Chiheb REBAI

Professeur - SUP’COM

Atelier d’information et d’échanges “Smart Grid en Tunisie», Tunis, 14 décembre 2017

2

Présentation de SUP’COM

Activités de recherche et développement

Systèmes de communications pour le Smart Grid

Propositions et Challenges

Activités Smart Grid à SUP’COM

5

4

3

2

1

14 Décembre 2017

3

Erigée en tant qu’école d’élite depuis 1998, assure une formation pluridisciplinaire de

haut niveau dans les TIC

Placée sous la tutelle du ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche

scientifique (Université de Carthage) et du ministère des technologies de la

communication et de l’économie numérique

Assure simultanément quatre missions interdépendantes:

Formation initiale d’ingénieurs

Formation continue ou qualifiante

Formation doctorale

Recherche et Développement

14 Décembre 2017

4

Membre de la Conférence des Grandes Ecoles (France)

Programmes des études d’ingénieurs accrédité par la CTI, Euro-ACE

Ecole associée à l’Institut Télécom, France.

Membre du réseau méditerranéen des écoles d’ingénieurs (REMI)

Près de 40 accords de partenariat avec des institutions d’enseignement et de recherche

d’Europe, d’Amérique du Nord, d’Asie et d’Afrique

Mise en place et gestion de cursus de formation dans trois pays Africain (Cameroun, Côte

d’Ivoire et Sénégal), et deux sont en cours de mise en place (Congo RDC, Maroc)

14 Décembre 2017

5

80 entreprises

10 multinationales

Centres techniques

4000 cadres de haut niveau

Située au cœur d’un environnement technopolitain favorisant de nombreuses synergies entre

la formation, la production et la R&D

14 Décembre 2017

6

Présentation de SUP’COM

Activités de recherche et développement

Systèmes de communications pour le Smart Grid

Propositions et Challenges

Activités Smart Grid à SUP’COM

5

4

3

2

1

14 Décembre 2017

7

MEDIATRON Réseaux Mobiles et Multimédia

CN&S Sécurité des Réseaux

GRES’COM Systèmes de Communications Innovants et Verts

COSIM Communications, Signaux et Images

URSN Sécurité Numérique

INNOV’COM Innovation of Communicant and Cooperative Mobiles

Les Laboratoires

Les Unités de Recherches

14 Décembre 2017

0 100 200 300

année 2012

année 2013

année 2014

année 2015Revues

Conférences

3 brevets nationaux en 2016

et un brevet Européen en 2015

Revues: 77% avec facteur

d’impact

Conférences: 65% classées

dans la liste CORE

020406080

100120140

Junior

Senior

8

Sup’

Com

Contenu : Signal, image, parole, données

Com

munic

atio

ns

nu

mé

riqu

es

Réseaux d

e

télé

com

mun

ication

s

Radiocommunications

Traitement du signal

Traitement d’images

Traitement audio

Communication sans fil

Communication RF

Communications optiques

Techniques micro-ondes

Systèmes embarqués

Réseaux sans fil

Réseaux mobiles

Réseaux de capteurs sans fil

All-Optical Routers

Switched Optical Networks

Développement de services

Services connectés

14 Décembre 2017

9

Sup’

Com

Contenu : Signal, image, parole, données

Com

munic

atio

ns

nu

mé

riqu

es

Réseaux d

e

télé

com

mun

ication

s

Radiocommunications

Sécurité

Sécurité des systèmes

d’information et des

réseaux

Network Security Risk

Management (NetRAM)

Certification des logiciels

de télécommunications

et des protocoles de

sécurité

Cryptographie

Forensic System for

Communication Networks

(FORENET)

Chaotic Image Ciphers

based on Wavelet

Transform (CHAOSLET)

14 Décembre 2017

10

Sup’

