Luận văn vers la prise en compte des attaques de sécurité dans les compteurs intelligents du smart grid

Pour analyser l’impact des attaques dc sócuritós, l'utilisation de simulateur est une solution Dans ce travail, nous fournissons I’étude de Fétat de l'art sur les techniques de simulati

NGHIEN CUU CAC TAN CONG AN NINH BANG BO DO

THONG MINH CUA LUOI THONG MINH

Spécialité : Réseaux et Systemes Communicants Code: Programme pilote

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES DU MASTER INFORMATIQUE

Sous la direction de : Dr Vanea CHIPRIANOV, Maitre de conférences

Lu et validé, bon pour la soutenance

HANOI — 2015

ATTESTATION SUR L’HONNEUR

Jatteste sur honneur que ce mémoire a été réalisé par moi-méme et que les

données et les résultats qui y sont présentés sont exacts et n'ont jamais été

publiés ailleurs La source des informations citées dans ce mémoire a été bien

précisée

LOL CAM DOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả

nêu trong Luận văn là trung thực vả chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ

REMERCIEMENTS

Je tiens 4 remercicr tout d’abord Monsicur Nguyon Hong Quang, Professeur d’informatique a l'Institut Francophone Intemational (II), Université Nationale du Vietnam, Hanoi, qui m’a recommandé pour cette offre

de stage

Je remercie Monsieur Vanea CIDIPRIANOV el Monsieur Laurent GALLON, Mailre dc ~~ conférenecs, = Département r

télécommunications, IUT des Pays de l'Adour, Mont-de-Marsan, France, pour

leur encadrement sans faille, le suivi qu’ils ont apparté 4 mon stage, leurs

conseils, les nombreuses discussions que nous avons pu avoir tout au long de

la réalisation de ce stage, aussi pour Pinspiration, et pour le temps qu’ils ont

AUX ch

bien voulu me consacrer

Je souhaile remercicr Monsicur Shidoush SIAMI Prolesscur agrégeé, Monsieur Patrick CHARRIN, Assistance technique, Département réseaux et

télécommunications, |U'T des Pays de l'Adour, Mont -de-Marsan, France, qui

mont donné des connaissances dans le domaine de réseau électrique

Je tiens 4 remercier Jamal EL ILACIIEM, Doctorant, LIUPPA, Université de Pau ct des Pays de Adour, Mont-de-Marsan, France, pour ses

aides a plusieurs reprises

Enfin, j’adresse mes plus sincéres remerciements 4 ma famille, qui m’a toujours soutenue et encouragée au cours de la réalisation de ce mémoire.

RESUME

T.c Smart Grid cst considéré comme le réscau électrique de prochaine génération qui utilise les flux bidirectionnels de I'électricité et de l'information

pour order un réseau de distribution d'énergie automatisé largement distribué II

a été proposé comme une solution pour la diversité croissante des sources délectricité Aujourd'hui, les sources d'électricité comprennent non seulement

les centrales au charbon et les centrales nucléaires, mais aussi l'énergie

renouvelable comme les pares éoliens et les panneaux solaires L’électricité est

de plus en plus produite non seulement par les producteurs traditionnels

comme les contrales Glectriques mais aussi les consommatcurs lraditionmels qui pouvent installer des panncaux solaires ou des turbines éoliames sont

devenucs ainsi les producteurs d'clectricité Ccla souléve la nẻcessté dc

transmission d’électricité dans les deux sens du producteur traditionnel au

consommateur traditionnel et a inverse |.’information sur la consommation,

la production, et les commandes de control sera aussi transmise dans les deux

sens C’est pour cela que les nouveaux appareils comme les compteurs

intelligents ont éé proposées

Cependant, la distribution de ces nouveaux appareils souléve les défis

sur la protection, la sécurité, la confidentialité, et les attaques informatiques

Par exemple : L’attaqueur qui compromise le compteur intelligent pourrait

changer information sur leur consommation ou production pour gagner argent ou demander a plusieurs compteurs intelligent de se déconnecter ou reconnecter qui pourrait causer le probléme sur la stabilité et l équilibrage đu

réseau élecirique cl probablement conduire au probléme de grande coupure

đélcctrn

ité Pour analyser l’impact des attaques dc sócuritós, l'utilisation de simulateur est une solution

Dans ce travail, nous fournissons I’étude de Fétat de l'art sur les

techniques de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, faisons

le choix d’un simulateur correspondant le plus 4 nos besoins ct développons

certains modules nécessaircs pour la simulation du compteur intelligent Finalement, nous proposons un cas d’atlaque de sécurité ct analysons les impacts potentiels sur le réseau électrique du Smart Grid

m

ABSTRACT

‘the Smart Grid is regarded as the next generation power grid which uses

two-way flows of electricity and information to create a widely distributed

automated energy delivery network It has been proposed as a solution for the increasing diversity of sources of electricity Nowadays the sources of electricity comprise not only coal plants and nuclear plants, but also the

renewable energy like wind (arms and solar pancls More and mure, the clectricily is no longor produced by only traditional producers like plants, bu

also al the tradiional consumers who can install solar panels ur wind-powered

turbines, thus becoming electricity producers ‘Ihis raises the need for

electricity to be transmitted in hoth ways from the traditional producer to the

traditional consumer and in the opposite way as well ‘the mformation like metering data about the electricity produced and consumed and control

commands has to be transmitted as well in both ways For this, new devices

like smart meters have been proposed

However, the distribution of smart meters raises new challenges for their

protection, safety, privacy, and cyber-attacks For example, Hackers who compromise a smart meter can immediately manipulate their energy costs, fabricate generated energy meter readings to make money, or ask several smart meters to disconnect or reconnect remotely which could cause the problem on

the slabilily and balancing of the electrival network and probably lead to large

power outage problem To study such altacks, one way is 1o use simulators

In this work we provide the study on the state of art of the existing simulation techniques and simulators for the Smart Grid, choosing a simulator corresponds the most to our needs and develop some module necessary for the

simulation of the smarl meter Finally, we propose a securily atlack case study

and analyze the potential impacts on the power network of Smart Grid

TABLE DES MATIERES

TABLE DE8 EIGURBB cài nhọn teen vii LISTE DES TABLEAUX vvessscssssssnesssensetenivteseeeesamotaetstneeinet vi

