[论文解读] Autonomous Demand Side Management with Instantaneous Load Billing: An Aggregative Game Approach

He, Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2013

Smart Grid Energy Management被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于即时负荷计费机制的集聚性博弈理论框架，用于自主需求侧管理，以激励用户将高峰时段的用电行为进行转移。该研究提出了两种分布式算法——一种通过近端点迭代实现集中式计算，另一种通过基于邻居的共识实现去中心化通信——两者均可证明收敛至纳什均衡，确保能源成本最小化过程的公平性与高效性。

ABSTRACT

In this paper, we investigate a practical demand side management scenario where the selfish consumers compete to minimize their individual energy cost through scheduling their future energy consumption profiles. We propose an instantaneous load billing scheme to effectively convince the consumers to shift their peak-time consumption and to fairly charge the consumers for their energy consumption. For the considered DSM scenario, an aggregative game is first formulated to model the strategic behaviors of the selfish consumers. By resorting to the variational inequality theory, we analyze the conditions for the existence and uniqueness of the Nash equilibrium (NE) of the formulated game. Subsequently, for the scenario where there is a central unit calculating and sending the real-time aggregated load to all consumers, we develop a one timescale distributed iterative proximal-point algorithm with provable convergence to achieve the NE of the formulated game. Finally, considering the alternative situation where the central unit does not exist, but the consumers are connected and they would like to share their estimated information with others, we present a distributed agreement-based algorithm, by which the consumers can achieve the NE of the formulated game through exchanging information with their immediate neighbors.

研究动机与目标

• 为应对需求侧管理中自私消费者行为带来的挑战，即个体通过用电调度以最小化个人能源成本。
• 设计一种公平且有效的计费机制——即时负荷计费，以在无需集中控制的情况下激励高峰负荷转移。
• 将消费者的策略互动建模为集聚性博弈，并建立纳什均衡存在性与唯一性的条件。
• 开发分布式算法，使消费者能够通过中心协调单位或对等通信方式收敛至纳什均衡。
• 确保在现实通信与计算约束条件下，所提算法具备可证明的收敛性。

提出的方法

• 构建一个非合作性集聚性博弈模型，其中每个消费者的收益取决于其自身策略以及所有消费者的总负荷。
• 引入一种即时负荷计费机制，根据系统实时总负荷对消费者进行收费，以促进高峰负荷的降低。
• 应用变分不等式理论分析所构建博弈中纳什均衡的存在性与唯一性。
• 为存在中心单位计算并广播聚合负荷的场景，设计一种单时标分布式迭代近端点算法。
• 针对去中心化场景，提出一种基于共识的分布式算法，消费者通过与邻近节点交换估计信息以实现均衡。
• 利用变分不等式与一致性理论推导出的理论保证，确保两种算法均可收敛至纳什均衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在所提出的集聚性博弈中，需求侧管理的唯一纳什均衡在何种条件下存在？
• RQ2 如何设计即时负荷计费机制，以实现对消费者的公平计费，同时有效激励高峰负荷转移？
• RQ3 具备中心协调单位的分布式算法是否能够在实时条件下收敛至纳什均衡？
• RQ4 在完全去中心化的环境中，是否可能在无中心单元参与的情况下实现相同的均衡结果？
• RQ5 在不同通信与信息共享模型下，所提分布式算法的收敛特性如何？

主要发现

• 在成本函数与计费函数满足温和且现实的条件下，所提集聚性博弈的纳什均衡存在且唯一。
• 即时负荷计费机制成功激励消费者将用电行为从高峰时段转移至非高峰时段，有效降低系统整体负荷波动。
• 集中式单时标近端点算法具备可证明的收敛性，可收敛至纳什均衡。
• 去中心化共识驱动算法使消费者通过与邻居的本地通信实现纳什均衡，无需依赖中心协调单位。
• 两种算法在计算上均高效，适用于智能电网环境中的实时部署。
• 理论分析证实，所提方案在实现能源成本分配公平性与效率的同时，有效最小化了个体成本。