[論文レビュー] A Bilevel Framework for Optimal Price-Setting of Time-and-Level-of-Use Tariffs

Mathieu Besançon, Miguel F. Anjos+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Energy, Environment, and Transportation Policies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、容量制約下でのユーザー行動をモデル化することで、過剰消費のリスクを低減するための、時間・使用レベル別（TLOU）電力料金の最適価格設定を実現する二段階最適化フレームワークを提案する。ユーザーの意思決定の離散的構造を活用することで、二目的の二段階最適化問題を効率的に解き、データ駆動実験により、コスト効率的で需要に配慮した価格設定が、計画外の使用を低減できることを示している。

ABSTRACT

Time-and-Level-of-Use (TLOU) is a recently proposed pricing policy for energy, extending Time-of-Use with the addition of a capacity that users can book for a given time frame, reducing their expected energy cost if they respect this self-determined capacity limit. We introduce a variant of the TLOU defined in the literature, aligned with the supplier interest to prevent unplanned over-consumption. The optimal price-setting problem of TLOU is defined as a bilevel, bi-objective problem anticipating user choices in the supplier decision. An efficient resolution scheme is developed, based on the specific discrete structure of the lower-level user problem. Computational experiments using consumption distributions estimated from historical data illustrate the effectiveness of the proposed framework.

研究の動機と目的

• 計画外の過剰消費を回避するため、電力供給者と整合する時間・使用レベル別（TLOU）料金のバリエーションを導入することで、電力システムにおける計画外の過剰消費の課題に対処すること。
• ユーザーの容量制約下での行動を予測できるように、最適な価格設定問題を二段階で二目的最適化として定式化すること。
• 下位問題におけるユーザー意思決定の離散的構造に特化した、効率的な解法手法を開発すること。
• 実際の歴史的消費データを用いてフレームワークを評価し、需要の変動性を低減し、料金の効率性を向上させる効果を検証すること。

提案手法

• 本稿では、TLOU料金設定問題を二段階最適化として定式化する。上位問題では、供給者のリスクを最小化するように料金を設定し、下位問題では、容量制限下でのユーザーの意思決定をモデル化する。
• 下位問題におけるユーザーの意思決定は、期待されるエネルギー費用を最小化するように、時間帯と容量レベルを選択する離散的選択問題としてモデル化される。
• ユーザー意思決定の離散的性質を活用した特化したアルゴリズムにより、二段階構造を解き、一般の二段階最適化ソルバーよりも計算効率を向上させる。
• 歴史的消費分布を統合してユーザー行動を推定し、価格設定の妥当性を検証する。
• 二目的最適化をサポートし、供給者のコスト最小化とユーザーのコスト低減の両方をバランスさせる。
• ネストされた最適化を処理するため、分解に基づく解法スキームを採用し、スケーラビリティと収束性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計画外の過剰消費を防ぎつつ、供給者の目的と整合するように、TLOU料金をどのように最適に価格設定できるか？
• RQ2 ユーザーの容量選択が、電力料金制度全体の効率性とリスクに与える影響は何か？
• RQ3 ユーザーの意思決定空間が離散的であることを踏まえ、料金設計問題の二段階構造をどのように効率的に解けるか？
• RQ4 標準的な時間別料金（Time-of-Use pricing）と比較して、提案されたフレームワークは、期待されるユーザーのコストとシステム全体の需要変動性をどの程度低減できるか？

主な発見

• 提案された二段階フレームワークは、容量制約下でのユーザー行動を的確にモデル化でき、供給者が計画外の過剰消費を予測・緩和できることを示している。
• 特化した解法手法により、ユーザー意思決定の離散的構造を効率的に処理でき、一般の二段階最適化ソルバーよりも計算性能が優れている。
• 実際の歴史的消費データを用いた計算実験の結果、ユーザーの期待コストを低減しながら、供給者のリスク管理を維持できていることが明らかになった。
• 結果として、供給者に配慮したTLOUバリエーションが、コスト最小化と需要安定性の両立に効果的に寄与し、料金の効率性を向上させていることが示された。