[논문 리뷰] Transactive Energy Auction with Hidden User Information in Microgrid

M. Nazif Faqiry, Sanjoy Das|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 12.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마이크로그리드에서의 트랜잭티브 에너지 거래를 위한 프라이버시 보장 메커니즘을 제안한다. 마이크로그리드 컨트롤러(MC)는 사용자의 개인 정보가 포함된 유틸리티 데이터에 접근하지 않고도 입찰를 조율한다. 반복적이고 볼록 최적화 기반의 메커니즘을 사용하여 사회적 복지 극대화, 개인적 합리성, 약한 예산 균형을 달성하였으며, 최대 엔트로피 기반의 공정한 재분배를 통해 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

This research proposes a novel auction mechanism for transactive energy exchange between buyers and sellers, modeled as agents in a microgrid. The mechanism is implemented by a separate microgrid controller (MC) agent, and requires big data flow with the other agents through an iterative bidding process. Although private user information remains hidden to the MC, a theoretical analysis shows that under the assumption of convexity of the agents utilities, the proposed auction is still able to maximize the social welfare (SW), i.e. the aggregate utilities of the agents. In addition, it is shown that the mechanism exhibits the key desirable features of individual rationality and weak budget balance, guaranteeing that neither the payoff to any agent nor the net monetary revenue after termination, is negative. The proposed approach also incorporates a mechanism to redistribute the sellers shares in a fair manner. As an example, a maximum entropy based fair redistribution scheme is addressed. The theoretical analysis reported here is accompanied by extensive set of simulations that illustrate the various aspects of the proposed mechanism.

연구 동기 및 목표

• 마이크로그리드에서 사용자 프라이버시를 보장하면서 사회적 복지를 극대화하는 트랜잭티브 에너지 경매 메커니즘을 설계하기.
• 모든 에이전트가 손해를 입지 않도록 개인적 합리성과 약한 예산 균형을 확보하기.
• 최대 엔트로피 기반의 방법을 사용해 판매자 간에 잉여 수익을 공정하게 재분배하기.
• 마이크로그리드 컨트롤러에 개인 유틸리티 함수를 폭 드러내지 않고도 안전하고 탈중앙화된 에너지 거래를 가능하게 하기.
• 실제 마이크로그리드 조건 하에서 광범위한 시뮬레이션을 통해 메커니즘을 검증하기.

제안 방법

• 입찰자는 개인 유틸리티 함수를 드러내지 않고 입찰을 제출하는 반복적 경매 과정을 사용한다.
• 마이크로그리드 컨트롤러(MC)는 중개자 역할을 하며, 시장 정산과 사회적 복지 극대화를 위해 볼록 최적화 문제를 해결한다.
• 에이전트 유틸리티의 볼록성 가정에 기반한 핵심 메커니즘은 최적 할당으로의 수렴을 보장한다.
• 최대 엔트로피 기반 재분배 방식은 거래 정산 후 판매자 간의 잉여 수익을 공정하게 분배한다.
• MC는 유틸리티 함수의 내부 정보를 관찰하지 않으며, 입찰 수량과 가격만을 확인함으로써 프라이버시를 보장한다.
• 분산 계산을 가능하게 하기 위해 이중 분해 방법을 사용해 경매를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랜잭티브 에너지 경매는 마이크로그리드 컨트롤러가 사용자 유틸리티 함수를 알지 못하는 조건에서 사회적 복지 극대화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 메커니즘은 모든 에이전트가 참여해도 더 나빠지지 않도록 개인적 합리성을 보장하는가?
• RQ3 약한 예산 균형이 유지되어 모든 에이전트가 순 금전적 손실을 입지 않는가?
• RQ4 프라이버시나 효율성을 훼손하지 않고 판매자 잉여 수익을 어떻게 공정하게 재분배할 수 있는가?
• RQ5 실제 동적 마이크로그리드 조건 하에서 메커니즘의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 경매 메커니즘은 개인 정보가 은폐된 상태에서도 볼록 유틸리티 가정 하에서 사회적 복지 극대화를 달성한다.
• 모든 에이전트가 참여로 인한 음수 수익을 받지 않기 때문에 개인적 합리성이 보장된다.
• 약한 예산 균형이 유지되어 모든 에이전트가 정산 후 순 금전 수익이 음수가 되지 않는다.
• 최대 엔트로피 기반 재분배 방식은 참가자 간에 판매자 잉여 수익을 공정하게 분배한다.
• 시뮬레이션 결과 메커니즘이 다양한 부하 및 발전 프로파일 하에서 수렴성과 안정성을 확인하였다.
• 메커니즘은 민감한 사용자 데이터를 중앙 제어자에게 폭 드러내지 않으면서도 효율적이고 프라이버시 보장된 에너지 거래를 가능하게 한다.