La standardisation dans les Smart Grids

A la croisée du monde de l’énergie et du numérique, la standardisation des Smart Grids requiert un effort combiné de deux secteurs qui n’avaient pas pour habitude de collaborer. Que cela soit au niveau mondial ou européen, de nombreuses initiatives fleurissent. Ce dossier propose un panorama des principales initiatives qui conditionneront et permettront les nouvelles applications du monde de l’énergie de demain : intégration des EnR, flexibilité, stockage, autoconsommation, véhicules électriques, …

Siège de lEC à Genève – Crédit photo : Wikipédia

La standardisation est un exercice ardu : elle implique de dégager des consensus techniques entre compétiteurs. Elle est d’autant plus ardue dans les Smart Grids car il faut faire converger les stratégies technico-industrielles des acteurs de l’énergie et celles des acteurs des TIC. Deux univers, deux cultures techniques, deux approches de la standardisation, avec chacun leurs propres instances de normalisation.

Mais pourquoi alors standardiser ? La CRE répond à cette question en ces termes : “Pour garantir l’interopérabilité des réseaux intelligents, depuis la communication entre les différents points des réseaux jusqu’aux applications commerciales décentralisées complexes, avec un ensemble uniforme de définitions assurant une vision des différents composants du réseau intelligent communes à tous les États, ces différents domaines ont besoin de définir des interfaces communes à travers des architectures de services et de télécommunications standardisées et interopérables.”

Les Smart Grids

Les réseaux électriques intelligents tirent leur dynamique principale de la croissance des énergies renouvelables et du développement des services d’optimisation de la consommation énergétique. Afin d’améliorer ses deux processus de fond, la thématique vise au rapprochement des mondes de l’énergie et du numérique.

Des thématiques et des cas d’usages ont émergé à la confluence de ces deux sujets. Ils sont aujourd’hui au coeur des problématiques de standardisation, qui n’ont pour finalité que de les rendre possibles. Le diagramme ci-dessous synthétise les principaux cas d’usages des Smart Grids.

Chaîne de valeur simplifiée des SmartGrids – Crédit : ITEMS International

Cette représentation n’a pas vocation à être exhaustive mais elle permet de rassembler de manière simple les principaux cas d’usages des SmartGrids sur l’ensemble de sa chaîne de valeur.

Deux cultures techniques, deux approches de la standardisation

La normalisation dans le domaine des Smart Grids oscille entre deux approches avec chacune leurs propres instances de normalisation.

Dans le monde de l’énergie, l’IEC pilote à l’échelle internationale les principaux sujets de standardisation à ce jour. Dans ses groupes de travail, on trouve à la fois les organismes régionaux, comme le CENELEC pour l’Union Européenne, et des organismes nationaux, comme l’AFNOR pour la France. Les décisions sont prises sur la base d’une voix par Etat représenté. Ce mode d’organisation s’appelle l’organisation étatique. Il s’agit du modèle de référence dans le monde de l’énergie.

La standardisation dans le numérique est plus diversifiée, avec plusieurs organisations d’essence étatiques : ITU, ISO, W3C, …, mais aussi des structures comme l’ETSI. Suite à une initiative de la Commission Européenne dans les années 80, qui avait pour objectif d’occuper une position de leadership dans la téléphonie mobile, l’ETSI a été créée avec un mode de représentation par stakeholder. Dans ce type d’organisation, tous les adhérents d’une structure sont représentés. Leur nombre de voix est déterminé en fonction de leur niveau adhésion. Cependant, depuis cette date, les initiatives dans le numérique n’ont cessé de se multiplier avec un foisonnement qui a correspondu à l’explosion du marché.

Ces deux modes de fonctionnement très différents viennent alors s’ajouter à la complexité de la rencontre de deux mondes aux habitudes et cultures très différentes.

Dès 2009, la Commission Européenne a été pionnière dans le domaine des Smart Grids en créant la Smart Grids Task Force. Ce groupe composé en cinq sous-groupes d’experts a pour objectif de concevoir les politiques européennes en faveur des Smart Grids.

