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2022-06-14
英文标题:
《Estimation of the Shapley Value of a Peer-to-Peer Energy Sharing Game
  using Coalitional Stratified Random Sampling》
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作者:
Liyang Han, Thomas Morstyn, Malcolm McCulloch
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最新提交年份:
2019
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英文摘要:
  Various peer-to-peer energy markets have emerged in recent years in an attempt to manage distributed energy resources in a more efficient way. One of the main challenges these models face is how to create and allocate incentives to participants. Cooperative game theory offers a methodology to financially reward prosumers based on their contributions made to the local energy coalition using the Shapley value, but its high computational complexity limits the size of the game. This paper explores a stratified sampling method proposed in existing literature for Shapley value estimation, and modifies the method for a peer-to-peer cooperative game to improve its scalability. Finally, selected case studies verify the effectiveness of the proposed coalitional stratified random sampling method and demonstrate results from large games.
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中文摘要:
近年来,为了以更有效的方式管理分布式能源,出现了各种对等能源市场。这些模式面临的主要挑战之一是如何为参与者创造和分配激励。合作博弈论提供了一种方法,根据消费者对当地能源联盟的贡献,利用Shapley值从经济上奖励消费者,但其高计算复杂性限制了博弈的规模。本文探讨了现有文献中提出的一种用于Shapley值估计的分层抽样方法,并对对等合作博弈的方法进行了改进,以提高其可扩展性。最后,选定的案例研究验证了所提出的联盟分层随机抽样方法的有效性,并展示了大型博弈的结果。
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分类信息:

一级分类:Computer Science        计算机科学
二级分类:Computer Science and Game Theory        计算机科学与博弈论
分类描述:Covers all theoretical and applied aspects at the intersection of computer science and game theory, including work in mechanism design, learning in games (which may overlap with Learning), foundations of agent modeling in games (which may overlap with Multiagent systems), coordination, specification and formal methods for non-cooperative computational environments. The area also deals with applications of game theory to areas such as electronic commerce.
涵盖计算机科学和博弈论交叉的所有理论和应用方面,包括机制设计的工作,游戏中的学习(可能与学习重叠),游戏中的agent建模的基础(可能与多agent系统重叠),非合作计算环境的协调、规范和形式化方法。该领域还涉及博弈论在电子商务等领域的应用。
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一级分类:Computer Science        计算机科学
二级分类:Computational Engineering, Finance, and Science        计算工程、金融和科学
分类描述:Covers applications of computer science to the mathematical modeling of complex systems in the fields of science, engineering, and finance. Papers here are interdisciplinary and applications-oriented, focusing on techniques and tools that enable challenging computational simulations to be performed, for which the use of supercomputers or distributed computing platforms is often required. Includes material in ACM Subject Classes J.2, J.3, and J.4 (economics).
涵盖了计算机科学在科学、工程和金融领域复杂系统的数学建模中的应用。这里的论文是跨学科和面向应用的,集中在技术和工具,使挑战性的计算模拟能够执行,其中往往需要使用超级计算机或分布式计算平台。包括ACM学科课程J.2、J.3和J.4(经济学)中的材料。
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一级分类:Economics        经济学
二级分类:General Economics        一般经济学
分类描述:General methodological, applied, and empirical contributions to economics.
对经济学的一般方法、应用和经验贡献。
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一级分类:Mathematics        数学
二级分类:Optimization and Control        优化与控制
分类描述:Operations research, linear programming, control theory, systems theory, optimal control, game theory
运筹学,线性规划,控制论,系统论,最优控制,博弈论
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一级分类:Quantitative Finance        数量金融学
二级分类:Economics        经济学
