[논문 리뷰] Exploring Blockchain for The Coordination of Distributed Energy Resources

Qing Yang, Hao Wang|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 10.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 17인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 분산 에너지 자원(DERs)을 위한 블록체인 기반의 신뢰할 수 있고 분산된 조정 시스템을 제안한다. 이 시스템은 교차 방향 다중 승수법(ADMM)과 스마트 계약을 활용하여, 개인정보 보호 기능을 갖춘 탈중앙화된 에너지 거래, 스케줄링 및 수요 반응 최적화를 가능하게 한다. 시뮬레이션 결과, 수렴이 10회 이내에 이루어지고, 피어 투 피어 에너지 거래 및 전력망 상호작용을 통해 시스템 효율성이 향상됨을 확인하였다.

ABSTRACT

The fast growth of distributed energy resources (DERs), such as distributed renewables (e.g., rooftop PV panels), energy storage systems, electric vehicles, and controllable appliances, drives the power system toward a decentralized system with bidirectional power flow. The coordination of DERs through an aggregator, such as a utility, system operator, or a third-party coordinator, emerges as a promising paradigm. However, it is not well understood how to enable trust between the aggregator and DERs to integrate DERs efficiently. In this paper, we develop a trustable and distributed coordination system for DERs using blockchain technology. We model various DERs and formulate a cost minimization problem for DERs to optimize their energy trading, scheduling, and demand response. We use the alternating direction method of multipliers (ADMM) to solve the problem in a distributed fashion. To implement the distributed algorithm in a trustable way, we design a smart contract to update multipliers and communicate with DERs in a blockchain network. We validate our design by experiments using real-world data, and the simulation results demonstrate the effectiveness of our algorithm.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중식 DER 조정의 신뢰성 부족과 투명성 결여 문제를 블록체인 기술을 활용해 해결하고자 한다.
• 비용 최소화를 가능하게 하면서도 개인정보를 보호하는 분산 최적화 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 블록체인 상의 스마트 계약을 활용해 ADMM의 이중 변수 갱신을 탈중앙화되고 검증 가능한 방식으로 구현하고자 한다.
• 실제 에너지 및 부하 프로파일을 활용한 시뮬레이션을 통해 시스템의 효과성을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 탄력적 부하, 재생 가능 에너지, 저장장치를 포함한 DER에 대한 비용 최소화 문제를 수립하며, 에너지 거래, 피드인, 수요 반응 요소를 통합한다.
• 교차 방향 다중 승수법(ADMM)을 적용하여 각 프로슈머별로 분산된 하位 문제로 문제를 분해한다.
• 증명 기반(Proof-of-Authority, PoA) 기반의 이더리움 블록체인에 스마트 계약을 설계하여 이중 변수 및 보조 변수의 안전한 관리 및 갱신을 수행한다.
• 스마트 미터를 블록체인 노드로 활용하여 피어 투 피어 통신 및 탈중앙화되고 검증 가능한 알고리즘 실행을 가능하게 한다.
• IoT 기기의 특성에 적합한 저지연, 경량 동작을 위한 PoA 노드 간 라운드 로빈 공유 기반의 합의 메커니즘을 구현한다.
• 반복적으로 분산 알고리즘을 실행한다: 프로슈머가 결정을 갱신하고, 스마트 계약이 새로운 이중 변수를 계산 및 브로드캐스트하며, 수렴할 때까지 이 과정을 반복한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립적인 프로슈머와 중앙 조정자 간의 신뢰를 어떻게 구축할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기술이 DER의 분산 최적화 알고리즘(예: ADMM)의 검증 가능하고 탈중앙화된 실행을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 블록체인 상의 스마트 계약 통합이 DER 조정의 신뢰성과 투명성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 제안된 블록체인 통합 ADMM 알고리즘의 수렴 행동과 시스템 성능은 어떠한가?
• RQ5 다양한 프로슈머 프로파일(예: 고재생에너지 vs. 저재생에너지)은 에너지 거래 및 시스템 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 분산 최적화 알고리즘이 10회 이내에 수렴하며, 오차는 설정된 임계값 이하로 유지된다.
• 시스템은 효율적인 피어 투 피어 에너지 거래를 가능하게 하며, 프로슈머는 지역 재생 에너지를 우선적으로 사용하고 필요 시 전력망에서 구매한다.
• 고재생 에너지 생산 프로슈머는 수요가 낮은 시기 동안 여유 에너지를 판매하고, 저생산 프로슈머는 에너지를 구매함으로써 효과적인 시장 역동성을 보여준다.
• 수요 반응 행동은 현지에서의 발전 및 부하 프로파일에 따라 크게 달라지며, 일부 프로슈머는 피크 시간대 반응에 참여할 수 없는 경우가 있다.
• 블록체인 기반 시스템은 ADMM 알고리즘의 검증 가능하고 투명한 실행을 보장하여 신뢰할 수 있는 중앙 노드에 대한 의존도를 제거한다.
• 스마트 계약 구현은 이중 변수 및 보조 변수의 자동 갱신을 성공적으로 수행하여 안전하고 탈중앙화된 조정을 가능하게 한다.