[논문 리뷰] Non Cooperative Game Theoretic Approach for Residential Energy Management in Smart Grid

Ilyes Naidji, Moncef Ben Smida외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 23.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스마트 그라이드에서 주거용 에너지 관리에 비협력 게임 이론적 접근을 제안하며, 동적 요금제를 활용해 소비자가 기기를 최적의 시간에 사용하도록 유도하여 매일의 에너지 비용과 불편 수준을 모두 최소화한다. 나시 균형은 NSGA-II를 통해 계산되며, 기준 시나리오 대비 비용은 37% 감소하고 불편 수준은 오직 20% 증가하여 비용 중심 전략보다 효율성과 편안함의 균형을 더 잘 달성한다.

ABSTRACT

Demand side management (DSM) is one of the main functionalities of the smart grid as it allows the consumer to adjust its energy consumption for an efficient energy management. Most of the existing DSM techniques aim at minimizing the energy cost while not considering the comfort of consumers. Therefore, maintaining a trade-off between these two conflicting objectives is still a challenging task. This paper proposes a novel DSM approach for residential consumers based on a non-cooperative game theoretic approach, where each player is encouraged to reshape its electricity consumption pattern through the dynamic pricing policy applied by the smart grid operator. The players are guided to select the best strategy that consists of scheduling their electric appliances in order to minimize the daily energy cost and their discomfort level. The Nash Equilibrium of the energy management game is achieved using Non-Sorting Genetic Algorithm NSGA-II. Simulation results show the effectiveness of the distributed non cooperative game approach for the residential energy management problem where an appreciable energy cost reduction is reached while maintaining the discomfort in an acceptable level.

연구 동기 및 목표

• 수요 반응(DR) 전략에서 주거용 에너지 비용을 최소화하고 소비자 편안함을 유지하는 데 간극을 해결하기 위해.
• 소비자가 동적 요금제에 기반해 독립적으로 기기 스케줄링을 최적화하는 분산형 비협력 게임 모델을 개발하기 위해.
• 에너지 비용 외에도 불편 수준을 가시화된 목표로 포함해 에너지 관리에 통합하기 위해.
• 실제 소비자 행동을 반영하는 공정하고 균형 기반의 해법을 게임 이론을 통해 도출하기 위해.
• NSGA-II를 활용한 다목적 최적화를 통해 갈등하는 목표를 효과적으로 균형 잡는 방법을 평가하기 위해.

제안 방법

• 각 주거 소비자가 플레이어인 비협력 게임을 수립하여 자신만의 기기 스케줄링을 최적화한다.
• 소비자 불편 수준을 선호 시간과 스케줄된 기기 작동 시간 간의 편차로 모델링한다.
• 소비자 수요를 비피크 시간대로 이동시키기 위한 인centive 메커니즘으로 동적 요금제를 사용한다.
• 다목적 최적화 문제를 해결하기 위해 NSGA-II를 적용하여 비용과 불편 수준에 대한 나시 균형을 찾는다.
• 결정 변수로는 시간 창 내에서 기기의 시작 및 종료 시간을 정의하며, 전력 및 지속 시간 제약 조건을 포함한다.
• 기준(복지 최대화), 비용 중심, 비용-불편 균형 세 가지 시나리오에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 주거용 에너지 관리를 최적화하여 매일의 에너지 비용을 줄이면서도 소비자 편안함을 유지할 수 있는가?
• RQ2 비협력적 환경에서 동적 요금제가 소비자의 기기 스케줄링 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 게임 이론적 접근이 비용 최소화와 불편 감소 사이의 균형 잡힌 균형을 달성할 수 있는가?
• RQ4 실제 환경에서 제안된 다목적 접근은 비용 중심 또는 편안함 중심 전략보다 어떻게 비교되는가?
• RQ5 NSGA-II는 갈등하는 목표를 가진 주거용 에너지 관리 게임에서 나시 균형을 효과적으로 계산할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 비용-불편 시나리오는 기준 시나리오 대비 매일의 에너지 비용을 약 37% 감소시켰다.
• 불편 수준은 기준 시나리오 대비 20% 증가했지만, 비용 중심 시나리오 대비 10% 감소했다.
• 비용 중심 시나리오는 기준 대비 40% 비용 감소를 달성했지만 불편 수준은 30% 증가시켰다.
• 다목적 접근은 비용과 편안함을 효과적으로 균형 잡아, 둘 다 근사 최적의 성능을 달성했다.
• 현지 발전을 하는 프로슈머(p-플레이어)는 선호 시간대에 기기를 스케줄링함으로써 더 높은 편안함을 유지했다.
• NSGA-II 기반 해법은 나시 균형을 효과적으로 계산하여 분산형 비협력 에너지 관리의 실현 가능성을 입증했다.