[論文レビュー] Autonomous Demand Side Management with Instantaneous Load Billing: An Aggregative Game Approach

He, Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2013

Smart Grid Energy Management被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、消費者がピーク時間帯のエネルギー使用をシフトするようインcentivizeするための即時負荷課金方式を用いて、自律的需給管理のための集約的ゲーム理論フレームワークを提案する。2つの分散型アルゴリズム—中央集権的でプロキシマルポイント反復を用いるものと、近隣相互作用に基づく同意方式を用いるもの—を提案し、両者ともナッシュ均衡に確実に収束することが保証されており、公平かつ効率的なエネルギーコスト最小化を実現する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate a practical demand side management scenario where the selfish consumers compete to minimize their individual energy cost through scheduling their future energy consumption profiles. We propose an instantaneous load billing scheme to effectively convince the consumers to shift their peak-time consumption and to fairly charge the consumers for their energy consumption. For the considered DSM scenario, an aggregative game is first formulated to model the strategic behaviors of the selfish consumers. By resorting to the variational inequality theory, we analyze the conditions for the existence and uniqueness of the Nash equilibrium (NE) of the formulated game. Subsequently, for the scenario where there is a central unit calculating and sending the real-time aggregated load to all consumers, we develop a one timescale distributed iterative proximal-point algorithm with provable convergence to achieve the NE of the formulated game. Finally, considering the alternative situation where the central unit does not exist, but the consumers are connected and they would like to share their estimated information with others, we present a distributed agreement-based algorithm, by which the consumers can achieve the NE of the formulated game through exchanging information with their immediate neighbors.

研究の動機と目的

• 個人が消費スケジューリングを通じて自らのエネルギーコストを最小化しようとする自己中心的行動が生じる需給管理における課題に対処すること。
• 中央集権的制御なしにピーク負荷シフトを促進する、公平かつ効果的な課金メカニズム（即時負荷課金）を設計すること。
• 消費者の戦略的相互作用を集約的ゲームとしてモデル化し、ナッシュ均衡の存在および一意性の条件を確立すること。
• 中央管理者が存在する場合やピアツーピア通信により、消費者がナッシュ均衡に到達できる分散型アルゴリズムを開発すること。
• 現実の通信および計算制約のもとで、提案されたアルゴリズムの収束を保証すること。

提案手法

• 各消費者の報酬が自らの戦略と全消費者の集約的負荷に依存する非協力的集約的ゲームを定式化する。
• 即時負荷課金メカニズムを導入し、システム全体のリアルタイム負荷に基づいて消費者に課金することで、ピーク負荷の低減を促進する。
• 変分不等式理論を用いて、提示されたゲームにおけるナッシュ均衡の存在および一意性を分析する。
• 集約的負荷を中央単位が計算・ブロードキャストする状況を想定し、1時刻スケールの分散反復的プロキシマルポイントアルゴリズムを開発する。
• 分散型の状況を想定し、消費者が即時近隣者と推定情報を交換することで均衡に到達する同意ベースの分散アルゴリズムを提案する。
• 変分不等式理論および一貫性理論から導かれる理論的保証を用いて、両アルゴリズムがナッシュ均衡に収束することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 本研究で提示された集約的ゲームにおけるナッシュ均衡が一意に存在する条件は何か？
• RQ2 即時負荷課金をどのように設計すれば、公平に消費者に課金しつつ、ピーク負荷シフトを効果的に促進できるか？
• RQ3 中央管理者を有する分散型アルゴリズムが、リアルタイムでナッシュ均衡に収束できるか？
• RQ4 中央単位が存在しない完全に分散型の環境でも、同じ均衡結果を達成できるか？
• RQ5 異なる通信および情報共有モデルのもとで、提案された分散型アルゴリズムの収束特性はどのようなものか？

主な発見

• コスト関数および課金関数にやや緩いが現実的な条件が満たされていれば、提案された集約的ゲームのナッシュ均衡は存在し、かつ一意である。
• 即時負荷課金メカニズムは、消費者がピーク時間帯からオフピーク時間帯へのエネルギー消費シフトを促進し、システム全体の負荷変動を低減することに成功した。
• 中央集権的1時刻スケールプロキシマルポイントアルゴリズムは、収束保証付きでナッシュ均衡に収束する。
• 分散型同意ベースのアルゴリズムにより、消費者は近隣者との局所的通信を通じてナッシュ均衡に到達でき、中央管理者に依存しなくなった。
• 両アルゴリズムとも計算効率が高く、スマートグリッド環境におけるリアルタイム実装に適している。
• 理論的分析により、提案された手法が、個々のコスト最小化を実現するとともに、エネルギーコスト配分の公平性と効率性を達成していることが確認された。