[논문 리뷰] Incentivizing Users of Data Centers Participate in The Demand Response Programs via Time-Varying Monetary Rewards

Yong Zhan, Xu Du외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 07.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유연한 마감 시간을 가진 데이터센터 사용자를 자발적으로 작업 부하를 연기하도록 유도하기 위해 시간에 따라 변하는 통화 보상 메커니즘을 제안한다. 이는 성능 저하 없이 수요 반응을 가능하게 한다. 게임 이론적 프레임워크를 통해 비침습성, 공정성 및 비용 보장이 확보되며, 실제 트레이스에서 피크 부하를 최대 20.9% 감소시키고 전체 전기 요금을 7.4% 감소시킨다.

ABSTRACT

Demand response is widely employed by today's data centers to reduce energy consumption in response to the increasing of electricity cost. To incentivize users of data centers participate in the demand response programs, i.e., breaking the "split incentive" hurdle, some prior researches propose market-based mechanisms such as dynamic pricing and static monetary rewards. However, these mechanisms are either intrusive or unfair. In this paper, we use time-varying rewards to incentivize users, who have flexible deadlines and are willing to trading performance degradation for monetary rewards, grant time-shifting of their requests. With a game-theoretic framework, we model the game between a single data center and its users. Further, we extend our design via integrating it with two other emerging practical demand response strategies: server shutdown and local renewable energy generation. With real-world data traces, we show that a DC with our design can effectively shed its peak electricity load and overall electricity cost without reducing its profit, when comparing it with the current practice where no incentive mechanism is established.

연구 동기 및 목표

• 수요 반응 참여에 있어 데이터센터와 사용자 간의 인cent리브가 일치하지 않는 '분할 인cent리브 문제'를 해결하기 위해.
• 비침습적, 마감 시간을 고려한, 공정한 보상 메커니즘을 설계하여 사용자가 자발적으로 참여할 수 있도록 하기 위해.
• 사용자의 최대 비용이 새로운 가격 모델 하에서 기준 비용을 초과하지 않도록 보장하기 위해.
• 기존의 수요 반응 전략(예: 서버 종료 및 재생 가능 에너지 발전)과 보상 메커니즘을 통합하기 위해.
• 최적의 시간에 따라 변하는 보상으로 데이터센터의 전기 요금을 최소화하면서도 수익을 유지하기 위해.

제안 방법

• 단일 데이터센터와 사용자 간의 전략적 결정을 반영하는 게임 이론 모델을 수립한다. 이는 작업 부하 연기 전략을 포함한다.
• 사용자의 잉여가 성능 저하와 시간에 따라 변하는 보상의 함수로 모델링되며, 보상 임계값 기반의 지배 전략이 유도된다.
• 데이터센터의 비용 최소화 문제는 볼록 최적화 프로그램으로 수립되며, 최적의 시간에 따라 변하는 보상이 그 해답으로 유도된다.
• 보상 체계는 요청을 연기한 사용자에게만 지급되며, 그 비용은 기여도에 비례하여 공정성을 확보한다.
• 서버 종료 및 현지 재생 가능 에너지 발전 전략과 통합하여 보상 체계를 확장함으로써 전체 수요 반응 효과를 향상시킨다.
• 기준 비용 보장을 통해 사용자가 평균 요금제나 사용 기반 요금제보다 더 나빠지지 않도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 마감 시간이 유연한 사용자를 성능 저하 없이 자발적으로 작업 부하를 연기하도록 유도할 수 있는가?
• RQ2 어떤 시간에 따라 변하는 보상 체계가 공정성, 비침습성 및 사용자 비용 보장을 보장하는가?
• RQ3 데이터센터와 사용자 간의 게임 이론적 상호작용이 작업 부하 연기 결정에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 데이터센터의 전기 요금을 최소화하면서 수익을 유지하는 최적의 보상 정책은 무엇인가?
• RQ5 서버 종료 또는 재생 가능 에너지 발전과 보상 체계를 통합하면 수요 반응 결과는 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 실제 유튜브 미국 데이터 트레이스를 바탕으로 제안된 메커니즘은 데이터센터의 피크 전기 부하를 20.9% 감소시켰다.
• 인cent리브 없이 기준 방식을 사용한 경우와 비교해 전체 전기 요금이 7.4% 감소했다.
• 사용자 비용 보장 조건을 유지하여, 어떤 사용자도 기존 가격 모델보다 더 비싸게 지불하지 않았다.
• 시간에 따라 변하는 보상 체계와 서버 종료 통합으로 피크 부하와 전기 요금이 추가로 감소했다.
• 현지 재생 가능 에너지 발전과의 통합도 피크 부하와 전체 전기 요금 감소에 기여했다.
• 이론적 분석을 통해 사용자가 보상 임계값 기반 지배 전략을 채택함을 확인하여, 메커니즘의 전략적 안정성이 입증되었다.