[論文レビュー] Blockchain-Assisted Crowdsourced Energy Systems

Shen Wang, Ahmad F. Taha+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、分散型エネルギー資源、電気自動車、制御可能負荷間における安全で分散型のエネルギー取引およびスケジューリングを可能にする、ブロックチェーン統合型フレームワークを提案する。最適潮流モデルとスマートコントラクト、インcentiveメカニズムを組み合わせることで、スケーラビリティ、セキュリティ、ユーザーの自律性を確保しながら市場均衡を達成する。軽量なHyperledger Fabricのデプロイにより実現される。

ABSTRACT

Crowdsourcing relies on people's contributions to meet product- or system-level objectives. Crowdsourcing-based methods have been implemented in various cyber-physical systems and realtime markets. This paper explores a framework for Crowdsourced Energy Systems (CES), where small-scale energy generation or energy trading is crowdsourced from distributed energy resources, electric vehicles, and shapable loads. The merits/pillars of energy crowdsourcing are discussed. Then, an operational model for CESs in distribution networks with different types of crowdsourcees is proposed. The model yields a market equilibrium depicting traditional and distributed generator and load setpoints. Given these setpoints, crowdsourcing incentives are designed to steer crowdsourcees to the equilibrium. As the number of crowdsourcees and energy trading transactions scales up, a secure energy trading platform is required. To that end, the presented framework is integrated with a lightweight Blockchain implementation and smart contracts. Numerical tests are provided to showcase the overall implementation.

研究の動機と目的

• 配電網において、ブロックチェーンとスマートコントラクトを用いてスケーラブルで安全かつ分散型のエネルギークラウドソーシングフレームワークを設計すること。
• バッテリー、太陽光パネル、形状可能な負荷を含む多様な分散型エネルギー資源（DERs）におけるエネルギー取引および発電スケジューリングのモデリングと最適化を行うこと。
• グリッド制約およびユーザーの好みを尊重しながら、市場均衡に向けてクラウドソーシーを誘導する動的マネタイズインセンティブを設計すること。
• セキュアで透明かつ監査可能なエネルギー取引を実現するため、軽量なブロックチェーン実装（Hyperledger Fabric）と運用モデルを統合すること。
• 56バス配電系統を用いた数値実験を通じてフレームワークを検証し、実現可能性およびリアルタイムインセンティブダイナミクスを示すこと。

提案手法

• 24時間にわたる発電機および負荷の市場均衡セットポイントを計算するため、マルチステージ最適潮流（CES-OPF）モデルを定式化する。
• 2種類のインセンティブメカニズムを導入：タイプ1のクラウドソーシー（例：固定契約）向けの長期的スマートコントラクト、およびタイプ2のクラウドソーシー（リアルタイム市場参加）向けの動的かつ時間変動型のマネタイズインセンティブ。
• 大規模なCES-OPF問題を分散的にかつ効率的に解くために、ADMMに基づく分解手法を採用する。
• Hyperledger Fabricを用いて、ピアがレジャーやワールドステートを維持し、チェーンコードがユーザーのコミットに応じてスマートコントラクトを実行する軽量ブロックチェーンネットワークを実装する。
• ユーザーが好みを提出し、ブロックチェーンを介してリアルタイムでインセンティブ更新を受けることができるウェブベースのユーザインタフェースを導入する。
• 反復的インセンティブ調整アルゴリズムを適用：ユーザーがオファーを拒否した場合、予算上限までインセンティブを増加させた後、従来の発電に切り替える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 配電網に多様な分散型エネルギー資源を統合するため、分散型でスケーラブルなエネルギークラウドソーシングフレームワークをどのように設計できるか？
• RQ2 運用および安定性制約を尊重しながら、クラウドソーシーを全体最適市場均衡に向けて効果的に誘導するインセンティブ構造とは何か？
• RQ3 ブロックチェーン技術は、分散型エネルギー資源間のピアツーピアエネルギー取引におけるセキュリティ、透明性、信頼性をどのように向上させられるか？
• RQ4 ユーザーの好みおよび受諾意思（willingness-to-accept）は、クラウドソーシングメカニズムの収束性および効率性にどのような影響を及えるか？
• RQ5 スマートコントラクトとリアルタイムインセンティブの統合は、エネルギー市場運用のスケーラビリティおよび信頼性にどのように影響を及えるか？

主な発見

• 提案されたCES-OPFモデルは、56バス配電系統における24時間にわたる実行可能発電機および負荷のセットポイントを適切に計算し、グリッドセキュリティおよび再生可能エネルギー導入目標を確保した。
• 数値結果から、バッテリー系は太陽光発電が豊富な時期に充電され、ピーク負荷時刻に放電することで、効果的なエネルギーアービタージュおよびグリッド支援が実現されている。
• タイプ2クラウドソーシー向けの時間変動型マネタイズインセンティブは、ピーク需要時や供給不足時において高い報酬を示す動的調整パターンを示しており、図3（右）に示す。
• インセンティブメカニズムはユーザー参加を効果的に促進した：シミュレーションされた全クラウドソーシーが提示されたインセンティブを受け入れたことから、テスト条件下での設計の有効性が裏付けられた。
• Hyperledger Fabricの統合により、セキュアで監査可能かつリアルタイムの取引処理が可能となり、ユーザーのコミットに応じてスマートコントラクトが自動的に発動した。
• ウェブベースのプロトタイプは、実際のシステム展開の実現可能性を示しており、ユーザーはブロックチェーンを基盤とするインターフェースを通じて好みを提出し、更新されたインセンティブ情報を即時に受信できる。