Com

Contenu : Signal, image, parole, données

Com

munic

atio

ns

nu

mé

riqu

es

Réseaux d

e

télé

com

mun

ication

s

Radiocommunications

Imagerie médicale

Protection de l’environnement

Embedded computer vision

Radio cognitive

Green wireless

QoS dans les systèmes

large bande

Smart Grid

Powerline Communication

LP-WAN, LR-PAN

5G and beyoung

Internet des objets (IoT)

E-santé (TIC et santé)

11

Projet Tuniso-Koréen,

Border Surveillance Using Wireless Sensor Networks

Projet QNRF (Qatar National Research Fund)

QoS Optimization In Broadband Wireless Networks and Development of new

value-added Mobile Systems and Services for e-advertising and e-Tourism

Projet européen FP7 (Seventh Framework Program), Firesense

Fire Detection and Management through a Multi-Sensor Network for the

Protection of Cultural Heritage Areas from the Risk of Fire and Extreme

Weather Conditions

Projet RDD (Research, Devolvement and Deployment (Analog Devices,

USA), Smart Grid

Power Line communication

14 Décembre 2017

12

Présentation de SUP’COM

Activités de recherche et développement

Systèmes de communications pour le Smart Grid

Propositions et Challenges

Activités Smart Grid à SUP’COM

5

4

3

2

1

14 Décembre 2017

13

Epuisement des ressources en énergies

fossiles

Intégration des sources de production

décentralisées

Augmentation des émissions polluantes

Intégration des véhicules électriques

Croissance de la demande d’énergie

Evolution vers les réseaux électriques intelligentsO

ffre

Demande

Equilibre

Insuffisance de

puissance

Excès de

puissance

Production de l’énergie

Réseau de

transport

Réseau de

distribution

Consommateurs

Transformateur

HT/MT

Transformateur

MT/BT

14 Décembre 2017

« Les réseaux électriques intelligents ou smart grids sont des réseaux électriques capables d’intégrer efficacement les comportements et actions de tous les utilisateurs qui y sont raccordés – producteurs, consommateurs et utilisateurs à la fois producteurs et consommateurs – afin de constituer un système rentable et durable, présentant des pertes faibles et un niveau élevé de qualité et de sécurité d’approvisionnement. » d'après la Commission Européenne, « Plan européen pour l’efficacité énergétique »

14

Production

centralisée

Réseau de

transportMaison -

Immeuble

Production décentralisée

et voitures électriques

Couche

infrastructure

Couche de

communication

Couche

applications

LAN : Local

Area

Network

WAN : Wide Area Network

(Cellular, WiMAX, UHF,

Fibre optique)

FAN/AMI : Field Area

Network/Advanced Metering

Infrastructure

(CPL, Cellular, RF Mesh)

HAN : Home Area Network

BAN : Building Area Network

IAN : Industrial Area Network

(Home Plug, ZigBee, Wi-Fi,

Echnonet)

Réseau de

distribution

Postes

sources

Base de donnée Concentrateur Compteurs

Applications de

mesure

• Compteurs intelligents

(AMI)

• Phasor Measurement

Unit

• Capteurs

Applications de supervision et de contrôle

• SCADA : Supervisory Control And Data

Acquisition

• WASA/WAMS/WAAPCA : Wide-Area

Situational Awareness / Wide Area

Measurement System / Wide-area adaptive

protection, control and automation

• MDMS : Meter Data Management System

Applications de pilotage

• EMS : Energy Management System

• GIS : Geographic Information System

• DMS : Distribution Management System

• OMS : Outage Management System

• WMS : Workload Management System

• DA : Distribution Automation

• CEMS : Consumer Energy Management

Energie

Donnée

Interface de contrôle

pour les particuliersInterface de contrôle pour

les opérateurs

14 Décembre 2017

15

AM

RA

MI

Sm

art

Gri

d

Re

tou

r s

ur

inve

sti

ss

em

en

t

Investissement

communication

unidirectionnelle

communication

bidirectionnelle

capteurs

intelligents

contrôle

distribué

gestion du

réseau

applications

intelligentes

agents

connectés

Facturation automatique

Réaction à la demande

Détection de panne et restauration

Gestion d'actifs

Système d'information des clients

Automatisation de la distribution

Automatisation des postes

Prévention/auto-réparation

Gestion de la charge

Contrôle des émissions

Génération distribués

Portail client

Appareils intelligents

Technologies Fonctionnalités

Feuille de route des applications Smart Grid

Exigences de communication

Communications Requirements of Smart Grid Technologies. Washington,

DC: Dept. Energy, 2016.

