Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité :

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : Optique et Radiofréquences Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Nhat Hai NGUYEN Thèse dirigée par Quoc Tuan TRAN et Tan Phu VUONG codirigée par Jean-Michel LEGER préparée au sein du CEA-LETI (Laboratoire d’Electronique des technologies de l’information) dans l'École Doctorale «Electronique, Electrotechnique, Automatique, Télécommunication et Signal » Développement de méthodes intelligentes pour la gestion énergétique des bâtiments, utilisant des capteurs sans fil Thèse soutenue publiquement le 11 juillet 2011, devant le jury composé de : M. Mohamed El Hachemi BENBOUZID Professeur de l’Université de Bretagne Occidentale, Président-Rapporteur Mme. Monique POLIT Professeur de l’Université de Perpignan, Rapporteur M. Georges BARAKAT Professeur de l'Université du Havre, GREAH, Rapporteur M. Xavier LE PIVERT CEA/INES, Membre M. Quoc Tuan TRAN IDEA, G2Elab, Directeur de thèse M. Jean-Michel LEGER CEA/LETI, Co-encadrant M. Tan Phu VUONG Professeur de Grenoble-INP, Directeur de thèse 1 2 Remerciements Cette thèse a été effectuée au CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) de Grenoble, au sein du laboratoire LE2TH (Electronique, Energie, Transport, Habitat) du LETI (Laboratoire d’Électronique, de Technologie et l’Instrumentation), et au l'Institut National Polytechnique de Grenoble. Je tiens à remercier M. Roland BLANPAIN, chef du département et M. Sébastien DAUVE, chef du laboratoire, pour m’avoir donné la possibilité de travailler durant ces trois années de thèse sur ce sujet passionnant. Je tiens à remercier tout d’abord mes trois directeurs de thèse : Je remercie chaleureusement M. TRAN Quoc Tuan pour avoir dirigé mes travaux de thèse. Il a pris le temps de me guider et de me donner des conseils très importants tout au long de mes travaux. Merci pour les nombreux échanges scientifiques, les explications techniques, les aides efficaces, et particulièrement les moments d’amitiés. Je tiens à remercier M. LEGER Jean-Michel, mon encadrant et chef du laboratoire CARE (Capteur Actionneur et Récupération d’Energie), pour m’avoir donné l’occasion de travailler au CEA-LETI, pour les nombreux conseils efficaces, pour les temps précieux et d’amitiés et pour les soutiens permanents pendant mes années de thèse. Je remercie tout aussi chaleureusement M.VUONG Tan-Phu qui m’a aidé et apporté de précieux conseils. J’exprime mes sincères remerciements à mes amis du laboratoire CEA et IMEP, Mlle. Claire JEAN_MISTRAL, M. Jean-Jaques CHAILLOUT, Mlle. Claire AGRAFFEIL, qui m’ont aidé et leur bonne humeur. Je remercie aussi toutes les personnes de ces deux laboratoires, qui m’ont aidé et m’avoir permis de réaliser mes travaux. Un grand merci à mes amis vietnamiens à Grenoble, à toute l’équipe vietnamiens au CEA et l’IMEP, que je peux nommer ici : NGUYEN Le Minh, TRAN Thi Thu Nhi, co Phuong, NGUYEN Tien Luong, Sy Lam, Trang, Quoc Dung, Minh Thuy,…, pour les repas de midi animés et leurs aides pour la vie en France. Enfin et pas de moindres, je remercie mes parents pour leur soutien, confiance et intérêt tout au long de ce travail. J’exprime du fond du cœur et ma reconnaissance envers mon frère jumeau NGUYEN Nhat-Tung, de croise en moi, de m’avoir encouragé, et de partager avec moi tant de choses tout au long de ma vie. 3 4 TABLE DES MATIERES GLOSSAIRE 10 INTRODUCTION........................................................................................................................... 12 I. CONTEXTE...................................................................................................................... 12 II. OBJECTIFS ...................................................................................................................... 14 III. DESCRIPTIF DU MEMOIRE ............................................................................................... 15 CHAPITRE 1 CONSOMMATION D’ENERGIE ELECTRIQUE ............................................ 16 1.1 CONTEXTE ENERGETIQUE.............................................................................................. 16 1.2 DEMANDE D’ELECTRICITE ............................................................................................. 18 1.2.1 Analyse sectorielle de la demande d’électricité ........................................................... 20 1.2.2 Caractéristiques des besoins en électricité dans le secteur des bâtiments .................... 22 1.2.2.1 Chauffage............................................................................................................................ 24 1.2.2.2 Cuisson ............................................................................................................................... 25 1.2.2.3 Eau chaude sanitaire ............................................................................................................ 25 1.2.2.4 Electricité spécifique............................................................................................................ 25 1.3 CONTRAINTES DU RESEAU ELECTRIQUE......................................................................... 26 1.3.1 Conduite et exploitation du réseau électrique.............................................................. 26 1.3.2 Problèmes liés aux pics de consommation................................................................... 27 1.4 CONCLUSIONS................................................................................................................. 28 CHAPITRE 2 METHODES DE GESTION DES CHARGES DANS LES BATIMENTS......... 