[논문 리뷰] Blockchain-Assisted Crowdsourced Energy Systems

Shen Wang, Ahmad F. Taha외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 09.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분산 에너지 자원, 전기 자동차, 제어 가능한 부하 간에 안전하고 탈중앙화된 에너지 거래 및 스케줄링을 가능하게 하는 블록체인 통합 프레임워크를 제안한다. 최적의 부하 흐름 모델과 스마트 계약, 인cent라이브 메커니즘을 융합함으로써, 경량 하이퍼레지스트리 프레임워크 배포를 통해 확장성, 보안성, 사용자 자율성을 확보하면서도 시장 균형을 달성한다.

ABSTRACT

Crowdsourcing relies on people's contributions to meet product- or system-level objectives. Crowdsourcing-based methods have been implemented in various cyber-physical systems and realtime markets. This paper explores a framework for Crowdsourced Energy Systems (CES), where small-scale energy generation or energy trading is crowdsourced from distributed energy resources, electric vehicles, and shapable loads. The merits/pillars of energy crowdsourcing are discussed. Then, an operational model for CESs in distribution networks with different types of crowdsourcees is proposed. The model yields a market equilibrium depicting traditional and distributed generator and load setpoints. Given these setpoints, crowdsourcing incentives are designed to steer crowdsourcees to the equilibrium. As the number of crowdsourcees and energy trading transactions scales up, a secure energy trading platform is required. To that end, the presented framework is integrated with a lightweight Blockchain implementation and smart contracts. Numerical tests are provided to showcase the overall implementation.

연구 동기 및 목표

• 분포망에서 블록체인과 스마트 계약을 활용하여 확장성, 보안성, 탈중앙화를 확보한 에너지 커스터마이징 프레임워크를 설계하기.
• 배터리, 태양광 패널, 형태 조절 가능한 부하를 포함한 다양한 분산 에너지 자원(DERs) 간의 에너지 거래 및 발전 스케줄링을 모델링하고 최적화하기.
• 전력망 제약 조건과 사용자 선호도를 고려하면서도 시장 균형에 도달하도록 유도하는 동적 통화 인센티브를 개발하기.
• 안정적이고 투명하며 감사 가능한 에너지 거래를 위해 운영 모델을 경량 블록체인 구현체(Hyperledger Fabric)와 통합하기.
• 56bus 분포망에서의 수치적 시험을 통해 프레임워크의 실현 가능성과 실시간 인센티브 동역학을 검증하기.

제안 방법

• 24시간 동안의 다양한 발전기 및 부하의 시장 균형 설정값을 계산하기 위해 다기능 최적 부하 흐름(CES-OPF) 모델을 수립한다.
• 두 가지 인센티브 메커니즘을 도입한다: 유형 1 커스터마이저(예: 고정 계약)에 대한 장기 스마트 계약과, 유형 2 커스터마이저(실시간 시장 참여)에 대한 동적이고 시간에 따라 변하는 통화 인센티브.
• 대규모 CES-OPF 문제를 효율적으로 분산 방식으로 해결하기 위해 ADMM 기반 분해 기법을 활용한다.
• 하이퍼레지스트리 프레임워크를 사용하여 경량 블록체인 네트워크를 배포하며, 피어가 레거와 월드 스테이트를 유지하고, 체인코드가 사용자 약속에 따라 스마트 계약을 실행한다.
• 웹 기반 사용자 인터페이스를 도입하여 커스터마이저가 선호도를 제출하고 블록체인 기반으로 실시간 인센티브 업데이트를 수신할 수 있도록 한다.
• 반복적 인센티브 조정 알고리즘을 적용한다: 사용자가 제안을 거부할 경우 예산 한도 내에서 인센티브를 증가시키며, 이후 전통적 발전 방식으로 전환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 분산 에너지 자원을 분포망에 통합할 수 있는 탈중앙화되고 확장 가능한 에너지 커스터마이징 프레임워크는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 운영 및 안정성 제약 조건을 고려하면서도 전체 시스템의 시장 균형에 도달하도록 효과적으로 유도할 수 있는 인센티브 구조는 무엇인가?
• RQ3 블록체인 기술은 분산 에너지 자원 간의 피어 투 피어 에너지 거래에서 보안성, 투명성, 신뢰도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 사용자 선호도와 수용 의사(Willlingness-to-Accept)는 커스터마이징 메커니즘의 수렴성과 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스마트 계약과 실시간 인센티브의 통합은 에너지 시장 운영의 확장성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 CES-OPF 모델은 56bus 분포망에서 24시간 동안 전력망 안정성과 재생 가능 에너지 투입 목표를 충족시키는 바탕으로 타당한 발전기 및 부하 설정값을 성공적으로 계산하였다.
• 수치적 결과는 배터리 시스템이 태양광 발전이 높은 시기에는 충전하고 피크 부하 시간대에는 방전함으로써 효과적인 에너지 아르비트리지와 전력망 지원이 이루어지고 있음을 보여주었다.
• 유형 2 커스터마이저에 대한 시간에 따라 변하는 통화 인센티브는 피크 수요 또는 수요 부족 상황에서 보다 높은 보상을 제공하는 동적 조정 패턴을 보였으며, 그림 3(오른쪽)에서 확인할 수 있다.
• 인센티브 메커니즘이 효과적으로 사용자 참여를 이끌어내었으며, 시뮬레이션된 모든 커스터마이저가 제안된 인센티브를 수락함으로써 테스트 조건 하에서의 설계 효과성이 입증되었다.
• 하이퍼레지스트리 프레임워크 통합은 안정적이고 감사 가능한 실시간 거래 처리를 가능하게 하였으며, 사용자 약속 시 스마트 계약이 자동으로 트리거된다.
• 웹 기반 프로토타입은 시스템의 실용적 구현 가능성을 보여주었으며, 사용자는 블록체인 기반 인터페이스를 통해 선호도를 제출하고 업데이트된 인센티브 정보를 실시간으로 수신할 수 있었다.