[論文レビュー] Non Cooperative Game Theoretic Approach for Residential Energy Management in Smart Grid

Ilyes Naidji, Moncef Ben Smida+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スマートグリッドにおける住宅用エネルギーマネジメントのための非協力的ゲーム理論的手法を提案し、動的料金を用いて消費者が家電のスケジューリングを最適化することで、1日あたりのエネルギーコストと不快感の両方を最小化することを目的としている。ナッシュ均衡はNSGA-IIを用いて計算され、基準シナリオと比較してコストは37％削減され、不快感は20％増加にとどまるが、コストのみを最適化する戦略を上回り、効率性と快適性のバランスに優れている。

ABSTRACT

Demand side management (DSM) is one of the main functionalities of the smart grid as it allows the consumer to adjust its energy consumption for an efficient energy management. Most of the existing DSM techniques aim at minimizing the energy cost while not considering the comfort of consumers. Therefore, maintaining a trade-off between these two conflicting objectives is still a challenging task. This paper proposes a novel DSM approach for residential consumers based on a non-cooperative game theoretic approach, where each player is encouraged to reshape its electricity consumption pattern through the dynamic pricing policy applied by the smart grid operator. The players are guided to select the best strategy that consists of scheduling their electric appliances in order to minimize the daily energy cost and their discomfort level. The Nash Equilibrium of the energy management game is achieved using Non-Sorting Genetic Algorithm NSGA-II. Simulation results show the effectiveness of the distributed non cooperative game approach for the residential energy management problem where an appreciable energy cost reduction is reached while maintaining the discomfort in an acceptable level.

研究の動機と目的

• 需要応答（DR）戦略における住宅用エネルギーコストの最小化と消費者の快適性の維持というトレードオフを解消すること。
• 消費者が動的料金に基づいて自らの家電スケジューリングを最適化する分散型・非協力的ゲームモデルを構築すること。
• エネルギーマネジメントにおいて、エネルギーコストに加えて不快感レベルを定量的目標として組み込むこと。
• ゲーム理論を用いて実際の消費者行動を反映する公平で均衡に基づく解決策を達成すること。
• NSGA-IIを用いた多目的最適化により、対立する目標を効果的にバランスさせるアプローチを評価すること。

提案手法

• 各住宅消費者をプレイヤーとする非協力的ゲームを定式化し、各自が自らの家電スケジューリングを最適化する。
• 消費者の不快感を、好ましい運転時刻とスケジュールされた運転時刻の差異としてモデル化する。
• ピーク時以外の時間帯への消費シフトを促すインcentiveメカニズムとして動的料金を用いる。
• NSGA-IIを用いて多目的最適化問題を解き、エネルギーコストと不快感の両方におけるナッシュ均衡を求める。
• 意思決定変数として、時間窓内での家電の開始時刻と終了時刻を定義し、電力制限と継続時間の制約を設ける。
• 3つのシナリオ（基準：福祉最大化、コストのみ、コストと不快感のバランス）で性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1日あたりのエネルギーコストを削減しつつ消費者の快適性を維持するため、住宅用エネルギーマネジメントをどのように最適化できるか？
• RQ2 非協力的状況下において、動的料金が消費者の家電スケジューリング行動に与える影響は何か？
• RQ3 ゲーム理論的手法により、コスト最小化と不快感低減の間でバランスの取れた均衡を達成できるか？
• RQ4 本稿で提案する多目的アプローチは、現実世界のシナリオにおいて、コストのみまたは快適性のみを最適化する戦略と比較してどのように差がつくか？
• RQ5 NSGA-IIは、対立する目的を有する住宅用エネルギーマネジメントゲームにおいて、ナッシュ均衡を効果的に計算できるか？

主な発見

• 提案されたコスト・不快感シナリオは、基準シナリオと比較して1日あたりのエネルギーコストを約37％削減した。
• 不快感レベルは基準シナリオと比較して20％増加したが、コストのみを最適化したシナリオと比較して10％低減された。
• コストのみのシナリオは、基準シナリオと比較してコストを40％削減したが、不快感は30％増加した。
• 多目的アプローチにより、コストと快適性の両方をうまくバランスさせ、両指標においてほぼ最適な性能が達成された。
• 自家発電を行うプロシューマー（p-プレイヤー）は、好ましい時間帯に家電をスケジューリングすることで、より高い快適性を維持した。
• NSGA-IIに基づくソリューションはナッシュ均衡を効果的に計算し、分散型・非協力的エネルギーマネジメントの実現可能性を示した。