[논문 리뷰] The Sharing Economy for the Smart Grid

Dileep Kalathil, Chenye Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 25.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 5인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 스마트그리드에서 기업들이 전기 저장 용량을 공유할 수 있는 스폿 마켓 메커니즘을 제안하며, 투자 결정을 비볼록 비협력 게임으로 모델링한다. 약간의 정렬 조건이 만족될 경우, 내쉬 균형의 존재, 유일성 및 사회후생 최적성을 증명하여, 최대 50% 높은 일일 아르비트 수익을 얻을 수 있는 효율적이고 프라이버시를 보존하는 저장 용량 공유를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The sharing economy has disrupted housing and transportation sectors. Homeowners can rent out their property when they are away on vacation, car owners can offer ride sharing services. These sharing economy business models are based on monetizing under-utilized infrastructure. They are enabled by peer-to-peer platforms that match eager sellers with willing buyers. Are there compelling sharing economy opportunities in the electricity sector? What products or services can be shared in tomorrow's Smart Grid? We begin by exploring sharing economy opportunities in the electricity sector, and discuss regulatory and technical obstacles to these opportunities. We then study the specific problem of a collection of firms sharing their electricity storage. We characterize equilibrium prices for shared storage in a spot market. We formulate storage investment decisions of the firms as a non-convex non-cooperative game. We show that under a mild alignment condition, a Nash equilibrium exists, it is unique, and it supports the social welfare. We discuss technology platforms necessary for the physical exchange of power, and market platforms necessary to trade electricity storage. We close with synthetic examples to illustrate our ideas.

연구 동기 및 목표

• 전기 부문에서 실현 가능한 공유 경제 기회를 탐색하며, 특히 활용도가 낮은 전기 저장 용량에 초점을 맞춘다.
• 특히 점대점 전력 흐름을 추적할 수 없는 점을 고려하여, 피어 투 피어 전기 공유를 가능하게 하는 기술적 및 규제적 과제를 해결한다.
• 공동 시장 조건 하에서 저장 투자 결정을 이중 단계 최적화 문제로 모델링한다.
• 공동 저장에 투자하는 기업들의 균형 행동을 특성화하여 사회후생 최대화와 협력 안정성을 보장한다.
• 기업들의 개인적 수요 정보를 보호하면서도 최적의 투자 결정을 가능하게 하는 중립적 아그리게이터 플랫폼을 설계한다.

제안 방법

• 기업들이 중앙 집중식 경매 메커니즘을 통해 여유 용량을 거래할 수 있는 전기 저장 용량 공유를 위한 스폿 마켓을 설정한다.
• 각 기업의 투자 결정을 이중 단계 최적화로 모델링한다: 첫 번째로 최적의 저장 용량을 결정하고, 두 번째로 스폿 가격을 사용하여 시장을 정리한다.
• 시간대별 요금제(ToU) 가격과 수요 변동성에 기반한 수익 함수를 가진 비볼록 비협력 게임인 저장 용량 공유 게임을 도입한다.
• 내쉬 균형의 존재와 유일성을 보장하기 위해 수요 분포에 대한 약간의 정렬 조건을 적용한다.
• Pecan Street 데이터셋에서 수집한 실증 데이터를 활용하여 가정 수요 통계를 추정하고 실제 성능을 시뮬레이션한다.
• 누적분포함수(CDF)와 쌍별 상관관계 분석을 활용하여 피크 수요의 통계적 다양성을 평가하고, 효과적인 아르비트를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기업 간 수요와 여유 용량을 효율적으로 매칭할 수 있는 공동 전기 저장 스폿 마켓을 설계할 수 있는가?
• RQ2 기업들이 공동 저장 용량을 공유하는 저장 투자 비볼록 게임에서 내쉬 균형이 존재하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 저장 용량 공유 게임의 내쉬 균형이 사회후생 최적화를 지원하는가?
• RQ4 중립적 아그리게이터의 존재가 공동 저장 시장에서 정보 프라이버시와 투자 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 개별 비공유 저장 투자 대비 저장 용량 공유가 재정적 수익에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 수요 분포에 대한 약간의 정렬 조건이 만족될 경우, 저장 용량 공유 게임에서 내쉬 균형이 존재하고 유일하여 안정적이고 예측 가능한 시장 결과를 보장한다.
• 내쉬 균형은 사회후생 최적화를 지원하여, 기업들의 집단적 투자 결정이 전체 시스템의 비용을 최소화하는 방향으로 이어진다.
• 공동 저장으로 인한 평균 일일 재정적 이익은 비공유 시나리오 대비 약 50% 증가하여, 가정당 평균 수익이 55¢에서 75¢로 증가한다.
• 통계적으로 다양한 피크 수요를 가진 기업 간의 위험 분산이 향상되어, 공유 시 평균 최적의 저장 투자량은 약 5% 감소한다.
• 가정 간 피크 수요 간의 쌍별 상관계수는 평균 약 0.5이며, 많은 쌍이 음의 상관관계를 보이며, 이는 공유를 통한 효과적인 아르비트를 가능하게 한다.
• 아그리게이터는 기업들의 개인적 수요 데이터를暴露하지 않으면서도 최적의 투자 결정을 가능하게 하여 프라이버시 보장과 시장 중립성을 확보한다.