1.12 Tnũasuuoture du Sntart Giid Hee 13

1.1.4 Compteur imielliesni (Smart Meler) con reo ? 1.2 Motivatiơnetobjeeti ccocoonieiniirriersrree 18

31 Techniques de simulation et simulateurs existants 12

21 Smmnlaeurs để rêseaux de cortiriealtorg i[OrTttalijtlos 13

2.1.2 Nouveaux simulateurs développés pour le Smart Grid 14

2.1.3) Inligration des modules électriques au simulateur de réseaux

CIIAPITRE 3 - 22

3.4 Hvaluation du SCORE ccsecssscssssessssiiessieesceassteecsseesveeeiase 32

4.1 Scénario du réseau électrique pour le cas d'attaque 33 4.2 Scénario du cas datfague et résultat obtenu M -38

TABLE DES FIGURES

Figure | : L’évaluation de la production 4’ énergie de la France (Source [3])

Figure 2: La structure duréscan électrique (couche 1) 3

Figure 3 : La structure du réseau de communications du Smart Grid (couche 2)

Figure 4 : Linky le compteur intelligent de la France

Figure 5: 1 interface ulilisalour graphique de SCORF|29]

Figure 6 : L’ interface utilisateur graphique de CORK source[53]

Figure 7 : L’architecture de SCORE[29]

Figure 8 : Diagramme de classe de fonctionnalité développé

Figurc 9: La Iiste dus Íichien log đanalyse -

Figure 10 : Log de la production totale du réseau électrique

Figure 11 : Log de loffre et la demande électrique totale dans le réseau 6lectrique30 Figure 12 : Log de la demando électrique souhaitée de chaque maison 30

Figure 14 : Log de la production électrique de chaque maison 31

Figure 16 : Le réseau électrique simulé pour le cas đattaque đe sêourit 34 Figure 17 : La demande d’électricité moyenne quotidienne au Royaume “Unis[58]36 Figure 18 : Le profil de consommation d’ énergie sirmulé 36 Figure 19 : Le profil de production d’énergie simul

Figure 20 : Le point de la connexion des attaquants dans le réseau Slectrique 39 Figure 21 : Te réseau électrique avant Ïattaque

Figure 22 : Le réscau électrique pendant l’attaque

Ligure 23 : Le résultat du cas d’attaque pour la premiére exécution

Figure 24 : Le résullal de la production pour la premiére exéeulion

Figure 25 : Le résultat du cas d’attaque pour la deuxiéme exécution

Figure 26 : Le résultat de la production pour la deuxiéme exécution

LISTE DES TABLEAUX Table 1: La table des critéres de choix de simulateur

vill

CHAPITRE 1

INTRODUCTION

De nos jours, ’électricité est un facteur nécessaire et important pour la vie

quotidienne des gens, les entreprises, et le développement des pays De plus, la demande de I’énergie électrique mondialement est de plus en plus augmentée, La production d’énergie totale en 2009 [1] a montré que la grande majorité de la production d’énergie électrique mondiale est basé sur le charbon, le gaz naturel et le

pétrole couvrant 67% L’énergie mucléaire couvre 13%, et les centrales

hydroélectriques couvrent 16%, tandis que la production d’ énergie par les ressources

renouvelables comme I’ énergie solaire, éolienne et géothermique couvrent seulement

3%

La France est un des pays Européens qui produisent T'énergie électrique

principalement dans les centrales mucléaires [2] comme le montre la Figure 1, Selon

[3] 73% de lélectricité produite en 2013 en France est nucléaire, 8% sur le charbon,

le gaz naturel et le pétrole, et 18% sur l’énergie renouvelable et Ï'hydroéleetrique

La tendance de Ilutilisation de plus de 'énergie renouvelable (énergie vert) et

l'utilisation de maniére efficace est un facteur qui pousse le gouvernement a considérer la nouvelle génération de réseau électrique qui serait plus intelligent, contrélable et facilite l’intégration de la production local varié et distribué, par

exemple l’énergie solaire et I’éolienne peuvent étre installé localement au tour de la

maison du client qui est done devenu fournisseur d’électricité Cela a pour objectif de

diminuer la production principale qui crée beaucoup de pollution annuelle, de remplacer la production basée sur les ressources non-renouvelables qui sont de plus

en plus diminué, et d’éviter le grand pourcentage de perte d’énergie lors de la transmission et distribution a grand distance Cela est la motivation principale du

“Smart Grid”

Electricity generation

"Coal, gas and oi!

