Brevet FR3089710A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Procédé de gestion décentralisée de consommation électrique non-intrusif [0001] DOMAINE TECHNIQUE GENERAL [0002] L'invention concerne le domaine de la gestion de consommation électrique. [0003] Elle a plus particulièrement pour objet. un procédé et un système (le gestion décen- tralisée d'au moins une partie de consommation électrique par des consommateurs raccordés à un réseau de distribution électrique. Technique antérieure [0004] L'optimisation des flexibilités de consommation permet d'utiliser les flexibilités chez les consommateurs résidentiels (charge de véhicules électriques, chauffe-eau, machine à laver, etc.) afin de réduire les pics de consommation agrégée, ou bien afin de consommer à des moments opportuns (pics de production renouvelable). [0005] Une approche consiste à déléguer l'ensemble du processus d'optimisation à un opérateur centralisé (ou coordinateur) qui se charge de décider de la consommation de chaque consommateur. Néanmoins, cela pose plusieurs problèmes : d'une part, un échange important d'informations doit avoir lieu entre chaque consommateur et le coordinateur, chaque consommateur doit fournir toutes les informations sur ses possibilités de consommations (par exemple capacités de batteries, disponibilité et indisponibilités), d'autre part, le problème résultant pour le coordinateur est de dimension très grande, et peut être difficile, voire impossible à résoudre. 100061 Une approche complètement décentralisée consiste à laisser agir chaque consommateur, mais à influencer ses choix en lui envoyant des incitations, par exemple tarifaires (tarifs par blocs). De cette façon, chaque consommateur peut conserver ses données et contraintes et ne pas les divulguer au coordinateur. Cependant, le profil de consommation résultant de ce processus n'est pas nécessairement proche du profil « optimal » souhaité par le coordinateur. Exposé de l'invention [0007] L'invention a pour but. de pallier aux inconvénients de l'art. antérieur décrits ci-avant. [0008] En particulier, un but de l'invention est de proposer un procédé de coordination entre une entité centralisée et un grand nombre d'acteurs locaux (clients électriques résidentiels) tout en permettant de conserver les informations desdits acteurs au niveau local. [0009] La présente invention se rapporte selon un premier aspect à un procédé de gestion dé- centralisée d'au moins une partie de consommation électrique par des consommateurs 2 raccordés à un réseau de distribution électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à : i) établir au niveau d'un coordinateur central un profil optimal agrégé pour l'ensemble des consommateurs considérés avec une estimation de contraintes agrégées, ii) transmettre le profil optimal agrégé aux consommateurs par le coordinateur central, Hi) analyser localement par projection le profil optimal agrégé reçu du coordinateur central au niveau de chaque consommateur par rapport aux contraintes spécifiques du consommateur, iv) transmettre par chaque consommateur au coordinateur central le résultat de la projection établie à l'étape iii), v) réitérer l'étape i), pour déterminer un nouveau profil optimal agrégé sur la hase d'une nouvelle contrainte si le coordinateur central détermine que la désagrégation est impossible sur la hase du profil optimal agrégé antérieur, puis réitérer les étapes ii) à v) jusqu'à convergence pour l'ensemble des consommateurs, de sorte que le coordinateur central ne procède que par traitement des profils agrégés, sans prise en compte des contraintes individuelles des consommateurs qui restent confidentielles à l'échelle locale de chaque consommateur. [0010] Le procédé permet une étape de « génération » d'une nouvelle contrainte dans le cas où la désagrégation du profil global est impossible. A partir des résultats de désagrégation, le procédé permet ainsi de calculer une contrainte qui améliore systématiquement le profil agrégé lors du calcul suivant. Ainsi, le procédé de calcul s'arrête au bout d'un faible nombre d'itérations. [0011] De plus, le nombre de consommateurs pouvant être considéré est relativement large (supérieur au millier) puisque l'on s'appuie sur des calculs locaux qui peuvent être effectués de manière distribuée. [0012] Avantageusement, mais facultativement, le système selon l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - l'étape iii) est établi par mise en oeuvre d'un algorithme de projections alternées ; - l'étape i) est opérée par recherche d'une optimisation, notamment par recherche d'une solution à un problème de minimisation, par exemple d'une minimisation des coûts de production ou d'une minimisation d'achat d'énergie électrique sur le marché ; - l'étape i) est opérée en définissant des profils agrégés pour l'ensemble des consommateurs considérés sur un horizon temporel défini, par exemple 