Smart Metering for Smart-grid Applications : building a hardware and software platform for testing and validating smart-grid technologies using Smart Meters

Ali Hamdan

Abstract : In the spirit of the so-called energy transition, the electric power system is undergoing a major development to reduce its negative environmental impacts. The goal is set to minimize the dependence on resources with high emissions, integrate more renewables, use more energy efficient devices and so on. These changes are mainly enabled by the integration of information and communication technologies (ICT) that makes the modern power system a cyber-physical system (CPS) often referred to as the smart grid. Several challenges need to be addressed in order to guarantee a robust and reliable operation of the new system. This means that new strategies have to be developed for the operation, supervision, and control of the power system.In the low-voltage (LV) distribution system, the new strategies are driven by the new sensing and connectivity capabilities provided by the smart meters and their advanced metering infrastructure (AMI). These new strategies eventually require new testing and validation tools represented by software and hardware simulation tools that capture the interoperability of the subsystems of the CPS. The aim of this thesis is to assess the requirements of smart grid testing and validation tools and to contribute to their development. The thesis proposes a new tool represented by a laboratory setup of a smart LV grid that consists of real power components and real communication infrastructure. The setup is specifically designed to capture the features of both the power system and the ICT. Our work thus contributes to the final steps of testing and validating strategies in the smart LV grid before these strategies can be tried out in the real world.In this thesis we give an overview on existing smart grid testing and validation tools. Then we discuss the design and implementation of smart-grid laboratory setups and share the choices we made with our proposed platform. We also discuss some of the accompanying software development principles. Next a discussion about some of the applications that can be tested on the setup in the domain of smart LV grid control via the AMI is presented. Lastly we share some perspectives on other possible target applications and future development of the platform.

Résumé : Dans l’esprit de ce que l’on appelle la transition énergétique, le système d’alimentation électrique fait l’objet d’une évolution majeure visant à réduire ses incidences négatives sur l’environnement. L’objectif est de minimiser la dépendance à l’égard des ressources à fortes émissions, d’intégrer davantage de sources d’énergie renouvelables, d’utiliser des dispositifs plus efficaces sur le plan énergétique, etc. Ces changements sont principalement rendus possibles par l’intégration des technologies de l’information et de la communication (TIC) qui font du système électrique moderne un système cyber-physique (CPS) souvent appelé réseau intelligent. Plusieurs défis doivent être relevés afin de garantir un fonctionnement robuste et fiable du nouveau système. Cela signifie que de nouvelles stratégies doivent être développées pour l’exploitation, la supervision et le contrôle du système électrique.Dans le système de distribution basse tension (BT), les nouvelles stratégies sont motivées par les nouvelles capacités de mesure et de communication fournies par les compteurs intelligents et leur infrastructure de comptage avancée (AMI). Ces nouvelles stratégies nécessitent de nouveaux outils de test et de validation, c’est à dire des outils de simulation logiciels et matériels qui capturent l’interopérabilité des sous-systèmes du CPS. L’objectif de cette thèse est d’évaluer les caractéristiques nécessaires des outils de test et de validation des réseaux intelligents et de contribuer à leur développement. La thèse propose un nouvel outil constitué d’une plateforme expérimentale de laboratoire représentant un réseau BT intelligent, qui consiste en des composants électriques réels et une infrastructure de communication réelle. Cette configuration est spécifiquement conçue pour capturer les caractéristiques du système électrique et des TIC. Notre travail contribue ainsi aux étapes finales de test et de validation des stratégies dans le réseau BT intelligent avant que ces stratégies puissent être testées dans le monde réel.Dans cette thèse, nous donnons un aperçu des outils de test et de validation des réseaux intelligents existants. Ensuite, nous discutons de la conception et de la mise en œuvre de configurations de laboratoire pour les réseaux intelligents et nous partageons les choix de conception que nous avons faits pour réaliser notre plateforme. Nous discutons également de certains des principes de développement de développement logiciel. Ensuite, nous présentons une discussion des applications qui peuvent être testées sur la configuration dans le domaine du contrôle intelligent du réseau BT via l’AMI. Enfin, nous partageons quelques perspectives sur d’autres applications possibles de la plateforme, et sur son développement futur.

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