Vers la prise en compte des attaques de sécurité dans les compteurs intelligents du smart grid = nghiên cứu các tấn công an ninh bằng bộ đo thông minh của lưới thông minh luận văn ths công nghệ thông tin

UNIVERSITE NATIONALE DU VIETNAM, HANOI
INSTITUT FRANCOPHONE INTERNATIONAL

NOUCKSA BOUNTHONG

VERS LA PRISE EN COMPTE DES ATTAQUES DE
SÉCURITÉ DANS LES COMPTEURS INTELLIGENTS
DU SMART GRID
NGHIÊN CỨU CÁC TẤN CÔNG AN NINH BẰNG BỘ ĐO
THÔNG MINH CỦA LƯỚI THÔNG MINH

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES DU MASTER INFORMATIQUE

HANOI – 2015


UNIVERSITE NATIONALE DU VIETNAM, HANOI
INSTITUT FRANCOPHONE INTERNATIONAL

NOUCKSA BOUNTHONG

VERS LA PRISE EN COMPTE DES ATTAQUES DE
SÉCURITÉ DANS LES COMPTEURS INTELLIGENTS
DU SMART GRID
NGHIÊN CỨU CÁC TẤN CÔNG AN NINH BẰNG BỘ ĐO
THÔNG MINH CỦA LƯỚI THÔNG MINH

Spécialité : Réseaux et Systèmes Communicants
Code: Programme pilote

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES DU MASTER INFORMATIQUE

Sous la direction de : Dr Vanea CHIPRIANOV, Maître de conférences.
Lu et validé, bon pour la soutenance

HANOI – 2015


ATTESTATION SUR L’HONNEUR
J’atteste sur l’honneur que ce mémoire a été réalisé par moi-même 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.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và 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
nguồn gốc.

Signature de l’étudiant :

NOUCKSA Bounthong

i


REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier tout d’abord Monsieur Nguyen Hong Quang,
Professeur d’informatique à l’Institut Francophone International (IFI),
Université Nationale du Vietnam, Hanoi, qui m’a recommandé pour cette offre

de stage.
Je remercie Monsieur Vanea CHIPRIANOV et Monsieur Laurent
GALLON,
Maître
de
conférences,
Département
réseaux
et
télécommunications, IUT des Pays de l'Adour, Mont-de-Marsan, France, pour
leur encadrement sans faille, le suivi qu’ils ont apporté à mon stage, leurs
conseils, les nombreuses discussions que nous avons pu avoir tout au long de
la réalisation de ce stage, aussi pour l’inspiration, et pour le temps qu’ils ont
bien voulu me consacrer.
Je souhaite remercier Monsieur Shidoush SIAMI, Professeur agrégé,
Monsieur Patrick CHARRIN, Assistance technique, Département réseaux et
télécommunications, IUT des Pays de l'Adour, Mont -de-Marsan, France, qui
m’ont donné des connaissances dans le domaine de réseau électrique.
Je tiens à remercier Jamal EL HACHEM, Doctorant, LIUPPA,
Université de Pau et des Pays de l’Adour, Mont-de-Marsan, France, pour ses
aides à plusieurs reprises.
Enfin, j’adresse mes plus sincères remerciements à ma famille, qui m’a
toujours soutenue et encouragée au cours de la réalisation de ce mémoire.

ii


RESUME
Le Smart Grid est considéré comme le réseau électrique de prochaine
génération qui utilise les flux bidirectionnels de l'électricité et de l'information

pour créer un réseau de distribution d'énergie automatisé largement distribué. Il
a été proposé comme une solution pour la diversité croissante des sources
d'électricité. Aujourd'hui, les sources d'électricité comprennent non seulement
les centrales au charbon et les centrales nucléaires, mais aussi l'énergie
renouvelable comme les parcs éoliens et les panneaux solaires. L'électricité est
de plus en plus produite non seulement par les producteurs traditionnels
comme les centrales électriques mais aussi les consommateurs traditionnels qui
peuvent installer des panneaux solaires ou des turbines éoliennes sont
devenues ainsi les producteurs d'électricité. Cela soulève la nécessité de
transmission d’électricité dans les deux sens du producteur traditionnel au
consommateur traditionnel et à l’inverse. L’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 été proposées.
Cependant, la distribution de ces nouveaux appareils soulève les défis
sur la protection, la sécurité, la confidentialité, et les attaques informatiques.
Par exemple : L’attaqueur qui compromise le compteur intelligent pourrait
changer l’information sur leur consommation ou production pour gagner
l’argent ou demander à plusieurs compteurs intelligent de se déconnecter ou
reconnecter qui pourrait causer le problème sur la stabilité et l’équilibrage du
réseau électrique et probablement conduire au problème de grande coupure
d’électricité. Pour analyser l’impact des attaques de sécurités, l’utilisation de
simulateur est une solution.
Dans ce travail, nous fournissons l’étude de l’état 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 à nos besoins et développons
certains modules nécessaires pour la simulation du compteur intelligent.
Finalement, nous proposons un cas d’attaque de sécurité et analysons les
impacts potentiels sur le réseau électrique du Smart Grid.
iii

