[论文解读] Transactive Energy Auction with Hidden User Information in Microgrid

M. Nazif Faqiry, Sanjoy Das|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于微电网中主动能源交易的隐私保护拍卖机制，其中微电网控制器（MC）在不访问用户私有效用数据的情况下协调投标。通过基于迭代凸优化的机制，实现了社会福利最大化、个体理性以及弱预算平衡——仿真结果表明，通过最大熵方法实现公平的收益再分配。

ABSTRACT

This research proposes a novel auction mechanism for transactive energy exchange between buyers and sellers, modeled as agents in a microgrid. The mechanism is implemented by a separate microgrid controller (MC) agent, and requires big data flow with the other agents through an iterative bidding process. Although private user information remains hidden to the MC, a theoretical analysis shows that under the assumption of convexity of the agents utilities, the proposed auction is still able to maximize the social welfare (SW), i.e. the aggregate utilities of the agents. In addition, it is shown that the mechanism exhibits the key desirable features of individual rationality and weak budget balance, guaranteeing that neither the payoff to any agent nor the net monetary revenue after termination, is negative. The proposed approach also incorporates a mechanism to redistribute the sellers shares in a fair manner. As an example, a maximum entropy based fair redistribution scheme is addressed. The theoretical analysis reported here is accompanied by extensive set of simulations that illustrate the various aspects of the proposed mechanism.

研究动机与目标

• 设计一种主动能源拍卖机制，以在微电网中实现用户隐私保护的同时最大化社会福利。
• 确保个体理性与弱预算平衡，以确保无任何代理方蒙受经济损失且净收益保持非负。
• 通过基于最大熵的方案，公平地再分配卖方的盈余份额。
• 实现在不向微电网控制器暴露私有效用函数的前提下，安全且去中心化的能源交易。
• 通过在真实微电网条件下进行的广泛仿真验证该机制。

提出的方法

• 该机制采用迭代拍卖流程，买家和卖家提交投标，但不披露其私有效用函数。
• 微电网控制器（MC）作为中介，求解凸优化问题以清算市场并最大化社会福利。
• 核心机制依赖于代理效用的凸性假设，以保证收敛至最优配置。
• 基于最大熵的再分配方案确保在交易结算后，卖方盈余在参与者之间实现公平分配。
• MC仅观察到投标数量和价格，不接触底层效用函数，从而保护隐私。
• 通过对偶分解方法实现拍卖，以支持在各代理之间进行分布式计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 主动能源拍卖能否在隐藏用户效用函数给微电网控制器的前提下，实现社会福利最大化？
• RQ2 所提出的机制是否确保个体理性，即无任何代理方因参与而处境更差？
• RQ3 是否维持了弱预算平衡，以确保无任何代理方面临净货币损失？
• RQ4 如何在不损害隐私或效率的前提下，公平地再分配卖方盈余？
• RQ5 该机制在真实、动态的微电网条件下表现如何？

主要发现

• 在效用函数为凸的假设下，所提出的拍卖机制即使在用户信息隐藏的情况下，仍能实现社会福利最大化。
• 个体理性得到保障，因为无任何代理方因参与而获得负收益。
• 弱预算平衡得以维持，确保所有代理方在结算后的净货币收入为非负。
• 基于最大熵的再分配方案确保了卖方盈余在参与者之间的公平分配。
• 仿真结果证实了该机制在各种负荷和发电配置下的收敛性与稳定性。
• 该机制实现了高效且隐私保护的能源交易，无需向中央控制器暴露敏感用户数据。