Confiance dans les communications pour l'auto-consommation collective // Trust in communication systems for collective self-consumption

Afin de réduire la consommation énergétique dans les bâtiments, le gouvernement français à fait évoluer la réglementation des bâtiments qui représente 40% de la consommation de l'énergie mondiale avec le décret de rénovation tertiaire [1] et le décret BACS Building Automation and Control System [2] afin de permettre la mesure et le contrôle de l'énergie finale dans les bâtiments tertiaires. L'augmentation des tarifs de l'énergie [3] favorise le développement de l'auto-consommation d'électricité avec le décret n°2024-613 [4] relatif à l'autorisation de fourniture d'électricité et à l'abattement du tarif d'utilisation des réseaux publics d'électricité. Des travaux de recherche ont démontré l'intérêt de mettre en place des mécanismes de coordination au voisinage pour faire correspondre au mieux la consommation d'énergie locale avec la production [5]. Plusieurs stratégies peuvent être mises en œuvre pour optimiser ces échanges d'énergie (prédictive vs. réactive). Néanmoins, en cas d'une demande plus forte que la production ou pour des sites isolés des stratégies doivent être élaborées pour satisfaire et répartir la demande, en définissant, des priorités et/ou en reportant des demandes. La complexité de ces échanges de paquets d'énergie démontre la nécessité de proposer des mécanismes afin de faciliter la distribution au sein de collectivités locales de producteurs d'énergie [6].
La mise en œuvre de ces échanges d'énergie nécessite non seulement un système matériel dédié à l'échange d'énergie (infrastructure électrique bidirectionnelle), mais également un système de communication rapide et sécurisé [7]. L'objectif de cette thèse est de proposer une architecture matérielle et logicielle pour faciliter l'échange de ressources entre voisins pour favoriser les échanges d'énergie. Nous proposons de concevoir un protocole qui devra être intrinsèquement léger et sécurisé afin d'être pris en charge par des équipements embarqués (niveau edge) présents dans l'environnement [8]. La sécurité des échanges avec ce protocole est cruciale pour garantir la confidentialité et l'intégrité des échanges de paquets d'énergie, tout en garantissant une confiance des utilisateurs envers le système [9].
Nous proposons de concevoir un système distribué avec un système de supervision afin de s'assurer du bon fonctionnement du système au niveau local afin de délivrer le meilleur rendement entre production et consommation. Dans les architectures classiques actuelles, la supervision est généralement déportée au niveau du cloud et pose des questions de réactivité et de tolérances aux pannes. Pour rendre ces systèmes de supervision distribué plus efficace, il nous semble important de réaliser un système réactif aux données pertinentes en prenant en compte les contraintes de l'environnement (réseaux énergétiques et communications). Ainsi nous proposons que les consommateurs et les charges connectées puissent s'adapter à la puissance de ou des sources afin de ne pas provoquer de rupture dans la distribution (éviter l'effet disjoncteur qui coupe la distribution), mais préalablement échanger par ce protocole avant la connexion des charges, sur la quantité d'énergie requise et limiter la demande ou arriver à un consensus entre les éléments afin de ne pas dépasser la puissance délivrée. Avec un apprentissage, ces données de supervision devraient permettre de construire des modèles d'auto-consommation collective plus performants.
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In order to reduce energy consumption in buildings, the French government has updated building regulations—since buildings represent 40% of global energy consumption—through the Tertiary Renovation Decree [1] and the BACS (Building Automation and Control System) Decree [2], which aim to enable the measurement and control of final energy use in tertiary buildings. The rise in energy prices [3] also encourages the development of electricity self-consumption, supported by Decree No. 2024-613 [4] regarding electricity supply authorization and a reduction in public electricity network usage tariffs. Research has demonstrated the benefits of implementing local coordination mechanisms to better match local energy consumption with production [5]. Several strategies can be applied to optimize energy exchanges (predictive vs. reactive). However, in cases of demand exceeding production, or for isolated sites, strategies must be developed to meet and balance demand—such as setting priorities and/or deferring consumption. The complexity of these energy packet exchanges highlights the need for mechanisms that facilitate distribution within local communities of energy producers [6].
Implementing such energy exchanges requires not only dedicated hardware systems (bidirectional electrical infrastructure) but also fast and secure communication systems [7]. The goal of this PhD thesis is to propose a hardware and software architecture to facilitate the exchange of resources between neighbors and promote local energy sharing. We propose the design of a communication protocol that is inherently lightweight and secure, enabling its use on embedded (edge-level) devices in the environment [8]. Ensuring the security of exchanges via this protocol is crucial to maintaining confidentiality and integrity in energy packet transactions, as well as fostering user trust in the system [9].
We propose a distributed system architecture with local supervision to ensure proper operation and to optimize the balance between energy production and consumption. In current conventional architectures, supervision is typically cloud-based, which raises concerns about responsiveness and fault tolerance. To improve the effectiveness of distributed supervision systems, we emphasize the importance of making them reactive to relevant data, while accounting for environmental constraints (both energy and communication networks).
Thus, we propose that consumers and connected loads should be able to dynamically adapt to the available power of the source(s), in order to prevent distribution failures (such as circuit breaker trips). Before connecting loads, devices should exchange information via the proposed protocol about the required energy quantity and either limit their demand or reach a consensus to avoid exceeding available power. Through learning mechanisms, this supervision data could then support the development of more efficient collective self-consumption models.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours allocations

Université Grenoble Alpes

217 MSTII - Mathématiques, Sciences et technologies de l'information, Informatique

Niveau Master 2 ou équivalent avec une formation en informatique, systèmes embarqués Des connaissances dans le domaine électrique (smart-grid, smart-building...) seront appréciées.
Master's degree (or equivalent) in Computer Science or Embedded Systems. Knowledge in the electrical domain (such as smart grids, smart buildings, etc.) would be appreciated.