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 farms and solar panels. More and more, the
electricity is no longer produced by only traditional producers like plants, but
also at the traditional consumers who can install solar panels or wind-powered
turbines, thus becoming electricity producers. This raises the need for
electricity to be transmitted in both ways from the traditional producer to the
traditional consumer and in the opposite way as well. The information 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 stability and balancing of the electrical network and probably lead to large
power outage problem. To study such attacks, one way is to 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 smart meter. Finally, we propose a security attack case study
and analyze the potential impacts on the power network of Smart Grid.

iv


TABLE DES MATIERES
ATTESTATION SUR L’HONNEUR....................................................................... i
REMERCIEMENTS ................................................................................................ ii
RESUME ................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................ iv
TABLE DES MATIERES ........................................................................................ v
TABLE DES FIGURES ......................................................................................... vii
LISTE DES TABLEAUX ..................................................................................... viii
CHAPITRE 1............................................................................................................ 1
INTRODUCTION ................................................................................................ 1
1.1

Smart Grid ............................................................................................... 2
1.1.1 Définition du Smart Grid .................................................................. 2
1.1.2 Infrastructure du Smart Grid ............................................................. 3
1.1.3 Caractéristiques du Smart Grid ......................................................... 6
1.1.4 Compteur intelligent (Smart Meter) ................................................. 7

1.2

Motivation et objectif .............................................................................. 8

1.3

Problématique .......................................................................................... 9

1.4

Lieu de stage .......................................................................................... 10

1.5

Plan du document .................................................................................. 11

CHAPITRE 2.......................................................................................................... 12
ÉTAT DE L’ART ............................................................................................... 12
2.1

Techniques de simulation et simulateurs existants................................ 12
2.1.1 Simulateurs de réseaux de communications informatiques ............ 13
2.1.2 Nouveaux simulateurs développés pour le Smart Grid .................. 14
2.1.3 Intégration des modules électriques au simulateur de réseaux
informatiques .............................................................................................. 16
2.1.4 Intégration des modules informatiques au simulateur de réseaux
électriques ................................................................................................... 16
2.1.5 Co-simulation ................................................................................. 17

2.2

Critères de choix des simulateurs .......................................................... 19
v


CHAPITRE 3.......................................................................................................... 22
CONTRIBUTION ............................................................................................... 22
3.1

Présentation de SCORE ......................................................................... 22

3.2

Architecture de SCORE ........................................................................ 24

3.3

Nouveaux modèles et fonctionnalités ajoutés ....................................... 25
3.3.1 Modèle du compteur intelligent et turbine à gaz ............................ 27
3.3.2 Algorithme d’équilibrage de charge du réseau électrique .............. 28
3.3.3 Log d’analyse.................................................................................. 29

3.4

Évaluation du SCORE ........................................................................... 32

CHAPITRE 4.......................................................................................................... 33
CAS D’ÉTUDE................................................................................................... 33
4.1

Scénario du réseau électrique pour le cas d'attaque .............................. 33

4.2

Scénario du cas d'attaque et résultat obtenu .......................................... 38

CHAPITRE 5.......................................................................................................... 46
CONCLUSION ET PERSPECTIVES ................................................................ 46
ANNEXE ................................................................................................................ 47

