[论文解读] Combined Cooling, Heating, and Power System in Blockchain-Enabled Energy Management

Jianxiong Guo, Xingjian Ding+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 30被引用 13

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的智慧城市能源管理系统，通过非合作Stackelberg博弈将冷热电联产（CCHP）系统与电网集成。该方法采用分布式算法实现唯一且稳定的Stackelberg均衡，最大化电网代理（APG）和CCHP单元的利润，同时通过区块链技术确保隐私和交易安全。

ABSTRACT

The combined cooling, heating and power (CCHP) system is a typical distributed, electricity-gas integrated energy scheme in a community. First, it generates electricity by use of gas, and then exploits the waste heat to supply community with heat and cooling. In this paper, we consider a smart city consisting of a number of communities (CCHPs) and an agent of power grid (APG), where CCHPs can sell energy to the APG according to its bid. To study all utilities of entities in such a city from energy trading, a noncooperative Stackelberg game between APG and CCHPs is formulated. Here, the APG gives a bid for buying the energy from CCHPs, then CCHPs respond to the APG with their optimal energy supply that maximizing their utilities according to this bid. We show that the maximum profit to the APG and utilities to the CCHPs can be obtained at the Stackelberg equilibrium, which is guaranteed to exist and unique. Because the complete information about energy supply of each CCHP is unknown to the APG in advance, we propose a distributed algorithm that is able to find the point of equilibrium through a limited number of iterations. Taking privacy protection and transaction security into consideration, we design a blockchain-enabled energy management system. This system is composed of Internet of Energy (IoE) sub-system and blockchain sub-system, where the information interactions as well as energy transactions between APG and CCHPs can be carried out effectively and safely. Finally, security analysis and numerical simulations show the effectiveness and accuracy of our proposed mechanism.

研究动机与目标

• 解决智慧城市中CCHP系统向电网代理（APG）供电的去中心化能源交易挑战。
• 利用非合作博弈理论建立APG（领导者）与多个CCHP单元（追随者）之间的战略互动模型。
• 设计一种分布式算法，实现在无需完全掌握CCHP供电参数的情况下收敛至Stackelberg均衡。
• 通过集成基于区块链的系统与能源互联网（IoE），确保分布式环境中能源交易的隐私与安全。
• 通过安全分析和真实城市能源场景下的数值仿真验证所提机制的有效性。

提出的方法

• 构建一个非合作Stackelberg博弈模型，其中APG设定从CCHP购买电力的出价价格，CCHP单元则通过优化其供电量以最大化自身效用。
• 为APG和CCHP单元定义效用函数，综合考虑本地用电需求、售电收入以及成本差异。
• 证明所提博弈模型中Stackelberg均衡（SE）的存在性与唯一性。
• 提出一种分布式迭代算法，使APG仅通过与CCHP的有限信息交互即可收敛至SE。
• 设计一种基于区块链的能源管理系统，集成能源互联网（IoE）层用于数据交换，以及区块链层用于安全、无需信任的交易记录。
• 采用密码学机制与智能合约，确保能源交易的数据完整性、隐私性及不可篡改性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将智慧城市中电网代理（APG）与多个CCHP系统之间的能源交易建模为一种战略互动，以实现双方效用最大化？
• RQ2 在该去中心化能源交易场景中，何种条件可保证Stackelberg均衡的存在性与唯一性？
• RQ3 APG如何在不完全掌握各CCHP供电能力的情况下，确定最优出价以最大化自身利润？
• RQ4 在分布式环境中，通过何种机制可确保APG与CCHP之间能源交易的隐私与安全？
• RQ5 所提分布式算法在利润水平与收敛精度方面相较于集中式最优解表现如何？

主要发现

• APG与CCHP之间能源交易博弈的Stackelberg均衡（SE）被证明存在且唯一，确保结果稳定且可预测。
• 分布式算法在32次迭代内成功收敛至SE，APG的最优出价稳定在$2.64 \times 10^{-8}$ coin/J，实现接近最优的利润。
• 在所有测试配置中，APG通过分布式算法获得的利润与集中式最优解相比，最大偏差小于0.01%，表现极为接近。
• 当无CCHP时，APG利润为3240；当30个CCHP激活时，利润增至4799.83，较基准情况提升148%。
• 随着CCHP数量从5个增至30个，增量利润比率从108%提升至148%，表明CCHP系统集成具有良好的可扩展性与经济效益。
• 安全分析表明，基于区块链的系统对常见威胁具有强健防御能力，确保能源交易中的数据完整性和交易机密性。