[논문 리뷰] Exchange of Renewable Energy among Prosumers using Blockchain with Dynamic Pricing

Arnob Ghosh, Vaneet Aggarwal외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 22.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 18인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 태양광 패널과 저장장치를 갖춘 프로슈머(생산소비자)—즉, 가정 단위의 프로슈머들 간의 피어 투 피어 에너지 거래를 위한 블록체인 기반 동적 가격 설정 메커니즘을 제안한다. 게임 이론 모델을 활용하여 최적의 에너지 교환을 달성한다. 플랫폼은 동적 거래 가격을 설정하여 기존 전력망의 에너지 사용을 최소화하고, 분산 알고리즘은 유일한 일반화된 내쉬 균형으로 수렴하여 피크 부하를 감소시키고, 비거래 시나리오 대비 사회적 복지 수준을 최대 25% 향상시킨다.

ABSTRACT

We consider users which may have renewable energy harvesting devices, or distributed generators. Such users can behave as consumer or producer (hence, we denote them as prosumers) at different time instances. A prosumer may sell the energy to other prosumers in exchange of money. We consider a demand response model, where the price of conventional energy depends on the total demand of all the prosumers at a certain time. A prosumer depending on its own utility has to select the amount of energy it wants to buy either from the grid or from other prosumers, or the amount of excess energy it wants to sell to other prosumers. However, the strategy, and the payoff of a prosumer inherently depends on the strategy of other prosumers as a prosumer can only buy if the other prosumers are willing to sell. We formulate the problem as a coupled constrained game, and seek to obtain the generalized Nash equilibrium. We show that the game is a concave potential game and show that there exists a unique generalized Nash equilibrium. We consider that a platform will set the price for distributed interchange of energy among the prosumers in order to minimize the consumption of the conventional energy. We propose a distributed algorithm where the platform sets a price to each prosumer, and then each prosumer at a certain time only optimizes its own payoff. The prosumer then updates the price depending on the supply and demand for each prosumer. We show that the algorithm converges to an optimal generalized Nash equilibrium. The distributed algorithm also provides an optimal price for the exchange market.

연구 동기 및 목표

• 전력망에서의 불확실한 재생 가능 에너지 공급과 피크 수요 문제를 해결하기 위해 프로슈머 간 직접 에너지 거래를 가능하게 한다.
• 기존 전력망 의존도를 줄이고 피크 부하를 최소화하는 동적 실시간 가격 설정 메커니즘을 설계한다.
• 각 프로슈머가 타인의 행동을 고려하여 자기 이익을 최적화하는 전략적 게임으로 프로슈머 행동을 모델링한다.
• 타인의 유틸리티 함수를 전부 알지 못해도 최적의 일반화된 내쉬 균형으로 수렴하는 분산 알고리즘을 개발한다.
• 동적 가격 설정을 통한 에너지 거래가 사회적 복지와 시스템 효율성을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.

제안 방법

• 일반화된 내쉬 균형 프레임워크를 활용해 에너지 거래 문제를 결합된 제약 조건이 있는 게임으로 수립한다.
• 시스템을 볼록 잠재함수 게임으로 모델링하여 균형의 존재성과 유일성을 보장한다.
• 중앙 플랫폼이 프로슈머 간의 수요와 공급에 따라 거래 가격을 조정하는 동적 가격 설정 메커니즘을 도입한다.
• 각 프로슈머가 현재 가격과 이전 행동을 기반으로 자신의 에너지 전략(구매, 판매, 저장)을 최적화하는 분산 알고리즘을 제안한다.
• 전체 시스템 수요에 따라 변하는 선형 가격 함수를 사용하여 기존 에너지의 실시간 전력망 가격을 반영한다.
• 플랫폼이 반복적으로 가격을 업데이트함으로써 최적의 균형으로 수렴하고 기존 에너지 소비를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 가격 설정은 어떻게 설계되어야 프로슈머들이 서로가 생산한 재생 가능 에너지를 거래하도록 유도하면서도 기존 전력망 사용을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 프로슈머들이 이타적으로 행동하지만 상호 의존적인 공급과 수요 관계를 가질 때 어떤 게임 이론적 균형 구조가 도출되는가?
• RQ3 전체 프로슈머 유틸리티 함수를 전부 알지 못해도 최적의 일반화된 내쉬 균형으로 수렴하는 분산 알고리즘이 가능한가?
• RQ4 지역 에너지 거래 시장의 도입은 중앙 집중식 전력망 전용 모델 대비 전체 시스템 효율성과 사회적 복지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존 에너지 가격 매개변수의 변화가 사회적 복지와 피크 부하 감소에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 볼록 잠재함수의 존재로 인해 제안된 게임은 유일한 일반화된 내쉬 균형을 갖는다.
• 분산 알고리즘이 최적의 일반화된 내쉬 균형으로 수렴하여 효율적이고 확장 가능한 에너지 거래를 가능하게 한다.
• 에너지 거래 시장 덕분에 기존 에너지 소비와 피크 부하가 감소하고, 피어 투 피어 거래가 없는 시나리오 대비 사회적 복지가 최소 25% 향상된다.
• 저장 용량이 증가할수록 거래의 이점이 가장 두드러지지만, 일정 기준을 초과하면 프로슈머들이 자급자족 능력을 갖추게 되어 이점이 점점 감소한다.
• 최적의 거래 가격은 실시간 수요와 공급에 따라 플랫폼에서 동적으로 설정되며, 이로 인해 전력망 의존도가 감소한다.
• 모든 기존 에너지 가격 매개변수 γt 값에서 거래가 있는 경우 사회적 복지가 더 높으며, 특히 γt가 낮을 경우 시장 효율성이 높다는 것을 시사한다.