Installation SCORE ............................................................................................. 47
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................. 48

vi


TABLE DES FIGURES
Figure 1 : L’évaluation de la production d’énergie de la France (Source [3]). ........ 2
Figure 2 : La structure du réseau électrique (couche 1) ........................................... 3
Figure 3 : La structure du réseau de communications du Smart Grid (couche 2) .... 4
Figure 4 : Linky le compteur intelligent de la France .............................................. 7
Figure 5 : L’interface utilisateur graphique de SCORE[29] .................................. 22
Figure 6 : L’interface utilisateur graphique de CORE source[53] ......................... 23
Figure 7 : L’architecture de SCORE[29] ............................................................... 24
Figure 8 : Diagramme de classe de fonctionnalité développé ................................ 26
Figure 9: La liste des fichiers log d'analyse ........................................................... 29
Figure 10 : Log de la production totale du réseau électrique ................................. 29
Figure 11 : Log de l'offre et la demande électrique totale dans le réseau électrique30
Figure 12 : Log de la demande électrique souhaitée de chaque maison ................ 30
Figure 13 : Log de la consommation réelle de chaque maison .............................. 31
Figure 14 : Log de la production électrique de chaque maison.............................. 31
Figure 15 : La carte de France ................................................................................ 33
Figure 16 : Le réseau électrique simulé pour le cas d'attaque de sécurité .............. 34
Figure 17 : La demande d'électricité moyenne quotidienne au Royaume-Unis[58]36
Figure 18 : Le profil de consommation d’énergie simulé ...................................... 36
Figure 19 : Le profil de production d’énergie simulé ............................................ 38
Figure 20 : Le point de la connexion des attaquants dans le réseau électrique ...... 39
Figure 21 : Le réseau électrique avant l'attaque ..................................................... 40
Figure 22 : Le réseau électrique pendant l’attaque................................................. 41
Figure 23 : Le résultat du cas d’attaque pour la première exécution ..................... 42

Figure 24 : Le résultat de la production pour la première exécution ..................... 43
Figure 25 : Le résultat du cas d’attaque pour la deuxième exécution .................... 44
Figure 26 : Le résultat de la production pour la deuxième exécution .................... 44

vii


LISTE DES TABLEAUX
Table 1: La table des critères de choix de simulateur ................................................ 20

viii


CHAPITRE 1

INTRODUCTION

De nos jours, l’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 l’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 nucléaire couvre 13%, et les centrales
hydroélectriques couvrent 16%, tandis que la production d’énergie par les ressources
renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne et géothermique couvrent seulement
3%.
La France est un des pays Européens qui produisent l’énergie électrique
principalement dans les centrales nucléaires [2] comme le montre la Figure 1. Selon
[3] 73% de l’électricité produite en 2013 en France est nucléaire, 8% sur le charbon,
le gaz naturel et le pétrole, et 18% sur l’énergie renouvelable et l’hydroélectrique.

La tendance de l'utilisation de plus de l'énergie renouvelable (énergie vert) et
l'utilisation de manière efficace est un facteur qui pousse le gouvernement à
considérer la nouvelle génération de réseau électrique qui serait plus intelligent,
contrôlable et facilite l’intégration de la production local varié et distribué, par
exemple l’énergie solaire et l’éolienne peuvent être installé localement au tour de la
maison du client qui est donc 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 à grand distance. Cela est la motivation principale du
“Smart Grid”.

1


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

1.1

Smart Grid
1.1.1

Définition du Smart Grid

Il existe plusieurs définitions de la notion “Smart Grid”, par exemple la
définition de l’Union Européenne, le 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 l’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

l'efficacité du système 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 avancés et des technologies électrique ensemble. Le Smart Grid a la
capacité de supporter le flux bidirectionnel de l’énergie et l’information pour
améliorer la qualité d’énergie distribuée, la fiabilité, l'isolement, et la restauration 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].

2


1.1.2

Infrastructure du Smart Grid

Le Smart Grid est un système 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 contrôle de
puissance qui permet la surveillance, le contrôle, 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
l’infrastructure existant.
Dans le cadre de notre travail, nous allons entrer dans le détail sur seulement
les deux premières couches (1) et (2) concernant notre cas d’études.

