Informe de Discusión: Grid Singularity Implementación de Symbiotic Energy Markets

Artículo Discussion Paper: Grid Singularity’s Implementation of Symbiotic Energy Markets, escrito por el equipo de Grid Singularity: Fatuma Mohamed Ali, Colin Andrews, Andrea Bertolini, Aeron Buchanan, Christopher Dietrich, Sarah Hambridge, Ewald Hesse, Ana Trbovich y Spyros Tzavikas.. con comentarios de: Trent McConaghy y Tim Shittekatte.

(Traducido al Español by Guido, para la Comunidad de Habla Hispana).

La misión de Grid Singularity es construir un mercado energético sostenible, inclusivo y democrático que facilite los máximos grados de libertad para el individuo y las comunidades energéticas, permitiéndole consumir, intercambiar o compartir energía según sus preferencias de tipo de energía, fuente de ubicación, precio o socio comercial. You Are Energy!

You Are Energy (Grid Singularity)

Grid Singularity Exchange está construido como un open source GPL v.3 codebase con una interfaz interactiva para simular y operar mercados de energía interconectados y conscientes de la red. La implementación del diseño del mercado futuro, denominado Symbiotic Energy Markets (Mercados Energéticos Simbióticos), combina subastas de doble cara de múltiples atributos, representaciones gráficas de la red energética y el cálculo y la verificación descentralizados habilitados por blockchain. En el diseño de mercado centrado en el consumidor previsto, los mercados al contado, de futuros, de liquidación y de equilibrio se entrelazan mediante el uso de franjas horarias, lo que permite la fijación de precios impulsada por el mercado y una contabilidad precisa de la energía suministrada. Las personas pueden optimizar para sus propios objetivos de atributos múltiples (por ejemplo, fuente de energía verde, factura de energía reducida, socio comercial preferido) a través de grados de libertad en la subasta doble de atributos múltiples con precios dinámicos. La red se representa como un gráfico ponderado, que ofrece a los operadores de la red herramientas de gestión eficientes y permite a las comunidades energéticas interconectarse y comerciar. La complejidad del algoritmo de emparejamiento se desacopla de la verificación de transacciones, con el emparejamiento facilitado por proveedores de algoritmos de emparejamiento de terceros, denominados “mycos”, lo que permite que el propio intercambio opere en una blockchain. Los nuevos participantes del mercado de la energía son recompensados ​​por proporcionar servicios valiosos como datos y algoritmos, mientras que los roles de los participantes del mercado establecidos (agregadores, operadores de redes, servicios públicos y reguladores) convergen hacia el individuo y la comunidad.

GitHub - gridsingularity/gsy-e: Grid Singularity Energy Exchange

I. Introducción

Grid Singularity está implementando Symbiotic Energy Markets en etapas, agregando o adaptando módulos a su base de código para aprovechar los avances en la tecnología blockchain, aumentando el interés regulatorio para permitir mercados ascendentes y la proliferación de recursos energéticos conectados. Confiamos en la innovación de código abierto y la colaboración del ecosistema para desarrollar un intercambio de energía inclusivo, eficiente, responsable y seguro:

1. Inclusivo

• a todas las partes interesadas, proporcionando acceso sin barreras [1] para todos los actores del mercado (establecidos y nuevos), incluidos los individuos y sus comunidades, operadores de redes y servicios públicos, proveedores de algoritmos comerciales, agregadores/proveedores de servicios de gestión de energía, reguladores, así como energía diversa activos.
• a cualquier elección individual, lo que permite a los participantes intercambiar e interactuar con la energía en función de sus preferencias personales [1] en una amplia variedad de atributos.

2. Eficiente

• físicamente, el sistema representa con precisión la topología de la red y cumple sus requisitos de viabilidad [2], lo que garantiza el equilibrio entre la oferta y la demanda para gestionar la infraestructura crítica, incluidos los servicios de equilibrio.
• ambientalmente, priorizando el comercio local y las fuentes de energía sostenibles, y permite la transformación del mercado para cumplir con los UN Sustainable Development Goals de energía limpia y asequible y producción y consumo responsables.
• económicamente, buscando precios de mercado ventajosos [3], una alta tasa de autoconsumo, racionalidad individual [4], compatibilidad de incentivos y una gran cantidad de energía comercializada que genera una alta autosuficiencia y liquidez.

