[論文レビュー] Exploring Vickrey-Clarke-Groves Mechanism for Electricity Markets

Pier Giuseppe Sessa, Neil Walton+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2016

Auction Theory and Applications参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、スイスの電力二次サービス市場、特に制御予備力にVickrey-Clarke-Groves（VCG）メカニズムを適用することを提案する。VCGはインcentive compatibility（インcentive適合性）と社会的効率性を保証しており、数値結果では固定予備力要件下で支払い方式（pay-as-bid）より調達コストが低いことが示されている。また、偽装入札（shill bidding）や団結（collusion）を防止するための条件も導出されている。

ABSTRACT

Control reserves are power generation or consumption entities that ensure balance of supply and demand of electricity in real-time. In many countries, they are operated through a market mechanism in which entities provide bids. The system operator determines the accepted bids based on an optimization algorithm. We develop the Vickrey-Clarke-Groves (VCG) mechanism for these electricity markets. We show that all advantages of the VCG mechanism including incentive compatibility of the equilibria and efficiency of the outcome can be guaranteed in these markets. Furthermore, we derive conditions to ensure collusion and shill bidding are not profitable. Our results are verified with numerical examples.

研究の動機と目的

• 電力二次サービス市場、特に二次および三次制御予備力にVCGメカニズムを適用する可能性と利点を分析すること。
• 現在の支払い方式（pay-as-bid）メカニズムにおける戦略的入札の課題に対処すること。特に、入札者が利益を増加させるために過大入札を行う問題を想定する。
• 確率的かつ制約付きの電力市場において、VCGメカニズムが効率性とインcentive適合性を維持することを保証すること。
• 偽装入札や団結の動機を排除するための条件を導出することにより、市場の競争性と整合性を高めること。
• スイスグリッドの予備力市場入札から得た実データを用いて、理論的考察を検証すること。

提案手法

• 連続的な入札変数を用いた電力調達の逆オークションとして制御予備市場を形式化すること。
• VCGメカニズムの適用。支払いは、参加者が他の参加者に与える外部性（外部性）に基づき、参加者が存在しない場合と存在する場合のシステムコストの差分として計算される。
• 不確実性下での最適予備力調達を計算するための二段階確率的最適化モデルを用い、供給・需要のバランスとネットワークセキュリティの制約を含む。
• コoperativeゲーム理論に基づき、偽装入札や団結の動機を排除するための報酬単調性条件（pay-off monotonicity condition）を導出すること。
• GUROBIを用いて混合整数最適化問題を解く数値シミュレーションを実施し、固定対比・柔軟な予備力目標などの異なる仮定下でのVCGと支払い方式（pay-as-bid）の結果を比較すること。
• 週次および日次予備力市場の実データ（入札データと調達結果を含む）を用いて、結果の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的な入札変数とシステム制約を伴う電力制御予備市場において、VCGメカニズムはインcentive適合性と効率性を保証できるか？
• RQ2 VCGメカニズムが参加者間の偽装入札や団結を防止する条件は何か？
• RQ3 予備力要件が固定か柔軟かにかかわらず、VCG支払いは支払い方式（pay-as-bid）支払いと比較して、合計調達コストにどのように影響するか？
• RQ4 市場構造（例：確率的対比・決定論的）が、VCGメカニズムの効率性とコスト結果に与える影響は何か？
• RQ5 既存のデータとインfraストラクチャを有する現実の電力市場、例えばスイスの二次サービス市場に、VCGメカニズムを実用的に適用可能か？

主な発見

• 定理1で示されたように、VCGメカニズムは、確率的条件下であっても制御予備市場においてインcentive適合性と効率性を保証する。
• 予備力要件が固定（SRL 409 MW、TRL- 114 MW、TRL+ 100 MW）のシナリオでは、VCG支払いは797万CHFに達し、固定コスト外部性計算のため、支払い方式（pay-as-bid）の206万CHFよりも顕著に高くなる。
• 入札が真の価値を反映するようにスケーリングされ、予備力目標が柔軟（実際の二段階市場と同様）な状況では、VCGによる合計支払い（228万CHF）が支払い方式（206万CHF）を下回り、現実的状況下でのコスト優位性が示された。
• 定理4で導出された報酬単調性条件は、偽装入札や団結の動機を効果的に排除し、競争的かつ安定した市場結果を保証する。
• スイスグリッドのデータを用いた数値シミュレーションにより、将来的な入札が予測可能で予備力目標が固定されている場合、VCGは支払い方式（pay-as-bid）よりも調達コストを低く抑えられることを確認した。これは、コスト削減の可能性を示している。
• 計算時間は妥当な範囲（1.7 GHzの4コアプロセッサ上で7〜9分）に収まり、リアルタイム導入の実用的妥当性を示している。