[논문 리뷰] Combined Cooling, Heating, and Power System in Blockchain-Enabled Energy Management

Jianxiong Guo, Xingjian Ding외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 20.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 30인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 스마트 시티의 블록체인 기반 에너지 관리 시스템을 제안하며, 비협력적 스타켈베르 게임을 통해 복합 냉난방 및 전력(CCHP) 시스템을 전력망과 통합한다. 이 접근법은 분산 알고리즘을 사용하여 유일하고 안정적인 스타켈베르 균형에 도달하며, 전력망의 에이전트(APG)와 CCHP 단위 양측의 수익을 극대화하고 블록체인 기술을 통해 기밀성과 거래 보안을 보장한다.

ABSTRACT

The combined cooling, heating and power (CCHP) system is a typical distributed, electricity-gas integrated energy scheme in a community. First, it generates electricity by use of gas, and then exploits the waste heat to supply community with heat and cooling. In this paper, we consider a smart city consisting of a number of communities (CCHPs) and an agent of power grid (APG), where CCHPs can sell energy to the APG according to its bid. To study all utilities of entities in such a city from energy trading, a noncooperative Stackelberg game between APG and CCHPs is formulated. Here, the APG gives a bid for buying the energy from CCHPs, then CCHPs respond to the APG with their optimal energy supply that maximizing their utilities according to this bid. We show that the maximum profit to the APG and utilities to the CCHPs can be obtained at the Stackelberg equilibrium, which is guaranteed to exist and unique. Because the complete information about energy supply of each CCHP is unknown to the APG in advance, we propose a distributed algorithm that is able to find the point of equilibrium through a limited number of iterations. Taking privacy protection and transaction security into consideration, we design a blockchain-enabled energy management system. This system is composed of Internet of Energy (IoE) sub-system and blockchain sub-system, where the information interactions as well as energy transactions between APG and CCHPs can be carried out effectively and safely. Finally, security analysis and numerical simulations show the effectiveness and accuracy of our proposed mechanism.

연구 동기 및 목표

• 스마트 시티에서 CCHP 시스템이 중심 전력망 에이전트(APG)에 전기를 공급하는 탈중앙화된 에너지 거래 문제를 해결하기 위해.
• 비협력적 게임 이론을 사용하여 APG(리더)와 다수의 CCHP 단위(팔로워) 간의 전략적 상호작용을 모델링하기 위해.
• CCHP 공급 파ameters의 전체 정보가 필요로 하지 않는 분산 알고리즘을 설계하여 스타켈베르 균형에 수렴하도록 하기 위해.
• 인터넷 오브 에너지(IoE)와 통합된 블록체인 기반 시스템을 통해 에너지 거래의 기밀성과 거래 보안을 확보하기 위해.
• 실제 도시 에너지 시나리오에서 보안 분석과 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 메커니즘의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• APG가 CCHP로부터 전기를 구매하기 위한 입찰 가격을 설정하고, CCHP가 이에 따라 에너지 공급을 최적화하여 유용도를 극대화하는 비협력적 스타켈베르 게임을 수립한다.
• 지역 에너지 소비, 판매 수익, 비용 차이를 포함한 유용도 함수를 APG와 CCHP 양측에 정의한다.
• 제안된 게임 모델에서 스타켈베르 균형(SE)의 존재성과 유일성을 증명한다.
• CCHP와의 제한된 정보 교환을 통해 APG가 SE에 수렴할 수 있도록 하는 분산 반복 알고리즘을 제안한다.
• 인터넷 오브 에너지(IoE) 계층을 통한 데이터 교환과 블록체인 계층을 통한 안전하고 신뢰할 수 없는 거래 기록을 통합한 블록체인 기반 에너지 관리 시스템을 설계한다.
• 암호 기법과 스마트 계약을 활용하여 에너지 거래의 데이터 무결성, 기밀성, 불변성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 시티에서 중심 전력망 에이전트(APG)와 다수의 CCHP 시스템 간의 에너지 거래를 상호 작용 전략으로 모델링하여 상호 유용도를 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 이 탈중앙화된 에너지 거래 환경에서 스타켈베르 균형의 존재성과 유일성을 보장하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 APG는 개별 CCHP 공급 능력에 대한 전체 정보 없이도 최적의 입찰 가격을 어떻게 결정하여 수익을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 탈중앙화된 환경에서 APG와 CCHP 간의 에너지 거래에서 기밀성과 보안을 확보하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 제안된 분산 알고리즘의 성능은 수익과 수렴 정확도 측면에서 중심 최적 해법과 비교하여 어떻게 되는가?

주요 결과

• APG와 CCHP 간의 에너지 거래 게임에 대한 스타켈베르 균형(SE)은 존재하고 유일함이 증명되어 안정적이고 예측 가능한 결과를 보장한다.
• 분산 알고리즘이 32회 반복 내에 SE에 수렴하며, APG의 최적 입찰 가격이 $2.64 \times 10^{-8}$ coin/J로 안정화되어 근사 최적 수익을 달성한다.
• 분산 알고리즘 하에서 APG의 수익은 중심 최적 해법과 거의 동일하며, 모든 시험 설정에서 최대 0.01% 미만의 편차를 보인다.
• CCHP가 존재하지 않을 경우 기준 수익 3240에서 30개의 CCHP가 활성화된 경우 4799.83로 증가하여 기준 대비 148% 향상된다.
• CCHP 수가 5개에서 30개로 증가함에 따라 수익 증가 비율이 108%에서 148%로 증가하여 CCHP 시스템 통합의 확장성과 경제적 이점을 입증한다.
• 보안 분석을 통해 블록체인 기반 시스템이 일반적인 위협에 대해 강건하며, 에너지 거래의 데이터 무결성과 거래 기밀성을 보장함을 확인한다.