3. Responsable

• para la liquidación del uso de energía (consumo y generación) y la responsabilidad financiera, brindando confidencialidad de los datos personales y brindando transparencia [5] del proceso de subasta.
• para la auditoría de los registros de transacciones [6] por parte de los reguladores sin depender de un tercero de confianza y empujar a los consumidores a convertirse en actores más activos [7].

4. Escalable

• técnicamente, estructurado de forma modular y sin emparejamientos y sin arbitraje convirtiéndose en una carga computacional [8] para escenarios con muchos participantes.
• organizacionalmente, permitiendo la deliberación democrática y las decisiones sobre las actualizaciones del sistema.

5. Seguro

• para permitir la privacidad, preservando la confidencialidad de los datos personales [5] y autorizando su acceso [9] bajo demanda.
• contra actividades maliciosas, protegiendo la integridad del mercado al tiempo que mejora la seguridad de las comunicaciones [10] en la red.

La Sección II explora cómo los requisitos del mercado definidos se traducen en las siguientes capacidades funcionales:

A. participación de mercado validada y propiedad de activos.

B. grados de libertad (elección de fuente de energía, socio comercial, etc.) con licitaciones y ofertas de atributos múltiples.

C. emparejamiento y arbitraje por parte de proveedores de algoritmos de terceros que pueden ser completamente descentralizados.

D. un mecanismo de franjas horarias que permite el comercio al contado, de futuros, de liquidación (posterior a la entrega) y de equilibrio.

E. una representación de topología de cuadrícula precisa que tiene en cuenta las limitaciones físicas y es escalable.

F. tarifas de red dinámicas que permiten a los operadores de la red gestionar las limitaciones físicas de la red.

G. una implementación de blockchain para la verificación y almacenamiento de transacciones y la topología de cuadrícula en una red desplegada, con arquitectura de blockchain descentralizada para permitir la deliberación y decisiones sobre cambios en el sistema.

H. consideraciones de privacidad y seguridad para la protección de datos sensibles del usuario.

I. un mercado de datos y algoritmos para informar y optimizar la participación en el mercado.

J. arquitectura interoperable para integrar modelos de negocio nuevos y existentes, lo que lleva a una transformación de las funciones del mercado de la energía.

La Sección III describe el camino a seguir para el despliegue del concepto de Mercados de Energía Simbiótica.

II. Funcionalidad de Grid Singularity Exchange

A. Participación de Mercado Validada

Para ser inclusiva, la infraestructura del mercado de la energía debe facilitar la integración y la interoperabilidad sin obstáculos de muchos tipos de activos y participantes diferentes con varios niveles de tecnología, lo que implica estandarizar las interfaces y el proceso de registro.

Grid Singularity Canary Test Networks y los despliegues de mercado local de proof-of-concept se gestionan a través de la interacción de agregadores, que especifican los atributos y la ubicación de los activos en la red en función de las preferencias de los propietarios de activos, activando un mercado local operado por un intercambio centralizado.

En la implementación final del Grid Singularity Exchange, el comercio se facilitará a través de una integración blockchain para garantizar una gestión de transacciones transparente, verificable y completamente descentralizada (ver, por ejemplo, Michael J. Casey y Paul Vigna, The Truth Machine: The Blockchain and the Future of Everything [11]). Esta implementación integrará Energy Web Switchboard, una herramienta de código abierto para la gestión descentralizada de identidades y accesos diseñada por Energy Web Foundation, para verificar usuarios, activos y desarrolladores de aplicaciones. Los sistemas de gestión de la identidad permiten presentar declaraciones verificables a las partes verificadas [12]. Los participantes se verifican como individuos o grupos en un registro descentralizado. Cada activo puede tener un identificador descentralizado (DID) creado por el fabricante que se transfiere al propietario en el momento de la compra, lo que permite al participante comerciar en el mercado energético y realizar otras operaciones con un activo energético verificado. Las empresas de servicios públicos, los operadores de red, los agregadores y otros jugadores también se pueden validar a través de este mecanismo. En particular, esto está en marcado contraste con las implementaciones actuales de blockchain de comercio de energía entre pares, donde los participantes y el precio están predeterminados y el intercambio centralizado y operado por software de código cerrado.