29 2.1 INTRODUCTION .............................................................................................................. 29 2.1.1 Objectifs et intérêts d’un système de gestion des charges............................................. 29 2.1.1.1 Pour les consommateurs....................................................................................................... 30 2.1.1.2 Pour les gestionnaires des réseaux........................................................................................ 31 2.1.1.3 Pour les producteurs d'électricité .......................................................................................... 31 2.1.2 Présentation générale des méthodes de gestion des charges ........................................ 32 2.1.2.1 Méthodes de gestion indirectes (Indirect Load Control)......................................................... 32 2.1.2.2 Méthodes de contrôles directes (Direct Load Control - DLC) ................................................ 33 2.1.2.2.1 Méthodes de gestion préventives .................................................................................. 33 2.1.2.2.2 Méthodes de gestion en temps réel................................................................................ 34 2.1.2.2.3 Conclusions................................................................................................................. 35 2.2 METHODES DE GESTION DES CHARGES INDIRECTES ....................................................... 35 2.2.1 Méthodes basées sur la tarification dynamique de l'électricité..................................... 36 2.2.2 Méthodes fondées sur le marché de l'électricité........................................................... 38 2.2.3 Délestages prédéterminés........................................................................................... 40 2.2.4 Conclusions................................................................................................................ 42 5 2.3 METHODES DE GESTION DIRECTE DES CHARGE.............................................................. 43 2.3.1 Présentation générale de gestion directe des charges dans les bâtiments..................... 43 2.3.2 Méthodes de gestion directe traditionnelles................................................................. 46 2.3.2.1 Régulation........................................................................................................................... 46 2.3.2.2 Programmation temporelle ou intermittente .......................................................................... 47 2.3.2.3 Délestage............................................................................................................................. 47 2.3.2.4 Décalage de consommation.................................................................................................. 47 2.3.2.5 Conclusion .......................................................................................................................... 47 2.3.3 Méthodes préventives de gestion des charges.............................................................. 48 2.3.3.1 Méthodes paramétriques – méthodes statistiques................................................................... 48 2.3.3.1.1 Méthode de régression ................................................................................................. 49 2.3.3.1.2 Méthode prévisionnelle "Time-series" .......................................................................... 49 2.3.3.1.3 Prévision en utilisant le modèle de "théorie de système gris"-"Gray system theory"........ 49 2.3.3.2 Méthodes fondées sur l'intelligence artificielle...................................................................... 50 2.3.3.2.1 Méthodes basées sur les réseaux de neurones................................................................ 50 2.3.3.2.2 Méthodes basées sur la logique floue............................................................................ 51 2.3.3.2.3 Algorithmes génétiques................................................................................................ 52 2.3.3.3 Conclusions......................................................................................................................... 52 2.3.4 Algorithmes optimaux................................................................................................. 53 2.3.4.1 Méthodes déterministes :...................................................................................................... 53 2.3.4.2 Méthodes énumératives :...................................................................................................... 54 2.3.4.3 Méthodes stochastiques :...................................................................................................... 54 2.3.5 Conclusions................................................................................................................ 55 2.4 LIMITATIONS ACTUELLES DU SYSTEME DE GESTION DES CHARGES DANS LES BATIMENTS . ....................................................................................................................................... 55 2.4.1 Restriction de fonctionnalités...................................................................................... 55 2.4.2 Difficultés techniques ................................................................................................. 55 2.4.3 Difficultés économiques.............................................................................................. 56 2.4.4 Autres challenges ....................................................................................................... 