[논문 리뷰] Privacy Impact on Generalized Nash Equilibrium in Peer-to-Peer Electricity Market

Ilia Shilov, Hélène Le Cadre외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 18.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 26인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 피어 투 피어 전력 시장 모델을 일반화된 내쉬 균형 문제로 설정하여, 당사자들이 사생활을 보호하기 위해 노이즈가 섞인 왜곡된 정보를 전략적으로 보고하도록 한다. 시장 효율성과 비용에 대한 랜덤 노이즈와 결정론적 편차의 영향을 정량화하고, IEEE 14-bus 시스템에서 변분 균형의 유일성을 확립하며, 폐쇄형 사생활 가격을 유도한다.

ABSTRACT

We consider a peer-to-peer electricity market, where agents hold private information that they might not want to share. The problem is modeled as a noncooperative communication game, which takes the form of a Generalized Nash Equilibrium Problem, where the agents determine their randomized reports to share with the other market players, while anticipating the form of the peer-to-peer market equilibrium. In the noncooperative game, each agent decides on the deterministic and random parts of the report, such that (a) the distance between the deterministic part of the report and the truthful private information is bounded and (b) the expectation of the privacy loss random variable is bounded. This allows each agent to change her privacy level. We characterize the equilibrium of the game, prove the uniqueness of the Variational Equilibria and provide a closed form expression of the privacy price. In addition, we provide a closed form expression to measure the impact of the privacy preservation caused by inclusion of random noise and deterministic deviation from agents' true values. Numerical illustrations are presented on the 14-bus IEEE network.

연구 동기 및 목표

• 사람들이 사생활을 보호하기 위해 비공개 정보를 전략적으로 보고하는 피어 투 피어 전력 시장 모델링.
• 랜덤 노이즈와 결정론적 편차가 시장 효율성과 균형 결과에 미치는 영향 분석.
• 사생활 제약 조건 하에서 비협력적 통신 게임의 균형 특성 규명.
• 시장 내 사생활 가격에 대한 폐쇄형 표현 유도.
• IEEE 14-bus 네트워크에서 수치 시뮬레이션을 통해 사생활과 시스템 비용 간의 트레이드오프 평가.

제안 방법

• 당사자들이 사생활과 비용을 균형 있게 유지하기 위해 결정론적 및 랜덤 성분을 포함한 보고서를 수립.
• 보고된 값과 진짜 값 간의 거리에 대한 제약 조건과 기대 사생활 손실에 대한 제약 조건을 강제 적용.
• 변분 균형 특성화를 통해 일반화된 내쉬 균형 문제(GNEP)로 문제를 재구성.
• 변분부등식 이론을 사용하여 사생활 가격에 대한 폐쇄형 표현 유도.
• IEEE 14-bus 시스템에서 수치적으로 균형을 계산하기 위해 확률적 경사 하강법 사용.
• 유용도 갭과 사회적 비용 지표를 통해 사생활 보존 메커니즘의 영향 정량화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 당사자 보고서에 랜덤 노이즈가 포함될 경우 시장 균형과 시스템 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 진실된 값에서의 결정론적 편차가 피어 투 피어 전력 시장에서의 사생활-비용 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 사생활 제약 조건이 있는 피어 투 피어 전력 시장에서 유일한 변분 균형을 보장할 수 있는가?
• RQ4 보고 전략과 네트워크 위치에 따라 당사자 간 사생활 가격은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 사생활 메커니즘의 정량적 영향은 사회적 비용과 개인의 유용도 갭에 어떤가?

주요 결과

• 약한 가정 하에 변분 균형이 유일하여 안정적인 시장 결과 보장.
• 폐쇄형으로 사생활 가격이 유도되어 MWh당 사생활 비용을 직접 정량화할 수 있음.
• 노드 3과 8은 가장 높은 사생활 가격(2.827×10⁻² $/MWh)을 경험하며, 노드 9와 11는 편차가 높아질수록 비용이 증가함.
• 편차의 상한선(αₙ)을 높일수록 유용도 갭이 커지며, 특히 사생활 민감도가 높은 당사자에게서 두드러짐.
• Aₙ(노이즈 분산 제어)을 높일수록 사회적 비용이 크게 감소함. 특히 피어 투 피어 통신에서 두드러짐.
• 중앙집중식 통신 메커니즘은 Aₙ의 영향을 덜 받는 반면, 피어 투 피어 메커니즘은 전략적 보고로 인해 αₙ의 변화에 가장 민감함.