[ll Renewables, including hydro

19701975 1980 1985 1990 1995 20002005

Figure 1 : L’évaluation de la production d’énergie de la France (Source [3])

11 Smart Grid

1.1.1 Definition du Smart Grid

Il existe plusieurs définitions de la notion “Smart Grid”, par exemple la définition de Union Européenne, Je Smart Grid est un réseau d'électricité qui peut

intelligemment intégrer les comportements et les actions de tous les utilisateurs pour

assurer l'approvisionnement en électricité durable, économique et sécurisé [4], Alors que I'US Department of Energy indique que le Smart Grid est un réseau intelligent

qui utilise la technologie numérique pour améliorer la fiabilité, la sécurité et

lefficacité du systéme d’électricité [5] Alors, sur le point de vue global, le Smart

Grid est la nouvelle génération de réseau électrique qui combine des technologies de communications avaneés et des technologies électrique ensemble Le Smart Grid a la capacité de supporter le flux bidirectionnel de I’énergie et l'information pour

améliorer la qualité d’énergie distribuée, la fiabilité, l'isolement, et la restawation des

pannes de courant plus rapidement Le Smart Grid facilite aussi l'intégration des

sources d'énergie renouvelables dans le réseau électrique, et l'autonomisation des

consommateurs avec des outils pour observer la variation de prix d’électrique en temps réel pour optimiser leur consommation d'énergie [4][6]

is)

1.1.2 Infrastructure du Smart Grid

Le Smart Grid est un systeme complexe qui se divise en plusieurs couches [7]

(1) La couche de réseau électrique comprenant la production, la transmission, la distribution et la consommation d’énergie (2) La couche de communication qui

permet la bidirectionnalité de flux de communication (3) La couche de contréle de

puissance qui permet la surveillance, le contréle, et la gestion de fonctionnements du

réseau électrique (4) La couche de sécurité qui fournit l’authentification, intégration, confidentialité, et disponibilité de données (5) La couche d’application qui distribue

les applications aux consommateurs et la compagnie d’électrique basé sur

Figure 2 : La structure du réseau électrique (couche 1)

La vue global de la couche réseau électrique est montre sur la Figure 2 et le détail bref de chaque partie est suivant [8][9]

¢ La production d’énergie : C'est la partie qui joue le réle de fournisseur électrique principal dans le réseau électrique La grande quantité d’énergie est

produit a partir de la centrale mucléaire, la centrales hydroélectrique, le charbon, le gaz naturel, le panneau solaire, l’éolien, la géothermie et l'autre

pour pouvoir répondre a la grande quantité de la demande de consommation

3

quotidienne La production d’énergie se divise en 3 types [10] : la production

de base qui fournit I’électricité 4 sa puissance maximale pour la consommation

de base, la production semi-base qui fonctionne quand la demande dépasse la

capacité de la production de base, et la production de pointe qui fonctionne

pendant les courtes périodes de demande de pointe dans la journée

© La transmission d’énergie : qui joue le rdle de transmission d’énergie de

haute tension a travers la distance longue entre la partie production et distribution

¢ La distribution d’énergie : qui joue le réle de transformation d’ énergie a la

basse tension et distribue aux villes, entreprises, usines et maisons

© La consommation: ce sont les compteurs électriques qui jouent le réle

important dans cette partie pour mesurer la consommation d’énergie des

maisons, entreprises, usines et d’autre

Figure 3 : La structure du réseau de communications du Smart Grid (couche 2)

Pour la couche de réseau de communication, dans le cadre de notre travail, nous allons nous concentrer seulement sur I'infrastructure de comptage avancée ou

AMI (Advanced Metering Infrastructure) Selon [4][7] la communication sous AMI est divisée basé sur leur application en 3 parties suivantes :

¢ Réseau de domicile : Cest un réseau de communication entre le compteur

intelligent et les appareils électriques intelligents qui se trouvent dans la région

de domicile Tous les appareils électriques intelligents fournissent les informations sur leur consommation d’énergie et les envoient au compteur

4

intelligent A travers le réseau de donucile permettant au propriétaire de la maison de pouvoir Ies regarder sur dora d’allichage, el de pouvoir gérer son comportement de consommation ou contréler ses appareils électriques a réagir

périodiquement basé sur Je changement du prix d’électrique en temps réelle

Le compleur intelligent échange périodiquement ou manuellernent

Tinformation avec la compagnie d’électrique @ travers le réseau AMI La

bande passante nécessaire demandée sur ce réseau est entre 10 4 100 Kbps et les technologies de communications intéressantes qui peuvent répondre au

besoin du réseau de domicile sont ZigBee, Wi-fi, Bluetooth, 6LoWPAN, et Z-

Wave Mais la majorité des chercheurs considerent que ZigBee est la technologie la plus convenable

* Réseau de voisinage : C’est un réseau de communication entre les compteurs intelligents et le concentrateur de données La bande passante nécessaire est environ 100 - 1000 Kbps Selon [11] les technologies les plus utilisées en Europe ct Amérique du nord sont CPL (Courants porteurs cn ligne) et RF (Radio Frequency) Par exemple, la France, PItalic, ct la Suéde, la Chine, ot la

Corge du sud choisi

emt Ja technologie PLC, Trlande fait la combinaisou

entre CPT, ef RF, ef TP Austrahe choisil RF pour la phuparl des compleurs

imelligents dans son pays

« Réseau de prande distance : C’esl un réscan de commumcalion crtre lex

concentraleurs des données ef les récepleurs de dormées de consommation de

la compagnie d’électrique Ensuite, les données de consommation sont

stockées, calculés, et les clients sont facturés La bande passante nécessaire est

environ 10 — 100 Mbps Selon [11] la technologie la plus utilise est la

1.13 Caractéristiques du Smart Grid

Pour améliorer le fonctionnement du réseau électrique taditionnel sur la fiabilité, "économie, I’efficacité, la sécwrité, et la protection de Fenvironnement, Le Smart Grid posséde des technologies de solution suivantes [12]

@ AMI (Advanced Metering Infrastructure) :

C'est un systéme de mesure et collection de données de consommation électrique avancée Ce systéme se constitue de compteur intelligent đu côté de client qui fait la lecture de données de consommation et de prix d’électrique en temps réel, fait la détection de panne de courant et de vol d’électricité, fournit les communications bidirectionnellcs entre le client ct la compagnie électrique,

ct fournit le systéme de gestion de données regus qui rend l'information disponible aux services