B. Grados de Libertad

En el concepto de Mercados de Energía Simbiótica, las licitaciones y ofertas de energía incluyen un conjunto de atributos (por ejemplo, ID de activo único encriptado, ubicación de activo, tipo de energía producida, por ejemplo, energía solar o membresía en un club de energía) y diversos requisitos que reflejan preferencias comerciales, tales como como cantidad de energía, rango de precios, fuente de energía, distancia geográfica o socio comercial preferido.

Los investigadores han debatido a fondo las ofertas y ofertas de atributos múltiples (incluidos [1] y [13]) como mecanismos para capturar las preferencias comerciales de los participantes, y se ha validado la viabilidad técnica de las subastas dobles de atributos múltiples [14]. Las ofertas de varios atributos se combinan mejor mediante técnicas de coincidencia de varios criterios, por ejemplo: optimización multicriterio. Investigaciones anteriores han sugerido estrategias comerciales para los mercados de doble subasta de atributos múltiples [15], identificando la necesidad de que los agentes comerciales externos ofrezcan negociación algorítmica para los participantes del mercado interesados ​​en sí mismos debido al volumen y la complejidad de las decisiones [2], [16]. [2] también adjunta un conjunto de requisitos para especificar la energía, el precio y la franja horaria de los pedidos.

Figura 1. Grid Singularity Exchange: los datos fluyen de los activos de energía a través de agregadores y agentes comerciales a través de API para la coincidencia. Energy Web Switchboard se utilizará como un registro de activos descentralizado.

En el concepto de Mercado de Energía Simbiótica, los agentes inteligentes administrados por agregadores toman decisiones de negociación algorítmica en nombre de los participantes, traduciendo la información de activos de energía y las preferencias comerciales de los prosumidores en una función de requisitos. Las pujas y ofertas se envían a través de la Asset API existente de Grid Singularity, modificada para incluir atributos y requisitos para cada pedido enviado. Luego, cada mercado almacena la lista de ofertas atribuidas y ofertas en el libro de pedidos del intercambio para que se hagan coincidir. La figura 1 muestra el flujo de datos entre los diferentes actores y el intercambio de mercado en un mercado de energía simbiótico.

Figura 2. Un ejemplo de una oferta y una oferta con atributos y requisitos. La oferta presenta tres conjuntos de condiciones. Como la oferta cumple la segunda condición, los dos pedidos se igualan con éxito, en este caso por 0,8 kWh de energía fotovoltaica (FV) (a un precio entre 21 y 25 centavos según lo determinado por el algoritmo de coincidencia). Una función de verificación realiza esta verificación. La función acepta un par de oferta / oferta como entrada, devuelve un <Verdadero> (marca verde) si hay una coincidencia válida y devuelve un <Falso> (x roja) si no se cumplen los requisitos. Si la función devuelve <Verdadero>, se crea una operación. En una implementación centralizada a corto plazo, esta función de verificación está integrada en el código de intercambio. En una implementación de blockchain, se implementará como un módulo del protocolo de parachain.

La estructura de la función de requisitos, incluidos los múltiples conjuntos de condiciones y la especificación de un “max_energy” permite algunas propiedades interesantes.

• Las pujas y las ofertas se pueden emparejar de una a varias, lo que permite, por ejemplo: una sola oferta para atender múltiples ofertas en una misma operación, mejorando la liquidez en el mercado y reduciendo el número de llamadas al contrato de verificación.
• La definición de “max energy” y múltiples conjuntos de condiciones permite que las licitaciones y ofertas especifiquen una combinación de energía, por ejemplo: 30% PV, 30% de un socio comercial preferido y 40% energía gris.

