[論文レビュー] Blockchain Based Transactive Energy Systems for Voltage Regulation

Shivam Saxena, Hany E. Z. Farag+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スマートコントラクトを用いてサービス契約を強制し、エージェントの監査可能なレピュテーションスコアを維持し、契約ネットプロトコールを用いて入札を自動化することで、アクティブな配電ネットワークにおける電圧調整をインcentivizeするブロックチェーンベースのトランザクティブエネルギーシステムを提案する。シミュレートされたネットワークおよび実世界のネットワークにおける実験結果は、システムの信頼性と信頼できない取引の強制が向上し、電圧調整が改善されることを確認した。

ABSTRACT

Transactive Energy Systems (TES) are modern mechanisms in electric power systems that allow disparate control agents to utilize distributed generation units (DGs) to engage in energy transactions and provide ancillary services to the grid. Although voltage regulation is a crucial ancillary service within active distribution networks (ADNs), previous work has not adequately explored how this service can be offered in terms of its incentivization, contract auditability and enforcement. Blockchain technology shows promise in being a key enabler of TES, allowing agents to engage in trustless, persistent transactions that are both enforceable and auditable. To that end, this paper proposes a blockchain based TES that enables agents to receive incentives for providing voltage regulation services by i) maintaining an auditable reputation rating for each agent that is increased proportionately with each mitigation of a voltage violation, ii) utilizing smart contracts to enforce the validity of each transaction and penalize reputation ratings in case of a mitigation failure and iii) automating the negotiation and bidding of agent services by implementing the contract net protocol (CNP) as a smart contract. Experimental results on both simulated and real-world ADNs are executed to demonstrate the efficacy of the proposed system.

研究の動機と目的

• アクティブな配電ネットワーク（ADN）における電圧調整サービスのための、有効なインcentivization、監査可能性、および強制メカニズムの欠如を解決すること。
• ブロックチェーン技術を用いて、ADN内の分散エージェント間で信頼できないが持続的かつ監査可能なエネルギー取引を可能にすること。
• 電圧違反の緩和におけるエージェントのパフォーマンスに基づいて、自動的にインセンティブとペナルティを科すシステムを設計すること。
• 契約ネットプロトコール（CNP）をスマートコントラクトとして実装し、エージェント間での電圧調整サービスのための自動化された交渉および入札を可能にすること。
• シミュレートされたおよび実世界のアクティブな配電ネットワークにおける実験を通じて、システムの有効性を検証すること。

提案手法

• すべての取引を記録し、エージェントの活動に関する分散型で改ざん不能なログを維持するために、許可型ブロックチェーンを採用する。
• 各エージェントには動的レピュテーションスコアが割り当てられ、電圧違反を正常に緩和した場合は上昇し、義務を果たさなかった場合は低下する。
• スマートコントラクトを用いてサービス契約を強制し、リアルタイムの電圧データに基づいてコンプライアンスを自動で検証し、レピュテーションスコアを更新する。
• 契約ネットプロトコール（CNP）をスマートコントラクトとして実装し、エージェント間での電圧調整サービスのための自動入札および交渉プロセスを自動化する。
• 電圧違反の検出は、配電ネットワークのバスにおけるリアルタイム監視を用いて実施され、過電圧および低電圧状態のためのしきい値が定義されている。
• 既存の配電ネットワークモデルと統合することで、現実の運用条件下でのパフォーマンスをシミュレートおよび検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術を活用することで、アクティブな配電ネットワークにおける電圧調整のための信頼できない、監査可能な、強制可能なインcentivizationをどのように実現できるか。
• RQ2 エージェントが電圧違反の緩和に成功した場合に確実に報酬を受けられ、失敗した場合にはペナルティが科されるようなメカニズムは何か。
• RQ3 分散型の方法で電圧調整のための自動サービス交渉および入札をどのように実装できるか。
• RQ4 提案されたシステムは、従来の方法と比較して、電圧調整のパフォーマンスをどの程度向上させるか。
• RQ5 システムは実世界の配電ネットワーク環境下でどの程度の性能を示すか。

主な発見

• 提案されたシステムは、各エージェントの電圧違反緩和パフォーマンスと直接相関する監査可能で動的なレピュテーションスコアを効果的に維持している。
• スマートコントラクトはサービス契約を効果的に強制し、コンプライアンス違反のリスクを低減し、失敗した緩和試みに対して自動ペナルティを科す。
• 契約ネットプロトコール（CNP）をスマートコントラクトとして統合することで、エージェント間での効率的で自動化された入札およびサービス割り当てが可能になった。
• 実世界の配電ネットワークにおける実験結果から、システムはベースラインシナリオと比較して、電圧違反の数を最大78％まで削減した。
• システムは高い信頼性とスケーラビリティを維持しており、リアルタイム運用条件下でも取引処理およびレピュテーション更新に最小限の遅延が生じた。
• ブロックチェーンベースのフレームワークにより、すべての取引およびレピュテーション変更のエンドツーエンドの監査可能性とトレーサビリティが確保され、システムの透明性が向上した。