* CSS (Customer Side Systems) :

C’est un systéme de gestion de la conmommation dénergic du cdté de client permellant VafGichage do Vinfonmation sur sa consommation d’énergic on

temps récl ct la gestion de son comportement de consommation à travers

l'appareil In-home display

« EV (Ekeciric Vehicle charging systems) :

C'est un systéme de chargo/décharge de la, batleric Pune voiture électrique 1

ya 4 modes dopération - G2V (Grid to Vehicles), V2G (Vehicles to Grid), S2V (Storage to Vehicles), et V2S (Vehicles to Storage)

© ICT (information and Cammunication Technology integration) +

Ceo sont les 8)

Irarsmt

mes ds commurcalions qui supportent loulcs les

ions de Tinformation on temps récl pour que la compagnie délectrique puisse uliliscr, gérer, ealculer, controler, ct planificr le réseau électrique de maniére efficace

* Surveillance, mesure et contréle de zone large :

C'est um systéme de surveillance, de mesure, et de contrdle pour les réseaux électriques globaux pour optimiser Je fonctionnement des composants du

réseau électrique, et leur comportement et performance Par exemple : WASA,

WAMS, WAAPCA.

1.1.4 Compteur intelligent (Smart Meter)

Figure 4: Linky le compteur intelligent de la France

Sur Pinfrastructure de comptage avancée ou I’AMI, le compteur intelligent

est un appareil indispensable qui se trouve dans la maison de consommateur qui

permet généralement de mesurer la consommation ou la production d’énergie Le

compteur intelligent est équipé avec la technologie de communication bidirectionnelle qui permet I’automatisation, le contrdle, et la lecture de donnée a

distance qui peut aider la compagnie d’ électrique d’enlever le paiement pour l’effort envoyé pour la lecture de donnée de consommation a chaque maison et permettre de

faire la facturation mensuelle basé sur les données réels au lieu de données estimés

[13] Un compteur intelligent a I’intervalle de l’envoi des informations détaillées sur

la consommation d'une fois par jour ou dans chaque 15 minute Avec cette informations la compagnie d’électrique peut identifier le modéle de consommation

irréguliére qui indique la fraude (I’ électrique volé) et I arréter

De plus, grace 4 la communication bidirectionnelle la compagnie d’électrique

peut déconnecter ou reconnecter le compteur intelligent 4 distance au cas des factures impayées, de la fraude, ou dans la situation d'urgence [13][14] Avec le compteur

intelligent, la compagnie d’électrique peut fournir le prix et l'information en temps réel sur la consommation d’un consommateur qui va étre affiché sur I’écran dans la

maison, sur le site internet ou le logiciel de téléphone portable, et qui pourrait

influencer le comportement du consommateur & consommer I’énergie quand le prix esl moins cher

Traditionnellement, la compagnie d'électrique a peu dinformation sur la partie du réseau de distribution d’électrique Avec le compteur intelligent qui peut envoyer l'information en temps presque réel sur la production distibué et la consommation courant La compagnic d’électrique peut surveiller I'intégration de la production distribué qui powrait causor la fluctuation de la production d’énergic ot causer Je probléme de l'équilibrage entre la production et la demande d’électricité dans le réseau électrique [13]

1.2 Motivation et objectif

Dars infrastructure de comptage avancée (AMI) du Smart Grid, le compteur intelligent est un nouvel appareil équipé avec Jes nouvelles fonctionnalités de gestion,

de surveillance, et de contréle qui sera distribué pour remplacer les compteurs

Gleotriques traditionnels La distribution de ce nouvel appareil souléve les défis sur Ta

protection, la séeurité, la confidentialilé, ef les atlaques informatiques Par exemple L’attaquent qui compromise Je compteur intelligent pourzait changer |’information sur leur consommation ou production pour gagner V'argent ou demander a plusieurs compteurs intelligent de se déconmecter ou reconnecter qui pourrait causer le probléme sur la stabilite et l'équilibrage du réseau électrique et probablement conduire au probléme de grande coupure d'électricité Pour étudier et analyser le

résultat d’attaque de sécurité, l'utilisation de simndateur est une solution

Done, dans le cadre de notre travail, d’abord, nous commengons par une recherche bibliographique sur les techniques de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, faire le choix d’un simulateur correspondant le plus 4 nos besoms

et développer certaines modules ou fonctiounalités manquant Puis nous proposons

un cas d’allaque de séourilé cl analysons les impacts sur le réscau Clectrique du Smart

Gn.

1.3 Problẻmaiique

Les nouvelles technologies viennent toujours avec les nouveaux défis de sécurités Le compteur intelligent est équipé avec beaucoup de nouvelles fonctionnalités pour faciliter la gestion de réseau électrique et I’intégration de Vénergie renouvelable Done, nous intéressons aux problémes de sécurités du compteur intelligent particuliérement sur impact entier du Smart Grid dans le cas d’attaque informatique

Selon [8] 'equipe de NIS' a divise 'objectif de sécurité dans le Smart grid en

« Intégrité: La protection contre la modification ou la destruction de

surer la nonerépudiation de t

et de lauthenticité Une perte de lintégrité est la modification ou la

destruction non autorisée de P'information qui peut en outre induire une mauvaise décision sur la gestion de puissance

sur Taccés et la

« Confidentialilé : Préserver fes restrictions auforisées

divulgation de linformation est principalement de proléger Ja vie privée

et des informations confidentielles Ceci est particuliérement nécessaire

pour empécher la divulgation non autorisée d'informations qui ne sont pas ouvertes au public et aux particuliers

