[논문 리뷰] Privacy-Preserving Platform for Transactive Energy Systems

Karla Kvaternik, Áron Lászka외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 2인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 허가된 블록체인(PETra)을 통해 익명성 거래, 블록체인 외부 통신(리APS를 통한), 그리고 DSO가 제어하는 에너지 인출을 통해 기밀성, 보안성, 전력망 안정성을 확보하는 전자에너지 거래 시스템을 제안한다. 이 플랫폼은 전력망 안정성과 실시간 마이크로결제의 신뢰성 및 감사 가능성을 유지하면서도 안전하고 기밀적인 피어투피어 에너지 거래를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Transactive energy systems (TES) are emerging as a transformative solution for the problems faced by distribution system operators due to an increase in the use of distributed energy resources and a rapid acceleration in renewable energy generation. These, on one hand, pose a decentralized power system controls problem, requiring strategic microgrid control to maintain stability for the community and for the utility. On the other hand, they require robust financial markets operating on distributed software platforms that preserve privacy. In this paper, we describe the implementation of a novel, blockchain-based transactive energy system. We outline the key requirements and motivation of this platform, describe the lessons learned, and provide a description of key architectural components of this system.

연구 동기 및 목표

• 공개 블록체인에 의존하는 기존 전자에너지 시스템(TES)에서의 기밀성, 보안성, 전력망 안정성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 마이크로그리드 환경에서 비밀성, 보안성, 신뢰성 있는 에너지 거래를 지원하는 탈중앙화된 블록체인 기반 거래 관리 플랫폼(TMP)을 설계하고 구현하기 위해.
• 배전시스템운영자(DSO)가 에너지 인출 한도를 제어하여 운영 안정성을 확보하고 전력망 불안정성을 방지하기 위해.
• 성능과 내구성을 향상시키기 위해 RIAPS를 활용한 외부 신호 전송을 위한 확장 가능한 신뢰성 있는 통신 인fra를 제공하기 위해.
• 독일에서의 실제 마이크로그리드 부하 프로파일 데이터를 활용하여 플랫폼의 실현 가능성과 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 거래의 불가변성, 무결성, 비부인 가능성을 보장하기 위해 허가된 블록체인(Hyperledger Fabric)을 사용한다.
• 직접 식별을 방지하기 위해 프로슈머는 익명성 주소를 사용하여 거래한다. 이는 탈동일화 위험을 감소시킨다.
• 고성능, 저지연성 신호 전송(예: 요청-응답 메시징)을 위해 블록체인 외부 통신을 RIAPS 미들웨어를 통해 처리함으로써 성능과 신뢰성을 향상시킨다.
• DSO는 프로슈머가 거래에 제공할 수 있는 에너지의 양을 제어함으로써 안전성을 확보하며, 입찰 및 매도 제한을 물리적 용량으로 제한한다.
• 블록체인 상의 스마트 계약은 시장 정리와 시장 로직을 자동화하면서도 투명성과 감사 가능성을 보장한다.
• 커뮤니케이션 메타데이터를 은폐하기 위해 온리언 라우팅과 같은 익명성 강화 프rotocol과 통합하여 기밀성을 추가로 강화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개 블록체인의 투명한 거래를 사용하는 전자에너지 시스템에서 피어투피어 에너지 거래의 기밀성을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ2 탈중앙화된 마이크로그리드 환경에서 실시간으로 안전하고 안정적인 에너지 거래를 지원하기 위해 필요한 아키텍처 구성 요소는 무엇인가?
• RQ3 자율적인 프로슈머가 참여하는 탈중앙화된 에너지 시장에서 전력망 안정성과 혼잡 제약 조건을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ4 블록체인 기반 에너지 거래 플랫폼의 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해 블록체인 외부 통신이 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 에너지 시장 로직 구현에서 스마트 계약의 한계(예: 부동소수점 지원 부족)는 어떻게 보완할 수 있는가?

주요 결과

• PETra는 익명성 주소와 RIAPS를 통한 블록체인 외부 통신을 통해 기밀성, 보안성, 안정성 있는 피어투피어 에너지 거래를 성공적으로 구현하였으며, 이는 블록체인 내부 메시징 대비 성능 향상에 기여한다.
• RIAPS를 통한 외부 통신 통합은 시스템의 신뢰성 향상과 지연 감소를 이끌어내어 블록체인의 고빈도 마이크로결제 처리 한계를 보완한다.
• DSO가 에너지 인출을 제어할 수 있음으로써 프로슈머가 물리적 용량을 초과해 에너지를 제공하는 것을 방지하여 전력망 안정성과 혼잡 방지를 보장한다.
• 성능, 신뢰성, 기밀성 제약으로 인해 블록체인만으로는 전체 TMP 기능을 충족할 수 없으며, 블록체인 외부 메커니즘이 반드시 필요하다는 점을 입증하였다.
• 독일의 실제 마이크로그리드 데이터를 활용한 평가를 통해 플랫폼의 실현 가능성과 실세계 적용에 대한 확장 가능성을 확인하였다.
• Solidity와 같은 스마트 계약 언어는 부동소수점 지원이 부족한 등의 한계를 지니며, 정확한 에너지 시장 계산을 위해 보완 조치가 필요하다는 점을 확인하였다.