Smart Grids Task Force

La Smart Grids Task Force (SG-TF) est organisée en 5 sous-groupes d’experts :

Expert group 1 : La standardisation des Smart Grids

Au sein du premier groupe, les experts œuvrent à la création de standards applicables au niveau européen. Ce groupe a notamment donné lieu aux mandats M/441 M/448 et M/490 (détails en partie suivante).

En octobre 2015, le groupe a également publié un document relatif à la standardisation et l’interopérabilité des projets de déploiement à grande échelle de compteurs intelligents. Le document a été complété en août 2016 par la publication de recommandations concrètes pour les interfaces informatiques de compteurs intelligents.

Expert group 2 : Recommandations pour le respect de la vie privée et la cyber-sécurité

Comme son nom l’indique, ce groupe de travail œuvre à la formulation de recommandations visant à garantir le respect de la vie privée et la cyber-sécurité des utilisateurs des Smart Grids. Le groupe a ainsi identifié les 10 meilleures technologies disponibles en la matière (Best Available Technologies ou BAT). Cette démarche s’est notamment appuyée sur la publication officielle de la Régulation 2016/679 sur les données personnelles et leur libre circulation en avril 2016.

Expert group 3 : Recommandations pour le déploiement des Smart Grids

Dans le cadre de ce groupe de travail, le SG-TF organise la rencontre des acteurs des Smart Grids dans le but de favoriser le partage d’information et l’émergence de recommandations. En 2016, les sessions de travail ainsi organisées ont porté sur : l’intégration du stockage, les incitations à l’innovation, les Smart Homes, les Smart Building, la flexibilité et l’autoconsommation.

Expert group 4 : Déploiement des infrastructures Smart Grids

Le groupe 4 de la SG-TF s’intéresse aux projets européens en matière de Smart Grids. Ainsi, dès 2012, une analyse des grands projets européens a été publiée et a donné lieu en 2013 à un document de référence sur les grands enseignements des projets de démonstration de Smart Grids en Europe.

Expert group 5 : Implémentation des politiques industrielles des Smart Grids

Le dernier groupe de la SG-TF est l’auteur du rapport Smart Grids Outlook 2014, qui étudie et analyse les dynamiques d’investissement dans les Smart Grids en Europe. La France a dans ce contexte été identifiée comme le premier investisseur d’Europe dans les Smart Grids. Ce travail a ensuite été complété en 2014, 2015 et 2016 par un panorama européen des laboratoires de recherche dans les Smart Grids.

Les mandats M/441, M/448 et M/490

Au coeur de la mission initiale de la Commission Européenne sur les Smart Grids, trois principaux mandats ont été établis auprès de consortiums composés du CEN-CENELEC et de l’ETSI.

M/441 : Le comptage intelligent

Suite à la publication de la directive 2009/72/CE relative au comptage MID et au comptage intelligent, la Commission Européenne a demandé aux instances de normalisation de travailler à la caractérisation des fonctionnalités avancées des compteurs communicants. Il a été demandé au groupe de travail de garantir l’interopérabilité de ces dispositifs au travers de tous les Etats Membres. La CRE a publié une synthèse des conclusions de ce groupe.

M/468 : Véhicules électriques

Le mandat M/468 a été mis en place en 2010 avec pour objectif de traiter des sujets en lien avec le véhicule électrique. Le groupe a notamment contribué à alimenter la décision de la Commission Européenne en faveur des prises de type 2 dans la directive 2014/94/UE. L’activité du groupe est aujourd’hui moins importante et traite principalement des problématiques en lien avec la recharge intelligente du véhicule électrique.

M/490 : Smart Grids

Depuis 2009, le mandat M/490 est au coeur de la dynamique de la Commission Européenne dans le domaine des Smart Grids. Le groupe de travail a notamment publié en 2011 un premier jeu de standards. En 2014, le document a été mis à jour avec une nouvelle version proposant une nouvelle série de standards. Essentiellement basé sur les travaux de l’IEC, le document recense et décline l’application au niveau européen des standards de référence comme l’IEC 61 850 ou l’IEC 61 970 (voir partie suivante). Différents compte-rendus des travaux du mandat M/490 sont disponibles sur le site de la Commission.