Du point de vue de la sécurité, Ja fiabilité, la disponibilité, et lintégrité du systéme sont les objectifs de sécurité les phis importants dans le Smart Grid Les problémes de sécurités sont variés selon chaque partie du Smart Grid Dans ce travail, nous nous concentrons particuliérement sur le probleme de sécurité du comptew intelligent qui sc trouve dans le réscau AMI dus Smart Grid

© Traitement des documents électroniques

© Image et la visualisation scientifique

Les membres constituant le LIUPPA sont répartis sur différents sites situés ả :

Le LIUPPA est structuré en 2 équipes : MOVIES et T2I Et ce sujet de stage a

été proposé par l’équipe de MOVIES qui se trouve au site de l'Institut Universitaire

de Technologie des Pays de I’ Adour a la ville Mont-de-Marsan, France

10

1.5 Plan du document

Ce mémoire de fin d’études comprend de 5 chapitres Les 4 chapitres restants

sont organisés comme la suite Le chapitre 2 présente !’état de Vart sur les techniques

de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, et nos critéres de choix

do simulatew Le chapitre 3 porte sur la présentation on détail sur le simulatour choisi, les nouveaux modéles et fonctionnalités qu’on a développés, et Pévaluation

du SCORE, Le chapitre 4 porte sur explication du scénario du réscau électrique pour notre cas d’aflaque, le scénario du cas @altarque, ef Panalyse du résullat, obtemu,

Le dernier chapitre porte sur la conclusion de toul ce qu’on a fait, el le travail futur

CHAPITRE 2

ETAT DE L’ART

Actuellement, ils existent des Lechniques ef des simulaleurs pour [aire la modélisalion ef simulation de réseau de communications du Smart Grid Chaque

technique et simulateur a ses propres avaniages et inconvénients Normalement, le

fait de choisir un simulateur est basé sur nos besoins spécifiques Dans oe chapitre, nous allons expliquer en détail Jes techniques de simulation et tes simulateurs

existants

2.1 Techniques de simulation et simulateurs existants

Dans le domaine de réscau électrique el de réseau de communication, charue domaine posséde leur propre simulateur pour la modélisation et simulation de son systéme qui permet l'aralyse de la performance, de tester le fonctionnement ou la sécurité de nouvelle application avant de la déployer dans le systéme réel Par contre,

le Smart Grid est la combinaison entre les deux domaines Avec un simulateur

individucl spécifiquement dans un domaine, on pout sculoment simuler ou modélisor ume partie du Smart Grid Par exemple : on peut utiliser les simulateurs de réseau de

communication comme NS-2 pour sunulcer la transmission de domécs, la

performance, ou Ie cas @attaque de sécurité de Ja communication mais onne peut pas simuler fe comportement, la réaction, et Pimpacl entre les deux domaines Par exemple : On ne peut pas simuler Pimpact sur le réseau électrique au oas ott ily a quelque probléme sur le réseau de communication et A Vinverse Done, on a besoin

de nouveatt simulateur et technique de simulation spécifique pour le Smart Grid

Sclon le papier de synthése de [4], il cxiste plus do 23 simulateurs et extensions pour le Smart Grid Ces simulateurs comprennent les nouveaws simulateurs développés spécifiquement pour le Smart Grid, les extensions développés pour un simulateur individuel de réseau informatique ou électrique permettant de simuler Ja partie manquante, et la co-simulation entre les deux types de simulateur

pour pouvoir réutiliser leurs capacités existantes

Pour notre travail, nous prenons en compte seulement les 14 simulateurs qui sont open-sources, réutilisables, adaptables, et cohérents le plus & notre cas P’attaque

intéressé Car il existe d’autres simulateurs et extensions qui sont développé

12

spécifiquement pour leur machine testbed, pour un objectif spécifique, ou une partie spécifique du Smart Grid qui ne soni, pas dans Ja porlée de notre cas d’élude Les

détails sur chaque simmulateur choisi sord présentés dans e¢ qui suit

2.1.1 Sinvulateurs de réscaux de communications informatiques

Certains simulatews de réseau de communication incluant les simulateurs open-sources et commercian sont utilisés pour faire la modelisation et la simulation

pour Tarulyse de la performanee de réscau de communication, Pamalyse do la

transmission des dormées, Panalyse de la

urité, et Lesler les nouveaux prolocoles

pour le Stnart Grid Tes deux simulateurs open-sources suivants sont les simulatcurs

le plus utilisés dans ce domaine

NS-2 [15] est un simulaleur operesource Irés ubilisé dans le domaine de

simulation de réseau de communication On utilise le langage C1! pour le développement de nouveau algorithme, protevole ou modéle Le TCT script est

utilisé pour configurer des paramétres de configurations Dans le cas du Smart Grid,

i] existe pas mal de travail scientifique quia utilisé NS-2 pour évaluer la performance

de réseau de communication entre les compteurs intelligents, par exemple : Dans [16]

NS est utilisé pour simuler le réseaux de communications entre les compteurs intelligents et le concentrateur de données pour évaluer sa capacité et performance

