[论文解读] Privacy Impact on Generalized Nash Equilibrium in Peer-to-Peer Electricity Market

Ilia Shilov, Hélène Le Cadre+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2021

Smart Grid Energy Management参考文献 26被引用 16

一句话总结

本文将点对点电力市场建模为广义纳什均衡问题，其中参与者通过战略性地报告带有噪声的偏离信息以保护隐私。研究建立了变分均衡的唯一性，推导出闭式隐私价格，并量化了随机噪声与确定性偏离对IEEE 14节点系统市场效率与成本的影响。

ABSTRACT

We consider a peer-to-peer electricity market, where agents hold private information that they might not want to share. The problem is modeled as a noncooperative communication game, which takes the form of a Generalized Nash Equilibrium Problem, where the agents determine their randomized reports to share with the other market players, while anticipating the form of the peer-to-peer market equilibrium. In the noncooperative game, each agent decides on the deterministic and random parts of the report, such that (a) the distance between the deterministic part of the report and the truthful private information is bounded and (b) the expectation of the privacy loss random variable is bounded. This allows each agent to change her privacy level. We characterize the equilibrium of the game, prove the uniqueness of the Variational Equilibria and provide a closed form expression of the privacy price. In addition, we provide a closed form expression to measure the impact of the privacy preservation caused by inclusion of random noise and deterministic deviation from agents' true values. Numerical illustrations are presented on the 14-bus IEEE network.

研究动机与目标

• 将点对点电力市场建模为参与者战略性报告隐私信息以保护隐私的模型。
• 分析随机噪声与确定性偏离对市场效率与均衡结果的影响。
• 刻画在隐私约束下非合作通信博弈的均衡特性。
• 推导市场中隐私价格的闭式表达式。
• 通过IEEE 14节点网络的数值仿真，评估隐私与系统成本之间的权衡。

提出的方法

• 参与者通过结合确定性与随机分量来制定报告，以在隐私与成本之间取得平衡。
• 模型对报告值与真实值之间的距离施加约束，并对预期隐私损失进行限制。
• 将问题表述为具有变分均衡表征的广义纳什均衡问题（GNEP）。
• 利用变分不等式理论推导出隐私价格的闭式表达式。
• 使用随机梯度下降算法在IEEE 14节点系统上数值计算均衡解。
• 通过效用差距与社会成本指标量化隐私保护机制的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在参与者报告中引入随机噪声，如何影响市场均衡与系统效率？
• RQ2 对真实值的确定性偏离对点对点电力市场中隐私-成本权衡有何影响？
• RQ3 在隐私约束下的点对点电力市场中，能否保证存在唯一的变分均衡？
• RQ4 隐私价格如何根据参与者的报告策略与网络位置在不同参与者之间变化？
• RQ5 隐私机制对社会成本与个体效用差距的定量影响是什么？

主要发现

• 在较弱假设下，变分均衡具有唯一性，确保市场结果稳定。
• 隐私价格以闭式表达，可直接量化每兆瓦时的隐私成本。
• 节点3与8的隐私价格最高（2.827×10⁻² $/MWh），而节点9与11的隐私成本随偏离程度增加而上升。
• 提高偏离界限（αₙ）会导致效用差距上升，尤其对隐私敏感度高的参与者更为显著。
• 当Aₙ（噪声方差控制参数）提高时，社会成本显著下降，尤其在点对点通信模式下。
• 集中式通信机制受Aₙ影响较小，而点对点机制对αₙ的变化最为敏感，因其受战略性报告的影响最大。