Si el par no fuera una coincidencia válida para cualquier conjunto de condiciones, tanto la puja como la oferta permanecerían activas en el mercado hasta que se encuentre una nueva coincidencia válida, o sean anuladas por el propietario de la puja o expiren. Si la energía solicitada en una licitación u oferta solo se casa y se liquida parcialmente, la energía residual disponible en la orden se presentará como una nueva licitación u oferta en el mercado. Permitir el emparejamiento parcial aumenta la liquidez en el mercado.

El proceso de verificación tiene un costo computacional, proporcional a la complejidad de las funciones de licitación y requisitos de la oferta. Los agregadores incurrirán en este costo en forma de tarifas, lo que fomenta la reducción de la complejidad para mantener la eficiencia.

C. Emparejamiento y Arbitraje

Las subastas de atributos múltiples requieren algoritmos de compensación más avanzados que las subastas de atributos únicos (por ejemplo, mercado de valores). Investigaciones anteriores, como [2], proponen un enfoque de programación lineal con intervalos de compensación para satisfacer los requisitos de precio-energía-tiempo de múltiples atributos. Sin embargo, en una implementación de blockchain, el costo computacional haría inviable este enfoque a escala. Se ha demostrado que esto se resuelve haciendo que los trabajadores off-chain (potencialmente no confiables) ejecuten algoritmos de coincidencia que requieran el uso de entornos de ejecución confiables (enclaves) [5] o una verificación en la cadena que determina si el algoritmo de coincidencia se ejecutó correctamente [2]. Ambos concluyen, sin embargo, que se requerirían varios trabajadores fuera de la cadena para verificar la validez de la solución frente a un algoritmo de coincidencia y una técnica de arbitraje acordados.

De manera similar, proponemos desacoplar el proceso de emparejamiento del intercambio, pero eliminamos la necesidad de trabajadores fuera de la cadena redundantes, y en su lugar recurrimos a proveedores de algoritmos de emparejamiento de terceros (denominados “mycos”), que interactúan con Grid Singularity Exchange a través de una API de emparejamiento. El término myco se acuña trazando analogías con la energía de las mycorrhisal networks; redes subterráneas de hongos que conectan plantas individuales para compartir nutrientes, creando una relación simbiótica dentro del ecosistema forestal. En las redes de micorrizas, los árboles establecidos y más viejos actúan como centros, suministrando continuamente carbono y nutrientes a la red de hongos. Los árboles más jóvenes obtienen acceso al exceso de oferta, lo que ayuda a sus etapas iniciales de crecimiento [17].

Mycos lee ofertas y ofertas activas a través de la API Matching y envía coincidencias para su validación. Dado que la función de verificación del intercambio solo debe verificar la validez de cada coincidencia en lugar del resultado de un algoritmo de coincidencia específico, ya no es necesario un algoritmo de coincidencia acordado, una técnica de arbitraje o un cálculo de trabajo redundante fuera de la cadena. Siempre que se satisfagan las funciones de requisito de licitación y oferta y se paguen las tarifas de la red, se crea una transacción.

Para especificar los términos de una oferta y una oferta coincidentes, las técnicas de arbitraje comunes incluyen tomar el límite o el discriminante de precio como punto de comparación [5], [18], pero cualquier precio dentro del rango válido podría ser parte de una solución óptima [14]. Esto permite que mycos emplee cualquier algoritmo de compensación existente basado en el precio (por ejemplo: Pay-as-Bid, Pay-as-Clear, Pay-as-Offer) o cree su propio algoritmo de compensación novedoso (por ejemplo, técnicas de aprendizaje por refuerzo) para la atributo doble subasta. El algoritmo de emparejamiento podría introducir períodos de compensación en lugar de un emparejamiento continuo para imitar los algoritmos de compensación del mercado de energía establecidos (por ejemplo, Pay-as-Clear). La Figura 3 a continuación muestra la forma en que mycos interactúa con el mercado energético local.

Figura 3. Diagrama de flujo del papel de mycos (proveedores de algoritmos de coincidencia de terceros) en Grid Singularity Exchange.