Dans [17] NS-2 est utilisé pour simuler le réseau de communication entre les

compteurs intelligents 4 base de capteur pour évaluer J'efficacite de gestion puissance

consommeéc Dans [18] NS-2 est utilisé pour simuler un réscau de commumealion

en ulilisant larchilecture bas

OMMNeT11 (Objective Modular Network Testbed in C ) [19] est un simulateur open-source développé en Cl | Le modéle de simulation de OMNeT | | est le modéle hiérarchie, Done la modélisation et la simulation est divisé en deux partie différentes La modélisation est écrite en code de langage Ci | Mais pour Ja simulation est trés simple, aprés avoir un modéle, on peut faire une simulation d’un réseau de communication 4 travers V’interface utilisateur graphique (GUI) et cela prend moins de temps pour le développement et diminucr la complexité quand Ja simulation ost devenuc de plus en plus grande Pour Ic Smart Grid, il existe beaucoup

de travail qui ont ulilisé OMNeT : | par exemple dans [20] le module pour simmuler un

grand réseau de counmmusicalions ere les compleurs intelligents a 1é développé

13

pour analyser et évaluer le probleme de recherche le plus cout et efficace chemin

dans un réscau maillé (Mesh Network) basé sur la position géographique récile des compieurs intelligenls dans chaque maison, cl puis identifier Tex goulois d'étranglement potentiels et les charges maximales dans le réseau Dans [21] OMNoT++ est utilisé pour simuler un modéle de conmumisation de la technologie CPL (Courants porteurs en ligne) pour évaluer sa performance Dans [22] OMNeT 1 est utilisé pour simuler un résean AMI pour évaluer la conséquence sur la

communication dans le cas d’attaque de sécurité DoS,

D'aprés les travaux mentionnés ci-dessus, on voit bien que dans le domaine de

simulateur open-source, NS-2 et OMNeT| | est trés utilisé pour simuler les réseauc

de communications du Smart Grid qui n’a pas de lien ou d'interaction avec le fonctionnement du réseau électrique

2.1.2 Nouveaux simulateurs dévcloppés pour Ie Smart Grid

Ce sont les simulateurs qui sont développés spécifiquement pour la modélisation et simulation du Smart Grid Car c'est le nouveau développement Done, ce type de simulateur manque encore beaucoup de capacité par rapport aux simulateurs individuels spécifique pour un domaine Alors, ils ont besoin encore beaucoup de developpement

GridLAB-D [23][24] est un simulateur open-source basé sur approche de modélisation base dagents C’est un nouvel outil de simulation de réseau de distribution électrique du Smart Grid qui foumit des avantages sur les nouvelles technologies et les techniques de modélisation avancé du Smart Grid Par exemple :

la tcchnologic de modélisation de charge dlutilisalion fimale, de fue de puissance

cl de systime de marché de dé

qui congoivent cl exploitent des systémes de transmission et distribution de puissance

de recevoir les informations précievses pour Vanalyse GridLAB-D foumit Lenvironnement de simulation qui permet I’intégration avec une variété d'outils tiers,

et combine des modéles d'utilisation finale et des modéles d’automation de distribution d’énergie ensemble [25] Dans [26] GridL AB-D est utilisé pour modéliser

et simuler un réseau électrique et son comportement dé charge pour estimer les avantages de déploiement du systéme de réduire la consommation d’énergie qui s’appelle VVO (Volt-VAR Optimization) Dans |27| GridLAB-D est utilisé pour simuler un systéme de tarification en temps récl du Smart Gird pour ['objectif' de

é de client mais aussi du c6té de

dimunuer le prox de |’électricilé non seulement du

la compagnie électrique Dans [28] Grid AB-D est ulilisé pour modéliser ef simuler

14

un projet de voitue électrique pour une résidence et analyser le probleme de

surcharge dans la résidence D’aprés les travaux mentiounds ci-dessus, on voit bier

que GndLLAB-D esi trés utilisé pour la modéhsation et simulation du de réscau

électrique du Smart Grid I n’existe pas encore de module de communication dans

GndLAB-D au moment de fait la recherche Done, il n’y a pas encore de travail

concernant la communication ou linteraction entre les deux types de réseau du Smart

Gnd

SCORE (Smart Grid Common Open Research Emulator) [29] est un trés

nouveau émulateur temps-réel développé pour la modélisation et simulation des comportements et les interactions entre le réseau électrique et le réseau de communication du Smart Grid SCORE se constitue des composants principales

suivants

» Vinterface utilisateur graphique (GUD) qui permet a Putilisateur de

simuler un réseau de commumesiion ou un réseau électrique en faisant

quelque clique sur Pécran ee quiprond moins de temps pour la simulation

et le développement

« La couche service qui permet a V’utilisateur de customiser, modifier et choisir quelques services par exemple pour un nouveau modéle d’un appareil

e Les modules de réseau de communication, cc sont les technologies pour

la communication comme les protocoles, les techniques de transmission, les modéles @’appareil de communications

» Les modules de réscau électrique, ce sont les technologies pour les

réseaux électriques comme le modéle de production, de transmission, de calcul de perte, de stockage, et de consommation d ‘électricité

Dars [29] SCORE a été utilisé pour émuler un cas a’ étude sur application de

la variation du prix 4’électrique en temps réel dans un réseau de distribution de Smart Gnid pour évaluer interaction entre la production (la centrale électrique, I'éolien, le panneau solaire), le stockage, la transmission, la voiture électrique, et la consommation dans une maison lorsque le prix d’éleotrique change pendant la journée Done, SCORE est un bon émulateur qui permet la modélisation ot simulation cntre le réseau électrique ct Je réscau de communication

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2.1.3 Tntégration des modules électriques au simuksteur de réseaux

formatiques

Ce sont les nouvelles extensions qui sont développées pour les simulateurs de réseau de communication informatique pour soutenir la modélisation et simulation de réscau électrique Avec co type d’oxtension, il exisle encore quelque probléme de précision lorsque la simulation esl de plus on plus grande Done, ila beso encore de développement