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 rôle de fournisseur
électrique principal dans le réseau électrique. La grande quantité d’énergie est
produit à partir de la centrale nucléaire, la centrales hydroélectrique, le
charbon, le gaz naturel, le panneau solaire, l’éolien, la géothermie et l’autre
pour pouvoir répondre à 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 l’électricité à 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 rôle de transmission d’énergie de
haute tension à travers la distance longue entre la partie production et
distribution.
 La distribution d’énergie : qui joue le rôle de transformation d’énergie à la
basse tension et distribue aux villes, entreprises, usines et maisons.
 La consommation : ce sont les compteurs électriques qui jouent le rôle
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 l’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 : C’est 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 à travers le réseau de domicile permettant au propriétaire de la
maison de pouvoir les regarder sur l’écran d’affichage, et de pouvoir gérer son
comportement de consommation ou contrôler ses appareils électriques à réagir
périodiquement basé sur le changement du prix d’électrique en temps réelle.
Le compteur intelligent échange périodiquement ou manuellement
l’information avec la compagnie d’électrique à travers le réseau AMI. La
bande passante nécessaire demandée sur ce réseau est entre 10 à 100 Kbps et
les technologies de communications intéressantes qui peuvent répondre au
besoin du réseau de domicile sont ZigBee, Wi-fi, Bluetooth, 6LoWPAN, et ZWave. Mais la majorité des chercheurs considèrent 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 et Amérique du nord sont CPL (Courants porteurs en ligne) et RF
(Radio Frequency). Par exemple, la France, l’Italie, et la Suède, la Chine, et la
Corée du sud choisissent la technologie PLC, l’Irlande fait la combinaison
entre CPL et RF, et l’Australie choisit RF pour la plupart des compteurs
intelligents dans son pays.
 Réseau de grande distance : C’est un réseau de communication entre les
concentrateurs des données et les récepteurs de données 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 utilisée est la
communication cellulaire GPRS/3G/4G.
Alors, comme notre cas d’étude concerne la sécurité de compteur intelligent
qui se trouve dans le réseau AMI, Donc, la partie de réseau concernant notre travail
c’est la partie de réseau de domicile.

5


1.1.3

Caractéristiques du Smart Grid

Pour améliorer le fonctionnement du réseau électrique traditionnel sur la
fiabilité, l’économie, l’efficacité, la sécurité, et la protection de l’environnement. Le
Smart Grid possède des technologies de solution suivantes [12] :
 AMI (Advanced Metering Infrastructure) :
C’est un système de mesure et collection de données de consommation
électrique avancée. Ce système se constitue de compteur intelligent du 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 bidirectionnelles entre le client et la compagnie électrique,
et fournit le système de gestion de données reçus qui rend l’information
disponible aux services.
 CSS (Customer Side Systems) :
C’est un système de gestion de la consommation d’énergie du côté de client
permettant l’affichage de l’information sur sa consommation d’énergie en
temps réel et la gestion de son comportement de consommation à travers
l’appareil In-home display.
 EV (Electric Vehicle charging systems) :

C’est un système de charge/décharge de la batterie d’une voiture électrique. Il
y a 4 modes d’opération : G2V (Grid to Vehicles), V2G (Vehicles to Grid),
S2V (Storage to Vehicles), et V2S (Vehicles to Storage).
 ICT (Information and Communication Technology integration) :
Ce sont les systèmes de communications qui supportent toutes les
transmissions de l’information en temps réel pour que la compagnie
d’électrique puisse utiliser, gérer, calculer, contrôler, et planifier le réseau
électrique de manière efficace.
 Surveillance, mesure et contrôle de zone large :
C’est un système de surveillance, de mesure, et de contrôle pour les réseaux
électriques globaux pour optimiser le fonctionnement des composants du
réseau électrique, et leur comportement et performance. Par exemple : WASA,
WAMS, WAAPCA.
6


1.1.4

Compteur intelligent (Smart Meter)

Figure 4 : Linky le compteur intelligent de la France

Sur l’infrastructure de comptage avancée ou l’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 l’automatisation, le contrôle, et la lecture de donnée à
distance qui peut aider la compagnie d’électrique d’enlever le paiement pour l’effort
envoyé pour la lecture de donnée de consommation à chaque maison et permettre de
faire la facturation mensuelle basé sur les données réels au lieu de données estimés

[13]. Un compteur intelligent a l’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 modèle de consommation
irrégulière qui indique la fraude (l’électrique volé) et l’arrêter.
De plus, grâce à la communication bidirectionnelle la compagnie d’électrique
peut déconnecter ou reconnecter le compteur intelligent à 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 être affiché sur l’écran dans la
maison, sur le site internet ou le logiciel de téléphone portable, et qui pourrait
7


influencer le comportement du consommateur à consommer l’énergie quand le prix
est moins cher.
Traditionnellement, la compagnie d’électrique a peu d’information 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 distribué et la
consommation courant. La compagnie d’électrique peut surveiller l’intégration de la
production distribué qui pourrait causer la fluctuation de la production d’énergie et
causer le problème de l’équilibrage entre la production et la demande d’électricité
dans le réseau électrique [13].