My Energy Data

S’inspirant du modèle du Green Button au Etats-Unis, la Smart Grid task Force envisageait dès fin 2015, la création de My Energy Data, une standardisation des types et formats de données de consommation d’énergie. Cette perspective a été confirmée le 17 Mars 2016 lors de la 7 ème réunion plénière de l’Action Concertée sur la Directive sur l’efficacité énergétique. Un rapport rédigé par les services de la Commission, tire également les enseignements du projet Green Button, recense les avantages de cette démarche et fait le point sur les formats qu’il conviendrait de mettre en œuvre pour un My Energy Data européen. Le Green Button est un standard qui permettrait aux consommateurs d’accéder simplement à leurs données de consommation.

Le SGAM

Au niveau international, les représentations de cas d’usage Smart Grids s’appuient sur une modélisation standardisée dénommée Smart Grids Architecture Model (SGAM). Elle est représentée en trois dimensions par une superposition de cinq couches de niveaux de service (voir figure ci-dessous).

Smart Grids Architecture Model – Crédit : ITEMS International

La couche de base correspondant à la couche physique des réseaux électriques. Avec les Smart Grids, des couches déjà présentes dans les modèles informatiques viennent désormais se superposer à cette représentation, avec notamment :

• une couche communication,
• une couche traitement de données,
• une couche applications et services ou couche fonctionnelle,
• une couche métier.

La couche métier issue des modélisations informatiques intègre les processus décisionnels et opérationnels des différentes structures ou organisations.

La roadmap Smart Grids de l’IEC

La Commission Electrotechnique Internationale (IEC) élabore de nombreuses normes internationales intégrant les technologies de l’information dans les équipements existants qui permettent le déploiement des réseaux électriques intelligents. De nombreuses normes dans le domaine des réseaux électriques intelligents ont déjà été publiées par l’IEC, dont certaines sont d’ores-et-déjà fondamentales.

Dans son processus de travail, l’IEC est organisée en comités techniques qui travaillent en étroite collaboration les uns avec les autres. L’IEC s’assure ainsi que chaque écart ou chevauchement est éliminé afin d’arriver à un cadre normatif commun pour les réseaux électriques intelligents.

Créé en 2009 par le bureau de gestion de la normalisation (SMB – Standardisation Management Board), le groupe de travail stratégique de l’IEC sur les réseaux électriques intelligents s’appelle le SyC Smart Energy (anciennement SG 3). Il a pour but de faire des recommandations sur la normalisation dans le domaine des réseaux intelligents, d’identifier les normes existantes, d’assurer la coordination de leurs mises à jour et de fournir des conseils sur de potentielles nouvelles normes internationales dans le domaine.

Il est composé d’experts techniques originaires de 14 pays représentant plusieurs domaines du développement des réseaux électriques intelligents : production de masse, transport, distribution, comptage, clientèle, … Le groupe élabore actuellement une feuille de route pour la conception des réseaux électriques intelligents reposant sur les normes internationales et pour le développement d’un cadre général afin de rendre interopérables tous les systèmes existant et à venir.

Au sein de l’IEC, et du SyC Smart Energy, les organismes nationaux ont le droit de participer aux travaux des différents comités techniques. Les acteurs français y sont très impliqués, notamment au niveau du pilotage avec des entreprises comme EDF, GE Grid Solutions ou Schneider Electric. Le programme de travail du SyC Smart Energy est organisé au travers d’une roadmap interactive (voir schéma ci-dessous) qui fait aujourd’hui figure de référence au niveau mondial.

Roadmap Smart Grids de l’IEC – Crédit IEC

La feuille de route identifie ainsi 88 fonctions tout au long de la chaîne de valeur des Smart Grids. La majeure partie de ces fonctions existent déjà dans les réseaux de distribution, comme les infrastructures de compteurs intelligents (AMI), la maîtrise des pics de consommation et l’efficacité des réseaux. Le standards vise ainsi à les améliorer. En revanche, de nouvelles fonctions sont aussi permises comme l’intégration des énergies renouvelables et la gestion active de l’énergie, qui ont récemment été intégrée dans le périmètre de l’IEC 61 850 (voir partie suivante).