Maison - ImmeubleCompteurs

électriques

Postes sources

/ concentrateur

Centre

d’information

Centre de gestion et

de supervision

FAN

CPL

GPRS

RF

• Techniques de communication pour le réseau FAN

Courants porteurs en ligne (CPL)

Réseaux cellulaires

Réseaux RF-mesh

14 Décembre 2017

AMR AMI SMART GRID

BandwidthLow –

MediumLow –

MediumMedium –

High

Latency Loose MediumMedium –

Tight

ReliabilityLow –

MediumMedium –

High High

SecurityMedium –

HighHigh High

16

Présentation de SUP’COM

Activités de recherche et développement

Systèmes de communications pour le Smart Grid

Propositions et Challenges

Activités Smart Grid à SUP’COM

5

4

3

2

1

14 Décembre 2017

1714 Décembre 2017

Réception S-FSK sous-optimale

Complexité de la réception à

maximum de vraisemblance

Modulation codée à décision souple

Traitements des bruits à bande étroite et impulsif

Codage canal

• Code convolutif

• Code LDPC

Minimiser les erreurs

résidueles

𝑙′ 𝑟𝑚 = 2𝑚 − 1 𝑔2 𝑟𝑚 𝜇𝑚

𝜎𝑚2 −

𝜇𝑚2

𝜎𝑚2

𝐵𝑀𝑗 =

𝑘=0

𝑛−1

𝑙𝑜𝑔 𝐼02 𝑟𝑚 𝜇𝑚

𝜎𝑚2 −

𝜇𝑚2

𝜎𝑚2

𝑖 = 𝑎𝑟𝑔 max0≤𝑘≤𝑀

𝑗=1

𝑀

𝜇𝑘 𝑟𝑗

Modulation S-FSK

Densités de probabilité

Réception

H0 ∶ 𝑠0 𝑡 = 𝐴 𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑓0𝑡

H1 ∶ 𝑠1 𝑡 = 𝐴 𝑠𝑖𝑛(2𝜋𝑓1𝑡)

𝑟 𝑡 = 𝑎0 𝑠0(𝑡, 𝜃) + 𝑛0 𝑡 𝑠𝑖 𝐻0

𝑎1 𝑠1 𝑡, 𝜃 + 𝑛1 𝑡 𝑠𝑖 𝐻1

Règle de décision à maximum de vraisemblance

𝑝 𝑟0|𝐻0 =2𝑟0𝜎0

2𝐼0

2𝑟0𝜇0𝜎0

2𝑒𝑥𝑝 −

𝑟02 + 𝜇0

2

𝜎02

𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡er 0𝑝 𝑟|𝐻0 ≷ 𝑝 𝑟|𝐻1

𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡er 1

𝑝 𝑟1|𝐻0 =2𝑟1𝜎1

2𝑒𝑥𝑝 −

𝑟12

𝜎12

Algorithme de réception S-FSK1

𝑣𝑚 = 𝑙𝑜𝑔 𝐼02 𝑟𝑚 𝜇𝑚

𝜎𝑚2 −

𝜇𝑚2

𝜎𝑚2

Démarche proposée pour la réception sous-optimale robuste

1 T. Schaub, “Spread frequency shift keying,” IEEE Transactions on

Communications, vol. 42, no. 2, pp. 1056–1064, 1994.