24 heures, et pour des périodes de temps divisant cet horizon temporel, par exemple pour chaque demie heure de la période de 24 heures ; - l'étape i) initiale est opérée en prenant en compte des contraintes initiales comprenant une contrainte de satisfaction globale de la demande agrégée pour l'ensemble des consommateurs sur l'horizon temporel définie et des contraintes de 3 capacités agrégées pour chaque période de temps incluant des bornes inférieures et supérieures de consommation agrégées pour chaque période de temps ; - l'étape i) est opérée en prenant également en compte une capacité maximale pour chaque période de temps ; - l'étape iii) d'analyse locale au niveau de chaque consommateur est opérée sur la hase des contraintes de consommation de chaque consommateur respectif comprenant une demande globale d'énergie respective de chaque consommateur sur l'horizon temporel définie, ainsi qu'une puissance minimale et maximale pour chaque période de temps ; - l'étape v) est opérée en privilégiant le traitement des périodes de surproduction correspondant à des périodes pour lesquelles pour au moins un consommateur le profil généré par le coordinateur central est strictement supérieur à sa consommation maximale possible ; [0013] la partie de consommation électrique gérée correspond à une partie flexible de consommation électrique, par exemple la charge d'un véhicule électrique ou d'un chauffe-eau ; [0014] chaque consommateur découpe son profil en plusieurs parties à l'issue de l'étape iii) et adresse une partie à d'autres consommateurs, de préférence à chaque consommateur considéré, chaque consommateur sommant toutes les parties reçues des autres consommateurs avant d'opérer la transmission au coordinateur à l'étape iv) ; et [0015] chaque consommateur découpe son profil en N parties correspondant à N-1 vecteurs tirés de manière aléatoire plus un vecteur égal à la différence de son profil diminué des N-1 premières parties. [0016] La présente invention se rapporte également selon un second aspect à un système de gestion décentralisée d'une partie de consommation électrique par des consommateurs raccordés à un réseau de distribution électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend : . un coordinateur central . des postes de consommateurs et . des moyens de communication entre le coordinateur central et les postes de consommateurs, [0017] dans lequel le coordinateur central est adapté pour établir un profil optimal agrégé pour l'ensemble des consommateurs considérés avec une estimation de contraintes agrégées, transmettre le profil optimal agrégé aux consommateurs et réitérer ces étapes en ajoutant une nouvelle contrainte à chaque itération tant que les profils n'ont pas été validés par les consommateurs, et chaque consommateur est adapté pour analyser localement par projection le profil optimal agrégé reçu du coordinateur central par rapport à ses contraintes spécifiques et transmettre au coordinateur central le résultat de la projection, [0018] de sorte que le coordinateur central ne procède que par traitement des profils agrégés, sans prise en compte des contraintes individuelles des consommateurs qui restent confidentielles à l'échelle locale de chaque consommateur. [0019] Avantageusement, mais facultativement, le système selon l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - chaque poste de consommateur comprend un compteur intelligent ou communiquant, par exemple de type LINKY. Le compteur est configure - un module permettant de définir un profil temporel de consommation électrique prédéfini, sur un ou plusieurs usages, et sur une plage temporelle définie et - des moyens configurés pour spécifier, automatiquement ou manuellement, le besoin d'une énergie sur une plage temporelle donnée, ainsi que pour spécifier, automatiquement ou manuellement, des puissances électriques minimales et maximales à respecter ; [0020] il comprend au moins 1000 postes de consommateur ; et [0021] la partie de consommation électrique gérée correspond à une partie flexible de consommation électrique, par exemple la charge d'un véhicule électrique ou d'un chauffe-eau. [0022] Le système selon l'invention permet au coordinateur d'établir un profil optimal avec une estimation des contraintes « agrégées ». Ensuite, une étape de « désagrégation » a lieu : cette étape est effectuée par un échange d'informations entre le coordinateur et chaque utilisateur, sans que ce dernier ne révèle ses contraintes. Ainsi, l'information privée est conservée par chaque utilisateur, et le coordinateur évite la résolution de problème de grande dimension, car il ne s'intéresse qu'au profil « agrégé ». Brève description des dessins [0023] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles : [0024] [fig.1] [0025] la figure 1 représente schématiquement un système de gestion décentralisée selon l' invention ; [0026] If ig.2] [0027] la figure 2 