Agent/Plant [30{31) cst une extension de NS-2 pour simuler le systéme physique de dynanrique of coniréle dens une using Tl est développé spéciliquement pour les systémes de contréle de réseau, et Ja transmission de captour et de contréle des paquets entre les usines et les contréleurs Selon [4], il y a une possibilite d’adopter Agent/Plant pour les scénarios de réseau électrique pour le Smart Grid, Par contre, il existe encore de probléme de précision ou d'erreur lorsque la simulation est

de plus on plus complexe

SensorSim [32] est une extension de NS-2 qui posséde des modéles et techniques pour la conception et analyse des réseaux de capteur De plus, avec SensorSim on peut aussi modéliser et simuler le réseau électrique, les interactions entre le réseau électrique et le réseau de communication, et le nouveau protocole de communication Mais selon [4], SensorSim n’ai pas été diffusé au public et il n’est plus sous la poursuite du developement

2.1.4 Intégration des modules informatiques au simulateur de réscaux

Electriques

Ce sont les nouvelles extensions qui sont développées pour les simulateurs individucls dans le domaine de systtme dynamique pour la modélisation ct simulation de réseau de communication Avec ce type d’ extension, il manque cucore des modiles de communication Done, ila besoin encore de développement

Prowler (Probabilistic Wircless Network Simulator} |33| est une extension

de MATLAB pour simuler les réseaux de captews et les systtmes de distribution sans fil qu’on pout faire la modélisation un modéle depuis la courhe application jusqu’a la couche physique de la pile de réseau de commurrication Dans [34] Prowler est utilisé pour analyser une méthode d’ optimisation de performance et sa capacité de traiter les erreurs de bruits dans les réseaux de capteurs sans fil Puisque MATLAB est un simulateur que l'on peut utiliser pour la modélisation et simulation de réseau

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électrique Dono, on powrait utiliser pour simuler et analyser les impacts et les

inleractions cutre les

Start Grid

ux Gleclriques cl les réscaux de communications dans le

VisualSense [35][36][37] est une extension de Ptolemy Il framework [38]

pour la modélisation et simulation de réseau de communication complexe, l'analyse des réscaux de captews, des canaux de communication, des protocoles de réseau ad-

hee, des protocols de contréle daccés de média, ct Yanalyse de la consommation d'énergie dans les capteurs Comme VisualSense hérite tous les modéles de calcul de Ptolémée JT, i) est capable de Vutiliser pour modéliser des modéles de réseau

électrique Done, on pourrait Tutiliser pour simuler et analyser les impacts et les

interactions entre les réseaux électriques et les réseaux de communications dans le

Smart Grid Par contre, VisualSense n’ai plus été encore développé

1.1.5 Co-simulation

Pour réutiliser les capacités existantes des simulateurs spéciỂiques très cormus

dans chaque domaine, la co-simulation serait une bonne solution Par contre, les

simulateurs de réseau électrique sont normalement dirigés par le temps (Time- Driven) mais les simulatews de réseau de communication sont dirigés par les événements (Hvent-driven) Alors, il existe encore de probléme sur la synehronisation

du temps pendant V’exécution, Yéchange de données, et le temps de simulation est Jentement [4] Mais il existe aussi plusieurs travaux qui ont proposé Jes nouvelles

approches pour résouxire ses probléines

OpenDSS + NS-2 [397[40] les auteurs ont développé une plateforme de co- simulation cn reliant OpenD)SS (Open Distribution System Simulator) [41 | sveo N8-2

pour mod

er el simuler Ie réseau de communication el le réseau électrique parliculidrement le sysiéme de solaire photovollaique du Smart Grid pour analyser comment la latence de communication peut avoir un impact négatif sur le

comportement du réseau électrique Par contre, A cause des structures indépendantes

entre Openl)SS et NS-2, la plateforme de co-simulation n’est pas trés bien intégrée et

on doit écrire le script de simulation en deux fichiers séparément pour chaque simulateur

OpenDSS + OMNeT++ [42] les auteurs ont développé un co-simulateur de réseau de communication et réseau de distribution électrique Le co-simulateur lance principalement su OMNeT+ et puis périodiquement maintenir la couche de réseau électrique lorsqu’il y a des changements de charge en appelant vers le calculateur de

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réseau électrique đ'Openi288 4 distance Dans [43] fe co-simulateur est utilisé pour

mesurer la performance du plug-in de véhicule électrique (PEV) sur le réseau de

fibre-sans fil de bas cof (Fi1Wi) du Smart Grid Dans [44] le co-stmulateur est ulihsé

pour évaluer la performance du systéme de surveillance du réseau de large zone basé

sur Tumté de mesure de phaseur du Stnart Grid Le co-simulaleur a um module

principal trés important appelant « DSS Time Solver » qui fournit l'interface de communication entre OpenDSS et OMNeT!! et résout le probléme sur la synchronisation du temps pendant l'exécution et !échange de données

Mathlab/Simulink + OMNet++ [45] est une plateforme de co-simulation

modulaire implémenté en C: | en utilisant Je simulateur open-source OMNeTI1 La plateforme réutilise tous les modéles existants dans OMNeT+~ pour Ja simulation de

réseau de communication et fournit Vinterface pour la connexion aux modéles de

réseau électrique existant dans MATLAB Dans [46] la plateforme est utilisé pour

étudier impact de la génération distribué par les panneaux photovoltaiques dans le réseau de distribution électrique

GECO (Global Event-Driven Co-Simulation Framework) [47] est une plateforme de co-simulation de réseau de communication et réseau de distribution

lc simulatcur PSLF (Positive Sequence Load Flow) et NS crsomble en utilisant le mévanisme de duigée par événement global Lobjectif

clrique qui a inleg

primwipal de celle méthode de cn-simulation cst damndlorer Panalyse ot Vévaluation

des systémes de mesure ef de coniréle de zone large du Smart Grid Par contre, sclon

