-gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Architecture du système d’exploitation Contiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Pile protocolaire de Contiki(Contiki.org) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Topologie du réseau avec 80 noeuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Nombre de messages de contrôle (scénario 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 Nombre de messages de contrôle (scénario 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6 l’entête additionnelle dans RPL(scenario 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.7 l’entête additionnelle dans RPL(scenario 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.8 taux de délivrance de données (scénario 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9 taux de délivrance de données (scénario 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.10 Taux d’occupation de la bande passante par rapport au temps . . . . . . . . . 37
A.1 Téléchargement de Contiki Os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A.2 Interface du simulateur COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
A.3 Création d’une simulation dans COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
A.4 Création des noeuds dans COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
A.5 Attacher un agent à un noeud -simulateur COOJA- . . . . . . . . . . . . . . . 48
A.6 Choisir le nombre et la disposition des noeuds - simulateur COOJA - . . . . 49
A.7 Simulation avec COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
A.8 Récupération des données de la simulation - Simulateur COOJA - . . . . . . 50
A.9 Pile protocolaire de COOJA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
viii

9. Liste des tableaux
1.1 Réseaux classiques VS Réseaux intelligents [FMXY12]) . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Projets de recherche des SG dans le monde [SGI15] . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1 Standards et technologies de communication des Smart Grids [MJR15] . . . . 20
2.2 Standards des Smart Grids [è15b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Métriques de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Caractéristiques de la machine de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
ix

10. x

11. Introduction générale
De nos jours l’usage de l’électricité est devenu indispensable aux individus comme pour
les usines. A cause du développement technologique cet usage est de plus en plus
croissant.
Cette source d’énergie est produite à la demande, lorsque cette demande dépasse les
capacités des centrales de production tout le système se bloque. Les Smart Grids sont
apparus afin de régler plusieurs problèmes des réseaux classique tel que l’intégration des
énergies de production par sources renouvelables , ou bien l’automatisation des tâches
pour réduire l’interaction de l’être humain avec le réseau.
De plus, les Smart Grids apportent tout un nouveau système de communication qui
fonctionne à côté de l’ancienne infrastructure pour l’optimiser. Ce système de communi-
cation est composé de plusieurs technologies, qui échangent différents types de données
dans l’objectif de rendre le réseau électrique entièrement pilotable.
Comme tout système reposant sur les communications, plusieurs types de messages
sont échangés à travers ce réseau. L’acheminement de l’information dans un tel réseau ne
peut être assuré que grâce à un protocole de routage.
Dans ce cadre, plusieurs groupes de recherche ont développé ou adapté des protocoles
de routage pour les Smart Grids. La majorité des protocoles adaptés sont développés ini-
tialement pour les réseaux de capteurs. Leurs performances sont différentes et dépendent
essentiellement des approches utilisées.
Ce mémoire représente une introduction aux protocoles de routage dans les réseaux
électriques intelligents appelés Smart Grids. Il est structuré de la maniéré suivante : Le 1er
chapitre représente une description du smart grid, ses objectifs ainsi que les architectures
du smart grid. En outre, le chapitre recense plusieurs projets de recherche lancés à travers
le monde.
Le chapitre 2 contient deux parties : la première se porte sur l’infrastructure et les tech-
nologies de communication utilisées, et la deuxième partie une présentation de plusieurs
protocoles de routage de smart grids.
Le dernier chapitre représente une évaluation de l’un des protocoles adaptés au contexte
du smart grid qui RPL (Routing Protocol for Low power and lossy networks). Les résultats
obtenus sont discutés suivant les scénarios et la topologie choisis.
1

12. Introduction générale
2

13. 1Généralités sur les Smart Grids
Dans ce chapitre nous allons essayer de présenter les Smart Grids, en commençant par
définir ce nouveau type de réseaux et ses objectifs, puis nous allons décrire l’archi-
tecture du Smart Grid et les systèmes qui le composent ainsi que les projets de recherche
actifs dans ce domaine.
3

14. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
1.1 Introduction
En 2007 l’organisation NIST (National Institute of Standards and Technology) propose
de créer une nouvelle branche de recherche « Framework » pour les réseaux d’électricité
intelligents ; ainsi fut la naissance du Smart Grid. [FMXY12].
Ce nouveau type de réseau est une evolution des systèmes de transfert de données
de consommation (AMI- Advanced Metering Infrastructure) qui représente l’Ensemble de
compteurs intelligents permettant de communiquer des données de consommation et de
prix en temps réel.
1.2 Définitions du Smart Grid
Smart Grid est composée de deux termes : (i) grid désignant le réseau de distribution
d’électricité (power grid), et (ii) smart met l’accent sur « l’intelligence » apportée par
l’informatique au réseau de distribution d’électricité.
D’autres expressions sont aussi employées en anglais comme smart electric grid, smart
power grid, intelligent grid, IntelliGrid, future grid ou SuperSmart Grid. La diversité des
expressions permet de conclure qu’il y a aussi une diversité dans les définitions. Voici
quelques définitions du Smart Grid :
– Définition 1 : Les Smart Grids font référence aux réseaux de distribution d’électricité
ayant recours à des solutions informatiques complexes pour optimiser les interactions
entre l’offre et la demande d’électricité» [è15a]
– Définition 2 : «Les Smart Grids associent les technologies de l’information et de
la communication (TIC) aux réseaux de distribution. Les systèmes communiquant,
l’intégration des énergies renouvelables ainsi que l’intelligence embarquée doivent
permettre un meilleur ajustement entre production et consommation d’électricité »
[Monereau, 2011]
– Définition 3 : « Le Smart Grid est une des dénominations d’un réseau de distribution
d’électricité « intelligent » qui utilise des technologies informatiques de manière à
optimiser la production, la distribution, la consommation, et qui a pour objectif d’op-
timiser l’ensemble des mailles du réseau d’électricité qui va de tous les producteurs
à tous les consommateurs afin d’améliorer l’efficacité énergétique de l’ensemble.»
En français, Il n’existe pas vraiment une traduction officielle et unique de l’expression
anglaise Smart Grid. Le Grand Dictionnaire Terminologique (GDT) propose la traduction
« réseau de distribution d’électricité intelligent », Certains utilisent plus simplement «
réseau électrique intelligent », c’est en particulier cette expression qui a été retenue dans le
vocabulaire de l’énergie.
4

15. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
1.3 Objectifs des Smart Grids
Les principaux objectifs de la mise en oeuvre des Smart Grids sont :
– Renforcer la sûreté du réseau de transport et de distribution électrique par l’inté-
gration des mécanismes permettant d’éviter ou de modérer les conséquences des
incidents sur le réseau électrique.
– Assurer une meilleure distribution de l’électricité.
– Avoir une connaissance en temps réel sur l’état du réseau (surtension, panne, sous-
tension, etc.).
– Optimiser le rapport demande/prix de l’électricité, et ainsi éviter les pics de consom-
mation d’électricité, très coûteux et très polluants
– Décentralisation de la production électrique, Faciliter l’installation de sources de pro-
duction d’électricité décentralisées chez le client final (photovoltaïque, éolien, batterie
du véhicule électrique) par la pose de compteurs d’électricité intelligents enregistrant
les flux d’électricité dans les deux sens.
– Stocker l’énergie dans le réseau.
– Contrôle à distance.
– Automatisation de différentes tâches (collecte de données, réparation de pannes,
maintenance, etc.).
– Intégration des sources de production par énergies renouvelables intermittentes (éo-
lien, photovoltaïque).
– Diminuer les pertes sur le réseau de transport et de distribution d’électricité en opti-
misant les flux d’électricité
– Réduire l’effet de serre, en diminuant la consommation des énergies polluantes (pé-
trole, gaz naturel, nucléaire) dans la production de l’électricité.
1.4 Caractéristiques des Smart Grids
– Circulation bidirectionnel de l’électricité.
– Production décentralisée de l’électricité.
– Réseau hybride, à cause de la diversité des sous-réseaux qui lui composent (WSN,
WPAN, etc.).
– Capable de stocker de l’énergie électrique
En connaissant les objectifs et les caractéristiques du SG, on peut faire une comparaison
entre ces deux réseaux. Le tableau 1.1 en résume les principales différences.
Réseau classique Smart Grid
Production centralisée Production distribuée
Peu de capteurs Beaucoup de capteurs
Surveillance assistée Auto- surveillance
Dépannage manuel Auto-dépannage
Gestion de l’équilibre du système
électrique par le taux offre / pro-
duction
Gestion de l’équilibre
du système électrique par
la demande/consommation
Communicant sur une partie du ré-
seau
Communicant sur l’ensemble du
réseau
Contrôle limité Plus de contrôle
Table 1.1 – Réseaux classiques VS Réseaux intelligents [FMXY12])
5

16. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
1.5 Architecture et Systèmes des SG
Le Smart Grid est composé essentiellement de trois systèmes intelligents : le système
de gestion, le système d’infrastructure et le système de protection [Voir figure 1.1].
Figure 1.1 – Classification des systèmes des Smart Grids
1.5.1 Système de gestion intelligent
Ce système a plusieurs objectifs à savoir :
– L’optimisation de la production d’électricité tout en assurant un excellent rapport
demande/production. [BBM+10]
– - Optimisation des coûts.[SMRS+10]
– Stabilisation des prix.[RDM10]
– Contrôle d’émissions. [BBM+10]
– Minimisation de la perte d’énergie dans le réseau de transport.
Pour atteindre ces objectifs, pratiquement toutes les techniques d’optimisation sont uti-
lisées tel que la programmation convexe [SHMV11], la programmation dynamique [KS10],
la programmation stochastique [Liu10], la programmation robuste [CMB10], L’optimisa-
tion par essaims particulaires [HVC08], la théorie des jeux (game theory), et les méthodes
d’apprentissage [FYX11].
1.5.2 Système d’infrastructure intelligent
Ce système s’intéresse aux différentes technologies de production, de distribution, de
transport et communication et aux mécanismes de gestion de l’information des réseaux
intelligents. Il est essentiellement composé de trois sous-systèmes :
1.5.2.1 Sous-système d’énergie intelligent
C’est l’ensemble d’infrastructures énergétiques (centrales de production, lignes élec-
triques, postes transformateurs, compteurs, etc ), assurant l’acheminement bidirectionnel
de l’électricité à partir des centrales de production vers les consommateurs, et entre les
consommateurs du même quartier [DGBB14].
6

17. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
L’infrastructure électrique du SG contient quatre composants. La figure suivante représente
la structure de l’infrastructure électrique du SG [Voir Figure 1.2].
Figure 1.2 – Structure de l’infrastructure électrique du Smart Grid
1. Production : La phase de production représente la première étape dans le processus
de l’alimentation en électricité. c’est le processus de production d’énergie électrique
à partir de différentes sources (combustion chimique, fission nucléaire, l’eau, le vent,
le soleil et géothermique) (voir figure 1.3).
Figure 1.3 – Production mondiale de l’électricité classée par source -2012-[ The shift Project data portal ]
En plus la communication de données avec les différents domaines, le domaine
de production maintient une liaison électrique avec celui de la transmission (voir
figure 1.4)
7

18. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
Figure 1.4 – Domaine de production électrique
2. Transport et Distribution : Cette phase consiste à acheminer l’électricité vers le
consommateur. Un réseau de transport achemine l’énergie électrique en Haute ten-
sion (HT) aux transformateurs aériens desservant les clients. Un réseau de distribu-
tion achemine l’énergie électrique en Moyenne tension (MT) vers les usines et les
grands ateliers, et en basse tension (BT) pour la consommation domestique .
3. Transmission :C’est l’ensemble de stations électriques, lignes électriques, et points de
stockage. Il est responsable du transfert de l’énergie électrique en moyenne tension
depuis les points de production vers le domaine de distribution [voir Figure1.5].
Figure 1.5 – Domaine de transmission
8

19. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
4. Distribution :Ce domaine est responsable d’une part du transfert de l’électricité en
base et moyenne tension depuis le domaine de transmission vers les consommateurs,
d’autre part du transfert des données sur la qualité des liens et des données de
consommation entre les autres domaines [voir Figure1.6].
Figure 1.6 – Domaine de distribution
5. Consommation :L’énergie électrique est utilisée dans la consommation domestique
comme dans la consommation industrielle pour trois usages principaux [DGBB14] :
– Energie thermique (chauffage)
– Energie Lumineuse (éclairage)
– Energie mécanique (moteurs)[DGBB14]
La figure suivante représente l’infrastructure électrique du SG .
Figure 1.7 – Domaine des consommateurs
9

20. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
Les clients peuvent appartenir à plusieurs types de sous réseaux tels que le (HAN :
home area network, BAN : building area network, IAN : industry area network, VA-
NET : vehicular ad hoc network), Ces sous réseaux sont interconnectés via des techno-
logies de communication différentes. Les acteurs de chaque sous-réseau sont capables
d’acquérir ou de réinjecter à tout moment de l’énergie électrique dans le réseau [voir
Figure 1.7].
1.5.2.2 Sous-système d’informations intelligent
Ce sous-système a pour but : la collecte, l’analyse, l’intégration, l’optimisation, et la
modélisation des données de consommation envoyées par les compteurs intelligents, ou
des données sur l’état du réseau envoyées par les capteurs. L’élément clé de sous-système
et du Smart Grid est le compteur intelligent. Pour cela, on a choisi de le présenter ici de
façon détaillée :
– Le compteur intelligent :
Le compteur intelligent ou compteur communicant [Voir Figure 1.8] est le dispositif
le plus important dans le Smart Grid. Il permet d’assurer plusieurs tâches telles que :
– Le contrôle à distance.
– L’envoi des diagnostics périodiques et les messages d’alerte au fournisseur d’élec-
tricité en cas de défaillance.
– L’analyse des données (consommation, offres d’électricité proposés, etc.).
– Communication entre les dispositifs à l’intérieur de la maison intelligente.
[YQST13].
Figure 1.8 – Compteurs intelligents
– Architecture d’un compteur intelligent Un compteur intelligent est composé essen-
tiellement de plusieurs modules (unité de contrôle, interfaces de communication, une
batterie etc.). La figure 1.9 représente l’architecture générale d’un compteur intelligent
[STM]
10

21. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
Figure 1.9 – Schéma synoptique d’un compteur intelligent [STM]
1.5.2.3 Sous-système de communication Intelligent
C’est l’ensemble de dispositifs filaires (Fibre optique, PLC) et sans fils (wifi, zigbee,
wimax, etc.), assurant la communication ainsi que transmission des informations entre les
utilisateurs du réseau d’une part, et entre les utilisateurs et le centre de pilotage d’autre
part (voir figure 1.10).
Figure 1.10 – Infrastructure de communications du Smart Grid
Les données transmises à travers ce sous-système varient selon leur nature et leur temps
d’envoi, exemples :
– Consommation horaire d’électricité et factures.
– Prix (tarif) d’électricité.
11

22. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
– Données collectées par les capteurs sur l’état du réseau (périodiques).
– Messages d’alertes.
– Instructions pour le contrôle à distance. [SGt]
1.5.3 Système de protection intelligent
L’utilisation des technologies de l’information modernes expose potentiellement les
réseaux électriques intelligents aux menaces modernes ciblant les systèmes d’information.
Les systèmes d’information des autres secteurs d’activité ont déjà pu faire l’objet de cas
de vols de données personnelles, de perturbation des systèmes, d’attaques de types dénis
de services, etc.
De nombreux systèmes industriels n’étaient pas préparés à faire face à ces menaces.
L’exemple de la cyber-attaque Stuxnet en 2010, ayant mené à la prise du contrôle des
automates industriels dans le but de modifier les paramètres de fonctionnement des ins-
tallations industrielles en accélérant leur vitesse de rotation ; cette attaque est encore dans
la mémoire des industriels.
Les Smart Grids deviennent ainsi potentiellement la cible de ces menaces. Si les
réseaux électriques ont recours depuis longtemps à des systèmes d’information et de
communication électroniques pour transmettre les données nécessaires à la gestion de
la production, du transport et de la distribution d’énergie, les systèmes d’information
dédiés aux réseaux électriques utilisent des systèmes spécifiques à ces réseaux industriels
et sont encore pour la majorité, dédiés et fermés : l’intégration des réseaux intelligents
de communication et d’échanges de données, qui s’appuient sur des technologies telles
qu’Internet Protocol (IP) ou le « Cloud Computing », augmente le niveau de risque. [Lac15]
Ainsi le système de protection intelligent du Smart Grid intervient pour sécuriser les
données (de consommations et de contrôle) d’une part, et de protéger l’infrastructure en
développant des mécanismes de détection, d’identification et d’autoréparation des pannes,
et les solutions pour la restauration des données en cas de perte d’autre part.
1.6 Smart Grid : scénario de fonctionnement :
Le scénario suivant permet d’illustrer et de mieux comprendre toutes les phases néces-
saires pour qu’un client consomme à la demande de l’électricité (voir figure 1.11).
1. Le consommateur se connecte au marché de l’électricité à travers une interface (web,
application androïde, SMS, etc.) proposé par le prestataire de services.
2. Une phase d’authentification de l’utilisateur est obligatoire.
3. L’application vérifie l’existence du client dans la base de données.
4. Des offres d’électricité s’affichent chez le consommateur pour qu’il puisse effectuer
un choix.
5. Dans le cas où le consommateur décide d’acheter de l’électricité de chez son pres-
tataire de services, la demande sera instantanément envoyée vers les centrales de
production.
12

23. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
6. Dans le cas où le consommateur décide d’acheter de l’électricité de chez l’un de ces
voisins vendeurs, la demande sera envoyée vers le réseau de distribution, indiquant
la quantité à acheter et l’heure de l’achat. [PD11]
Figure 1.11 – Exemple de fonctionnement du Smart Grid
1.7 Projets et thèmes de recherche
Pour voir l’intérêt apporté par la communauté de recherche, par les industriels par les
états, nous avons choisi de présenter quelques projets de recherche dans le cadre des Smart
Grids à travers le monde.
13

24. Chapitre 1. Généralités sur les Smart Grids
N Nom du projet Organisation Pays Date Thèmes de recherches
1
AEP Ohio (grid-
SMARTSM
Demonstration
Project)
AEP Ohio USA
2011-
2014
-Optimisation de la consom-
mation d’électricité
-Optimisation de la distribu-
tion d’électricité
2
44 Tech Inc.
Smart Grid
Storage Demons-
tration Project
44 Tech Inc USA
Depuis
2010
-Stockage de l’électricité
3 B.R.I.S.T.O.L
Université
de BRIS-
TOL
UK
2011-
2015
- Intégration des DRE
- Agrégation des données
4 C-DAX C-DAX
BE, CH, DE, FR,
NL, SE, UK
2012-
2015
-Système de gestion intelli-
gent
- Intégration des DRE
5 CHPCOM CHPCOM DK
2013-
2016
- Système de gestion intelli-
gent
- Intégration des DRE
- Agrégation des données
- Autres
6
Black Hills Po-
wer, Inc. Smart
Grid Project
Black Hills
Power, Inc
USA
Depuis
2010
-Compteurs intelligents
-Système de communication
AMI
7 DISCERN DISCERN
DE, ES, NL, SE,
UK
2013-
2016
- Intégration of large scale
RES - Système de gestion in-
telligent
- Agrégation des données
- Maison intelligente
-Consommation intelligente
8 PEGASE PEGASE
BA, BE, DE, ES,
FR, HR, LT, LV,
NL, PT, RO, RU,
TR, UK
2008-
2012
- Système de gestion intelli-
gent
9
Smart Power Sys-
tem
.. NL
2006-
2007
- Agrégation des données
10
Smart Grid /
Université de
Georgia
Université
de Georgia
USA
2010-
2015
-(integrating software emula-
tor with hardware testbed).
Table 1.2 – Projets de recherche des SG dans le monde [SGI15]
1.8 Conclusion
Nous avons présenté dans le chapitre précèdent les concepts générales des Smart Grids,
nous avons vu que le réseau traditionnelles doit être équipé de technologies de commu-
nications pour être intelligent. Dans le chapitre suivant nous allons mettre l’accent sur la
partie communications du réseau intelligent.
14

25. 2Smart Grids -partie
communications
Sommaire
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Définitions du Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Objectifs des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Caractéristiques des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Architecture et Systèmes des SG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.1 Système de gestion intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2 Système d’infrastructure intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2.1 Sous-système d’énergie intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2.2 Sous-système d’informations intelligent . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.2.3 Sous-système de communication Intelligent . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.3 Système de protection intelligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Smart Grid : scénario de fonctionnement : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Projets et thèmes de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Le but de ce chapitre est de présenter d’une manière détaillée le réseau de communi-
cations du Smart Grid, ainsi que les standards et les technologies de communications
utilisés. Par la suite, nous étudions quelques protocoles de routage de données utilisés dans
les SG.
15

26. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
2.1 Introduction
Pour communiquer, échanger des données ou envoyer des commandes, les équipe-
ments et les appareils technologiques, qui compose le réseau Smart Grid, plusieurs types
technologies de communication (filaires et sans fils) sont utilisés.
Grâce à ces technologies de communication, l’achat et la vente de l’électricité, l’équi-
librage des charges ainsi que l’acheminement des données de consommation depuis les
compteurs des bénéficiaires vers le prestataire de services sont assurés.
2.2 Les réseaux de communication du Smart Grids
Le réseau de communications du smart grid peut être décomposé en plusieurs sous-
réseaux. Chacun de ces derniers possède des caractéristiques différentes des autres tels que
la portée et les technologies de communications utilisées. Ce réseau a des caractéristiques
spécifiques :
1. Est un réseau hétérogène du point de vue composant (capteurs, compteur, compteur
intelligent,ect )
2. Est un réseau souvent à l’échelle d’un pays ou d’une ville.
3. Est un réseau hiérarchique (voir figure 2.1) situé au niveau d’une maison, un quartier,
une villeetc.
Figure 2.1 – Architecture hiérarchique du Smart Grid
16

27. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
2.3 Types des réseaux de communication dans les SG
2.3.1 HAN (Home Area Network)
C’est le sous réseau à l’intérieur d’une maison dite intelligente[voir figure 2.2],
reliant plusieurs dispositifs sur la même interface, cela veut dire qu’il permet une commu-
nication entre différents types de sous réseaux (PAN : personale area network , Lan : local
area network, Wlan : wirless local area network, réseaux de capteurs, .etc). Chaque maison
intelligente est identifiée par son compteur communiquant qui assure l’acheminement des
messages et joue le rôle d’une passerelle [HI10] (Huq, 2010, Decembe).
Figure 2.2 – Home Area network (HAN)
2.3.2 NAN (Neighborhood Area Network)
(sous- réseau au niveau d’un quartier) c’est le sous-réseau le plus important du
smart grid, car il assure la communication et le contrôle dans une région de grande surface
(P. Chatzimisios et al., 2012). Le NAN utilise différentes technologies de communications
tel que (BPLS, WSNs, WMNs,..etc.) [YZG+11] .
2.3.3 BAN (Building Area Network)
C’est un sous réseau situé au niveau d’un bâtiment permettant aux différents
consommateurs de communiquer entre eux à travers un relai. Le BAN peut être vu comme
étant un réseau NAN situé sur une petite zone [MMC14] , (voir figure 2.3).
2.3.4 IAN (Industry Area Network)
Sous-réseau du Smart Grid situé au niveau des usines (similaire au BANs).
2.3.5 WAN (Wide Area Network)
c’est un réseau couvrant une grande zone géographique à l’échelle d’un pays ou
d’un continent. Dans les réseaux électriques intelligents un WAN relie plusieurs NAN et
assure l’échange des données avec le centre de contrôle. [MMC14]
17

28. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
Figure 2.3 – Architecture hiérarchique du Smart Grid
2.4 Technologies et standards de communications
Le réseau de communications du smart grid est un réseau maillé, étendu qui
comporte une variété de technologies de communications. Ces technologies sont soit déjà
existantes ou développées spécialement pour répondre aux besoins du smart grid[MJR15].
Dans chaque sous réseaux, on trouve des technologies différentes :
2.4.1 Technologies pour les réseaux HAN
Zigbee :le standard 802.15.4 repesentant le zigbee est conçu principalement pour les ré-
seaux PAN (Personal Area Network), c’est une solution efficace à base consommation
d’énergie. Cette technologie peut être utilisée pour le contrôle à distance, l’automati-
sation et l’envoi des messages dans les maisons et les bâtiments intelligents.
WIFI : C’est une technologie sans fil basée sur le standard 802.11
6LoWPAN : est l’acronyme d’IPv6 Low power Wireless Personal Area Networks qui est
Conçu pour les périphériques à communication sans fils consommant peu d’énergie
électrique telle que les capteurs, et offre la possibilité de faire fonctionner le zigbee
avec l’IPV6.[MJR15]
Z-Wave : Ce standard est utilisé de manière exclusive pour le contrôle à distance. Il est
utilisé dans les réseaux maillés ce qui offre la possibilité de transférer les données
vers n’importe quel noeud du réseau.
2.4.2 Technologies pour les NAN et les WAN
Wimax : Le standard IEEE 802.16 (wimax) est utilisé pour :
– Le transfert des données de consommation sans fil WAMR (Wirless Automatic Rea-
ding).
– RTP (Real Time Pricing), pour le transfert des tarifs en temps réel aux consomma-
teurs.
– Détection et réparation automatique des pannes.
– Surveillance, grâce aux données collectées par les capteurs.
18

29. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
Réseaux cellulaires : Les réseaux cellulaires peuvent être utilisés dans les smart grids
pour les raisons suivantes :
– Offre une couverture pour les grandes zones WAN pour le transfert des données
des applications telles que l’ADR ( Automated Demand Response ) et l’AMI (Ad-
vanced Metering Infrastructure) .
– Assurer la communication entre les utilisateurs et le centre de pilotage.
– Assurer la supervision en utilisant le service SMS en cas de mal fonctionnement.[MJR15]
PLC : PowerLine Communications est une technologie de communication filaire utili-
sée dans les Smart Grids pour transférer des données numériques à travers les
câbles d’électricité. C’est la seule technologie qui ne nécessite aucune installation car
les câbles électriques existent déjà, ce qui rend cette solution la plus économique.
[FMXY12] .
Le [Tableau 2.1] représente les différentes technologies utilisées dans les réseaux électriques
intelligents.
19

30. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
TechnologieZigbeeWIFI6LoWPANZ-WaveWimax2GGSM
2.5G
GPRS
UMTS
CDMA
EDGE
4G
LTE
PLCEthernet
Standard
IEEE
802.11.4
IEEE
802.11
IETFRFC
4944
Privé
IEEE
802.16
ParETSI
Par
ETSI
ParETSI
Par
ETSI
IEC
61131
IEEE802.3
Distance
max
10-75m
100
m
Plusde
200m
30-100
m
50Km10Km10Km10Km10Km——
Type
SF:sans
filF:filaire
SFSFSFSFSFSFSFSFSFFF
Taillemax
dedonnées
40-250
kbps
11
Mbps
54
Mbps
600
Mbps
1,3
Gbps
(20/40/250)
Kbps
40Kbps72Mbps14Kbps
171
Kbps
Plusde
2Mbps
300
Mbps
-3.3
Gbps
——
RégionsHANHANHANHANNANNANNANNANWAN
HAN
NAN
WAN
HAN
NAN
WAN
Table2.1–StandardsettechnologiesdecommunicationdesSmartGrids[MJR15]
20

31. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
2.4.3 Standards des Smart Grids
le [Tableau 2.2] représente les standards développés pour les réseaux de distri-
bution d’électricité intelligent et leur domaine d’application.
Standard Application
AMI-SEC system Security require-
ments
Sécurité du Système de collecte
de données de consommation AMI
(Advanced Metering infrastruc-
ture)
ANSI C12.19 / MC1219
Modèle de gestion d’informations
de consommation
BACnet ANSI ASHRAE 135-2008 /
ISO 16484-5
Automatisation des bâtiments
IEC 60870-6 / TASE.2
Communications entre les centres
de pilotage
IEC 61850
Automatisation de la production
électrique
IEC 61968 / 61970
Interfaces de gestion (couche appli-
cation)
IEC 62351 parts 1-8 Sécurité du réseau électrique
IEEE C37.118
Communications PMU (Phasor
Measurement Unit)
IEEE 1547
- Production distribuée de l’électri-
cité
- Interconnexions physiques et
électriques
IEEE 1686-2007
Sécurité des dispositifs électro-
niques intelligents (IEDs).
NERC CIP 002-009
Sécurité pour les systèmes de pro-
duction d’électricité contre les at-
taques informatiques
NIST Special publication (SP) 800-
53, NIST SP 800 - 82
Sécurité des systèmes d’informa-
tions du réseau intelligent
Open automated demand response
(Open ADR)
Gestion des prix, des offres et des
demandes
OPEN-Han
Communication et contrôle des
dispositifs des maisons intelli-
gentes
Table 2.2 – Standards des Smart Grids [è15b]
21

32. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
Le Routage de doonées dans les Smart Grids
Le routage de données dans les réseaux de distribution d’électricité intelligents
consiste à assurer l’échange de données entre les différents domaines du réseau en choisis-
sant les chenins optimaux.
2.5 Protocoles de routage pour le réseau de communications des
Smart Grids
Il existe plusieurs types de protocoles développés spécialement pour le réseau
de communications des smart grids. La majorité des protocoles de routage sont de type
proactif, ils font une découverte de route avant de transférer les données. Ces protocoles
utilisent souvent des adresses IPV6. Dans la section suivante, nous avons choisi de présen-
ter quelques protocoles de routage conçus ou adaptés pour les smart grids.
2.5.1 RPL (Routing Protocole for Low power and lossy networs -LLNS-)
C’est un protocole de routage développé par le groupe IETF (Internet Engeneering
Task Force). L’idée principale de ce protocole est d’avoir une connaissance instantanée sur
l’état du réseau grâce aux graphes DODAG (Destination Oriented Dynamic Acyclic Graph
[ABC13] [WTZA10]).
Le DODAG est un graphe possédant une seule destination qui est le noeud racine du
réseau. Le graphe est construit en utilisant une fonction objective qui aide à optimiser la
métrique utilisée dans le choix des routes. A la construction de ce graphe, des mécanismes
d’évitement de boucle sont utilisés afin de produire un graphe orienté sans cycle.
Pour le même réseau, on pourrait avoir plusieurs DODAG de sorte que chaque DODAG
possède sa propre fonction objective, à condition que tous les noeuds du même réseau
exécutent la même fonction objective. Par exemple, pour le même réseau, le DODAG N°1
exécute la fonction F1 qui prend comme métrique l’énergie de chaque noeud, tant que le
DODAG N°2 exécute la fonction F2 qui choisit les routes selon la qualité des liens entre les
noeuds.
Pour le bon fonctionnement du protocole RPL, chaque noeud contient la base des in-
formations suivantes :
– Un ID du noeud : cet id est unique, on peut utiliser l’adresse IP du noeud par
exemple.
– Un rang (R) : le rang est une valeur calculée à l’aide d’une fonction OCP ( Objective
Code Point ), R(i)=R(p(i)) .X (i,p(i))+1.0 , où le R(i) est le rang du noeud i, le p (i ) est le
père par défaut de i , le X( i , j ) est la valeur ETX sur la qualité du lien entre le noeud
i et le noeud j. . (L’ETX est une valeur concernant la qualité des liens entre les noeuds.
Elle est calculée à l’aide des rapports périodiques envoyés depuis la couche mac vers
la couche réseau sur le nombre des messages envoyés par rapport au nombre d’ACKs
reçus)
– Liste des prédécesseurs (ID noeud père, Rang du noeud père , ETX ).
– Père par défaut .
– Liste des destinataires (ID noeud père, ID Saut précèdent, ETX )
2.5.1.1 Messages du protocole RPL :
Le protocole RPL comporte quatre types de messages de contrôle utilisés dans la phase
de découverte de route. Ces messages sont :
22

33. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
1. DIO : DODAG Information Object (DODAGID, IDRoot, Rang du root, infos sur
OCF) : envoyé de manière périodique depuis le noeud racine vers tous ces noeuds
voisins.
2. DAO : Destination Advertisment Object (ID, Rang, IDs route infos), Le DAO est
un message envoyé par les noeuds esclaves (compteurs intelligents ou capteurs) au
noeud racine afin de repondre au message DIO.
3. DIS : DODAG Information Sollicitation, c’est un message de sollicitation envoyé par
les noeuds non voisins du noeud racine qui n’ont reçu aucun message DIO vers l’un
des voisins du noeud racine. Le noeud voisin se charge du transfert des messages
DIO et DAO du et vers le noeud racine.
4. DAO-ACK.Est un acquittement du message DIO envoyé par les récepteurs.
2.5.1.2 Fonctionnement du protocole RPL :
Dans la phase de découverte de route, le noeud racine initie la communication en dif-
fusant un message DIO vers tous les noeuds dans son voisinage [ABC13] [WTZA10] . Par
la suite, et pour se mettre à jour en connaissant les changements, le noeud racine envoie
périodiquement des messages DIO. A la réception du message DIO par un noeud x : Si
c’est la première réception :
– Mettre à jour la liste des parents.
– Mettre à jour le père par défaut.
– Calculer son rang.
– Envoyer un message DAO (Destination advertisment) au noeud racine.
– Transférer le message DIO à ses voisins.
Sinon
– Comparer la valeur du rang du noeud père par défaut avec la valeur déjà enregistrée
– Si le noeud reçoit le message d’un noeud diffèrent du noeud père par défaut, il
compare la nouvelle valeur du rang avec celle su père par défaut si elle est inférieure
il ajouter le noeud à la liste des pères et remplace le père par défaut.
Le noeud racine diffuse périodiquement des messages DIO .
Algorithme 1 : Diffuser DIO (RPL)
while I ≤ DIO − MAX do
Diffuser (DIO);
I ← I ∗ 2
end
23

34. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
A la réception du message DIO par un noeud x :
Algorithme 2 : 1ere réception de DIO (RPL)
if 1errceptiondeDIO then
EnregistrerDIOsenderdanslalistepre(i) ;
Calculerrang(i);
Envoyer(DAO)auRacine;
di f f user(DIO);
MettrejourPERE − PAR − DEFAUT(i);
else
if DIO(rang) ≤ PERE − PAR − DEFAUT(rang) then
MettrejourPERE − PAR − DEFAUT(i);
else
end
end
2.5.1.3 Limites du protocole RPL
L’adaptation du protocole RPL au réseau de distribution d’électricité intelligent
est bénéfique malgré les problèmes de surcharge du noeud racine du réseau. Donc, le
noeud racine est le point névralgique du réseau via lequel tous les paquets passent.
2.5.2 DADR : Distributed Autonomous Depth-first Routing
c’est une nouvelle méthode de routage de données basée sur le vecteur à distances. Ce
protocole est développé, au premier lieu, pour les réseaux maillés qui utilise les technolo-
gies suivantes [IYY+10] :
– IEEE 802.11 (WLAN)
– IEEE 802.15.4 (Zigbee)
– IEEE 802.3 (Ethernet)
2.5.2.1 Fonctionnement du DADR :
le noeud désirant envoyer des données doit effectuer tout d’abord une découverte de
route. Cette découverte se fait à l’aide d’un message (RA : Route Announcment), contenant
l’identificateur de l’expéditeur et celui du récepteur ainsi qu’une valeur unique ID [voir
figure 2.4]. Ce message est envoyé par le noeud source vers un et un seul voisin depuis sa
table de routage. [IYY+10]
A la réception du message, un noeud intermédiaire transfère le message après avoir
effectué les tâches suivantes :
1. Vérifier si ce message n’a pas était reçu afin de le transférer vers l’un
de ces voisins, cela s’effectue grâce à l’identificateur du message RA.
Algorithme 3 : Détection de boucle (DADR)
if RA(ID) ∃ dans FID then
Poid(i) ← ∞;
else
end
24

35. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
2. Si la valeur des poids de tous les noeuds dans la table de routage d’un noeud égale
l’infini, il va falloir faire un retour en arrière (Backtraking) afin de choisir un autre
chemin.
Algorithme 4 : Retour sur trace -backtracking- (DADR)
if ∀Tableroutage(i) = ∞ then
Envoyer(RA(pre − FID));;
else
end
3. Si le message est bien reçu, le récepteur envoie un acquittement en utilisant sa table
FID pour suivre le même chemin du message bien reçu.
Algorithme 5 : Envoi ACK- (DADR)
if ID − destinataire = ID − noeud then
Envoyer − ACK(ID − source);;
else
end
Figure 2.4 – Fonctionnement du DADR [IYY+10]
2.5.2.2 Limites du protocole DADR :
Malgré les apports positives du DADR relativement au nombre de messages il cause
plusieurs problèmes. Le problème majeur est la scalabilité, puisque les requêtes de décou-
verte de route vont s’inonder à l’infini si on n’utilise pas un TTL (Time To Live). En plus,
plusieurs problèmes de cohérence vont se posés lors de la détection multiple des cycles et
cela aussi affecte considérablement le délai.
25

36. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
2.5.3 Hydro (Hybrid Routing Protocol for LLNs) :
Hybrid Routing Protocol for LLNs : Le principe de ce protocole est très simple car il est
basé sur l’envoi des tables de routage avec les messages périodiques (HELLO messages).
[DHTC10]
2.5.3.1 Les informations stockées dans les tables de routages sont :
– Le voisin par défaut
– Le coût
– Le nombre de sautes
– La qualité du lien entre deux noeuds voisins
2.5.3.2 Limites du protocole HYDRO
La taille des listes des voisins ajoutées aux messages périodiques est clairement un pro-
blème qui affecte négativement la bande passante, le délai d’attente et l’espace de stockage
et par conséquence la scalabilité du réseau.
2.5.4 N-gateway :
C’est un protocole hybride développé essentiellement pour les réseaux maillés [Voir
Figure 2.5]. Il assure la construction d’arbres au niveau des compteurs communicants
(feuilles) afin de choisir les chemins optimaux Hypothèses du protocole N-gateway
2.5.4.1 Acteurs :
– SN (Slave Node) noeud esclave : un terminal.
– MSAP (Mesh-Station with Access Point) : un compteur intelligent
– MRS (Mesh-Relay Station) : un relai
– MGS (Mesh-Gateway Station)
– DAP (Data Agregation Point)
2.5.4.2 Les informations stockées au niveau de chaque noeud(MSAP) :
– Adresses macs des périphériques
– ID MSAP
– Routes possibles
– Route par défaut
– Voisin par défaut
2.5.4.3 Fonctionnement du protocole :
le MGS initie la communication en envoyant un message RA Route Announce-
ment. Ce message contient :
– l’ID du noeud racine
– des informations sur le chemin du message
– des informations sur la qualité des liens entre les noeuds du réseau.
À la réception du message RA, chaque noeud MSAP construit un arbre pour le chemin du
message et choisit par la suite le chemin qui lui convient (par exemple le chemin le plus
court ou bien le chemin le plus fiable) et envoie un message PREQ (Path Request) au MGS
26

37. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
via ce chemin. Le MGS répond par un message PREP (Path replay) et enregistre le chemin
et l’id du noeud. [GH11]
2.5.4.4 Limites du protocole N-gateway :
Généralement le choix entre la distance et la qualité d’un lien est très dépendant de
l’application et des données échangées. Les auteurs de ce protocole ont laissé ouvert ce
problème tout en gardant les informations nécessaires au deux cas. En plus, ce protocole
utilise des entêtes de grande taille et un nombre élevé des messages de contrôle
Figure 2.5 – Réseau avec N-gateway
27

38. Chapitre 2. Smart Grids -partie communications
2.6 Conclusion
Ce chapitre représente une description de la partie communication du réseau de distri-
bution d’électricité intelligent avec une représentation des technologies de communications
et des protocoles de routages utilisés. Nous allons dans le chapitre suivant étudier les per-
formances du protocole RPL dans les smart grids.
28

39. 3Performances du protocole RPL
Sommaire
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Les réseaux de communication du Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Types des réseaux de communication dans les SG . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 HAN (Home Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 NAN (Neighborhood Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 BAN (Building Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4 IAN (Industry Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.5 WAN (Wide Area Network) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Technologies et standards de communications . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 Technologies pour les réseaux HAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Technologies pour les NAN et les WAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Standards des Smart Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Protocoles de routage pour le réseau de communications des Smart
Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 RPL (Routing Protocole for Low power and lossy networs -LLNS-) . . . . . . 22
2.5.1.1 Messages du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1.2 Fonctionnement du protocole RPL : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1.3 Limites du protocole RPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 DADR : Distributed Autonomous Depth-first Routing . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2.1 Fonctionnement du DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2.2 Limites du protocole DADR : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.3 Hydro (Hybrid Routing Protocol for LLNs) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.3.1 Les informations stockées dans les tables de routages sont : . . . . 26
2.5.3.2 Limites du protocole HYDRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4 N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.1 Acteurs : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.2 Les informations stockées au niveau de chaque noeud(MSAP) : . 26
2.5.4.3 Fonctionnement du protocole : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4.4 Limites du protocole N-gateway : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
La partie suivante représente une étude de performance du protocole RPL. Elle a été
réalisée grâce au simulateur COOJA [voire annexe]du système d’exploitation CONTIKI
[voire annexe].
29

40. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
3.1 Introduction
Le protocole RPL présenté dans le chapitre précèdent est l’un des protocoles standards
de communication dans les smart grids.
Ce protocole a été largement utilisé dans les réseaux de capteurs WSNs avant d’être
adapté aux réseaux de distribution d’électricité intelligents .
Cette adaptation implique une modification de quelques métriques pour assurer un
meilleur fonctionnement [WTZA10].
3.2 Outils de la simulation
3.2.1 Contiki
C’est un système d’exploitation léger et flexible développés pour les réseaux capteurs.
Il est utilisé pour faciliter le développement des applications dédiées à ces capteurs.
Contiki a été développé par une équipe du centre suédois de recherche scientifique
SICS. Il propose les principales caractéristiques et fonctionnalités d’un système d’exploi-
tation tout en favorisant une consommation énergétique et une une utilisation mémoire
minimales.
Ses principaux atouts sont le support des protocoles IPv6 et 6LoWPAN, sa flexibilité
et sa portabilité. Disponible gratuitement sous licence BSD, Contiki peut être utilisé et
modifié, même à des fins commerciales.
3.2.1.1 Architecture :
Écrit en langage C, Contiki est constitué d’un noyau, de bibliothèques, d’un
ordonnanceur et d’un jeu de processus. Comme tout système d’exploitation, son rôle est
de gérer les ressources physiques telles que le processeur, la mémoire, les périphériques
informatiques (d’entrées/sorties) [voir Figure 3.1].
Il fournit ensuite aux applications informatiques des interfaces permettant d’utiliser ces
ressources. Conçu pour les modules de capteurs sans-fil miniatures, il occupe peu d’espace
en mémoire et permet une consommation électrique très faible.
30

41. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
Figure 3.1 – Architecture du système d’exploitation Contiki
3.2.1.2 Connectivité :
Contiki offre deux types de connectivité :
– la couche Rime, elle permet un dialogue vers les capteurs voisins ainsi que le routage
[Voir figure 3.2].
– la couche uIP, orientée Internet, elle offre les services essentiels du protocole IP mais
nécessite plus de ressources que Rime.
Contiki gère les standards 6LoWPAN, RPL, CoAP. Le système de fichier Coffee permet des
opérations sur des fichiers stockés sur une mémoire flash externe.
Contiki offre également des services comme un serveur telnet fournissant un accès
similaire à un Shell Unix, un serveur web, une interface graphique fournie par un serveur
VNC et d’autres fonctionnalités comme un navigateur web.
3.2.1.3 La simulation :
Contiki propose un simulateur de réseau appelé Cooja. Ce simulateur permet l’ému-
lation de différents capteurs sur lesquels seront chargés un système d’exploitation et des
applications.
Cooja permet ensuite de simuler les connexions réseaux et d’interagir avec les capteurs.
Cet outil permet aux développeurs de tester les applications à moindre coût.
31

42. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
Figure 3.2 – Pile protocolaire de Contiki(Contiki.org)
3.3 Simulation du RPL et résultats :
Le tableau 3.1 représente les valeurs des variables du RPL utilisées dans les deux
scenarios.
Métrique Valeur
Nombre de noeuds [20-80]
Durée minimum entre deux envois pério-
diques de DIOs.(min)
3
Durée maximum entre deux envois pério-
diques de DIOs. (min)
16
Portée noeuds (mètres) 25
Nombre de noeuds racines [1-6]
Durée de la simulation (min) 5
Bande passante (Mégabit /seconde) 11
Identité du noeud racine 1
Surface (mètres) 200 X 300
Distance max entre deux compteurs intelli-
gents (mètres))
10
Table 3.1 – Métriques de simulation
32

43. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
3.3.0.4 Paramètres et environnement de simulation :
La topologie de la région choisie pour faire les simulations est représentée dans la figure
3.3, Les caractéristiques de cette topologie sont représentées dans le tableau 6. Les noeuds
de notre réseau sont soit des compteurs intelligents soit des relais ou bien des noeuds
racines.
Figure 3.3 – Topologie du réseau avec 80 noeuds
3.3.1 Caractéristiques de la machine
La machine utilisée dans la simulation du réseau est caractérisée par les para-
mètres suivants :
Champ Valeur
Processeur
Pentium(R) dual-core CPU,
2.4GHz
RAM 2 Go
Disque dur 570 Go
Table 3.2 – Caractéristiques de la machine de simulation
3.3.2 Métriques de la simulation
Nous avons choisi d’évaluer le protocole RPL en termes de
– Overhead : représente la longueur en bit ou en octets des entêtes et des champs
ajoutés aux données dans les messages échangés dans un réseau.
– Nombre de messages de contrôle (DIO, DAO, DIS, DAO-ACK)
– Taux d’occupation de la bande passante par les messages de contrôle.
– Taux de réussite (PDR) : représente le rapport entre le nombre de paquets de données
livrées à destination et le nombre de paquets envoyés. Dans le Scénario N°1 : On
varie le nombre de noeuds. Dans le scénario N°2 : on varie le nombre de noeuds
racines dans un réseau composé de 50 compteurs intelligents.
PDR = ∑ Messages reu
∑ Messages envoys
33

44. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
3.3.3 Résultats de la simulation
3.3.3.1 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur le nombre de messages de contrôle
Figure 3.4 – Nombre de messages de contrôle (scénario 1)
Résultats : Les résultats de la [figure 3.4] montrent que le nombre de messages de
contrôle générés par le RPL augmente à l’augmentation du nombre de noeuds. Il est tout
à fait évident que la taille et l’étendue du réseau peuvent accroître le nombre de sauts
et par conséquence le nombre de retransmission des messages de contrôle. Donc chaque
noeud recevant un message DIO, doit répondre par un message DAO avant de recevoir la
confirmation de réception par DAO-ACK.
3.3.3.2 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le nombre de messages de
contrôle
Figure 3.5 – Nombre de messages de contrôle (scénario 2)
Dans un réseau de 50 compteur intelligent on fait varier le nombre de noeuds racines
de [1-6], on remarque que le nombre de messages de contrôle est décroissant cela est du au
34

45. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
fait que chaque noeud racine s’occupe d’une région du réseau ce qui diminue le nombre
de retransmission des messages DIO [Voir Figure 3.5].
3.3.3.3 L’impact de la variation du nombre de noeuds sur l’overhead
Figure 3.6 – l’entête additionnelle dans RPL(scenario 1)
La figure 3.6 représente la quantité de l’overhead exprimée en Mbits, par rapport à une
quantité de données globale, de xx Mbits, échangée dans le réseau De la courbe de la figure
3.6, on remarque que l’overhead s’augmente avec le nombre de noeuds. Cela s’explique par
le fait que le nombre de message croît proportionnellement avec le nombre de noeuds et
puisque chaque message contient un entête, alors l’overhead croît relativement à la densité
dans le réseau.
3.3.3.4 L’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur l’overhead
Figure 3.7 – l’entête additionnelle dans RPL(scenario 2)
De la figure 3.7 on remarque que l’overhead se décroît avec le nombre de noeuds ra-
cines puisque chacun de ces derniers couvre seulement une région limitée et diminue par
35

46. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
conséquence le nombre de sauts, le nombre de diffusion du DIO et tous les messages de
contrôle. Ce qui influe négativement sur la quantité de l’overhead
3.3.3.5 l’impact de la variation du nombre de noeuds sur le PDR
Figure 3.8 – taux de délivrance de données (scénario 1)
D’après la figure 3.8, le PDR diminue à l’augmentation du nombre de noeuds. Cela est
dû au nombre de collision qui s’augmente proportionnellement au nombre de noeuds dans
le réseau.
3.3.3.6 l’impact de la variation du nombre de noeuds racines sur le PDR
Figure 3.9 – taux de délivrance de données (scénario 2)
La figure 3.9 confirme l’analyse précédente puisque dans ce cas, le PDR croît avec qu’on
augmente le nombre de noeuds racines. Autrement dit, lorsqu’on augmente le nombre de
noeuds racines, le nombre de messages transmis diminue (voir figure 44) et le nombre de
collisions diminue.
36

47. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
3.3.3.7 L’occupation de la bande passante en fonction du temps
Figure 3.10 – Taux d’occupation de la bande passante par rapport au temps
La [figure 3.10] schématise le taux d’occupation de la bande passante par les messages
de contrôle tout au long de la simulation. On remarque que ce taux décrémente logique-
ment avec le temps parce que la durée qui sépare deux diffusions successives des DAO
augmente et le canal se libère de plus en plus.
37

48. Chapitre 3. Performances du protocole RPL
38

49. Conclusion et Perspectives
Dans ce mémoire, nous avons étudié les performances d’un protocole de routage déve-
loppé pour les smart grids, qui est RPL. Pour commencer, nous avons présenté des
notions de bases sur les systèmes de distribution d’électricité intelligents, ainsi que la des-
cription détaillée de la partie de communication dans ce type de réseaux. De plus, nous
détailler quelques protocoles de routage de données dans les Smart Grids. Nous avons
choisi de simuler le protocole RPL dans une topologie proche des réseaux électriques. Ces
résultats ont été bénéfiques pour analyser le comportement de ce protocole. Ce mémoire
nous a permis de :
– Comprendre le fonctionnement d’un nouveau type de réseaux.
– Comprendre le fonctionnement de plusieurs protocoles de routage.
– Améliorer nos connaissances sur les technologies de communications.
– Améliorer nos connaissances sur les réseaux électriques.
– Se familiariser avec l’outil de simulation COOJA.
Comme perspectives de ce travail, nous pensons à améliorer le protocole RPL afin de
réduire le nombre de messages de contrôle d’une part, et de le rendre sécurisé pour une
utilisation efficace dans un réseau sujette à plusieurs types d’attaques.
39

50. Conclusion et Perspectives
40

51. Bibliographie
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43

54. Bibliographie
44

55. AAnnexe : Outil de la simulation
(COOJA)
45

56. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA)
A.1 Installation de contiki :
Plusieurs versions de contiki existent sur le net, Il est préférable de télécharger
et d’utiliser la dernière version celle-ci est la plus performante. La version que nous avons
utilisée est Contiki 2.7 téléchargée depuis le site officiel de contiki ou bien comme le montre
la figure A.1 .
Figure A.1 – Téléchargement de Contiki Os
A.1.1 COOJA
Le simulateur COOJA offre la possibilité de tester et modifier tous types de
protocoles. De plus il est présenté sous forme graphique ce qui rend facile la manipulation
des différents modules inclus. L’acces au simulateur se fait à travers le terminal avec la
commande suivante :
cd contiki/tools/COOJA
ant run
1. Network : Dans cette fenêtre s’affiche la représentation graphique du réseau.
2. Simulation control : C’est la fenêtre responsable du contrôle de la simulation (dé-
marrage / mise en pause / arrêt).
3. Radio messages : Affiche les messages échangés dans le réseau.
4. Mote output : Affiche ce qui se passe à l’intérieur de chaque noeud.
5. Buffer listener : Affiche les données enregistrées dans chaque buffer.
46

57. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA)
Figure A.2 – Interface du simulateur COOJA
A.2 Étapes de la simulation :
1. Création d’une nouvelle simulation : en cliquant sur File / new simulation. [Voir
figure 29].
Figure A.3 – Création d’une simulation dans COOJA
47

58. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA)
2. Insertion des noeuds : choisir mote/create new mote/..
Figure A.4 – Création des noeuds dans COOJA
3. Attacher un agent : cet agent exécute un code écrit en C au niveau de chaque noeud.
Une étape de compilation du code est nécessaire avant l’ajout des noeuds
Figure A.5 – Attacher un agent à un noeud -simulateur COOJA-
48

59. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA)
4. Choisir la topologie du réseau : Faire le choix du nombre de noeuds et de leur
positionnement.
Figure A.6 – Choisir le nombre et la disposition des noeuds - simulateur COOJA -
5. Démarrer la simulation : le démarrage s’effectue par un simple clic sur Start. (Conti-
kiOs)
Figure A.7 – Simulation avec COOJA
49

60. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA)
6. Récupération des données de la simulation : COOJA offre la possibilité de récupérer
les données de la simulation tel que ( les messages transmis, le contenu des buffers
’.etc.) dans un fichier texte en cliquant sur (file / save to file)
Figure A.8 – Récupération des données de la simulation - Simulateur COOJA -
Après modifications les fichiers (contiki/exemples/IPV6/rpl-udp/noeud.c) et
(contiki/exemples/IPV6/rpl-udp/sink.c) peuvent être utilisés comme protocole de rou-
tage attaché aux noeuds du réseau. COOJA utilise une pile protocolaire, cette pile est
utilisée durant la simulation [voir figure 40]. Le code du protocole RPL est enregistré dans
le dossier (contiki/core/net/rpl). Ce dossier est composé de plusieurs fichiers. Chaque
fichier regroupe à son tour un ensemble d’instructions structurées en fonctions :
1. Rpl.c : Fonctions de base du RPL
2. Rpl-dag.c : Fonctions sur la construction des DODAG
3. Rpl-icmp6.c : Fonctions de création des messages de contrôle (DIO,DAO,DIS,DAO-
ACK)
4. Rpl-mrhof.c (Fonction objective N°1) : C’est un ensemble de fonctions
– calcul du rang en se basant sur l’énergie.
– calcul de la liste des noeuds pères
– calcul du père par défaut
5. Rpl-of0.c (Fonction objective N°2) : C’est un ensemble de fonctions
– calcul du rang en se basant sur la qualité des liens.
– calcul de la liste des noeuds pères
– calcul du père par défaut
6. Rpl-timers.c : Fonctions définissant les compteurs de temps utilisé dans le protocole
(e-timer, s-timer , r-timer)
50

61. A. Annexe : Outil de la simulation (COOJA)
Figure A.9 – Pile protocolaire de COOJA
51