[論文レビュー] Exchange of Renewable Energy among Prosumers using Blockchain with Dynamic Pricing

Arnob Ghosh, Vaneet Aggarwal+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、太陽光パネルおよび蓄電池を備えたプロシューマー（自家発電・自家消費可能な世帯）間におけるピアツーピアエネルギー取引のためのブロックチェーンベースの動的価格設定メカニズムを提案する。ゲーム理論的モデルを用いて最適なエネルギー取引を達成する。プラットフォームは動的交換価格を設定し、従来のグリッドエネルギーの使用を最小限に抑える。分散型アルゴリズムは一意の一般化ナッシュ均衡に収束し、ピーク負荷を低減し、非取引シナリオと比較して社会的厚生を最大25％向上させる。

ABSTRACT

We consider users which may have renewable energy harvesting devices, or distributed generators. Such users can behave as consumer or producer (hence, we denote them as prosumers) at different time instances. A prosumer may sell the energy to other prosumers in exchange of money. We consider a demand response model, where the price of conventional energy depends on the total demand of all the prosumers at a certain time. A prosumer depending on its own utility has to select the amount of energy it wants to buy either from the grid or from other prosumers, or the amount of excess energy it wants to sell to other prosumers. However, the strategy, and the payoff of a prosumer inherently depends on the strategy of other prosumers as a prosumer can only buy if the other prosumers are willing to sell. We formulate the problem as a coupled constrained game, and seek to obtain the generalized Nash equilibrium. We show that the game is a concave potential game and show that there exists a unique generalized Nash equilibrium. We consider that a platform will set the price for distributed interchange of energy among the prosumers in order to minimize the consumption of the conventional energy. We propose a distributed algorithm where the platform sets a price to each prosumer, and then each prosumer at a certain time only optimizes its own payoff. The prosumer then updates the price depending on the supply and demand for each prosumer. We show that the algorithm converges to an optimal generalized Nash equilibrium. The distributed algorithm also provides an optimal price for the exchange market.

研究の動機と目的

• 電力系統における再生可能エネルギー供給の不確実性とピーク需要の課題に対処するため、プロシューマー間での直接的エネルギー取引を可能にする。
• 従来のグリッドエネルギーへの依存を低減し、ピーク負荷を最小限に抑える、動的でリアルタイムの価格設定メカニズムを設計する。
• 各プロシューマーが他者の行動を考慮しながら自身の利益を最適化する戦略的ゲームとしてプロシューマー行動をモデル化する。
• 他のプロシューマーの利得関数を完全に把握する必要がない分散型アルゴリズムを開発し、一般化ナッシュ均衡への収束を実現する。
• 動的価格によるエネルギー取引が社会的厚生およびシステム効率を著しく向上させることを示す。

提案手法

• 一般化ナッシュ均衡フレームワークを用いて、結合的制約付きゲームとしてエネルギー取引問題を定式化する。
• システムを凹型ポテンシャルゲームとしてモデル化し、均衡の存在および一意性を保証する。
• 中央プラットフォームがプロシューマー間の供給と需要に応じて交換価格を調整する動的価格設定メカニズムを導入する。
• 各プロシューマーが現在の価格と過去の行動に基づき、自らのエネルギー戦略（購入・売却・蓄電）を最適化する分散型アルゴリズムを提案する。
• 従来のエネルギーの線形価格関数を用い、合計システム需要に依存するものとして定式化し、リアルタイムのグリッド価格を反映する。
• プラットフォームによる反復的価格更新を採用し、最適均衡への収束を保証するとともに、従来のエネルギー消費を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的価格設定は、余剰の再生可能エネルギーをプロシューマー同士で取引させつつ、従来のグリッドエネルギーへの依存を最小限に抑えるために、どのように設計できるか？
• RQ2 プロシューマーが利己的であるが、供給と需要において相互に依存する状況下で、どのようなゲーム理論的均衡構造が生じるか？
• RQ3 他のプロシューマーの利得関数を全知する必要がない分散型アルゴリズムが、最適な一般化ナッシュ均衡に収束できるか？
• RQ4 局所的エネルギー取引市場の導入は、中央集権的グリッドのみのモデルと比較して、全体のシステム効率および社会的厚生にどのような影響を与えるか？
• RQ5 従来エネルギー価格パラメータγtの変動が、社会的厚生およびピーク負荷低減に与える影響は何か？

主な発見

• 凹型ポテンシャル関数の存在により、提示されたゲームは一意の一般化ナッシュ均衡を有する。
• 分散型アルゴリズムは最適な一般化ナッシュ均衡に収束し、効率的かつスケーラブルなエネルギー取引を可能にする。
• 取引市場のおかげで従来エネルギー消費とピーク負荷が低減され、ピアツーピア取引なしのシナリオと比較して社会的厚生が最低25％向上する。
• 蓄電容量が増加すると、取引の恩恵が最も顕著に現れるが、ある閾値を超えるとプロシューマーが自己充足的になるため、恩恵は薄れる。
• 最適な交換価格は、プラットフォームがリアルタイムの供給と需要に基づき動的に設定され、グリッド依存度の低減に寄与する。
• すべての従来エネルギー価格パラメータγtの値において、取引ありの社会的厚生は高いまま維持され、特にγtが低い場合に市場効率が顕著に高いことが示された。