[4], il existe encore le probléme de goulot d’étranglement sur interface de connexion

entte PSLF et NS-2 lorsque le réseau électrique est de plus en plus grand et la vitesse

de co-simulation est limité De plus, le simulateur PSLF n’ est pas open-source

PowerNet [48] est une plateforme de co-simulation qui intégre Modelica [49]

el NS-2 ensemble Le PowerNel se compose des réseaux hélérogénes qui sont interopérables via une couche de convergence, et fournit des niveaux adéquats de qualité de service en temps réel, la fiabilité, et la sécurité pour soutenir le contréle de réseau du Smart Grid Hn saison du fait que NS2 determine les temps de

communication entre les deux sunulateurs, l'envoi de données entre Modelica et NS2

enreponse 4 des évéenements générés a l'intériewr de Modelica est pas encore soutenu Done, Le PowerNel n’ai pas cncore soutenu Ja co-simulation en paralléle

Adevs + NS-2 [50] est une plateforme de co-simulation qui a été développé pour Pobjectif Paméliorer Talgorithme de synchronisation exist, Dans colle plateforme, le réseau électrique est modélisé et sumulé en utilisant le formalisme et

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Pencapsulé DEVS dans le simulateur Adevs[51] Le réseau de communication est madélisd ot simulé ew utilisant > 2 Ensuite, les deux simulatcurs sont intégrés dams

vénements discrets (DEVS) [52]

Théoriquement, cet environnement de simulation hybride donne une trés bonne

synchronisation ot DEVS est au

le Framework de spévilication du

si adaplé pour la modelisalion du sysléme corlinu et

la modélisation des systémes 4 événements discrets Cependant, le paquet de DEVS qui a eté utilisé est concu pour le système d’événements discrets généraux phutét que des simulations de systéme de réseau électrique Donc, les utilisatetrs doivent implémenter leur propre code de simulation du réseau électrique qui conforme 4 la

spécification DEVS

2.2 Critéres de choix des simulateurs

Parmi les 14 simulateurs que nous avons choisis ci-dessus, nous allons choisir seulement un simulateur qui répond le plus a nos critéres de choix suivants :

» Lxtensibilité: C’est la facilite d’extensibilité Le simulateur ayant la possibilité d’ajouter facilement Je nouveau modéle ou module supportant certaines exigences spécifiques Car on va développer le module compteur intelligent s’ill n’est pas encore disponible

» Sim temps-réel (Simulateur temps-réel) : Le sumulateur doit fonctiomer

en temps réel et ayant une possibilité de communiquer avec les matériels

sur un testbed ou les matériels réel comme le panneau soleil, Péolien ou le

compteur intelligent Car dans l'avenir nous voudrions effectuer des cas

@atlaques de sécurités avce les matériels récls ou méme consiruite nolre

propre testhed

* Code disponible : C'est un critére pour vérifier s’il le code source d’un

simmulateur est disponible pour Je telechargement ou pas Car existent des simulaicurs de type open-sources code dispotnble el oper-sourees code indisponible

= Maintenance : C’est un critére pour verifier s’il un simulateur est encore

maintem ou sous la poursuite du développement ou pas Car il cxiste quelque sinmulatew que Ie développement est officicllement arrété depuis

és longtemps Done, on peut considérer qu'il w’esl plus mise 4 jour,

® GUI (terface utilisateur graphique) : C’est un critére supplémentaire

sur Ja facilité de faire la simulation sur ce type de sunulateur Car ce serait

plus facile of consacrer moins de temps si on pourrait simuler ou configurer certains paramétres de la simulation a travers l'interface graphique

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© Compteur intelligent existant : C’est un critére pour verifier s’il existe

déja le module ou modéle de compteur intelligent dans un simulateur Car

il serait beaucoup mieux pour notre cas d’attaque au niveau de temps de développement de réutiliser ou d’ajouter quelques fonctionnalités au liew

de toute redévelopper ce qu’il existe déja

non ‘Simulateurs | GUT] Extensibilité] Sim temps-réel | Code disponible | Maintenance (Compieur intelligent]

Table 1: La table des critéres de choix de simulateur

D’aprés la Table 1 ci-dessus, aprés avoir fait la recherche en détail sur les simulateurs choisis, nous pouvons d’abord éliminer 5 co-simulateurs et 2 extensions OpenDSS + NS2, Mathlab/Simulink + OMNet++, GECO, PowerNet, Adevs+NS-2,

Agent/Plant, et SensorSim que les codes sources ne sont pas disponibles a télécharger

au moment ot nous faisons la recherche Ensuite, nous avons éliminé NS-2 et OMNeT++ en raison que les deux simulateurs ne soutiennent pas la modélisation et

simulation du réseau électrique du Smart Grid et done les modules qui restaient a développer seraient trop par rapport @ d’autres simulateurs qui ont déja une bonne

partie de ses modules Car dans notre cas d’étude, nous intéressons ả impact sur les réseaux électriques au cas ot le réseau de communication est attaqué Puis nous avons éliminé l’extension VisualSense car son projet de développement est arrété

depuis longtemps Done, cette extension est obsoléte Comme on connait bien que MATLAB n’est pas le simulateur open-source et Prowler est son extension Done,

nous avons I’éliminé de notre choix Ensuite, nous avons éliminé GridLAB-D en

raison que GridLAB-D est simulateur développé spécifiquement pour tester et

évaluer les technologies de réseau de distribution d’¢lectrique du Smart Grid et il n'y

a pas encore de modéle de réseau de communication Et finalement il reste encore

dewe simulateurs qui peuvent répondre a nos critéres de choix le plus Nous avons

installé les deux simulateurs pour étudier en détail et nous avons finalement éliminé

le co-simulateur OpenDSS + OMNet++ en raison que ce co-simulateur n’a pas de

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possibilité de se connecter au matériel réel et il existe encore le probleme de

synchronisation du lomps pondant Pexéeution, Done, Pémutatour SCORE a été choisit pour nolre cas d’étude