Les standards IEC 61 850 et IEC 61 970

Au sein du SyC Smart Energy, le groupe TC 57 intervient sur les interfaces avec les couches informatiques. On y trouve en particulier deux familles de standards de premier plan pour les Smart Grids :

• IEC 61850 : la gestion des sous-stations,
• IEC 61970 : Communication Information Model (CIM).

Schéma TC 57 – Crédit IEC

IEC 61 850

La norme IEC 61 850 est centrale dans les démarches de modernisation des interventions de contrôle et de protection à distance dans les postes électriques de distribution.

La norme IEC 61 850 propose entre autre le passage de protocoles de communication « master-slave » à des protocoles « client-serveur ». Elle remplace les protocoles propriétaires issus des vagues d’investissement antérieurs par des systèmes interopérables s’appuyant sur une couche IP, supprimant ainsi les soucis d’interfaçage entre les différents équipements. Ce qui permet des économies de gestion opérationnelle mais donne aussi beaucoup plus de flexibilité et ouvre la voie à des installations multipropriétaires.

Cette dynamique, qui concerne les sous stations des réseaux électriques, s’inspire de la vague du «  tout sur IP » qui a touché les réseaux d’entreprise il y a dix ans. Mais la norme IEC 61 850 prend aussi en compte les contraintes métier spécifiques au monde de l’énergie comme la protection ou le monitoring. Avec plus de 200 000 postes de transformation et 30 000 000 de postes sources dans le monde, la norme IEC 61 850 constitue une véritable révolution dans le monde de l’énergie.

La norme IEC 61 850 a notamment été mise en œuvre dans le cadre du démonstrateur Poste Intelligent porté par RTE dans les Hauts-de-France.

IEC 61 970

La norme IEC 61 970 traite de la conception du format des données énergétiques échangés dans les réseaux électriques intelligents. Elle vise à la définition du Communication Information Model, plus connu sous le nom de CIM. De nombreuses publications décrivent ce qu’est le CIM dans l’électricité. On retiendra notamment celles publiées par le CIM User Group.

Un certain nombre de pays ont pour objectif d’avoir un rôle majeur dans le processus de standardisation des Smart Grids, et notamment le CIM. Ils ont le souhait d’aller au-delà de ce que propose l’IEC en définissant des standards complémentaires, généralement à l’intérieur de familles de standards existants. Ils peuvent aussi chercher à développer des profils, c’est-à-dire en précisant les modes d’implémentation d’un ensemble de standards. Ce faisant, ces différentes initiatives ont pour objectif final de peser sur la normalisation de l’IEC dans une recherche de leadership sur certains secteurs clés.

Le groupe de travail Smart Grids de l’ITU

Il existe un groupe de discussion sur les réseaux électriques intelligents à l’Union Internationale des Télécommunications (ITU) en activité depuis mai 2010. L’ITU est l’institution spécialisée des Nations Unies pour les technologies de l’information et de la communication. Pôle de convergence mondial, où se retrouvent pouvoirs publics et secteur privé, l’ITU aide le monde à communiquer, et ce dans trois secteurs fondamentaux : les radiocommunications, la normalisation et le développement.

Le groupe de discussion de l’ITU sur les réseaux électriques intelligents a pour objectif :

• D’identifier les impacts de l’émergence des réseaux électriques intelligents sur le développement des normes dans l’univers des télécommunications ;
• D’encourager la collaboration entre les membres du secteur normalisé des télécoms et la communauté des énergéticiens/acteurs des réseaux électriques intelligents ;
• D’étudier les technologies du secteur concerné ;
• De familiariser le secteur normalisé des télécoms avec les caractéristiques émergentes de réseaux électriques intelligents.