représente schématiquement les principales étapes d'un procédé de gestion décentralisée mis en oeuvre par le système de gestion décentralisée ; [0028] [fig.3a] [0029] [fig.3b] [0030] les figures 3a et 3b représentent, à titre d'exemple illustratif de mise en oeuvre du procédé gestion décentralisée, des données de demandes globales en énergie (kWh), de bornes supérieures sur des puissances par heure (kWh) et de puissance minimale de chargement (kW), et de coefficients des fonctions de prix ; et [0031] [fig.4] [0032] la figure 4 représente schématiquement les principales étapes du procédé de gestion décentralisée mis en oeuvre par le système avec les données des figures 3a et 3b. [0033] DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION [0034] Un mode de mise en oeuvre de l'invention concerne un procédé de gestion décen- tralisée d'au moins une partie de consommation électrique par des consommateurs raccordés à un réseau de distribution électrique. [0035] Ce procédé est mis en oeuvre par un système de gestion décentralisée d'une partie de consommation électrique par des consommateurs raccordés à un réseau de distribution électrique. La partie de consommation électrique gérée correspond à une partie flexible de consommation électrique, par exemple la charge d'un véhicule électrique ou d'un chauffe-eau. [0036] En référence à la figure 1, il est illustré un tel système de gestion décentralisée 1. Celui-ci comprend un coordinateur central 11 (ou entité centralisée, ou agrégateur), des postes de consommateurs 12 associées à des consommateurs ou agents, et des moyens de communication 13 entre le coordinateur central 11 et les postes de consommateurs 12. [0037] Plus spécifiquement un poste de consommateur 12 comprend un compteur intelligent ou communiquant, par exemple de type LINKY, pour spécifier, automatiquement ou manuellement, le besoin d'une énergie sur une plage temporelle donnée, ainsi que pour spécifier, automatiquement ou manuellement, des puissances électriques minimales et maximales à respecter. [0038] Un poste de consommateur 12 comprend également un module permettant de définir un profil temporel de consommation électrique prédéfini, sur un ou plusieurs usages, et sur une plage temporelle définie [0039] Chaque consommateur possède ainsi un système capable de recevoir et d'envoyer au- tomatiquement des informations, ce qui permet de mettre en place le procédé décrit ci-dessous. [0040] En référence à la figure 2, il est illustré des étapes du procédé mis en oeuvre par le système de gestion décentralisée 1. [0041] Dans une étape E10, le coordinateur central 11 procède au calcul centralisé du profil de consommation agrégé. Ce calcul est la solution d'un problème de minimisation (par exemple minimisation des coûts de production ou d'achat sur le marché). On note C(p) la fonction de coût associée au problème centralisée, où (p : = pl, ..., pH) est le profil agrégé, période de temps par période de temps, sur l'ensemble des périodes de temps considérées H (par exemple les 48 demi-heures sur un horizon temporel d'un jour 6 entier). Le problème résolu est : - minimiser C(p) sous contraintes { contraintes initiales } (1) - contraintes générées par étapes E30 (décrit ci-dessous) }. [0042] Le coordinateur central 11 obtient une solution à ce problème, par exemple via un solvcur d'optimisation. Les contraintes initiales sont : - une contrainte de satisfaction globale de la demande agrégée : Elicupr=E'cNE'où N dénote l'ensemble des consommateurs et En, la demande globale de consommateur n en énergie sur l'ensemble des périodes de temps considérées H. Par exemple, si l'agent n propose la recharge d'une batterie de véhicule électrique à hauteur de 30 kWh, on aura En = 30 kWh. En pratique, le nombre d'agents IV à contrôler est, par exemple, de l'ordre de la centaine ou du millier ; - des contraintes de capacités agrégées pour chaque période de temps h, [0043] [Math .1] Dh--(191,--131,, OL2 Dh, Dh sont respectivement des bornes inférieures et supérieures sur la consommation agrégées pour la période h ; - potentiellement d'autres contraintes opérationnelles du coordinateur central 11 sur le profil agrégé p : par exemple, le coordinateur central 11 peut être soumis à une capacité maximale Ici, pour chaque période de temps ph stol, (pas convergence) faire 100501 121 pour chaque agent neN, faire 100511 131 calcul local du profil xn(kn) ?