[論文レビュー] The Sharing Economy for the Smart Grid

Dileep Kalathil, Chenye Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 5被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、スマートグリッドにおける電力貯蔵容量の共有を可能にするスポット市場メカニズムを提案し、投資意思決定を非凸で非協力的なゲームとしてモデル化する。わずかな整合性条件のもとで、ナッシュ均衡の存在、一意性、および社会的福祉最適性を証明し、50％以上の日次アービテージリターンが得られる、プライバシーを守る効率的な貯蔵容量共有を実現する。

ABSTRACT

The sharing economy has disrupted housing and transportation sectors. Homeowners can rent out their property when they are away on vacation, car owners can offer ride sharing services. These sharing economy business models are based on monetizing under-utilized infrastructure. They are enabled by peer-to-peer platforms that match eager sellers with willing buyers. Are there compelling sharing economy opportunities in the electricity sector? What products or services can be shared in tomorrow's Smart Grid? We begin by exploring sharing economy opportunities in the electricity sector, and discuss regulatory and technical obstacles to these opportunities. We then study the specific problem of a collection of firms sharing their electricity storage. We characterize equilibrium prices for shared storage in a spot market. We formulate storage investment decisions of the firms as a non-convex non-cooperative game. We show that under a mild alignment condition, a Nash equilibrium exists, it is unique, and it supports the social welfare. We discuss technology platforms necessary for the physical exchange of power, and market platforms necessary to trade electricity storage. We close with synthetic examples to illustrate our ideas.

研究の動機と目的

• 電力セクターにおける実行可能なシェアリングエコノミーの機会を探索し、特に未利用の電力貯蔵容量に焦点を当てる。
• ピアツーピア電力共有を可能にする技術的・規制的課題に対処する。特に、ポイントツーポイントの電力フローを追跡できないという問題に焦点を当てる。
• 共有市場条件下での貯蔵投資意思決定を二段階最適化問題としてモデル化する。
• 共有貯蔵に投資する企業の均衡行動を特徴づけ、社会的福祉の最大化と団体の安定性を保証する。
• 企業のプライベートな需要情報が露呈されない中で最適な投資意思決定を可能にする中立的なアグリゲーター・プラットフォームを設計する。

提案手法

• 中央集権的なオークションメカニズムを通じて、企業が余剰容量を取引する電力貯蔵共有のスポット市場を定式化する。
• 各企業の投資意思決定を二段階最適化としてモデル化する：第一に、最適な貯蔵容量を決定する。第二に、スポット価格を用いて市場を清算する。
• 時間別料金（ToU）価格と需要のばらつきに基づく報酬関数を有する非凸で非協力的なゲームとして、貯蔵共有ゲームを導入する。
• ナッシュ均衡の存在と一意性を保証するため、需要分布にやや厳しい整合性条件を適用する。
• ペカン・ストリートデータセットからの実証的データを用いて、家庭需要統計を推定し、実世界のパフォーマンスをシミュレートする。
• 累積分布関数（CDF）とペアワイズ相関分析を用いて、ピーク需要における統計的多様性を評価し、有効なアービテージを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 企業間で余剰容量と需要を効率的にマッチングできる、共有型電力貯蔵のスポット市場を設計することは可能か？
• RQ2 企業が貯蔵容量を共有する非凸な投資ゲームにおいて、ナッシュ均衡が存在する条件は何か？
• RQ3 貯蔵共有ゲームにおけるナッシュ均衡は、社会的福祉の最大化を支援するか？
• RQ4 中立的なアグリゲーターの存在が、共有貯蔵市場における情報のプライバシーと投資効率にどのように影響するか？
• RQ5 個別に非共有で貯蔵投資を行う場合と比較して、貯蔵共有は金融的リターンをどの程度向上させるか？

主な発見

• 需要分布にやや厳しい整合性条件が課された場合、貯蔵共有ゲームには一意なナッシュ均衡が存在し、安定的かつ予測可能な市場結果が保証される。
• ナッシュ均衡は社会的福祉の最大化を支持しており、集団的な投資意思決定がシステム全体のコストを最小限に抑えることを意味する。
• 貯蔵共有による平均日次金融的利益は、非共有シナリオと比較して約50％向上し、1世帯あたり55セントから75セントに増加する。
• 統計的に多様なピーク需要を持つ企業間でのリスク分散が向上するため、共有下での平均的最適貯蔵投資は約5％低くなる。
• 家庭のピーク需要間のペアワイズ相関係数の平均は約0.5であり、多くのペアで負の相関が観察され、共有による有効なアービテージが可能になる。
• アグリゲーターは、企業のプライベートな需要データを暴露することなく、最適な投資意思決定を可能にし、プライバシー保護と市場の中立性を確保する。