1814 Décembre 2017

Modem CPL

Carte mère du modem CPL

Architecture du logiciel embarqué

Ap

plic

ati

on

de

ba

se

Application utilisateur

Plateforme matérielle

Pilotes de la librairie

CPL

Pilotes de l’application

utilisateur

Librairie de

communication CPL

Couche PHY

Sous -couche MAC

Sous-couche LLC

Librairie des applications utilisateurs

Application de test

Gestionnaire d’événements

Evé

ne

me

nts

de la lib

rairie

CP

L

Evé

ne

me

nts

de

l’a

pp

licatio

n u

tilis

ate

ur

Schéma équivalent de l’étage d’émission

Filtre de

reconstruction

Amplificateur de

puissance (PA)

Convertisseur

Numérique

Analogique (CNA)

Schéma équivalent de l’étage de réception

Filtre de sélection

de bande

Amplificateur à

gain variable

(VGA)

Convertisseur

Analogique

Numérique (CAN)

Schéma du circuit de couplage

Note : For BCD Bands use TMP-136 for L3

AGND AGND

RX_IN

TX_OUT

C5410uF

Phase

Neutral

Coupling and Protection

D1

SMBJ6.5CA

RV1Mov _420VAC

T1

K5024-X092

8

32

1

54

C530.33uF

L315uH

1914 Décembre 2017

Conditions du

test

Distance

entre

modems

Durée

du

test

Nombre des

trames

envoyées

Nombre

des trames

erronées

Taux de

trames

erronées

Réseau chargé 200 m 1 h 1000 0 0%

Réseau chargé 330 m 1 h 1000 2 0.2%

Réseau très

chargé

460 m 1 h 1000 5 0.5%

Réseau très

chargé

565 m 1 h 1000 16 1.6%

Réseau très

chargé

622 m 1 h 1000 21 2.1%

Réseau très

chargé

702 m 1 h 1000 38 3.8%

Fiabilité conforme aux exigences ENEL, Italie

Transformateur

(630 kVA)

Transformateur

(400 kVA)

Transformateur

(250 kVA)Transformateur

(100 kVA)

Tx

Rx

Rx

Rx

Rx Rx

Rx

Tx Postions de l'émetteur

Postions du récepteur

220 V220 V220 V 220 V

2014 Décembre 2017

Difficulties in PLC system performance tests and deployment

planning

Building a narrowband PLC channelemulator

Cost: Requires high volume of PLC devices (Ex. Linky lab

by Enedis)

No real conditions: Limited tools for PLC modem

manufacturer to verify and benchmark before final production

Late NB-PLC system real evaluation

Approach real channel conditions

Perform robustness tests with small setups

Allow getting performance result at early stage

2114 Décembre 2017

Phase

Neutral

Ground

R L C

G

R

R

L

L

C

C

G

G

Vg

Zg

ZC

ZBVBVCVA

ZinBZin

ZinC

g ,Z0

l1

g1 ,Z01

l3

l2

1

1

3

3

2

2

1

1

1

)1(

1

)1(.)(

l

l

l

l

gin

ine

e

e

e

e

ZZ

ZfH

g

g

g

g

A

Z1

TxB

Rx_Load

Z2Z3

d1 d2 d3 d4

d7d6d5

Z6

Z4Z5

Zk+1

Zk

dk+1dk

Length di

Cable type ti

Load model Zi

PLC channelSimulator

Branch number Ni

Channel impedance

Channel Attenuation

Channel phase

Tuned according to environement :

Industrial,rural, residential

A B

C

Tx Rx

≋

2214 Décembre 2017

AAPfAP

Sub-band Dumping factor

Δf

Δd

1 kHz - sinewave Aperiodic noise waveform

Stored AWGN samples

AAP

Cyclosationary noise

Aperiodic noise

fAP

Attenuation

Channel filter

hi

Region 1 filter

Region 2 filter

Region 3 filter

H1

Dumping factor

Sine wave

TwI,TD

H2

H3

Sampled input signal

Sampled output signal

Tx Rx

Clock

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-2

-1

0

1

2

Time (ms)

Superp

osed N

ois

e (

V)

Aperiodic noise

Cyclo-stationary noise

0 5 10 15 20 25 30-1

-0.5

0

0.5

1

Time (ms)

