[논문 리뷰] Game-Theoretic Electric Vehicle Charging Management Resilient to Non-Ideal User Behavior

Chathurika P. Mediwaththe, David B. Smith|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 3인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 전기자동차(EV) 집합체 간의 EV 충전 관리에 대해 게임 이론적 프레임워크를 제안하며, 이상적 및 비이상적(선택론 이론 기반) 행동 조건 하에서 이중 단계 비협력 게임으로 전략적 상호작용을 모델링한다. 비록 집합체의 주관적이고 비합리적인 결정이 존재하더라도 조정된 EV 충전이 강력한 비용 절감과 피크 부하 감소를 이끌어내며, 특히 50.30%의 PAR 감소를 달성함을 입증한다. 모든 경우에서 하위게임 완전 ϵ-내쉬 균형이 유지됨을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, an electric vehicle (EV) charging competition, among EV aggregators that perform coordinated EV charging, is explored while taking into consideration potential non-ideal actions of the aggregators. In the coordinated EV charging strategy presented in this paper, each aggregator determines EV charging start time and charging energy profiles to minimize overall EV charging energy cost by including consideration of the actions of the neighboring aggregators. The competitive interactions of the aggregators are modeled by developing a two-stage non-cooperative game among the aggregators. The game is then studied under prospect theory to examine the impacts of non-ideal actions of the aggregators in selecting EV charging start times according to subjectively evaluating their opponents' actions. It is shown that the non-cooperative interactions among the aggregators lead to a subgame perfect $\\epsilon$-Nash equilibrium when the game is played with either ideal, or non-ideal, actions of the aggregators. A case study presented demonstrates that the benefits of the coordinated EV charging strategy, in terms of energy cost savings and peak-to-average ratio reductions, are significantly resilient to non-ideal actions of the aggregators.

연구 동기 및 목표

• 비이상적이고 주관적인 의사결정을 하는 상황에서 조정된 충전 환경에서 EV 집합체 간의 전략적 상호작용을 모델링하기.
• 실제 상황에서 합리적 행동에서의 이탈이 발생할 경우에도 조정된 EV 충전의 이점이 얼마나 내구성 있는지 분석하기.
• 이상적 및 비이상적 사용자 행동 조건 하에서 하위게임 완전 ϵ-내쉬 균형의 존재를 입증하기.
• 선택론 이론이 에너지 비용 절감과 피크 대 평균 비율(PAR) 감소에 미치는 영향을 평가하기.
• EV 집합체가 비합리적이거나 주관적으로 행동하더라도 조정된 충전의 이점이 안정적으로 유지됨을 입증하기.

제안 방법

• EV 집합체 간의 상호작용을 이중 단계 비협력 게임으로 공식화하여 전략적 EV 충전 결정을 모델링한다.
• 선택론 이론을 적용해 집합체가 충전 시작 시간을 선택할 때의 비이상적이고 주관적인 행동을 모델링한다.
• 합리적 행동을 기준으로 하는 기대 효용 이론을 사용하고, 선택론 이론 기반 결과와 비교한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 위험 선호 수준(α 값)에서 비용 절감과 PAR 감소를 평가한다.
• 각 집합체의 개별 α 값(위험 민감도)을 포함한 행렬을 도입하여 이질적인 비이상적 행동을 시뮬레이션한다.
• 두 행동 모델 모두에서 하위게임 완전 ϵ-내쉬 균형을 통해 균형 존재성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집합체가 비이상적으로 행동할 경우, EV 충전 경쟁에서 하위게임 완전 ϵ-내쉬 균형이 존재하는가?
• RQ2 EV 집합체의 비이상적이고 주관적인 의사결정은 조정된 충전의 비용 절감과 피크 부하 조절에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 선택론 이론 기반 행동 조건 하에서 조정된 EV 충전의 이점은 어느 정도 내구성이 있는가?
• RQ4 위험 민감도(α)의 수준이 다양할 경우 에너지 비용 절감과 PAR 감소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 집합체의 이질적인 위험 선호도가 존재할 경우 시스템 성능에는 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 선택론 이론 기반에서 α = 0.7일 경우 기대 효용 이론 대비 약 0.1% 높은 평균 기대 비용 절감을 달성한다.
• 피크 대 평균 비율(PAR) 감소는 매우 내구성이 있으며, 기대 효용 이론 기반 50.16%에서 선택론 이론 기반 이질적 행동(α = 0.7, 0.5, 0.9, 0.1, 0.3) 시 50.30%로 약간 증가한다.
• α ∈ [0, 0.6] 범위에서는 기대 효용 이론 기반 결과와 거의 동일하며, 단지 0.01%의 감소만을 보인다.
• α ≤ 0.6일 경우 비이상적 경쟁으로 인한 높은 피크 부하로 인해 PAR 감소율은 기대 효용 이론 기반 결과보다 약간 낮아진다.
• 집합체가 이상적으로 행동하든 비이상적으로 행동하든 시스템은 하위게임 완전 ϵ-내쉬 균형을 유지한다.
• 특히 전력망 피크 부하와 에너지 비용 절감 측면에서 조정된 충전의 이점은 EV 집합체의 비이상적이고 주관적인 행동에 대해 매우 내구성이 있다.