[论文解读] Exchange of Renewable Energy among Prosumers using Blockchain with Dynamic Pricing

Arnob Ghosh, Vaneet Aggarwal+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用 18

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的动态定价机制，用于在具有太阳能板和储能装置的产消者（prosumers）之间进行点对点能源交易。该机制采用博弈论模型，实现最优能源交换。平台通过设定动态交换价格以最小化对传统电网能源的依赖，且一种分布式算法可收敛至唯一的广义纳什均衡，与非交易情景相比，可将峰值负荷降低并提升社会福利最多达25%。

ABSTRACT

We consider users which may have renewable energy harvesting devices, or distributed generators. Such users can behave as consumer or producer (hence, we denote them as prosumers) at different time instances. A prosumer may sell the energy to other prosumers in exchange of money. We consider a demand response model, where the price of conventional energy depends on the total demand of all the prosumers at a certain time. A prosumer depending on its own utility has to select the amount of energy it wants to buy either from the grid or from other prosumers, or the amount of excess energy it wants to sell to other prosumers. However, the strategy, and the payoff of a prosumer inherently depends on the strategy of other prosumers as a prosumer can only buy if the other prosumers are willing to sell. We formulate the problem as a coupled constrained game, and seek to obtain the generalized Nash equilibrium. We show that the game is a concave potential game and show that there exists a unique generalized Nash equilibrium. We consider that a platform will set the price for distributed interchange of energy among the prosumers in order to minimize the consumption of the conventional energy. We propose a distributed algorithm where the platform sets a price to each prosumer, and then each prosumer at a certain time only optimizes its own payoff. The prosumer then updates the price depending on the supply and demand for each prosumer. We show that the algorithm converges to an optimal generalized Nash equilibrium. The distributed algorithm also provides an optimal price for the exchange market.

研究动机与目标

• 为应对电力系统中可再生能源供应不确定性和峰值需求的挑战，通过产消者之间的直接能源交换实现能源优化。
• 设计一种动态实时定价机制，以减少对传统电网能源的依赖并最小化峰值负荷。
• 将产消者的行为建模为一种策略博弈，其中每个产消者在考虑他人行为的前提下优化自身利益。
• 开发一种分布式算法，使系统能在不完全掌握他人效用函数的情况下收敛至广义纳什均衡。
• 证明通过动态定价实现的能源交换可显著提升社会福利与系统效率。

提出的方法

• 将能源交换问题建模为具有广义纳什均衡框架的耦合约束博弈。
• 将系统建模为严格拟凹势博弈，确保均衡的存在性与唯一性。
• 引入一种动态定价机制，由中心平台根据产消者之间的供需情况调整交换价格。
• 提出一种分布式算法，每个产消者根据当前价格和先前行为优化自身的能源策略（购买、出售、储存）。
• 采用线性价格函数表示传统能源价格，其依赖于系统总需求，反映实时电网定价机制。
• 通过平台进行迭代价格更新，确保收敛至最优均衡，并最小化传统能源消耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计动态定价机制，以激励产消者在彼此之间交易过剩的可再生能源，同时最小化对传统电网的依赖？
• RQ2 当产消者在供需上相互依赖且各自追求自身利益时，博弈论均衡结构如何演变？
• RQ3 在不依赖对产消者效用函数全局信息的前提下，分布式算法能否收敛至最优广义纳什均衡？
• RQ4 与仅依赖集中式电网的模型相比，引入本地能源交易市场对整体系统效率与社会福利有何影响？
• RQ5 传统能源价格参数的变化对社会福利与峰值负荷降低有何影响？

主要发现

• 由于存在严格拟凹势函数，所提出的博弈模型具有唯一的广义纳什均衡。
• 分布式算法可收敛至最优广义纳什均衡，实现高效且可扩展的能源交易。
• 能源交换市场显著降低了传统能源消耗与峰值负荷，与无点对点交易的情景相比，社会福利提升至少25%。
• 当储能容量增加时，能源交换带来的效益最为显著，但超过某一阈值后，随着产消者趋于自给自足，效益开始减弱。
• 平台根据实时供需动态设定最优交换价格，有效降低对电网的依赖。
• 在所有传统能源价格参数γt的取值下，社会福利均高于无交换情形，尤其当γt较低时，表明市场效率更高。