分类描述:q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学,包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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2022-6-14 08:47:30
使用联合分层随机抽样估计aPeer-to-Peer能源共享博弈的Shapley值?李阳汉*托马斯·莫尔斯廷*马尔科姆·麦卡洛赫**英国牛津大学工程科学系(电子邮件:liyang.han,thomas,morstyn,malcolm)。mcculloch@eng.ox.ac.uk).摘要:近年来,为了更有效地管理分布式能源,出现了各种对等能源市场。这些模式面临的主要挑战之一是如何为参与者创造和分配激励。合作博弈理论提供了一种基于消费者对当地能源联盟的贡献(使用Shapley值)对消费者进行经济奖励的方法,但其高计算复杂性限制了博弈的规模。本文探讨了现有文献中提出的用于Shapley值估计的分层抽样方法,并对对等合作博弈的方法进行了改进,以提高其可扩展性。最后,选定的案例研究验证了提议的联合分层随机抽样方法的有效性,并展示了大型博弈的结果。关键词:P2P能源共享、合作博弈论、Shapley值、能源管理、能量存储。接受IFAC智能电网和可再生能源系统控制研讨会(CSGRES),2019年6月10日至12日,韩国济州。c 2019年IFAC。此手稿版本在CC-BY-NC-ND 4.0许可下提供:https://creativecommons.org/licenses/bync-nd/4.0/1.分布式能源(DER)的日益普及对配电网的运行提出了挑战。最近研究的一个最重要的主题是如何保持能源供应的可靠性,同时鼓励分布式可再生能源发电,这是一个高度可变和间歇的问题,见Skea et al.(2007)。
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2022-6-14 08:47:33
一些可再生能源发电量较高的网络采用了限功率,见Jacobsenand Schroder(2012)。然而,它将不效率引入了能源系统,并在财政上惩罚了可再生资源的所有者。在各种研究中也提出了对能源的集中控制,但他们往往忽视这样一个事实,即拥有分布式能源并积极控制其能源行为的消费者,即主动消费者,是需要激励来参与这种集中控制计划的独立实体,见Morstyn et al.(2018)。近年来,建立点对点(P2P)能源共享计划的想法在业界和学术界都得到了极大的关注,因为这被认为是一项关键的市场战略,以鼓励对DER进行高效的本地管理,见Parag和Sovacool(2016)。P2P共享方案的一个关键特征是它能够利用本地灵活性来消除生成的不确定性。局部灵活性通常采用储能的形式,其建模方式与其他类型的?这项工作部分得到了工程和物理科学研究理事会(EP/N03466X/1和P/S000887/1)的资助,部分得到了牛津马丁可再生能源整合计划的支持。灵活的需求,见Sajjad等人(2016)。本文提出了一个共同的假设,即向能源网络出口能源的价格低于进口价格,见Zhou等人(2018);因此,对于一个单一的消费者来说,当他们通过优化调度他们的ES来增加本地发电量时,灵活性的好处很容易反映在他们的能源账单中。在P2P市场中,通过将本地灵活性与所有参与者之间的可变生成相匹配,可以获得更多的共同利益。
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2022-6-14 08:47:36
然而,与此同时,如何以高效、公平的方式将收益分配给每个参与者成为一个挑战。最近的一些研究采用了博弈论来研究如何使用金融激励来影响消费者行为。动态定价加上非合作博弈论是最受欢迎的话题之一,见贾安通(2016),但它未能证明每个参与者都能获得一致的利益,见Han等人(2019)。合作博弈论被提出作为一种替代方法,并在Han等人(2018年)中表明,可以使用Shapley值来分配财务奖励,该值基于每个消费者对该联合方案的贡献。在合作博弈中,参与者的Shapley值是他们对所有参与者之间所有可能联盟的边际贡献的加权平均值,参见Shapley(1971)。对于一个N人游戏,有2个可能的联盟,这意味着当玩家数量增加时,Shapley值的计算变得很困难。在以前的一些文献中已经探讨了Shapley值的估计,抽样是主要的方法。一个例子是查普曼等人(2017)描述的合作方案,但该模型构建为一个简单的博弈,二元结果表示拥有电池的家庭联盟是否可以克服一个艰难的网络约束。该方案忽略了本地发电或ES单位所做的贡献,这些单位的规模不足以切换二进制结果。为了提高Han等人(2018)提出的P2P合作游戏的可扩展性,本文确定了arandom抽样方法作为估计Shapleyvalue的一种方法。该方法在Castro等人(2009)中提出,然后在Castro等人(2017)中进行了修改,在抽样中添加了分层步骤,提高了估计的准确性。
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2022-6-14 08:47:41
本文采用这种分层取样方法,进一步创建煤系地层,以在这一特定应用中获得更好的性能。所提出的抽样方法能够扩大P2P游戏的规模,然后我们能够分析不同的减毒率对消费者利益的影响。案例研究中显示了一些有趣的发现。2、P2P合作游戏在N人合作游戏中,大联盟被定义为所有N人的群体。大联盟的任何子集T:T N称为联盟。Han等人(2018)提出的P2P合作游戏的基本框架主要包括三个步骤。第1步是在所有联盟内合作管理DER,这要求对ES机组进行优化调度,以最小化联盟能源成本,见第2.1小节。第2步是量化形成每个联盟的价值,见第2.2小节。第3步是根据特定标准,将组建大联盟所节省的总能源成本分配给所有参与者,参见第2.3.2.1节联盟能源管理我们将每个消费者按i和大联盟按i进行索引∈ N:={1,2,…,N}。如果我们考虑时间间隔为的K个时间步(t=1,2,…,K)t、 一个联盟的总能源成本t可以写成ft(b)=KXt=1Xi∈Tnrimt[矿坑+钻头]++rext[矿坑+钻头]-其中,下标i和t分别是播放器和时间步的索引。已知输入为rimt、rext和pit,即电力进口价格(lb/kWh)、电力出口价格(lb/kWh)和无ES的净能耗(正)或发电量(负)(kWh)。
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2022-6-14 08:47:44
变量为b∈ RN×K:=位,我∈ [1,N],t型∈ 【1,K】:预充电(正)或放电(负)能量(kWh)。我们还定义了操作[z]+(-)= 最大值(最小值){z,0}。假设rimt>rext,t、 我们可以在联盟t内安排所有ES机组的运行,以最小化联盟能源成本G(t),即定义为asG(t)=minbFT(b)s.t.bi≤ 一点≤ bi,我∈ Tt型∈ [1,K](1)0≤ eiSoCi+kXt=1([位]+ηini+[位]-/ηouti)≤ 工程安装我∈ Tk∈ [1,K](2)KXt=1([位]+ηini+[位]-/ηouti)=0,我∈ T(3)0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0倍0.00.20.40.60.81.0功率(kW)0123456(a)玩家的负载消耗20246(b)玩家的PV净负载00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:001050510(c)总负载和ES运行不带ES非合作Coop00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:0010505050510(d)ES运行不带ES非合作CoopFig的总负载。16个生产负荷:(a)单个负荷消耗,(b)包括光伏发电在内的单个负荷,(c)大联盟负荷和非合作与合作ES运行方案,(d)非合作与合作ES运行的大联盟负荷。其中(1)、(2)和(3)分别表示ES功率约束、能量约束和循环约束。我们认为每个prosumer i的ES系统的能量容量(kWh)为ei≥ 0,bi的充电极限(kWh)≥ 0和bi的排放限值(kWh)≥ 时间跨度为0t、 ηini的充电效率∈ (0,1)和ηouti的放电效率∈ (0,1),以及SOCI的初始充电状态∈ [0, 1]. 对于没有ESsystem的消费者,我们将其能量容量和充电/放电限制都设置为零。图1展示了16 prosumer场景中协同ES操作的效果。
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