[논문 리뷰] Duration-Differentiated Services in Electricity

Ashutosh Nayyar, Matías Negrete-Pincetic외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 03.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 소비자가 특정 전력 공급 기간을 계약하는 시간에 따라 다른 전력 서비스 모델을 제안하며, 재생 가능 에너지 비중이 높은 환경에서 수요-공급 균형을 달성한다. 이 모델은 효율적이고 복지 최적화된 결과를 달성하기 위해 유연한 부하 스케줄링과 마진비용 기반 가격 설정을 통해 실현 가능한 할당 알고리즘과 선도 시장 메커니즘을 도입한다.

ABSTRACT

The integration of renewable sources poses challenges at the operational and economic levels of the power grid. In terms of keeping the balance between supply and demand, the usual scheme of supply following load may not be appropriate for large penetration levels of uncertain and intermittent renewable supply. In this paper, we focus on an alternative scheme in which the load follows the supply, exploiting the flexibility associated with the demand side. We consider a model of flexible loads that are to be serviced by zero-marginal cost renewable power together with conventional generation if necessary. Each load demands 1 kW for a specified number of time slots within an operational period. The flexibility of a load resides in the fact that the service may be delivered over any slots within the operational period. Loads therefore require flexible energy services that are differentiated by the demanded duration. We focus on two problems associated with durations-differentiated loads. The first problem deals with the operational decisions that a supplier has to make to serve a given set of duration differentiated loads. The second problem focuses on a market implementation for duration differentiated services. We give necessary and sufficient conditions under which the available power can service the loads, and we describe an algorithm that constructs an appropriate allocation. In the event the available supply is inadequate, we characterize the minimum amount of power that must be purchased to service the loads. Next we consider a forward market where consumers can purchase duration differentiated energy services. We first characterize social welfare maximizing allocations in this forward market and then show the existence of an efficient competitive equilibrium.

연구 동기 및 목표

• 간헐적인 재생 가능 에너지 공급과 수요를 균형 잡기 위해 제어 권한을 수요 측으로 이동시키는 도전 과제를 해결한다.
• 전력 공급 기간에 따라 구분되는 탄력적 부하를 모델링한다 (예: h 시간 간격 동안 1 kW).
• 가용 전력이 시간에 따라 할당 가능한 시간에 따라 할당 가능한 전력의 할당을 결정하기 위한 운영 알고리즘을 개발한다.
• 시간 기반 가격 설정을 통해 효율적이고 복지 최적화된 결과를 달성하는 선도 시장 메커니즘을 설계한다.
• 공급이 충분할 경우를 판단하고 공급이 부족할 경우 추가로 확보해야 할 최소한의 전력 수요를 규명한다.

제안 방법

• 가용 전력이 모든 부하를 충족시킬 수 있는지 여부를 판단하기 위해 최대 유량/최소 컷 접근 방식을 사용하여 공급 할당 문제를 타당성 검사 문제로 수립한다.
• 시간 간격에 따라 부하를 할당하기 위해 지속 시간 요구 사항과 공급 가능성을 기반으로 부하를 시간 간격에 할당하는 분해 알고리즘을 도입한다.
• 소비자가 계약 기간을 선택하여 유용도에서 비용을 뺀 값을 최대화하는 사회적 복지 최적화 프레임워크를 사용하여 선도 시장을 모델링한다.
• 가격이 시간에 대해 선형이며, 마진비용 또는 최적 계약 길이에서의 첫 번째 단위 유용도 증가량에 의해 설정되는 최적의 가격 규칙을 유도한다.
• 가격이 시장 수요를 충족시키고 효율성을 달성하는 경쟁적 균형이 존재함을 증명한다.
• 실시간 현장 시장 분석을 수행하고, 예시를 통해 가격 변동성과 조율 부족으로 인해 효율성이 달성되지 않을 수 있음을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가용 재생 및 전통적 발전 자원으로 주어진 시간에 따라 다른 전력 서비스 부하를 모두 충족시킬 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ2 공급이 수요를 충족시키지 못할 경우 추가로 확보해야 하는 최소 전력량은 얼마인가?
• RQ3 시간에 따라 다른 서비스를 위한 선도 시장이 사회적 복지 최적화와 효율적인 경쟁 균형을 달성할 수 있는가?
• RQ4 탄력적 부하가 존재할 경우 실시간 현장 시장의 효율성은 선도 시장에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ5 유연성이 높은 소비자에게 적절한 경제적 인cent리브를 제공하는 가격 설정 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 모든 부하를 충족시킬 수 있는 필요 및 충분 조건은 시간 간격 전체에 걸친 총 공급량이 모든 요구 시간의 합보다 크거나 같아야 한다는 것이다.
• 공급이 충분할 경우, 최대 유량 공식을 사용하여 타당한 스케줄을 구성할 수 있는 효율적인 할당 알고리즘이 존재한다.
• 공급이 부족할 경우, 총 시간 수요와 공급 용량 간의 격차에 의해 추가로 필요한 최소 전력이 결정된다.
• 선도 시장에서 가격이 시간에 대해 선형 함수로 설정될 경우, 마진비용 또는 최적 계약 길이에서의 유용도 증가량에 따라 설정될 경우 효율적인 경쟁 균형이 존재한다.
• 소비자가 추가 시간 간격의 마진 유용도가 공급의 마진비용과 동일해지도록 계약 기간을 선택할 때 사회적 복지 최적 할당이 달성된다.
• 실시간 현장 시장의 시퀀스는 조율 실패로 인해 최적 결과를 도출하지 못할 수 있으며, 탄력적 부하가 존재하더라도 반례를 통해 이를 입증할 수 있다.