[论文解读] Non Cooperative Game Theoretic Approach for Residential Energy Management in Smart Grid

Ilyes Naidji, Moncef Ben Smida+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出一种非合作博弈论方法，用于智能电网中的居民用电管理，利用动态定价引导用户调度电器以最小化每日电费和不适感。通过NSGA-II计算纳什均衡，与参考场景相比，电费降低37%，不适感仅增加20%，在效率与舒适度之间实现了更优平衡，优于仅考虑成本的策略。

ABSTRACT

Demand side management (DSM) is one of the main functionalities of the smart grid as it allows the consumer to adjust its energy consumption for an efficient energy management. Most of the existing DSM techniques aim at minimizing the energy cost while not considering the comfort of consumers. Therefore, maintaining a trade-off between these two conflicting objectives is still a challenging task. This paper proposes a novel DSM approach for residential consumers based on a non-cooperative game theoretic approach, where each player is encouraged to reshape its electricity consumption pattern through the dynamic pricing policy applied by the smart grid operator. The players are guided to select the best strategy that consists of scheduling their electric appliances in order to minimize the daily energy cost and their discomfort level. The Nash Equilibrium of the energy management game is achieved using Non-Sorting Genetic Algorithm NSGA-II. Simulation results show the effectiveness of the distributed non cooperative game approach for the residential energy management problem where an appreciable energy cost reduction is reached while maintaining the discomfort in an acceptable level.

研究动机与目标

• 解决需求响应（DR）策略中最小化居民用电成本与维持用户舒适度之间的权衡问题。
• 开发一种分布式、非合作博弈模型，使用户根据动态定价独立优化电器调度。
• 将不适感水平作为与用电成本并列的可量化目标纳入用电管理。
• 利用博弈论实现公平且基于均衡的解决方案，反映真实用户行为。
• 通过NSGA-II进行多目标优化评估，有效平衡相互冲突的目标。

提出的方法

• 构建一个非合作博弈模型，每位居民用户作为独立玩家优化自身电器调度。
• 将用户不适感建模为理想运行时间与实际调度时间之间的偏差。
• 使用动态定价作为激励机制，引导用电向非高峰时段转移。
• 应用NSGA-II求解多目标优化问题，寻找成本与不适感的纳什均衡。
• 将决策变量定义为电器在时间窗口内的启停时间，受功率和持续时间约束。
• 在三种场景下评估性能：参考场景（福利最大化）、仅成本优化、成本与不适感平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化居民用电管理，在降低每日电费的同时维持用户舒适度？
• RQ2 在非合作环境下，动态定价对用户电器调度行为有何影响？
• RQ3 博弈论方法能否在成本最小化与不适感减少之间实现平衡均衡？
• RQ4 在现实场景中，所提出的多目标方法与仅考虑成本或仅考虑舒适度的策略相比表现如何？
• RQ5 NSGA-II在具有冲突目标的居民用电管理博弈中，能否有效计算纳什均衡？

主要发现

• 所提出的成本-不适感场景相比参考场景，每日电费降低了约37%。
• 与参考场景相比，不适感水平上升20%，但相比仅成本优化场景降低了10%。
• 仅成本优化场景实现了最低电费（相比参考场景降低40%），但导致不适感上升30%。
• 多目标方法成功平衡了成本与舒适度，在两项指标上均接近最优性能。
• 具备本地发电能力的产消者（p-玩家）通过在偏好时间段调度电器，保持了更高的舒适度。
• 基于NSGA-II的解决方案有效计算出纳什均衡，证明了分布式、非合作用电管理的可行性。