[논문 리뷰] Optimal Nonpreemptive Scheduling in a Smart Grid Model

Fu-Hong Liu, Hsiang-Hsuan Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 22.

Smart Grid Energy Management인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 임의의 전력 요구량과 지속 시간을 가진 스마트 그라이드에서 비선점적 최적 스케줄링을 위한 최초의 온라인 알고리즘을 제안하며, 볼록 부하-비용 함수 하에 총 전기 요금을 최소화한다. 알고리즘이 최적의 경쟁 비율을 달성하고 문제를 고정 매개변수 가능 문제로 규명함을 증명한다.

ABSTRACT

We study a scheduling problem arising in demand response management in smart grid. Consumers send in power requests with a flexible feasible time interval during which their requests can be served. The grid controller, upon receiving power requests, schedules each request within the specified interval. The electricity cost is measured by a convex function of the load in each timeslot. The objective is to schedule all requests with the minimum total electricity cost. Previous work has studied cases where jobs have unit power requirement and unit duration, and offline setting was considered. We extend the study to arbitrary power requirement and duration, which has been shown to be NP-hard. We give the first online algorithm for the problem, and prove the competitive ratio is optimal. We also prove that the problem is fixed parameter tractable.

연구 동기 및 목표

• 임의의 작업 전력 요구량과 지속 시간을 가진 스마트 그라이드 스케줄링 알고리즘의 격차를 해결한다.
• 볼록 부하-비용 함수 하에 총 전기 요금을 최소화하는 형태로 수요 반응 스케줄링 문제를 수립한다.
• 이전 연구에서 단위 전력과 단위 지속 시간 작업에 국한된 것을 더 일반적이고 현실적인 환경으로 확장한다.
• 일반화된 문제에 대해 경쟁 비율에서 증명 가능한 최적성을 확보한 온라인 알고리즘을 제공한다.
• 최대 중복 요청 수를 매개변수로 삼을 때 문제의 고정 매개변수 가능성을 확립한다.

제안 방법

• 각 요청에 대해 유연한 시간 간격을 가진 비선점적, 온라인 최적화 과제로 스케줄링 문제를 모델링한다.
• 각 타임슬롯의 총 부하에 대한 볼록 함수로 전기 요금을 정의하여 실제 전력망 가격 동역학을 반영한다.
• 미래 요청에 대한 사전 지식 없이 도착하는 요청을 동적으로 스케줄링하는 새로운 온라인 알고리즘을 설계한다.
• 하한을 구축하고 알고리즘의 성능와 일치시킴으로써 알고리즘의 경쟁 비율이 최적임을 증명한다.
• 매개변수화된 복잡도 분석을 통해 요청 간 중첩 수의 최대값을 매개변수로 삼을 때 문제의 고정 매개변수 가능성을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트 그라이드에서 임의의 전력 및 지속 시간을 가진 비선점적 스케줄링에 대해 온라인 알고리즘이 달성할 수 있는 최적의 경쟁 비율은 무엇인가?
• RQ2 일반화된 스케줄링 문제에 대해 이 최적의 경쟁 비율을 달성하는 온라인 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ3 요청의 중첩 정도와 같은 구조적 매개변수에 비례해 문제의 복잡도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 최대 동시 요청 수와 같은 자연스러운 매개변수화 하에 문제의 고정 매개변수 가능성이 있는가?

주요 결과

• 제안된 온라인 알고리즘이 문제의 이론적 하한과 일치하는 최적의 경쟁 비율을 달성한다.
• 문제가 임의의 전력 및 지속 시간으로 일반화될 경우 NP-난이도임이 증명되어 계산의 어려움을 확인한다.
• 최대 중복 요청 수를 매개변수로 삼을 때 문제의 고정 매개변수 가능성이 입증된다.
• 알고리즘은 향후 요청에 대한 사전 지식 없이 작동하므로 실시간 스마트 그라이드 응용에 적합하다.
• 볼록 부하-비용 함수는 전기 요금의 현실적인 모델링을 보장하여 실용적 관련성을 높인다.