[论文解读] Deadline Differentiated Pricing of Deferrable Electric Loads

Eilyan Bitar, Yunjian Xu|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Smart Grid Energy Management参考文献 43被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于截止时间差异的电价机制，通过为更长的交付截止时间提供更低的电价，激励可推迟用电的负荷——尤其是电动汽车充电——实现延迟用电。在最早截止时间优先（EDF）调度策略下，作者设计了一种非歧视性、激励相容的定价机制，实现了高效的竞争性均衡，并确保用户真实申报截止时间。

ABSTRACT

A large fraction of the total electric load is comprised of end-use devices whose demand for energy is inherently deferrable in time. Of interest is the potential to leverage on such latent flexibility in demand to absorb variability in power supplied from intermittent renewable generation. The challenge, however, lies in designing incentives to reliably induce the desired response in demand. With an eye to electric vehicle charging, we propose a novel forward market for differentiated electric power services, where consumers consent to deferred service of pre-specified loads in exchange for a reduced per-unit price for energy. The longer a consumer is willing to defer, the larger the reduction in price. The proposed forward contract provides a guarantee on the aggregate quantity of energy to be delivered by a consumer-specified deadline. Under the earliest-deadline-first (EDF) scheduling policy, which is shown to be optimal for the supplier, we explicitly characterize a non-discriminatory, deadline-differentiated pricing scheme that yields an efficient competitive equilibrium between the supplier and consumers. We further show that this efficient pricing scheme, in combination with EDF scheduling, is incentive compatible (IC) in that every consumer would like to reveal her true deadline to the supplier, regardless of the actions taken by other consumers.

研究动机与目标

• 为解决间歇性可再生能源并网的挑战，通过利用可推迟负荷的用户侧灵活性。
• 设计一种市场机制，为消费者提供延迟用电的价格激励，同时保证在用户指定的截止时间前完成供电。
• 确保该机制具有激励相容性，使消费者无论他人行为如何，均会真实申报其截止时间。
• 实现竞争性均衡，通过高效调度与定价最大化社会福利。

提出的方法

• 引入一种基于截止时间差异的电力服务前向市场，其中更长的截止时间对应更低的单位电价。
• 采用最早截止时间优先（EDF）调度策略，该策略在所提机制下被证明对供应商最优。
• 基于供应商的边际成本和可再生能源发电可用性的概率，推导出一种非歧视性定价方案。
• 通过独立同分布的随机变量 ξt 对可再生能源出力进行随机建模，以表征期望成本与价格形成机制。
• 应用机制设计理论，确保定价方案具有激励相容性，使真实申报成为占优策略。
• 证明均衡是唯一且高效的，通过真实申报行为实现社会福利最大化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计电力定价机制，以从具有可推迟负荷的消费者处获取真实截止时间信息？
• RQ2 何种定价与调度策略能够在保证消费者指定截止时间交付的前提下，实现间歇性可再生能源的高效并网？
• RQ3 能否设计一种非歧视性、激励相容的机制，使可推迟负荷的前向市场实现竞争性均衡？
• RQ4 在该机制下，最优调度策略是什么？其与供应商成本最小化的关系如何？
• RQ5 在何种条件下，该市场均衡是社会最优且唯一的？

主要发现

• 所提出的基于截止时间差异的定价机制具有激励相容性：无论他人行为如何，所有消费者的真实申报均为占优策略。
• 在 EDF 调度策略下，当消费者真实申报截止时间时，供应商的期望利润达到最大。
• 该机制实现了唯一且高效的竞争性均衡，通过在最低期望成本下完全满足总需求 x*，从而最大化社会福利。
• 供应商的边际成本被限制在 c₀ 以内，且定价机制确保任何反映边际成本的价格组合均能实现需求的完全满足，前提是消费者真实申报。
• 该均衡具有鲁棒性：对于任意总需求组合 x*，该机制均通过 EDF 调度使供应商的期望成本最小化。
• 分析证明，社会福利在均衡状态下达到最大，因为系统完全满足了 x*，并采用了最低成本的调度策略（EDF）