[논문 리뷰] Decentralized P2P Energy Trading under Network Constraints in a Low-Voltage Network

Jaysson Guerrero, Archie C. Chapman외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 19.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 감도 기반 영향 평가를 통해 네트워크 제약 조건을 통합한 저압 배전망을 위한 탈중앙화된 피어 투 피어(P2P) 에너지 거래 메커니즘을 제안한다. 전력 이동 분배 계수(PTDF)와 주입 이동 요인(ISF)를 기반으로 한 입찰 검증을 갖춘 연속 이중auction(CDA)을 사용함으로써, 거래가 전압 또는 열적 제한을 위반하지 않도록 보장하며, 네트워크 손실과 혼잡 비용을 내재화한다. 그 결과 기술적 제약을 위반하지 않으면서도 사용자 에너지 비용이 30.7% 감소하고 하루에 75.92달러의 시장 수익이 발생한다.

ABSTRACT

The increasing uptake of distributed energy resources (DERs) in distribution systems and the rapid advance of technology have established new scenarios in the operation of low-voltage networks. In particular, recent trends in cryptocurrencies and blockchain have led to a proliferation of peer-to-peer (P2P) energy trading schemes, which allow the exchange of energy between the neighbors without any intervention of a conventional intermediary in the transactions. Nevertheless, far too little attention has been paid to the technical constraints of the network under this scenario. A major challenge to implementing P2P energy trading is that of ensuring that network constraints are not violated during the energy exchange. This paper proposes a methodology based on sensitivity analysis to assess the impact of P2P transactions on the network and to guarantee an exchange of energy that does not violate network constraints. The proposed method is tested on a typical UK low-voltage network. The results show that our method ensures that energy is exchanged between users under the P2P scheme without violating the network constraints, and that users can still capture the economic benefits of the P2P architecture.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙화된 P2P 에너지 거래 플랫폼에서 기술적 네트워크 제약 조건 통합의 부족을 해결하기 위해.
• 저압 배전망에서 피어 투 피어 에너지 거래가 전압 또는 열적 제한을 위반하지 않도록 보장하기 위해.
• 물리적 네트워크 감도 분석을 통해 네트워크 혼잡 및 손실 비용을 거래 가격에 내재화하기 위해.
• 시스템 안정성과 운영 제한을 유지하면서 프로슈머와 소비자 모두에게 경제적 이점을 제공하기 위해.
• 중앙집중식 최적 전력 흐름(OPF) 복잡성 없이도 확장 가능한 탈중앙화된 시장 메커니즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• 각 거래가 선로의 전류 흐름과 전압 프로파일에 미치는 영향을 추정하기 위해 전력 이동 분배 계수(PTDF)와 주입 이동 요인(ISF)를 활용한 감도 분석을 사용한다.
• 실시간으로 PTDF와 ISF를 사용해 각 입찰을 검증함으로써, 해당 전력 주입이 열적 제한을 초과하거나 과도한 전압을 유발하지 않도록 보장한다.
• 중앙집중식 최적화 없이도 탈중앙화되고 실시간으로 거래를 청산할 수 있는 연속 이중auction(CDA) 메커니즘을 사용한다.
• 양방향 교환 계수(BEC)를 사용해 각 거래의 네트워크 영향을 정량화하고 손실 및 혼잡 비용을 할당한다.
• 실시간 네트워크 상태에 따라 거래의 유효성을 동적으로 조정함으로써 물리적 실현 가능성을 보장한다.
• 시장 청산 메커니즘은 참가자가 손실 및 선로 과부하에 기여하는 정도에 따라 비용을 부과함으로써 네트워크 비용을 내재화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탈중앙화된 P2P 에너지 거래는 어떻게 네트워크의 열적 및 전압 제약 조건을 존중하면서 구현될 수 있는가?
• RQ2 피어 투 피어 에너지 거래는 저압 배전망의 유공력 손실과 전압 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 중앙집중식 최적 전력 흐름(OPF) 최적화에 의존하지 않고도 탈중앙화된 시장 메커니즘이 네트워크 혼잡 및 손실 비용을 내재화할 수 있는가?
• RQ4 기존의 제한 기반 전략과 비교했을 때, 제안된 방법은 에너지 활용도와 프로슈머 수익 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 탈중앙화된 P2P 거래가 시스템 안정성을 유지하면서 사용자 에너지 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 모든 P2P 거래가 네트워크 제약 조건 내에서 유지되며, 과도한 전압 이벤트가 발생하지 않았다. 전압 수준은 0.945 pu에서 1.022 pu 사이를 유지하였다.
• 시스템은 하루에 75.92달러의 시장 수익을 달성했으며, 사용자들은 기존의 시간대별 요금(ToU) 및 피드인 보상(FiT) 기준 대비 에너지 비용을 30.7% 감소시켰다.
• 트립 기반 제한 방법 대비 P2P 방식에서 프로슈머 수익이 0.70달러 증가했으며, 이는 에너지 낭비가 감소했기 때문이다.
• 에너지 낭비는 트립 기반 방법에서의 70%에서 P2P 방식에서는 50%로 감소하여 분산 에너지 자원의 활용도가 향상됨을 나타낸다.
• 이 방법은 네트워크 비용을 성공적으로 내재화했으며, BEC와 감도 요인을 사용해 각 거래에 대해 손실과 혼잡 영향을 할당하였다.
• CDA 기반 메커니즘은 확장성을 입증했으며, 중앙집중식 OPF 또는 DLMP 모델의 계산 부담을 피할 수 있었다.