1.2

Motivation et objectif

Dans l’infrastructure de comptage avancée (AMI) du Smart Grid, le compteur
intelligent est un nouvel appareil équipé avec les nouvelles fonctionnalités de gestion,
de surveillance, et de contrôle qui sera distribué pour remplacer les compteurs

électriques traditionnels. La distribution de ce nouvel appareil soulève les défis sur la
protection, la sécurité, la confidentialité, et les attaques informatiques. Par exemple :
L’attaqueur qui compromise le compteur intelligent pourrait changer l’information
sur leur consommation ou production pour gagner l’argent ou demander à plusieurs
compteurs intelligent de se déconnecter ou reconnecter qui pourrait causer le
problème sur la stabilité et l’équilibrage du réseau électrique et probablement
conduire au problème de grande coupure d’électricité. Pour étudier et analyser le
résultat d’attaque de sécurité, l’utilisation de simulateur est une solution.
Donc, dans le cadre de notre travail, d’abord, nous commençons 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 à nos besoins
et développer certaines modules ou fonctionnalités manquant. Puis nous proposons
un cas d’attaque de sécurité et analysons les impacts sur le réseau électrique du Smart
Grid.

8


1.3

Problématique

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 l’intégration de
l’énergie renouvelable. Donc, nous intéressons aux problèmes de sécurités du
compteur intelligent particulièrement sur l’impact entier du Smart Grid dans le cas
d’attaque informatique.
Selon [8] l’équipe de NIST a divisé l’objectif de sécurité dans le Smart grid en
3 types suivants :

 Disponibilité : Assurer l'accès en temps approprié et fiable. Car
l'utilisation de l'information est le plus important dans le Smart Grid.
Donc, une perte de disponibilité est la perturbation de l'accès ou de
l'utilisation de l'information ce qui peut miner davantage la livraison de
puissance.
 Intégrité : La protection contre la modification ou la destruction de
l'information incorrecte est d'assurer la non-répudiation de l'information
et de l'authenticité. Une perte de l'intégrité est la modification ou la
destruction non autorisée de l’information qui peut en outre induire une
mauvaise décision sur la gestion de puissance.
 Confidentialité : Préserver les restrictions autorisées sur l'accès et la
divulgation de l'information est principalement de protéger la vie privée
et des informations confidentielles. Ceci est particulièrement nécessaire
pour empêcher la divulgation non autorisée d'informations qui ne sont
pas ouvertes au public et aux particuliers.
Du point de vue de la sécurité, la fiabilité, la disponibilité, et l'intégrité du
système sont les objectifs de sécurité les plus importants dans le Smart Grid. Les
problèmes de sécurités sont variés selon chaque partie du Smart Grid. Dans ce travail,
nous nous concentrons particulièrement sur le problème de sécurité du compteur
intelligent qui se trouve dans le réseau AMI du Smart Grid.

9


1.4

Lieu de stage

Le laboratoire LIUPPA , est une Equipe d’Accueil du
Ministère de l’Education Nationale, de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche

EA 3000, créé en Janvier 2001 et composé d’une cinquantaine de membres. La
recherche menée est de nature appliquée avec des domaines de prédilection tels que :








Génie logiciel
Agents et les composants logiciels
Sécurité informatique
Systèmes d’information
Réseaux et protocoles
Traitement des documents électroniques
Image et la visualisation scientifique.

Les membres constituant le LIUPPA sont répartis sur différents sites situés à :
 Pau
 Bayonne-Anglet
 Mont de Marsan
Le personnel de LIUPPA en 2014 est suivant :
 33 enseignants-chercheurs
 2 personnels administratif et technique
 2 ingénieurs de développement
 15 doctorants

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 l’Adour à 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 l’état de l’art sur les techniques
de simulation et les simulateurs existant pour le Smart Grid, et nos critères de choix
de simulateur. Le chapitre 3 porte sur la présentation en détail sur le simulateur
choisi, les nouveaux modèles et fonctionnalités qu’on a développés, et l’évaluation
du SCORE. Le chapitre 4 porte sur l’explication du scénario du réseau électrique
pour notre cas d’attaque, le scénario du cas d’attaque, et l’analyse du résultat obtenu.
Le dernier chapitre porte sur la conclusion de tout ce qu’on a fait et le travail futur.

