[論文レビュー] Transactive Energy System: Market-Based Coordination of Distributed Energy Resources

Sen Li, Jianming Lian+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 129被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、分散型エネルギー資源（DERs）間の市場ベースの調整を標準化する、取引型エネルギーシステムの統合的フレームワークを提案する。4つのコアな要素—エージェントの好み、制御意思決定、情報構造、解概念—を形式化することで、取引型システムの体系的比較と設計を可能にし、VCGメカニズムを用いたメカニズム設計が、通信量および計算量を最小限に抑えつつ、効率的で、財政的バランスが取れており、個人的合理性を満たす結果を達成できることを示している。

ABSTRACT

Distributed energy resources (DER) provide significant value for renewable energy integration in modern power grids. However, unlocking this value requires complex design and coordination. This paper focuses on the emerging {\em transactive energy systems}, which draw tools and principles from economics to design the coordination strategies for DERs. The concept of transactive energy system broadly captures a huge body of literature, and many of them are closely related but fundamentally different. This gives rise to the following questions: how to formally compare different transactive energy systems and their proposed approaches? How to choose the right transactive energy system to formulate a given problem? What tools are available in the literature for each class of transactive energy systems? In this paper, we answer these questions by synthesizing a unifying framework for a large class of problems studied in the literature. The framework consists of preferences, control decision, information structure and solution concept. These elements are important in identifying and distinguishing various transactive energy systems in the literature. We employ the proposed framework to analyze a few important class of transactive energy systems. Their connections and differences are discussed, and available tools for each class of problems are surveyed.

研究の動機と目的

• 文献における多様な取引型エネルギーシステムを比較・分析するための体系的フレームワークの欠如に対処する。
• 競合市場、スタックルベルクゲーム、メカニズム設計といった、取引型エネルギーシステムを特徴付ける構造的要素を形式化する。
• DERの調整に適した、効率的で、財政的バランスが取れており、個人的合理性を満たす取引型エネルギーメカニズムの設計を可能にする。
• 研究者および実務家が、システム要件に応じて適切な調整メカニズムを選択・適合できる標準化されたツールセットを提供する。
• 将来の研究を促進するため、取引型エネルギーシステムにおける動的要因および不確実性のモデリングに関するギャップを特定する。

提案手法

• エージェントの好み（効用関数）、制御意思決定（行動変数）、情報構造（情報の可用性）、解概念（合理性の仮定）の4要素を有する統合的フレームワークを定義する。
• エージェントがパrameter（例：入札信号）を提示することでシステムの結果に影響を与える戦略的ゲームとして、取引型エネルギーシステムをモデル化する。
• メカニズム設計ベースのシステムにおいて、効率性、財政的バランス、個人的合理性を保証するため、VCGメカニズムを適用する。
• 宣言されたパrameterに基づく最適割り当てを決定するための成果関数 $ a^*(\sigma) = \arg\!\max_a \sum_i \bar{V}_i(a_i; \sigma_i) $ を用いる。
• インcentive適合性を保証するための支払いルール $ t_i(\sigma) = \sum_{j \neq i} \bar{V}_j(a_j^*; \sigma_j) + h_i(\sigma_{-i}) $ を実装する。
• 弱い正則性条件（効用関数の厳密な凹型、微分可能性、限界効用の全射性）が満たされれば、ナッシュ均衡が社会的総余剰の最大化を達成することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 取引型エネルギーシステムは、その構造的および行動的要素に基づいて、どのように体系的に分類・比較できるか？
• RQ2 取引型エネルギーシステムにおける、競合市場、スタックルベルクゲーム、逆スタックルベルクゲーム、メカニズム設計の間で、設計および性能にどのような差が生じるか？
• RQ3 メカニズム設計は、DERの調整において、どのような条件下で効率性、財政的バランス、個人的合理性を保証できるか？
• RQ4 システムの効率性およびインcentive適合性を維持しながら、通信量および計算量を最小限に抑えるには、どのようにすればよいか？
• RQ5 さまざまなクラスの取引型エネルギーシステムをモデリングおよび評価するための、利用可能なツールおよび分析フレームワークは何か？

主な発見

• 提案された統合的フレームワークは、エージェントの好み、制御意思決定、情報構造、解概念という4つの基本的要素を特定することで、取引型エネルギーシステムの定式化を標準化することに成功した。
• フレームワーク内に適用されたVCGメカニズムにより、正則性条件のもとでナッシュ均衡が社会的総余剰の最大化を達成することが保証され、すなわち $ \sigma^* = \arg\!\max_a \sum_i U_i(a_i; \theta_i) $ が成立する。
• 通信量を最小限に抑えつつ、計算の扱いやすさを維持するため、二次関数的 $ \bar{V}_i $ では1エージェントあたりスカラーパラメータのみで十分であり、二次計画法により計算の実行可能性が保証される。
• [132]、[135]、[136]、[137]の結果により、フレームワークは財政的バランスおよび個人的合理性を支援しており、実世界への展開に実用的であることが示された。
• フレームワークにより、私的情報（例：ベースラインや需要応答パラメータ）を効果的に引き出すメカニズムの設計が可能となり、システムの調整が向上する一方で、効率性が損なわれない。
• 分析により、供給関数入札は限定的な効率損失を引き起こすが、容量制約およびネットワーク制約への拡張は可能であることが示されており、[139]–[143]で確認されている。