Le groupe de discussion collabore avec l’ensemble de la communauté internationale travaillant sur les réseaux électriques intelligents, par exemple, les instituts de recherche, les forums, les académiques, les consortiums, etc…

Smart City

SSCC-CG

Le Smart Cities and Communities Coordination Group (SSCC-CG) est le pendant de la SG-TF dans le domaine des Smart Cities, à l’exception qu’il ne dispose pas d’un mandat officiel de la Commission Européenne.

Il s’agit d’un groupe de standardisation qui rassemble de manière volontaire l’ITU, l’ISO, l’IEC, le NIST et l’ETSI. Le SSCC-CG vise à la production de documents de référence dans le domaine des Smart Cities. Sa feuille de route actuelle comprend notamment des panoramas technologiques, des études des carences et des mappings des initiatives en cours. Des informations sur le SSCC-CG sont disponibles sur les sites de l’ITU, de l’IEC et du CEN-CENELEC.

FIWARE

Le programme FIWARE est l’un des projets phares de la Commission Européenne. Il s’agit d’une plate-forme middleware et d’une bibliothèque d’API destinée à faciliter le développement d’applications dans les domaines de : la ville intelligente, le transport durable, la logistique, l’énergie et le développement durable. FIWARE souhaite être une alternative libre aux plateformes propriétaires existantes.

FIWARE fournit de l’espace de stockage en ligne et une large bibliothèque de composants : les « Generic Enablers ». Ces composants fournissent des interfaces de programmation d’applications standardisées (API) qui facilitent la connexion à des équipements, traitent des données et des fichiers multimédias en temps réel et à grande échelle. Ils permettent la réalisation d’analyses dit de Big Data ou l’intégration d’interfaces utilisateurs.

Internet des Objets (IoT)

AIOTI

L’alliance AIOTI a été créée sous l’impulsion de la Commission Européenne en avril 2015. Elle réunit aujourd’hui plus de 500 membres. L’ambition de l’alliance est de contribuer à la promotion de la filière européenne de l’Internet des Objets. Depuis le 30 mai 2016, AIOTI dispose d’une structure juridique d’association de droit belge qui lui permet d’être opérationnelle.

13 groupes de travails ont ainsi été constitués pour traiter, entres autres, des sujets de l’environnement, de la silver économie, de la sécurité alimentaire, de l’agriculture, des wearables, de la ville, de la mobilité, de l’eau, de l’énergies et du bâtiment.

Plus d’informations sont disponibles sur le site de l’AIOTI.

One M2M

Huit organismes historiques de standardisation, dont l’ETSI (UE) et l’ATIS (US), se sont regroupés au sein de la plus grande initiative de standardisation de l’Internet des Objets : OneM2M. Ce groupement mondial vise à standardiser l’ensemble des échanges informatiques de tous les domaines liés à l’Internet des Objets : santé, domotique, industrie, énergie, … La structure rassemble plus de 200 partenaires industriels qui apportent leurs ressources et expertises.

L’association OneM2M s’est donnée pour objectif de définir une couche service qui a vocation à fournir aux opérateurs de services de communication un socle commun pour un large éventail d’applications : Smart Grids, voiture connectée, télésanté et télémédecine, bâtiment intelligent et gestion de la consommation énergétique, logistique, sécurité publique, etc… Au sein de l’association OneM2M, cinq groupes de travail planchent respectivement sur les spécifications d’architecture technique, de protocoles, de sécurité, de gestion, d’abstraction, de sémantique et d’exigences.

Le premier jeu de spécifications de OneM2M a été publié en 2014 avant d’être mis à jour en 2016.

All Seen Alliance

La All Seen Alliance est une initiative de standardisation issue du monde industriel. Les initiatives privées comme la All Seen Alliance sont qualifiées d’initiatives “de facto”. C’est à dire qu’elle vise à établir un standard sans passer par les organismes de standardisation traditionnels. La All Seen Alliance  regroupe des acteurs de premier plan comme Samsung, Electrolux, LG, Intel, … Elle œuvre notamment à la conception du AllJoyn Framework, qui fournit à ses utilisateurs un série de fonctions de base pour la création d’applications pour l’Internet des Objets. La All Seen Alliance couvre déjà, de par ses membres, une très large gamme d’industries. Le AllJoyn framework permettra à terme le développement d’applications standardisées, mais aussi le développement d’interfaces propriétaires.