11


CHAPITRE 2

ÉTAT DE L’ART

Actuellement, ils existent des techniques et des simulateurs pour faire la
modélisation et simulation de réseau de communications du Smart Grid. Chaque
technique et simulateur a ses propres avantages et inconvénients. Normalement, le
fait de choisir un simulateur est basé sur nos besoins spécifiques. Dans ce chapitre,
nous allons expliquer en détail les techniques de simulation et les simulateurs

existants.

2.1

Techniques de simulation et simulateurs existants

Dans le domaine de réseau électrique et de réseau de communication, chaque
domaine possède leur propre simulateur pour la modélisation et simulation de son
système qui permet l’analyse de la performance, de tester le fonctionnement ou la
sécurité de nouvelle application avant de la déployer dans le système réel. Par contre,
le Smart Grid est la combinaison entre les deux domaines. Avec un simulateur
individuel spécifiquement dans un domaine, on peut seulement simuler ou modéliser
une partie du Smart Grid. Par exemple : on peut utiliser les simulateurs de réseau de
communication comme NS-2 pour simuler la transmission de données, la
performance, ou le cas d’attaque de sécurité de la communication mais on ne peut pas
simuler le comportement, la réaction, et l’impact entre les deux domaines. Par
exemple : On ne peut pas simuler l’impact sur le réseau électrique au cas où il y a
quelque problème sur le réseau de communication et à l’inverse. Donc, on a besoin
de nouveau simulateur et technique de simulation spécifique pour le Smart Grid.
Selon le papier de synthèse de [4], il existe plus de 23 simulateurs et
extensions pour le Smart Grid. Ces simulateurs comprennent les nouveaux
simulateurs développés spécifiquement pour le Smart Grid, les extensions développés
pour un simulateur individuel de réseau informatique ou électrique permettant de
simuler la 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 à notre cas d’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 sont pas dans la portée de notre cas d’étude. Les
détails sur chaque simulateur choisi sont présentés dans ce qui suit.
2.1.1 Simulateurs de réseaux de communications informatiques
Certains simulateurs de réseau de communication incluant les simulateurs
open-sources et commerciaux sont utilisés pour faire la modélisation et la simulation
pour l’analyse de la performance de réseau de communication, l’analyse de la
transmission des données, l’analyse de la sécurité, et tester les nouveaux protocoles
pour le Smart Grid. Les deux simulateurs open-sources suivants sont les simulateurs
le plus utilisés dans ce domaine.
NS-2 [15] est un simulateur open-source très utilisé dans le domaine de
simulation de réseau de communication. On utilise le langage C++ pour le
développement de nouveau algorithme, protocole ou modèle. Le TCL script est
utilisé pour configurer des paramètres de configurations. Dans le cas du Smart Grid,
il existe pas mal de travail scientifique qui a utilisé NS-2 pour évaluer la performance
de réseau de communication entre les compteurs intelligents, par exemple : Dans [16]
NS-2 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 à base de capteur pour évaluer l'efficacité de gestion puissance
consommée. Dans [18] NS-2 est utilisé pour simuler un réseau de communication
entre les compteurs intelligents en utilisant l'architecture basée sur la technologie de
la fréquence radio maillé (Radio Frequency Mesh) pour analyser les conséquences
d’un cas d’attaques de sécurité (DoS) d'une petite partie de la communication entre
les compteurs intelligents.
OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++) [19] est un
simulateur open-source développé en C++. Le modèle de simulation de OMNeT++
est le modèle hiérarchie. Donc la modélisation et la simulation est divisé en deux
partie différentes. La modélisation est écrite en code de langage C++. Mais pour la