56 2.5 CONCLUSIONS................................................................................................................. 59 CHAPITRE 3 SYSTEME DE COMMUNICATION ET CAPTEURS POUR LA GESTION DES CHARGES .............................................................................................................................. 61 3.1 MESURES POUR LA GESTION DES CHARGES..................................................................... 61 3.1.1 Parametres à mesurer ................................................................................................ 61 3.1.1.1 Facturation .......................................................................................................................... 62 3.1.1.2 Modélisation et prévision des charges................................................................................... 62 3.1.1.3 Surveillance des charges ...................................................................................................... 63 3.1.1.4 Contrôle des usages d’électriques......................................................................................... 63 3.1.1.5 Services électriques ............................................................................................................. 63 3.1.2 Comptage électriqe..................................................................................................... 64 3.1.2.1 Compteur électrique classique.............................................................................................. 64 6 3.1.2.2 Compteurs intelligents ......................................................................................................... 65 3.2 COMMUNICATION POUR LES SYSTEMES DE GESTION DES CHARGES ............................... 68 3.2.1 Communication sans –fil ............................................................................................ 69 3.2.1.1 Présentation générale........................................................................................................... 69 3.2.1.2 Défis et Opportunités........................................................................................................... 71 3.2.1.3 Conclusions......................................................................................................................... 72 3.2.2 Courant porteur de ligne- CPL ................................................................................... 73 3.2.2.1 Introduction......................................................................................................................... 73 3.2.2.2 Avantages du CPL............................................................................................................... 73 3.2.2.3 Inconvénients du CPL.......................................................................................................... 74 3.2.3 Bus de terrain interopérables (bus line communication).............................................. 76 3.2.3.1 Introduction......................................................................................................................... 76 3.2.3.2 Architecture du bus de terrain inter-opérable......................................................................... 76 3.2.4 Conclusions................................................................................................................ 77 3.3 SYSTÈME M2M (MACHINE-TO-MACHINE) ...................................................................... 77 3.3.1 Définition................................................................................................................... 78 3.3.2 Concepts généraux des systèmes M2M........................................................................ 78 3.3.2.1 Eléments du système M2M .................................................................................................. 78 3.3.2.2 Organisation fonctionnelle d’un système M2M..................................................................... 80 3.3.2.2.1 Connectivité "end-to-end"............................................................................................ 80 3.3.2.2.2 Gestion de données de communications bidirectionnelles.............................................. 80 3.3.2.2.3 Système distribué intelligent......................................................................................... 81 3.3.2.2.4 Services et outils d’administration ................................................................................ 82 3.3.3 Défis et Opportunités.................................................................................................. 83 3.4 ZIGBEE - RESEAU DE CAPTEURS SANS FIL ...................................................................... 83 3.4.1 Architecture du ZigBee............................................................................................... 84 3.4.1.1 Couche physique ................................................................................................................. 84 3.4.1.2 Couche MAC (Media Access Control layer)......................................................................... 85 3.4.1.3 Couche de réseau (Network layer-NWK).............................................................................. 86 3.4.1.4 Couche d’application ........................................................................................................... 87 3.4.2 Approches d’économie de l’énergie du réseau de capteurs sans fil .............................. 87 3.4.2.1 Approche basée sur le modèle du réseau (Connected Dominating Set- CDS) ......................... 