Smart Homes

SAREF

Dans le domaine de la Smart Homes et des Smart Appliances, La Commission Européenne a lancé un vaste programme visant à la création d’une ontologie de référence. Il s’agit de la démarche SAREF (pour Smart Appliances REFerence ontology). Cette initiative a été reprise par plusieurs initiatives de référence en Europe et dans le monde, comme OneM2M ou l’IEC. Au travers de cette ontologie, la Commission Européenne souhaite développer l’interopérabilité pour les usages des objets connectés. Elle souhaite aussi garantir que des fonctionnalités en faveur de l’efficacité énergétique, ou tout autre sujet allant dans le sens de l’intérêt public, soient demain possibles.

Mobilité électrique

Le monde de la mobilité électrique est lui-même le théâtre de diverses initiatives de standardisation. La mise en œuvre de la mobilité électrique nécessite des échanges d’information entre de nombreux dispositifs et acteurs tout au long de sa chaîne de valeur. Pour chacun de ces maillons, des initiatives de standardisation se sont mises en place pour répondre aux challenges qui y ont lieu.

OCPP

Le standard ouvert Open Charge Point Protocol (OCPP) a été mis en place par la Open Charge Alliance (OCA) dès les années 2009. A l’initiative de la fondation Elaads, un groupement de distributeurs d’électricité hollandais, il est aujourd’hui utilisé par de nombreux acteurs de la mobilité électrique en Europe. Ce standard porte sur la connexion entre les bornes de recharge et leurs outils de supervision. Principalement destiné aux opérateurs de bornes de recharge et à leurs constructeurs, OCPP s’est imposé comme la référence du domaine, même si des alternatives, propriétaires ou non, existent.

OCPI

Le Open Charge Point Interface (OCPI) est un standard ouvert qui vise à la connexion des opérateurs de recharge et des fournisseurs de mobilité. Mis au point par la Netherlands Knowledge Plateform (NKP), OCPI est issu d’un consortium composé de plusieurs acteurs hollandais de la mobilité électrique, dont Elaads et la ville de Amsterdam. Le standard est moins développé que OCPP mais ses applications sont de plus en plus courantes. OCPI permet aux utilisateurs d’un fournisseur de mobilité d’avoir accès à de multiples infrastructures de recharge grâce à une communication standardisée.

Smart Charge

La Smart Charge, c’est à dire la capacité de piloter à distance la charge d’un véhicule dans le but d’en améliorer le fonctionnement ou d’en faire profiter les systèmes associés, est un des grands sujets de la mobilité électrique. Une de ses applications les plus attendues est la mise à profit des véhicules électriques pour la stabilisation des réseaux électriques et l’intégration des énergies renouvelables. Diverses structures travaillent activement à la mise au point d’un tel procédé, comme le SyCSmartEnergy de l’IEC, OCA ou NKP. L’enjeu est cependant relativement complexe car il nécessite une communication en temps réel entre des acteurs de la mobilité et des acteurs du monde de l’énergie. Des arbitrages réglementaires sont attendus afin de permettre au concept d’atteindre son véritable potentiel.

eMI3

eMI3 est un groupe de travail européen qui a été créé par des partenaires du projet Green e-Motion de la Commission Européenne. Il s’agit d’un panel technologique d’experts de toute l’Europe qui travaille à la standardisation de l’ensemble des échanges informatiques dans le domaine de la mobilité électrique. eMI3 a publié en 2015 la version 1 de son standard. Elle contient, entre autres, une roadmap générale de l’ensemble des fonctions attendues par l’écosystème de la mobilité électrique. La structure travaille actuellement sur la définition de Use Cases de référence, notamment sur la Smart Charge.

ITEMS International pour Think Smartgrids