[論文レビュー] Game-Theoretic Approaches to Energy Trading: A Survey.

Matthias Pilz, Luluwah Al‐Fagih|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2017

Smart Grid Energy Management被引用数 4

ひとこと要約

本稿はスマートグリッドにおけるエネルギー取引のゲーム理論的アプローチを調査し、再生可能エネルギーと蓄電を統合する二層構造のフレームワークを提案する。ゲーム理論的モデルの分類法を提示し、エネルギー取引のシナリオへの応用を詳細に説明するとともに、主な課題と今後の研究方向性を特定する。

ABSTRACT

The global move towards producing and consuming energy in a clean, efficient and economical way, along with the need for meeting rising consumer demand has led to significant advancements in the design of the smart grid infrastructure. However, the potential of the smart grid remains limited without the integration of renewable energy sources. Energy trading is one way forward. This refers to the transfer of energy from an entity producing surplus energy to one with a deficit, within a certain timeframe. In this paper, we present a detailed review of the literature surrounding the application of game theoretic (GT) methods to scenarios in energy trading. Two levels (layers) of trading are identified and the latest achievements within them are summarised. An extensive description of a complete GT-based energy trading framework is presented, including a taxonomy of GT and an introduction to the smart grid architecture with a focus on renewable energy generation and energy storage. Finally, we present a critical evaluation of the current shortcomings and identify areas for future research.

研究の動機と目的

• スマートグリッド内での効率的かつ戦略的なエネルギー取引を可能にするゲーム理論の役割を分析すること。
• スマートグリッドアーキテクチャ内における二つの明確な取引レイヤー（ピアツーピア取引とグリッドレベル取引）を特定・分類すること。
• 再生可能エネルギー源とエネルギー貯蔵を統合する包括的なゲーム理論的エネルギー取引フレームワークを構築すること。
• 既存のGTベースのエネルギー取引モデルにおける現在の制限を批判的に評価し、今後の研究方向性を提示すること。

提案手法

• 本稿は、非協力的ゲーム、協力的ゲーム、動的ゲームを含む、エネルギー取引に適用可能なゲーム理論的モデルの分類法を構築する。
• ゲーム理論的モデルを二層構造のエネルギー取引アーキテクチャに統合する：(1) プロスムア間のピアツーピア取引、(2) 中央集権的なグリッドレベルの調整。
• フレームワークは、戦略的意思決定に影響を与える主要な要素として、再生可能エネルギー発電とエネルギー貯蔵を統合する。
• 研究手法は、ゲーム理論のエネルギー取引への応用に関する体系的文献レビューであり、モデリング技法と解概念に焦点を当てる。
• ゲーム理論のコアな要素には、報酬関数、均衡概念（例：ナッシュ均衡）、参加を促すインcentiveメカニズムが含まれる。
• 供給・需要・貯蔵容量の制約下で、エネルギー取引参加者の戦略的行動をどのようにモデリング・最適化できるかを評価するアプローチである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能エネルギーの高比率導入が進むスマートグリッドにおいて、ゲーム理論的モデルをエネルギー取引に効果的に適用する方法は何か？
• RQ2 ゲーム理論的文脈において、ピアツーピア取引とグリッドレベル取引の特徴と運用メカニズムの相違点は何か？
• RQ3 再生可能エネルギー発電とエネルギー貯蔵は、エネルギー取引ゲームにおける戦略的行動と均衡結果にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現在のゲーム理論的アプローチにおける主な制限は何か。今後の研究でどのように克服できるか？

主な発見

• ゲーム理論的モデルは、スマートグリッドにおけるエネルギー取引参加者間の戦略的相互作用を分析する強固なフレームワークを提供する。
• ピアツーピア取引とグリッドレベル取引から成る二層構造のエネルギー取引モデルは、さまざまな市場状況下でもスケーラブルかつ効率的なエネルギー配分を可能にする。
• ゲーム理論的モデルに再生可能エネルギー発電と蓄電を統合することで、システム効率が向上し、持続可能なエネルギー利用が促進される。
• 既存のアプローチは、特に動的で分散型の環境において、リアルタイムでの適応性とスケーラビリティに欠けていることが多い。
• 意思決定を向上させるために、ゲーム理論を機械学習および最適化技術と統合するより統合的なモデルの開発が求められる。
• 今後の研究は、分散型エネルギー取引システムにおけるインcentive適合性、公平性、耐障害性に焦点を当てるべきである。