88 3.4.2.2 Approche basée sur la couche MAC (Media Access Control)................................................ 88 3.4.2.3 Approches Slot-Based.......................................................................................................... 89 3.4.2.4 S-MAC (Sensor MAC) ...................................................................................................... 89 3.4.2.5 TMAC (Timeout MAC)....................................................................................................... 90 3.4.2.6 LPL (Low Power Listening) approaches .............................................................................. 90 3.5 CONCLUSIONS................................................................................................................. 91 CHAPITRE 4 CONCEPTION DU SYSTEME DE GESTION DE CHARGE EN TEMPS REEL .............................................................................................................................. 92 4.1 INTRODUCTION.............................................................................................................. 92 7 4.2 ARCHITECTURE MATERIELLE DU SYSTEME.................................................................... 93 4.3 ARCHITECTURE LOGICIELLE DU SYSTEME ..................................................................... 95 4.3.1 Description générale du système................................................................................. 95 4.3.2 Conception du système de communication................................................................... 97 4.3.2.1 Architecture de communication............................................................................................ 97 4.3.2.2 Formule des messages.......................................................................................................... 98 4.4 DEVELOPPEMENT DES STRATEGIES DE GESTION DES CHARGES EN TEMPS REEL............. 99 4.4.1 Introduction ............................................................................................................... 99 4.4.2 Fonction de gestion en temps réel des radiateurs ...................................................... 100 4.4.2.1 Analyse du fonctionnement d’un régulateur thermique classique......................................... 100 4.4.2.2 Formulation du problème................................................................................................... 102 4.4.2.2.1 Influence de la puissance souscrite sur la facture énergétique....................................... 103 4.4.2.2.2 Modèle thermique d’un bâtiment................................................................................ 105 4.4.2.2.3 Puissance appelée ...................................................................................................... 106 4.4.2.3 Méthode proposée.............................................................................................................. 107 4.4.2.3.1 Introduction............................................................................................................... 107 4.4.2.3.2 Formulation mathématique......................................................................................... 108 4.4.2.4 Fonctionnement de la régulation adaptative proposée.......................................................... 109 4.4.3 Fonction de gestion en temps réel des cuisinières...................................................... 111 4.4.3.1 Principe de la méthode....................................................................................................... 112 4.4.3.1.1 Objectif de la méthode ............................................................................................... 112 4.4.3.1.2 Principe de la méthode............................................................................................... 112 4.4.3.2 Résultats............................................................................................................................ 114 4.4.4 Conclusions.............................................................................................................. 117 CHAPITRE 5 APPLICATION A LA GESTION EN TEMPS REEL DE CHARGES CHAUFFAGE ............................................................................................................................ 118 5.1 INTRODUCTION ............................................................................................................ 119 5.2 METHODE DE GESTION EN TEMPS REEL DES RADIATEURS ............................................ 121 5.2.1 Conception du pilotage des radiateurs en temps réel................................................. 121 5.2.2 Algorithme de contrôle ............................................................................................. 123 5.3 PROTOTYPE DEVELOPPEE POUR LA GESTION EN TEMPS REEL DES RADIATEURS ........... 126 5.3.1 Architecture physique du système.............................................................................. 127 5.3.1.1 Installation du système développé ...................................................................................... 127 5.3.1.2 Radiateur adaptatif............................................................................................................. 129 5.3.1.3 Capteur de température sans fil........................................................................................... 129 5.3.1.4 Capteur de puissance sans-fil.............................................................................................. 130 5.3.1.5 Unité de contrôle – régulateur central ................................................................................. uploads/Management/ these-final-nguyen-nhathai1.pdf