[論文レビュー] Exploring Blockchain for The Coordination of Distributed Energy Resources

Qing Yang, Hao Wang|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2021

Smart Grid Energy Management参考文献 17被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、ADMM（交互方向乗数法）とスマートコントラクトを用いて、ブロックチェーンベースの信頼性があり分散型の協調システムを、分散型エネルギー資源（DERs）に適用する手法を提案する。プライバシーを守りながら分散型の最適化を実現し、エネルギー取引、スケジューリング、需要応答を可能にし、シミュレーションにより10イテレーション以内で収束し、ピアツーピアのエネルギー取引と電力網との連携によってシステム効率が向上することを示している。

ABSTRACT

The fast growth of distributed energy resources (DERs), such as distributed renewables (e.g., rooftop PV panels), energy storage systems, electric vehicles, and controllable appliances, drives the power system toward a decentralized system with bidirectional power flow. The coordination of DERs through an aggregator, such as a utility, system operator, or a third-party coordinator, emerges as a promising paradigm. However, it is not well understood how to enable trust between the aggregator and DERs to integrate DERs efficiently. In this paper, we develop a trustable and distributed coordination system for DERs using blockchain technology. We model various DERs and formulate a cost minimization problem for DERs to optimize their energy trading, scheduling, and demand response. We use the alternating direction method of multipliers (ADMM) to solve the problem in a distributed fashion. To implement the distributed algorithm in a trustable way, we design a smart contract to update multipliers and communicate with DERs in a blockchain network. We validate our design by experiments using real-world data, and the simulation results demonstrate the effectiveness of our algorithm.

研究の動機と目的

• 中央集権的なDER協調における信頼性と透明性の欠如を、ブロックチェーン技術を活用して解消すること。
• コスト最小化を実現しつつプライバシーを保護する分散型最適化フレームワークの開発。
• スマートコントラクトを用いてブロックチェーン上に、ADMMの双対変数の更新を信頼性があり検証可能に実装すること。
• 実世界のエネルギーおよび負荷プロファイルを用いたシミュレーションにより、システムの有効性を検証すること。

提案手法

• 柔軟な負荷、再生可能エネルギー、蓄電を含むDERのコスト最小化問題を定式化し、エネルギー取引、自家消費、需要応答を統合する。
• 交互方向乗数法（ADMM）を用いて、各プロシューマごとの分散型部分問題に問題を分解する。
• Proof-of-Authority（PoA）を採用したイーサリアムベースのブロックチェーン上に、双対変数および補助変数の管理と更新を安全に実行するスマートコントラクトを設計する。
• スマートメーターをブロックチェーンのノードとして活用し、ピアツーピア通信とアルゴリズムの分散型・検証可能実行を可能にする。
• PoAノード間でラウンドロビン型の合意形成メカニズムを採用し、IoTデバイスに適した低遅延・軽量な運用を実現する。
• 反復的に分散アルゴリズムを実行する：プロシューマは意思決定を更新し、スマートコントラクトが新しい双対変数を計算・ブロードキャストし、収束するまでプロセスを繰り返す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独立したプロシューマと中央コーディネータの間で、どのように信頼を確立できるか？
• RQ2 ブロックチェーン技術は、DERの分散型最適化アルゴリズム（ADMMなど）の検証可能で分散型の実行を可能にするか？
• RQ3 ブロックチェーン上に統合されたスマートコントラクトは、DER協調の信頼性と透明性をどのように向上させるか？
• RQ4 提案されたブロックチェーン統合型ADMMアルゴリズムの収束特性とシステムパフォーマンスはいかほどか？
• RQ5 異なるプロシューマのプロファイル（例：高再生可能エネルギー vs. 低再生可能エネルギー）は、エネルギー取引とシステム効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案された分散型最適化アルゴリズムは10イテレーション以内で収束し、誤差は事前に設定されたしきい値以下を維持する。
• 本システムにより、効率的なピアツーピアエネルギー取引が実現され、プロシューマはまず自宅の再生可能エネルギーを優先的に使用し、必要に応じて電力会社から購入する。
• 高再生可能エネルギーを発電するプロシューマは需要が低い時期に余剰エネルギーを売却し、低発電のプロシューマはエネルギーを購入することで、効果的な市場ダイナミクスが実現している。
• 需要応答行動は、地域の発電および負荷プロファイルに大きく依存し、一部のプロシューマはピーク時間帯の応答に参加できない場合がある。
• ブロックチェーンベースのシステムにより、ADMMアルゴリズムの実行が検証可能で透明になることが保証され、信頼できる中央ノードへの依存が排除された。
• スマートコントラクトの実装により、双対変数および補助変数の更新が自動化され、安全で分散型の協調が可能になった。