[논문 리뷰] Novel paradigms for advanced distribution grid energy management

José Horta, Daniel Kofman외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 11.

Smart Grid Energy ManagementEngineering참고 문헌 6인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반 스마트 컨tracts를 통해 탈중앙화된 시장 기반의 윈력 자원 조율을 가능하게 하는 고도화된 분배 전력망 에너지 관리의 새로운 아키텍처인 가상 분배 전력망(Virtualized Distribution Grids, VDG)을 제안한다. 이 시스템은 에이전트 기반의 계층적 프레임워크를 사용하여 가정, 집합체, DSO 간의 에너지 및 융통성 거래를 관리하며, 스마트 홈 기기의 충돌 없는 제어를 보장하면서 인프라 업그레이드 없이도 전력망 안정성과 재생 가능 에너지 자원의 수용 능력을 향상시킨다.

ABSTRACT

The electricity distribution grid was not designed to cope with load dynamics imposed by high penetration of electric vehicles, neither to deal with the increasing deployment of distributed Renewable Energy Sources. Distribution System Operators (DSO) will increasingly rely on flexible Distributed Energy Resources (flexible loads, controllable generation and storage) to keep the grid stable and to ensure quality of supply. In order to properly integrate demand-side flexibility, DSOs need new energy management architectures, capable of fostering collaboration with wholesale market actors and pro-sumers. We propose the creation of Virtual Distribution Grids (VDG) over a common physical infrastructure , to cope with heterogeneity of resources and actors, and with the increasing complexity of distribution grid management and related resources allocation problems. Focusing on residential VDG, we propose an agent-based hierarchical architecture for providing Demand-Side Management services through a market-based approach, where households transact their surplus/lack of energy and their flexibility with neighbours, aggregators, utilities and DSOs. For implementing the overall solution, we consider fine-grained control of smart homes based on Inter-net of Things technology. Homes seamlessly transact self-enforcing smart contracts over a blockchain-based generic platform. Finally, we extend the architecture to solve existing problems on smart home control, beyond energy management.

연구 동기 및 목표

• 분배 전력망에 고비율의 분산 에너지 자원(DERs)과 전기 자동차를 통합하는 데 증가하는 도전 과제를 해결한다.
• DSO, 프로슈머, 시장 참가자 간의 조율이 부족한 현재의 분배 전력망 에너지 관리 시스템의 한계를 극복한다.
• 물리적 인프라와 운영 제어를 분리하고 융통성 있는 자원 조율을 가능하게 하는 새로운 아키텍처 패러다임인 가상 분배 전력망(Virtualized Distribution Grids, VDG)을 제안한다.
• 시장 기반 메커니즘을 통해 가정 수준에서 융통성 있는 DER(예: 저장장치, 제어 가능한 부하)의 종단 간 조율을 가능하게 한다.
• 에너지, 편안함, 보안 등 서로 다른 제어 영역이 겹치는 상황에서 발생하는 스마트 홈 제어 갈등을 블록체인 플랫폼 상의 자가 시행 가능한 스마트 컨트랙트를 통해 해결한다.

제안 방법

• 다양한 참가자와 자원을 관리하기 위해 물리적 분배 네트워크 위에 논리적 추상화로서 가상 분배 전력망(Virtualized Distribution Grids, VDG)을 도입한다.
• 가정, 집합체, 공공기관, DSO가 참여하는 탈중앙화된 에너지 및 융통성 시장에 기반한 계층적 에이전트 기반 아키텍처를 설계한다.
• 기기 제어 및 거래 정산을 위한 자가 시행 가능한 스마트 컨트랙트를 보장하기 위해 블록체인 기반 플랫폼을 구현한다.
• 암호화폐를 사용하지 않고 스테이킹 및 명성 토큰을 사용하여 주거 규모 네트워크에서의 합의 및 보안을 확보한다.
• 중앙 집중식 클라우드 서비스에 의존하지 않고 현지에서 실행되는 이벤트-조건-행동(ECA) 규칙을 통해 스마트 컨트랙트를 이용해 제어기를 조율한다.
• 다중 도메인 제어기의 정책 기반 조율을 통해 에너지 외 제어 갈등(예: 편안함 대 에너지)을 관리하기 위해 아키텍처를 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비용이 많이 드는 인프라 업그레이드 없이도 분배 시스템 운영자(DSOs)는 다양한 참가자 간에 융통성 있는 분산 에너지 자원(DERs)을 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ2 가정, 집합체, DSO 간의 에너지 및 융통성 거래에 대해 탈중앙화되고 시장 기반의 조율을 가능하게 하는 아키텍처 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 동일한 스마트 홈 기기를 관리할 때 독립된 서비스 제공자(예: 에너지, 편안함, 보안)에서 유래한 충돌하는 제어 정책은 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ4 실시간 에너지 관리에 적합한 안전하고 저지연, 일관된 가정 기기 제어를 보장하는 블록체인 기반 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 비트코인 기반의 작업 증명 또는 디지털 화폐에 의존하지 않고도 주거 규모의 에너지 거래에 적합한 경량이며 프라이버시를 보존하는 합의 메커니즘은 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 VDG 아키텍처는 인프라 강화 없이도 분산 에너지 자원의 조율된 시장 기반 관리가 가능하며, 혼잡도 감소와 전압 품질 향상을 이룬다.
• 블록체인 기반 스마트 컨트랙트는 가장자리에서 ECA 규칙을 시행하여 기기 제어 간 충돌 없는 자가 시행 가능한 제어를 보장하며, 제어기 간 경쟁 조건을 제거한다.
• 스마트 컨트랙트를 현장에서 실행함으로써 클라우드 기반 대안보다 보안성과 프라이버시가 향상되고 장기적인 기기 운영 비용이 감소한다.
• 암호화폐 대신 명성 토큰을 사용함으로써 주거 네트워크에서의 합의가 가능하고 효과적이며, 시릴 공격을 방지하고 기기 제조사의 참여를 유도한다.
• 시스템은 실시간 마이크로 트랜잭션과 동적 자원 할당을 지원하여 대규모 수준의 반응형 수요측 관리가 가능하다.
• 이 아키텍처는 에너지 관리 외에도 편안함, 보안 등 비에너지 제어 정책을 조율하여 다중 제어기 환경에서의 갈등을 해결하는 데 성공적으로 확장된다.