[논문 리뷰] An Energy Sharing Game in Prosumers based on Generalized Demand Bidding: Model and Properties

Yue Chen, Shengwei Mei외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 16.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 프로슈머 간 에너지 공유를 위한 일반화된 수요 입찰 메커니즘을 제안하며, 일반적인 공급-수요 함수를 통해 그들의 참여를 모델링하여 내쉬 균형을 달성한다. 이 균형은 모든 프로슈머의 불편도를 낮추며, 시장 규모와 가격 수요량 탄력성이 증가할수록 사회적 복지가 향상된다.

ABSTRACT

The advent of energy that not only consume but also produce energy, advocates a sharing market to encourage energy exchange. Motivated by the recent technology of online platforms, this paper proposes a simple but effective mechanism for energy sharing by generalizing demand bidding. Towards this end, a generic supply-demand function (SDF) is devised for individual prosumers to determine their role of buyer or seller in the sharing market, where the outcome is shown to be a Nash equilibrium (NE) among prosumers. The existence and uniqueness of NE are proved. Properties of the equilibrium price are uncovered. Compared with individual decision-making, the disutility of each prosumer can always be reduced via purchasing cheaper energy in the sharing market, leading to a Pareto improvement. It is revealed that the total cost of prosumers decreases with the price elasticity and the sharing market equilibrium can achieve social optimum when the number of prosumers becomes large enough. It is also found that introducing competition benefits social welfare. Case studies confirm the theoretical results with analyses on the impacts of several key factors. This work is expected to provide insights on understanding and designing future energy sharing markets.

연구 동기 및 목표

• 프로슈머(에너지 생산과 소비를 동시에 하는 개인)가 효율적으로 거래할 수 있도록 탈중앙화된 에너지 공유 메커니즘을 설계하는 것.
• 중앙 집중적 제어 없이 온라인 플랫폼 기술을 활용해 프로슈머 간 에너지 거래를 조율하는 데 도전하는 것.
• 모든 참가자와 사회 전반에 유익한 결과를 가져오는 에너지 공유 조건을 설정하는 것.
• 시장 구조, 가격 탄력성, 경쟁이 균형 효율성과 사회 복지에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 각 프로슈머가 시장 조건에 따라 구매자 또는 판매자로 자가 결정할 수 있도록 허용하는 일반화된 공급-수요 함수(SDF)를 제안한다.
• 프로슈머가 자신의 SDF를 기반으로 전략적으로 입찰하여 개인의 기대효용을 극대화하는 비협력 게임으로 에너지 공유 과정을 모델링한다.
• 제안된 게임 이론 프레임워크에서 내쉬 균형(NE)의 존재성과 유일성을 확립한다.
• 균형 가격의 분석적 성질을 유도하며, 이는 가격 탄력성과 시장 규모에 의존함을 밝힌다.
• 비교 정적 분석을 통해 시장 구조와 탄력성의 변화가 시스템 효율성에 미치는 영향을 분석한다.
• 사례 연구를 통해 이론적 결과를 검증하고 탄력성 및 프로슈머 수와 같은 핵심 매개변수의 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 프로슈머 간 에너지 공유 게임에서 내쉬 균형이 존재하고 유일하게 유지되는 조건은 무엇인가?
• RQ2 일반화된 수요 입찰를 통한 에너지 공유는 개인적 결정과 비교해 프로슈머의 불편도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가격 탄력성과 에너지 공유 시장의 효율성 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 에너지 공유 시장가 사회 최적 상태에 도달할 수 있는가? 이러한 상황은 어떤 조건에서 발생하는가?
• RQ5 프로슈머 간 경쟁을 도입할 경우 에너지 공유 시장에서 사회 복지는 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 제안된 에너지 공유 메커니즘은 고유한 내쉬 균형을 달성하여 안정적인 시장 결과를 보장한다.
• 모든 프로슈머가 개별 결정보다 공유 시장에 참여할 경우 불편도가 감소하여 파레토 개선이 이루어짐을 나타낸다.
• 가격 탄력성이 증가할수록 프로슈머의 총비용이 감소하며, 이는 시장의 반응성이 향상됨을 반영한다.
• 프로슈머 수가 충분히 증가할 경우 시장 균형은 사회 최적에 가까워진다.
• 프로슈머 간 경쟁을 도입함으로써 사회 복지가 향상되어 시장 참여의 이점이 입증된다.
• 사례 연구는 탄력성 및 시장 규모와 같은 핵심 요소가 균형 효율성과 비용 절감에 상당한 영향을 미친다는 것을 확인한다.