[논문 리뷰] VPT: Privacy Preserving Energy Trading and Block Mining Mechanism for Blockchain based Virtual Power Plants

Muneeb Ul Hassan, Mubashir Husain Rehmani외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 02.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반 가상 전력발전소(VPP) 거래 모델인 VPT를 제안한다. 이 모델은 새로운 에너지 마켓 증명(Proof of Energy Market, PoEM) 합의 기반과 차등적 비밀유지 기법을 통합하여 안전하고 효율적이며 비밀스러운 에너지 거래를 보장한다. 이 모델은 수요 반응을 향상시키고 블록 채굴의 공정성을 확보하며, 이론적 및 시뮬레이션 기반 성능이 뛰어나 최신 기술 대비 시장 안정성, 수익성, 비밀유지 보호 측면에서 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The desire to overcome reliability issues of distributed energy resources (DERs) lead researchers to development of a novel concept named as virtual power plant (VPP). VPPs are supposed to carry out intelligent, secure, and smart energy trading among prosumers, buyers, and generating stations along with providing efficient energy management. Therefore, integrating blockchain in a decentralized VPP network emerged as a new paradigm, and recent experiments over this integration have shown fruitful results. However, this decentralization also suffers with energy management, trust, reliability, and efficiency issues due to the dynamic nature of DERs. In order to overcome this, in this paper, we first work over providing an efficient energy management strategy for VPP to enhance demand response, then we propose an energy oriented trading and block mining protocol and name it as proof of energy market (PoEM). To enhance it further, we integrate differential privacy in PoEM and propose a Private PoEM (PPoEM) model. Collectively, we propose a private decentralized VPP trading model and named it as Virtual Private Trading (VPT) model. We further carry out extensive theoretical analysis and derive step-by-step valuations for market race probability, market stability probability, energy trading expectation, winning state probability, and prospective leading time profit values. Afterwards, we carry out simulation-based experiments of our proposed model. The performance evaluation and theoretical analysis of our VPT model make it one of the most viable models for blockchain based VPP networks as compared to other state-of-the-art works.

연구 동기 및 목표

• 분산형 VPP에서 에너지 중심의 개인정보 보호 합의 기반의 부족을 해결하기 위해.
• 블록체인 기반 VPP 에너지 거래에서 신뢰성, 안정성, 개인정보 보호 문제를 해결하기 위해.
• 피크 수요 시 에너지 공급을 극대화하기 위해 프로슈머를 인cent라이즈하는 수요 반응 인지 에너지 거래 모델을 설계하기 위해.
• 구매자, 판매자, VPP의 거래 데이터를 보호하기 위해 차등적 비밀유지를 블록 채굴 과정에 통합하기 위해.
• 시장 안정성, 수익성, 계산 효율성에 대한 종합적인 이론적 및 시뮬레이션 기반 평가 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 계산 비용이 높은 작업 증명(Proof of Work)을 대체하기 위해 에너지 기여도와 시장 참여도에 따라 채굴 자격을 결정하는 새로운 합의 기반인 에너지 마켓 증명(Proof of Energy Market, PoEM)을 제안한다.
• 거래 세부 정보를 은폐하면서도 시장 기능을 유지하기 위해 제어된 노이즈 주입을 통해 차등적 비밀유지를 적용한 비공개 PoEM(Private PoEM, PPoEM)을 도입한다.
• 입찰 가격과 에너지 가용성에 기반해 최적의 구매자-판매자 매칭을 결정하기 위해 이중 Auction 메커니즘을 활용한다.
• 시장 경쟁, 안정성, 승리 상태, 잠재 수익 시간의 이론적 확률을 유도하기 위해 재귀적 마르코프 체인 모델을 사용한다.
• 세 단계 알고리즘 아키텍처를 적용한다: (1) 구매자-판매자 입찰 매칭, (2) 거래 및 사회적 복지 계산, (3) VPP 채굴 선택 및 보상 배분.
• 확률적 및 게임 이론적 모델링을 통해 예상 수익, 시장 안정성, 승리 확률 등의 주요 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록체인 기반 VPP는 계산 능력이 아닌 실제 에너지 기여도를 반영하여 공정하고 효율적인 블록 채굴을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 차등적 비밀유지를 통합함으로써 분산형 VPP의 에너지 거래 보안성과 기능성에 미치는 이론적 영향은 무엇인가?
• RQ3 제안된 PoEM 기반은 기존 합의 모델 대비 시장 안정성과 수익성에 있어 어떻게 향상되는가?
• RQ4 제안된 모델의 분석적 유도가 가능한 주요 성능 지표(승리 확률, 시장 안정성, 예상 수익 등)는 무엇인가?
• RQ5 VPT 모델은 수요 반응을 어떻게 향상시키고 피크 수요 기간 동안 에너지 공급을 극대화하기 위해 프로슈머를 어떻게 유인하는가?

주요 결과

• 고수요 조건 하에서 VPT 모델은 이론적 시장 안정성 확률이 0.92에 도달하여 기존 모델을 크게 능가한다.
• 잠재 수익 시간 수익이 활성 자원 대비 총 자원 비율(RA/Rs)이 최적화된 경우에 최대화됨을 수학적으로 증명하였으며, 식 (48)에 폐쇄형 표현식이 유도되었다.
• PoEM 알고리즘의 계산 복잡도는 O(max{N log N, SN})로 경계되어 있어 대규모 VPP 네트워크에 대한 확장성을 보여준다.
• PPoEM 기반은 개인정보 보호 예산 ε를 통해 모든 거래 데이터에 대해 k-익명성을 보장함으로써 차등적 비밀유지를 성공적으로 유지한다.
• 시뮬레이션 결과, VPT 모델은 PoW 기반 VPP 대비 평균 프로슈머 수익을 28% 증가시키며, 거래 지연 시간을 41% 감소시켰다.
• 모델은 첫 번째 입찰 라운드 내에서 구매자와 판매자를 95%의 성공률로 매칭하여 높은 시장 효율성을 입증하였다.