[论文解读] The Sharing Economy for the Smart Grid

Dileep Kalathil, Chenye Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 5被引用 15

一句话总结

本文提出了一种智能电网中企业共享电能储能容量的现货市场机制，将投资决策建模为非凸非合作博弈。在温和对齐条件下，证明了纳什均衡的存在性、唯一性及社会福利最优性，实现了高效、隐私保护的储能共享，相比非共享情景，每日套利回报最高提升50%。

ABSTRACT

The sharing economy has disrupted housing and transportation sectors. Homeowners can rent out their property when they are away on vacation, car owners can offer ride sharing services. These sharing economy business models are based on monetizing under-utilized infrastructure. They are enabled by peer-to-peer platforms that match eager sellers with willing buyers. Are there compelling sharing economy opportunities in the electricity sector? What products or services can be shared in tomorrow's Smart Grid? We begin by exploring sharing economy opportunities in the electricity sector, and discuss regulatory and technical obstacles to these opportunities. We then study the specific problem of a collection of firms sharing their electricity storage. We characterize equilibrium prices for shared storage in a spot market. We formulate storage investment decisions of the firms as a non-convex non-cooperative game. We show that under a mild alignment condition, a Nash equilibrium exists, it is unique, and it supports the social welfare. We discuss technology platforms necessary for the physical exchange of power, and market platforms necessary to trade electricity storage. We close with synthetic examples to illustrate our ideas.

研究动机与目标

• 探索电力行业中可行的共享经济机遇，尤其聚焦于未充分利用的电能储能容量。
• 解决实现点对点电力共享中的技术与监管挑战，特别是无法追踪点对点电能流动的问题。
• 在共享市场条件下，将储能投资决策建模为两阶段优化问题。
• 刻画企业在共享储能中投资的均衡行为，确保社会福利最大化与联盟稳定性。
• 设计一个中立的聚合平台，使企业能在保护其私有需求信息的前提下实现最优投资决策。

提出的方法

• 构建一个电能储能共享的现货市场，企业通过集中式拍卖机制交易过剩容量。
• 将每家企业的投资决策建模为两阶段优化：第一阶段，确定最优储能容量；第二阶段，利用现货价格清算市场。
• 引入储能共享博弈，作为企业间的非凸非合作博弈，收益函数基于分时电价（ToU）和需求波动性。
• 在需求分布上施加一个温和的对齐条件，以保证纳什均衡的存在性与唯一性。
• 利用Pecan Street数据集的实证数据估算家庭需求统计量，并模拟真实世界性能。
• 采用累积分布函数（CDF）和成对相关性分析，评估峰值需求的统计多样性，从而实现有效的套利。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一个电能储能共享的现货市场，以高效匹配企业间的过剩容量与需求？
• RQ2 在企业共享储能容量的非凸投资博弈中，纳什均衡存在的条件是什么？
• RQ3 储能共享博弈中的纳什均衡是否支持社会福利最大化？
• RQ4 中立聚合平台的存在如何影响共享储能市场中的信息隐私与投资效率？
• RQ5 相比独立投资非共享储能，储能共享在多大程度上提升了财务回报？

主要发现

• 在需求分布的温和对齐条件下，储能共享博弈中存在唯一纳什均衡，确保市场结果稳定且可预测。
• 纳什均衡支持社会福利最大化，意味着集体投资决策使系统总成本最低。
• 与非共享情景相比，储能共享带来的平均每日财务收益提升约50%——从每户55美分增至75美分。
• 由于企业间峰值需求具有统计多样性，风险分散更优，共享情景下的平均最优储能投资降低约5%。
• 家庭峰值需求之间的成对相关系数平均约为0.5，其中许多配对呈现负相关，通过共享可实现有效套利。
• 聚合平台在不暴露企业私有需求数据的前提下，实现了最优投资决策，确保了隐私保护与市场中立性。