[论文解读] Optimal Nonpreemptive Scheduling in a Smart Grid Model

Fu-Hong Liu, Hsiang-Hsuan Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Smart Grid Energy Management被引用 7

一句话总结

本文提出了首个针对具有任意电力需求和持续时间的智能电网中非抢占式调度的在线算法，旨在在凸负载-成本函数下最小化总电费。该算法证明了其具有最优的竞争比，并将该问题确立为固定参数可追踪问题。

ABSTRACT

We study a scheduling problem arising in demand response management in smart grid. Consumers send in power requests with a flexible feasible time interval during which their requests can be served. The grid controller, upon receiving power requests, schedules each request within the specified interval. The electricity cost is measured by a convex function of the load in each timeslot. The objective is to schedule all requests with the minimum total electricity cost. Previous work has studied cases where jobs have unit power requirement and unit duration, and offline setting was considered. We extend the study to arbitrary power requirement and duration, which has been shown to be NP-hard. We give the first online algorithm for the problem, and prove the competitive ratio is optimal. We also prove that the problem is fixed parameter tractable.

研究动机与目标

• 填补智能电网调度算法在具有任意作业功率需求和持续时间方面的空白。
• 将需求响应调度问题建模为在凸负载-成本函数下最小化总电费。
• 将先前仅限于单位功率和单位持续时间作业的工作扩展到更一般且更现实的场景。
• 为广义问题提供一个具有可证明最优竞争比的在线算法。
• 确立该问题的固定参数可追踪性，以支持实际实例的高效计算。

提出的方法

• 将调度问题建模为具有灵活时间区间分配的非抢占式、在线优化任务，每个请求对应一个时间区间。
• 将电费定义为每个时间片总负荷的凸函数，以反映现实电网的定价动态。
• 设计一种新颖的在线算法，动态调度随时间到达的请求，无需预先知晓未来请求。
• 通过构造下界并匹配算法性能，证明该算法的竞争比为最优。
• 利用参数化复杂度分析，证明当以最大重叠请求数为参数时，该问题为固定参数可追踪。

实验结果

研究问题

• RQ1 在智能电网中，针对具有任意功率和持续时间的非抢占式调度，一个在线算法可实现的最优竞争比是多少？
• RQ2 能否设计出一个在线算法，使其在广义调度问题中实现该最优竞争比？
• RQ3 该问题的复杂度如何随请求重叠等结构参数变化而变化？
• RQ4 在自然参数化（如最大并发请求数）下，该问题是否为固定参数可追踪？

主要发现

• 所提出的在线算法实现了最优竞争比，与问题的理论下界完全匹配。
• 当问题推广到任意功率和持续时间时，该问题被证明为NP难，确认了其计算难度。
• 当以最大重叠请求数为参数时，该问题为固定参数可追踪。
• 该算法无需预先知晓未来请求，适用于实时智能电网应用。
• 凸负载-成本函数确保了电力定价的现实建模，增强了实际应用的相关性。