simulation est très simple, après avoir un modèle, on peut faire une simulation d’un
réseau de communication à travers l’interface utilisateur graphique (GUI) et cela
prend moins de temps pour le développement et diminuer la complexité quand la
simulation est devenue de plus en plus grande. Pour le Smart Grid, il existe beaucoup
de travail qui ont utilisé OMNeT++ par exemple dans [20] le module pour simuler un
grand réseau de communications entre les compteurs intelligents a été développé
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pour analyser et évaluer le problème de recherche le plus court et efficace chemin
dans un réseau maillé (Mesh Network) basé sur la position géographique réelle des
compteurs intelligents dans chaque maison, et puis identifier les goulots
d'étranglement potentiels et les charges maximales dans le réseau. Dans [21]
OMNeT++ est utilisé pour simuler un modèle de communication de la technologie
CPL (Courants porteurs en ligne) pour évaluer sa performance. Dans [22] OMNeT++
est utilisé pour simuler un réseau AMI pour évaluer la conséquence sur la
communication dans le cas d’attaque de sécurité DoS.
D’après les travaux mentionnés ci-dessus, on voit bien que dans le domaine de
simulateur open-source, NS-2 et OMNeT++ est très utilisé pour simuler les réseaux
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 développés pour le Smart Grid
Ce sont les simulateurs qui sont développés spécifiquement pour la
modélisation et simulation du Smart Grid. Car c’est le nouveau développement.
Donc, 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 développement.
GridLAB-D [23][24] est un simulateur open-source basé sur l’approche de
modélisation à base d'agents. C’est un nouvel outil de simulation de réseau de
distribution d’électrique du Smart Grid qui fournit des avantages sur les nouvelles

technologies et les techniques de modélisation avancé du Smart Grid. Par exemple :
la technologie de modélisation de charge d'utilisation finale, de flux de puissance
triphasé déséquilibré, et de système de marché de détail permettant aux utilisateurs
qui conçoivent et exploitent des systèmes de transmission et distribution de puissance
de recevoir les informations précieuses pour l’analyse. GridLAB-D fournit
l’environnement de simulation qui permet l’intégration avec une variété d'outils tiers,
et combine des modèles d’utilisation finale et des modèles d’automation de
distribution d'énergie ensemble [25]. Dans [26] GridLAB-D est utilisé pour modéliser
et simuler un réseau électrique et son comportement de charge pour estimer les
avantages de déploiement du système de réduire la consommation d'énergie qui
s’appelle VVO (Volt-VAR Optimization). Dans [27] GridLAB-D est utilisé pour
simuler un système de tarification en temps réel du Smart Gird pour l’objectif de
diminuer le prix de l’électricité non seulement du côté de client mais aussi du côté de
la compagnie électrique. Dans [28] GridLAB-D est utilisé pour modéliser et simuler
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un projet de voiture électrique pour une résidence et analyser le problème de
surcharge dans la résidence. D’après les travaux mentionnés ci-dessus, on voit bien
que GridLAB-D est très utilisé pour la modélisation et simulation du côté de réseau
électrique du Smart Grid. Il n’existe pas encore de module de communication dans
GridLAB-D au moment de fait la recherche. Donc, il n’y a pas encore de travail
concernant la communication ou l’interaction entre les deux types de réseau du Smart
Grid.
SCORE (Smart Grid Common Open Research Emulator) [29] est un très
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 :
 L’interface utilisateur graphique (GUI) qui permet à l’utilisateur de

simuler un réseau de communication ou un réseau électrique en faisant
quelque clique sur l’écran ce qui prend moins de temps pour la simulation
et le développement.
 La couche service qui permet à l’utilisateur de customiser, modifier et
choisir quelques services par exemple pour un nouveau modèle d’un
appareil.
 Les modules de réseau de communication, ce sont les technologies pour
la communication comme les protocoles, les techniques de transmission,
les modèles d’appareil de communications.
 Les modules de réseau électrique, ce sont les technologies pour les
réseaux électriques comme le modèle de production, de transmission, de
calcul de perte, de stockage, et de consommation d’électricité.
Dans [29] SCORE a été utilisé pour émuler un cas d’étude sur l’application de
la variation du prix d’électrique en temps réel dans un réseau de distribution de Smart
Grid pour évaluer l’interaction entre la production (la centrale électrique, l’éolien, le
panneau solaire), le stockage, la transmission, la voiture électrique, et la
consommation dans une maison lorsque le prix d’électrique change pendant la
journée. Donc, SCORE est un bon émulateur qui permet la modélisation et simulation
entre le réseau électrique et le réseau de communication.

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