Mechanism design for demand response programs with social incentives implemented via multiagent systems

Abstract

Abstract: Most demand management approaches with non-mandatory policies assume full users' cooperation, which may not be the case given users' beliefs, needs and preferences. The present project proposes a multiagent system approach, in which users are characterized by their preferences in regard to electric energy consumption, their flexibility to change these preferences, and by the subjective valuation given to the electric energy. Preferences may be unique for each electric device, and subjective valuation is assumed much higher than electricity cost, in order to capture properly the behavior of domestic users reported in the literature, which is known to be highly inelastic and inflexible. Using this model, the demand management potential is assessed with a mechanism implementation that involves financial and social incentives that aim to modify electricity consumption during a certain period. Financial incentives are expressed as a compensation given to those users whom act according to the demand management signal generated by the planner for a specific consumption period. In order to be effective, these incentives must guarantee to the user a higher profit than the one obtained when following her preferences. Due to this fact financial incentives are useful in exceptional cases only. Social incentives, on the other hand, require a lower investment non-electricity related that may represent a higher subjective benefit for some users, who will decide to collaborate to the proposed demand response program because the gained profit of the complimentary proposal that accompanies the demand response program. For instance, a feasible incentive could be the destination of some amount of resources for natural reserves funding and reforestation, with the quantity being proportional to the electricity consumption changes for required periods. In this case, users concerned about the environment will be willing to collaborate as they will perceive a higher benefit, even if it is not a monetary income or bill reduction, thus, they will shift their preferences. The choice of whether accepting or not a specific demand response program and users' subjective valuation given to the energy usage are modeled using opinion dynamics, where users form a social network in which the opinion evolution due to users' influence is calculated until the system reaches a stable state. Energy valuation of each user is weighted by her opinion, such that the final choice of enrollment in a management program depends on a probability given by the user's opinion. In a general case, the model allows to estimate the effectiveness of a certain social incentives program, once its initial acceptance within the population is known.

Resumen La mayor parte de los trabajos desarrollados sobre gestión de la demanda asumen cooperación total por parte de los usuarios, lo cual puede no ser el caso dadas las creencias, necesidades y preferencias de las personas que utilizan la energía eléctrica. El presente proyecto propone una aproximación mediante el modelado de los consumidores utilizando un sistema multiagente, en el que los usuarios se caracterizan por sus preferencias de consumo, que pueden ser distintas para cada dispositivo eléctrico, por su flexibilidad para cambiar estas preferencias y por la valoración subjetiva dada a la energía eléctrica utilizada, que se asume mucho más alta que el costo de la energía, para representar apropiadamente el comportamiento inelástico e inflexible que ha sido reportado en la literatura para usuarios residenciales. Con base en este modelo se evalúan las posibilidades de gestión de demanda utilizando un mecanismo que incluye incentivos financieros o sociales para modificar el consumo durante un periodo determinado. Los incentivos financieros se plantean como una compensación dada a los usuarios que responden a la señal de gestión difundida para un periodo de consumo específico. Para que sean efectivos, estos deben superar el beneficio obtenido por el usuario al seguir sus preferencias de consumo, lo cual hace que tengan poca practicidad excepto en casos excepcionales. Los incentivos sociales se basan en una inversión más baja no relacionada con el sistema eléctrico, pero que puede representar un beneficio subjetivo mayor para algunos usuarios, que deciden aceptar el programa de gestión de demanda propuesto porque ven un mayor beneficio en la propuesta complementaria que acompaña al programa. Por ejemplo, un posible incentivo podría ser destinar recursos para la conservación y reforestación de una reserva natural, condicionada a que los usuarios modifiquen sus consumos de energía eléctrica en momentos específicos. En este caso, los usuarios preocupados por el medio ambiente estarán dispuestos a colaborar dado que ven una mayor ganancia, aunque no perciban un ingreso directo, y modifican sus preferencias. La decisión de acogerse o no a determinado programa de DR y la valoración subjetiva de la energía se modelan utilizando dinámicas de opinión, en las que los usuarios conforman una red y se calcula la evolución de las opiniones debida a la influencia entre usuarios, hasta que el sistema alcanza un estado estable. La valoración de la energía de cada usuario se pondera por su opinión, de tal manera que la decisión de acogerse a un programa de gestión depende de una probabilidad dada por la opinión de cada usuario. Para un caso general, el modelo permite estimar la efectividad de un programa de incentivos sociales específico, una vez conocida su aceptación inicial en la población.