[論文レビュー] Combined Cooling, Heating, and Power System in Blockchain-Enabled Energy Management

Jianxiong Guo, Xingjian Ding+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 30被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、スマートシティにおけるブロックチェーン統合型エネルギーマネジメントシステムを提案し、非協力的スターリングバーグゲームを用いて、併合冷却・暖房・電力（CCHP）システムを電力グリッドと統合する。この手法は、分散型アルゴリズムを用いて、APG（電力グリッドエージェント）とCCHPユニットの両者にとって一意的かつ安定したスターリングバーグ均衡に到達し、プライバシーと取引のセキュリティをブロックチェーン技術によって確保する。

ABSTRACT

The combined cooling, heating and power (CCHP) system is a typical distributed, electricity-gas integrated energy scheme in a community. First, it generates electricity by use of gas, and then exploits the waste heat to supply community with heat and cooling. In this paper, we consider a smart city consisting of a number of communities (CCHPs) and an agent of power grid (APG), where CCHPs can sell energy to the APG according to its bid. To study all utilities of entities in such a city from energy trading, a noncooperative Stackelberg game between APG and CCHPs is formulated. Here, the APG gives a bid for buying the energy from CCHPs, then CCHPs respond to the APG with their optimal energy supply that maximizing their utilities according to this bid. We show that the maximum profit to the APG and utilities to the CCHPs can be obtained at the Stackelberg equilibrium, which is guaranteed to exist and unique. Because the complete information about energy supply of each CCHP is unknown to the APG in advance, we propose a distributed algorithm that is able to find the point of equilibrium through a limited number of iterations. Taking privacy protection and transaction security into consideration, we design a blockchain-enabled energy management system. This system is composed of Internet of Energy (IoE) sub-system and blockchain sub-system, where the information interactions as well as energy transactions between APG and CCHPs can be carried out effectively and safely. Finally, security analysis and numerical simulations show the effectiveness and accuracy of our proposed mechanism.

研究の動機と目的

• スマートシティにおける分散型エネルギー取引の課題に取り組む。CCHPシステムが中央電力グリッドエージェント（APG）に電力を供給する。
• 非協力的ゲーム理論を用いて、APG（リーダー）と複数のCCHPユニット（フォロワー）の戦略的相互作用をモデル化する。
• CCHP供給パrameterの完全な知識がなくても、スターリングバーグ均衡への収束を可能にする分散型アルゴリズムを設計する。
• インターネット・オブ・エネルギー（IoE）と統合されたブロックチェーンベースのシステムにより、エネルギー取引におけるプライバシーと取引セキュリティを確保する。
• 現実の都市エネルギーシナリオにおけるセキュリティ分析と数値シミュレーションを通じて、提案手法の有効性を検証する。

提案手法

• APGがCCHPからの電力購入に向けた入札価格を設定し、CCHPユニットがその価格に応じてエネルギー供給を最適化して利得を最大化する非協力的スターリングバーグゲームを定式化する。
• 局所的エネルギー消費、売電収益、コスト差異を組み込んだ、APGおよびCCHPの両者に対する利得関数を定義する。
• 提案されたゲームモデルにおけるスターリングバーグ均衡（SE）の存在と一意性を証明する。
• CCHPとの情報交換を限定的に用いることで、APGがSEに収束する分散反復アルゴリズムを提案する。
• IoEレイヤーを用いたデータ交換とブロックチェーンレイヤーを用いた信頼性のない取引記録を統合したブロックチェーン統合型エネルギーマネジメントシステムを設計する。
• 暗号メカニズムとスマートコントラクトを用いて、データ整合性、プライバシー、エネルギー取引の改ざん不能性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートシティにおける中央電力グリッドエージェント（APG）と複数のCCHPシステム間のエネルギー取引を、相互利得を最大化する戦略的相互作用としてどのようにモデル化できるか？
• RQ2 この分散型エネルギー取引シナリオにおいて、スターリングバーグ均衡の存在と一意性を保証する条件は何か？
• RQ3 APGは、個々のCCHP供給能力を完全に把握しない状況下で、どのように最適な入札価格を決定し、利益を最大化できるか？
• RQ4 分散環境下で、APGとCCHP間のエネルギー取引におけるプライバシーとセキュリティを保証するメカニズムは何か？
• RQ5 提案された分散型アルゴリズムの性能は、中央集権的最適ソリューションと比較して、利益と収束精度の面でどの程度の差異を示すか？

主な発見

• APGとCCHP間のエネルギー取引ゲームにおけるスターリングバーグ均衡（SE）は、存在および一意性が保証されており、安定的かつ予測可能な結果をもたらす。
• 分散型アルゴリズムは32イテレーション以内にSEに収束し、APGの最適入札価格は$2.64 \times 10^{-8}$コイン/Jに安定し、ほぼ最適な利益が達成される。
• 分散型アルゴリズム下でのAPGの利益は、中央集権的最適ソリューションと極めて近い値を示し、全テスト設定において最大で0.01%未満の乖離にとどまる。
• CCHPが存在しない状態（ベースライン3240）から、30台のCCHPが稼働するとAPGの利益は4799.83にまで上昇し、ベースライン比148%の改善が達成される。
• CCHP数が5台から30台に増加するに従い、利益の増分比は108%から148%に上昇し、CCHPシステム統合のスケーラビリティと経済的利点が明確に示された。
• セキュリティ分析により、ブロックチェーン統合型システムが一般的な脅威に対して堅牢であり、エネルギー取引におけるデータ整合性と取引機密性が保証されていることが確認された。