Norm

aliz

ed n

ois

e (

V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (ms)

Aperiodic

nois

e (

V)

Cyclostationary component

Aperiodic component

Total noise

2314 Décembre 2017

NB-PLC channel emulator

LISNLISN

CC2 CC1

UPS

DUT TxDUT Rx

Serial link

‘Pure’ mains signal

‘Pure’ mains signal

Transmitted signal

Received signal Altered

ZC

Altered ZC

Transfer function

Ideal ZC signal

ZC Error Generation

e1e2

Channel Filter h(t)

PLC Noise Generation

Tx Rx

Sampled input signal

Sampled output signal

ZC filters

Attenuation filters

Noise filters

2414 Décembre 2017

Flexible hybrid communication systems for smart grid

Exhaustive exploration of communications

technologies (public/private, wired/wireless,

license/unlicensed) for DAs and AMIs

communication QoS.

Flexible transmitter for DA and AMI with

standard's coexistence on the same

frequency ranges and optimal choice of the

frequency band for transmission.

Multistandard radio receiver of DA and

AMI communication signals by proposing

new signal processing methods to optimize

cost, silicon area and power consumption.

Use of environmental diversity PLC/RF to

leverage an hybrid communication scheme

taking advantage of each channel strengths

depending on the real-time characteristics of

the grid and the radio channel.

2514 Décembre 2017

CLK

ADC

Etage en bande de base

Tra

item

ent

nu

mér

iqu

e

enban

de

de

base

Mélangeurs

LNA

Multi- bande

Filtres RF

0°

90°

I

Q

Antenne

Multi- bande

Commutateur

RF

ADC

Front-end RF

AAF

programmable

AAF

programmable

VGA

VGA

VGA

VGA

Amplificateurs

à gain variable

Filtres

anti-

repliement

Amplificateurs

à gain variable

Convertisseur

analogique

numérique

Tx_DAC RX

Sine/cosine

generator

@ fs

@ fs

I/Q

modulatorBB

processing

FPGA Platform

FSM

IF

RF

High Power Multi-

carrier Amplifier

USRP SDN + Open BTS

Data Concentrator Flexible receiver

Data Concentrator Flexible transmitter

2614 Décembre 2017

P/STransformée

de Fourier Discrète

Suppression du préfixe cyclique

S/PMise en

forme g(n)

Convertisseur analogique numérique

+PLC

X

X

Demappingdes symboles

Estimation du canal

BruitPLC

Convertisseur analogique numérique

+

BruitRF

RF

Combinaison des signauxDécodage

Transformée de Fourier

Discrète

N

N Mise en forme g(n)

P/STransformée

de Fourier Discrète

Suppression du préfixe cyclique

S/P

X

X

Demappingdes symboles

Transformée de Fourier

Discrete

Estimation du canal

PLC/RF hybrid receiver

S/P

Transformée de Fourier

Discrete Inverse

Données numériques

à émettre

ajout dupréfixe

cyclique P/S

g(n)mise en forme

Convertisseur numérique-analogique

PLC

RF

N

PLC/RF hybrid Transmitter

27

Présentation de SUP’COM

Activités de recherche et développement

Systèmes de communications pour le Smart Grid

Propositions et Challenges

Activités Smart Grid à SUP’COM

5

4

3

2

1

14 Décembre 2017

28

• Propositions

Fédérer les efforts avec une stratégie nationale pour le Smart Grid: définition de la vision, des axes stratégiques, les actions à accomplir, promotion de la coopération (cluster)

Définir un « Focal point » : assurer le suivi de la coopération et faciliter la communication entre les institutions, le tissu industriel, les centres techniques et les universités

Faciliter le transfert technologique (Formation/Expertise) : mettre à disposition pour le secteur industriel le matériel, les laboratoires et les chercheurs universitaires seniors de l’université pour accompagner les projets Smart Grid en Tunisie

• Chalenges

Financement

Gestion/Gouvernance

Cadre juridique

14 Décembre 2017

Merci pour votre attention