[논문 리뷰] Deadline Differentiated Pricing of Deferrable Electric Loads

Eilyan Bitar, Yunjian Xu|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 07.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 43인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 도착 마감시간이 길수록 더 낮은 에너지 가격을 제공함으로써 연기 가능한 부하—특히 전기자동차 충전—을 유도하는 마감시간에 따라 다른 전기 요금 체계를 제안한다. 가장 빨리 도래하는 마감시간 우선(EDF) 스케줄링 정책 하에서, 저자들은 차별 없는, 인centives-compatible(인센티브 호환성 있는) 요금 체계를 설계하여 효율적인 경쟁 균형을 달성하고, 진정한 마감시간 공개를 보장한다.

ABSTRACT

A large fraction of the total electric load is comprised of end-use devices whose demand for energy is inherently deferrable in time. Of interest is the potential to leverage on such latent flexibility in demand to absorb variability in power supplied from intermittent renewable generation. The challenge, however, lies in designing incentives to reliably induce the desired response in demand. With an eye to electric vehicle charging, we propose a novel forward market for differentiated electric power services, where consumers consent to deferred service of pre-specified loads in exchange for a reduced per-unit price for energy. The longer a consumer is willing to defer, the larger the reduction in price. The proposed forward contract provides a guarantee on the aggregate quantity of energy to be delivered by a consumer-specified deadline. Under the earliest-deadline-first (EDF) scheduling policy, which is shown to be optimal for the supplier, we explicitly characterize a non-discriminatory, deadline-differentiated pricing scheme that yields an efficient competitive equilibrium between the supplier and consumers. We further show that this efficient pricing scheme, in combination with EDF scheduling, is incentive compatible (IC) in that every consumer would like to reveal her true deadline to the supplier, regardless of the actions taken by other consumers.

연구 동기 및 목표

• 간헐적인 재생 가능 에너지를 통합하는 데 도전하는 문제를 연기 가능한 부하의 수요측 유연성 활용을 통해 해결하고자 한다.
• 소비자가 에너지 소비를 연기하도록 유도하는 가격 인centives를 제공하면서도, 소비자가 지정한 마감시간까지 에너지를 공급하는 것을 보장하는 시장 메커니즘을 설계하고자 한다.
• 메커니즘이 인센티브 호환성(incetive-compatible)하도록 보장하여, 다른 사람들의 행동과 관계없이 소비자가 자신의 마감시간을 진정성 있게 보고하도록 보장하고자 한다.
• 진정성 있는 보고 행동 하에서 사회적 복지를 최대화하는 효율적인 스케줄링과 가격 책정을 통한 경쟁 균형을 달성하고자 한다.

제안 방법

• 더 긴 마감시간이 길수록 단위당 에너지 가격이 낮아지는 마감시간에 따라 다른 전력 서비스를 위한 선도 시장(Forward market)을 도입한다.
• 가장 빨리 도래하는 마감시간 우선(EDF) 스케줄링 정책을 적용하며, 이는 제안된 메커니즘 하에서 공급자에게 최적임이 입증된 정책이다.
• 공급자의 마진비용과 재생 에너지 수급 가능성의 확률에 기반한 비차별적 요금 체계를 유도한다.
• 재생 에너지 출력의 확률적 모델링(독립 동일분포 랜덤 변수 ξt를 통해)을 적용하여 기대비용과 가격 형성 과정을 특성화한다.
• 기구 설계 이론을 적용하여 요금 체계가 인센티브 호환성임을 보장하고, 진정성 보고가 지배 전략이 되도록 한다.
• 균형이 효율적이고 유일함을 입증하며, 진정성 보고 행동 하에서 사회적 복지를 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 전기 요금 체계를 구성할 수 있을까? 연기 가능한 부하를 가진 소비자들로부터 마감시간 정보를 진정성 있게 유도할 수 있도록.
• RQ2 어떤 요금 체계와 스케줄링 정책이 간헐적인 재생 에너지 통합을 효율적으로 가능하게 하면서도 소비자가 지정한 마감시간까지 공급을 보장할 수 있는가?
• RQ3 연기 가능한 부하를 위한 선도 시장에서 비차별적이고 인센티브 호환성 있는 메커니즘을 설계할 수 있는가? 그리고 이 메커니즘 하에서 경쟁 균형을 달성할 수 있는가?
• RQ4 이러한 메커니즘 하에서 최적의 스케줄링 정책은 무엇이며, 이는 공급자의 비용 최소화와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 어떤 조건에서 시장 균형이 사회적으로 최적이고 유일한가?

주요 결과

• 제안된 마감시간에 따라 다른 요금 체계는 인센티브 호환성(incetive-compatible)이다: 다른 사람들의 행동과 관계없이 모든 소비자에게 진정성 보고가 지배 전략이다.
• EDF 스케줄링 정책 하에서, 소비자가 자신의 마감시간을 진정성 있게 보고할 경우 공급자의 기대 수익이 최대화된다.
• 메커니즘은 사회적 복지를 최대화하는 유일한 경쟁 균형을 달성한다. 이는 총 수요 x*를 최소 기대비용으로 완전히 충족시키기 때문이다.
• 공급자의 마진비용은 c₀로 제한되며, 요금 체계는 마진비용을 반영하는 가격 패키지가 진정성 보고 시에 총 수요를 완전히 충족시키도록 보장한다.
• 균형은 강건하다: 임의의 총 수요 패키지 x*에 대해, 메커니즘은 EDF 스케줄링을 통해 공급자의 기대 비용을 최소화함을 보장한다.
• 분석을 통해 균형에서 사회적 복지가 최대화됨을 입증하였으며, 이는 x*를 완전히 충족시키고 가장 낮은 비용의 스케줄링 정책(EDF)을 사용하기 때문이다.