[논문 리뷰] Blockchain Based Transactive Energy Systems for Voltage Regulation

Shivam Saxena, Hany E. Z. Farag외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 19.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트 계약을 통해 서비스 계약을 이행하고, 에이전트의 감사 가능한 신뢰도 점수를 유지하며, 계약 네트워크 프로토콜을 통해 입찰를 자동화하여 활성 배전망에서 전압 조정을 장려하는 블록체인 기반의 거래 에너지 시스템을 제안한다. 시뮬레이션 및 실세계 네트워크에서의 실험 결과는 시스템 신뢰도와 신뢰할 수 없는 거래 이행을 통해 향상된 전압 조정 성능을 확인한다.

ABSTRACT

Transactive Energy Systems (TES) are modern mechanisms in electric power systems that allow disparate control agents to utilize distributed generation units (DGs) to engage in energy transactions and provide ancillary services to the grid. Although voltage regulation is a crucial ancillary service within active distribution networks (ADNs), previous work has not adequately explored how this service can be offered in terms of its incentivization, contract auditability and enforcement. Blockchain technology shows promise in being a key enabler of TES, allowing agents to engage in trustless, persistent transactions that are both enforceable and auditable. To that end, this paper proposes a blockchain based TES that enables agents to receive incentives for providing voltage regulation services by i) maintaining an auditable reputation rating for each agent that is increased proportionately with each mitigation of a voltage violation, ii) utilizing smart contracts to enforce the validity of each transaction and penalize reputation ratings in case of a mitigation failure and iii) automating the negotiation and bidding of agent services by implementing the contract net protocol (CNP) as a smart contract. Experimental results on both simulated and real-world ADNs are executed to demonstrate the efficacy of the proposed system.

연구 동기 및 목표

• 활성 배전망(ADNs)에서 전압 조정 서비스에 대한 효과적인 인센티브 부여, 감사 가능성, 이행 메커니즘이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 블록체인 기술을 활용하여 활성 배전망 내 분산 에이전트 간에 신뢰할 수 없고 지속적이며 감사 가능한 에너지 거래를 가능하게 하기 위해.
• 에이전트가 전압 위반을 완화하는 데 성과를 거두었는지에 따라 자동으로 보상 및 징벌을 부여하는 시스템을 설계하기 위해.
• 계약 네트워크 프로토콜(CNP)을 스마트 계약으로 통합하여 에이전트 간의 전압 조정 서비스에 대한 자동화된 협상 및 입찰 과정을 구현하기 위해.
• 시뮬레이션 및 실세계 활성 배전망에서의 실험을 통해 시스템의 유효성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 모든 거래를 기록하고 에이전트 활동의 분산형, 변조 방지 레거시를 유지하기 위해 허가된 블록체인을 사용한다.
• 각 에이전트는 전압 위반을 성공적으로 완화할 경우 신뢰도 점수가 상승하고, 의무를 이행하지 못할 경우 하락한다.
• 스마트 계약을 사용하여 서비스 계약을 이행하고, 실시간 전압 데이터 기반으로 준수 여부를 자동으로 검증하며, 신뢰도 점수를 갱신한다.
• 계약 네트워크 프로토콜(CNP)을 스마트 계약으로 구현하여 에이전트 간의 전압 조정 서비스에 대한 자동화된 입찰 및 협상 과정을 지원한다.
• 실시간으로 배전망 버스의 모니터링을 통해 전압 위반을 탐지하며, 과전압 및 과소전압 조건에 대한 임계값을 설정한다.
• 기존의 배전망 모델과 통합하여 실제 운영 조건에서의 성능을 시뮬레이션하고 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 블록체인 기술을 활용하여 활성 배전망에서 신뢰할 수 없고 감사 가능하며 이행 가능한 전압 조정 인센티브를 제공할 수 있는가?
• RQ2 에이전트가 전압 위반 완화에 성공적으로 기여한 경우에 신뢰성 있게 보상하고, 실패한 경우에 징벌할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 어떻게 분산된 방식으로 전압 조정을 위한 자동화된 서비스 협상 및 입찰를 구현할 수 있는가?
• RQ4 제안된 시스템은 기존 방법에 비해 전압 조정 성능을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 실세계 배전망 조건에서 시스템은 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 각 에이전트의 전압 위반 완화 성과와 직접적으로 관련된 감사 가능하고 동적인 신뢰도 점수를 성공적으로 유지한다.
• 스마트 계약은 서비스 계약을 효과적으로 이행하여 준수 위험을 줄이고, 실패한 완화 시도에 대해 자동으로 징벌 조치를 취한다.
• 계약 네트워크 프로토콜(CNP)을 스마트 계약으로 통합함으로써 에이전트 간의 효율적이고 자동화된 입찰 및 서비스 할당이 가능해졌다.
• 실세계 배전망에서의 실험 결과, 시스템은 기준 시나리오 대비 전압 위반 수를 최대 78% 감소시켰다.
• 시스템은 낮은 지연 시간으로 실시간 운영 조건에서 고신뢰성과 확장성을 유지하며, 거래 처리 및 신뢰도 갱신에 있어 최소한의 지연을 보였다.
• 블록체인 기반 프레임워크는 모든 거래 및 신뢰도 변화에 대한 종단 간 감사 가능성과 추적 가능성을 보장하여 시스템의 투명도를 향상시켰다.