=y0c) [0065] [15] fin si [0066] L'algorithme 1 décrit cette étape de désagrégation. Dans la description, "calcul local" fait référence à un calcul réalisé au niveau du foyer de chaque agent (par un dispositif électronique relié à son compteur communiquant), tandis que "calcul centralisé" fait référence à un calcul effectué par l'entité centralisée. [0067] L'algorithme permet un calcul décentralisé et itératif, à l'aide d'un moyen de commu- nication 13 à double sens entre chaque poste de consommateur 12 et le coordinateur central 11. [0068] A chaque étape k et jusqu'à convergence : (i) chaque poste de consommateur 12 calcule localement, le résultat de la projection de y, sur l'ensemble Xn (ligne [3]). Ainsi il ne dévoile pas ses contraintes et informations (ligne [2]) ; (ii) le résultat x,, de cette projection est renvoyé au coordinateur central 11 pour recalcul (ligne [4]) ; (iii) le coordinateur central 11 calcule des nouveaux profils (y'),, par projection sur ses contraintes (lignes [6-71) ; (iv) le résultat de son calcul est envoyé ensuite à chaque poste de consommateur 12 8 qui reçoit son profil correspondant y' (ligne [8]). [0069] L'algorithme 1 converge au sens suivant : - soit la désagrégation est possible, c'est à dire qu'il existe pour chaque consommateur n un profil de consommation x'' vérifiant ses contraintes (2) et tel que le profil agrégé p,E'c, x ' vérifie les contraintes de l'agrégateur (1). Dans ce cas l'algorithme converge vers une telle solution ; - soit la désagrégation est impossible : il n'existe pas de profil vérifiant à la fois les contraintes de chaque consommateur 1 et les contraintes du coordinateur central 11. Dans cc cas, l'algorithme va fournir deux types de profils : d'une part des profils (x ')' qui vérifient les contraintes des consommateurs (2), et d'autre part des profils (y - '), tels que le profil agrégé E'y' vérifie les contraintes du coordinateur central 11 (1). [0070] Dans cc dernier cas, les profils renvoyés x' et y' sont utilisés pour calculer la nouvelle contrainte dans une étape E30. [0071] Ainsi, dans cette étape E30, il est procédé à la génération de la nouvelle contrainte, dans le cas où la désagrégation est impossible, repose sur les profils calculés (x '), et( y n),, décrits dans l'étape E20. [0072] Pour cela, le coordinateur central 11 calcule premièrement un ensemble de période de temps H o qui correspondent à des heures de "surproduction" Cet ensemble est calculé de la manière suivante : si, pour un des consommateurs, le profil y - n,n à l'heure h est strictement supérieur à sa consommation maximale possible [0073] X y, h [0074] décrite par ses contraintes (2). L'ensemble s'écrit donc : [0075] [Math.7] Ho ={ h tel qu il existe ect.:.iS tel que yh,h ','} {h ph > 100761 Le calcul de cet ensemble se fait directement à partir du profil x' renvoyé par l'algorithme I. Une fois H °calculé, le coordinateur central I I calcule la quantité agrégée A :=EneuoLeNx'n,h, et intègre la contrainte d'inégalité sur le profil agrégé au Problème (1) EherioPhA. 100771 Variante du calcul de désagrégation reposant sur le calcul multipartite 100781 Dans l'étape E20 décrite précédemment, au cours de l'algorithme 1, les postes de consommateurs 12 doivent communiquer au coordinateur central I I leur profil calculé x(k). Le coordinateur central I I a donc accès au profil de consommation x`' de chaque agent n. L'utilisation d'une méthode de calcul multipartite (voir A. C. Yao. 'How to generate and exchange secrets'. In 27th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (sfcs 1986), pages 162-167, Oct 1986.) permet d'éviter cela, en effectuant l'étape (h) selon l'algorithme 2 décrit ci dessous. 100791 Ici, chaque agent "découpe" son profil en N parts (N -1 vecteurs tirés de manière 9 aléatoire, plus un dernier vecteur égal à la différence de son profil diminué des N 1 premières parts) en ligne [4]. Chaque agent reçoit ensuite une part du profil de chacun des autres agents, ce qui ne révèle rien sur ces profils, puis somme les parts reçues avant d'envoyer cela au coordinateur central 11 (ligne 9). [0080] Le coordinateur central 11 calcule ensuite le vecteur des "corrections" (wit)hcH à appliquer sur chaque période de temps (ligne [11]). Cela revient à effectuer la projection sur l'espace P comme dans l'algorithme 1, en utilisant le fait que Eux'_E'a' correspond toujours au profil agrégé. Le calcul de y (ligne 13), qui fait intervenir les profils désagrégés x', se fait cette fois de manière locale avec les corrections (w1,) de façon à conserver la confidentialité des profils x'. [0081] Si la désagrégation est impossible, les projections alternées convergent comme pré- cédemment vers deux profils x et y. La nouvelle contrainte est alors ajoutée également de manière confidentielle, en utilisant le même principe. Notamment, les lignes [20-22] de l'algorithme 2 (décrit ci-dessous), qui correspondent à l'étape E30, permettent l'ajout de la nouvelle contrainte au problème maître (1) sans jamais que les agents n'aient à communiquer leur profil désagrégé (x')' simplement en utilisant les (w1)1, et (or) calculés précédemment. [0082] Algorithme 2 Projections Alternées Sécurisées agents - agrégateur [0083] Débuter avec [0084] [Math.8] v" k d 1 5 etob econ eroi , pour au moins un agent neN (pas convergence) faire [0086] [2] pour chaque agent neN faire [0087] [3] calcul local du profil x'()