Si la función de verificación valida la coincidencia propuesta de un myco, se crea una transacción y el myco recibe su recompensa. Si la coincidencia se considera inválida, myco debe pagar el costo computacional de verificar la transacción. Por lo tanto, el myco debe depositar una garantía que podría reducirse si la función de verificación determina un comportamiento fraudulento o ineficiente. La recompensa podría incluir tarifas de transacción o la acuñación de tokens, calculadas en función de la complejidad de la coincidencia, la cantidad igualada u otro objetivo en línea con el objetivo del mercado (probablemente multicriterio).

En la primera iteración del Grid Singularity Exchange, un solo myco estará a cargo de emparejar instancias aisladas o grupos de mercados energéticos locales. Grid Singularity ofrecerá un conjunto de mycos que emplean mecanismos de concordancia estándar (incluido el pago por puja) modificados para tener en cuenta las pujas y ofertas de atributos múltiples. Si una comunidad implementada desea emplear un algoritmo de coincidencia específico o asociarse con un proveedor de coincidencia específico, los mycos externos se verificarán mediante un procedimiento de registro estandarizado que incluye la publicación de una cantidad de tokens como garantía para posibles transacciones no válidas. A largo plazo, el proceso de registro probablemente será reemplazado por un algoritmo de consenso en cadena, posiblemente permitiendo que muchos mycos colaboren/compitan para hacer combinaciones eficientes entre comunidades energéticas interconectadas, aunque se debe evitar la computación redundante innecesaria.

D. Franjas horarias: mercados al contado, de futuros, de liquidación y de equilibrio

• Mercados al Contado y de Futuros:
  La energía se comercializa en kilovatios hora (kWh), una medida de potencia multiplicada por el tiempo. Los mercados al contado de energía establecidos suelen incluir un mecanismo de subasta de Pay-as-Bid o Pay-as-Clear en el que la energía se comercializa en ventanas de tiempo de 15, 30 o 60 minutos, como el mercado al contado de EPEX [19]. El concepto de Symbiotic Energy Market incluye el intervalo de 15 minutos como una restricción, aunque esto podría eliminarse más adelante para ofertas continuas y ofertas de energía en cualquier intervalo. Muchos conceptos del mercado energético local intercambian energía con 15 minutos de anticipación para una entrega inmediata, pero la estructura del mercado debe adaptarse a diferentes horizontes de tiempo para tener en cuenta, por ejemplo, Negociación intradía y diaria [16]. Un mercado de futuros permite negociar la energía con anticipación, lo que aumenta la previsibilidad del consumo de energía para los participantes y los operadores de la red. [2] permite que se presenten ofertas y ofertas para el intervalo de tiempo inmediato o espacios futuros mediante la integración de una ventana de 15 minutos como requisito para cada pedido enviado, creando un mercado de futuros junto con el mercado al contado. Dado que esta previsibilidad es valiosa para la gestión de la infraestructura de la red, los precios de la energía (y las tarifas de la red) también pueden ser más favorables para los participantes en un mercado de futuros.

Figura 4. Los mercados al contado, de futuros y de liquidación permiten la negociación centrada en el suministro de energía.

De manera similar, en los Symbiotic Energy Markets, las licitaciones y ofertas pueden presentarse con cualquier intervalo de tiempo de 15 minutos (pasado, presente, futuro) como parte de su función de requisitos, como se muestra en la figura 4. Mycos que brinde servicios de coincidencia consideraría el intervalo de tiempo seleccionado en su algoritmo de coincidencia, coinciden solo ofertas y ofertas válidas para el mismo intervalo de 15 minutos (figura 5). Por lo tanto, el intervalo de validez de una oferta se puede establecer con un avance arbitrario (es decir, con horas o días de anticipación), creando un mercado de futuros junto con el mercado al contado.

Figura 5. Las licitaciones y ofertas deben seleccionar una franja horaria como requisito, especificando durante qué tiempo se debe entregar la energía solicitada o suministrada.

También podría ser posible enviar ofertas en bloque u ofertas en bloque, haciendo una oferta u ofreciendo una cantidad constante de energía por cada intervalo de 15 minutos durante un período de tiempo específico (por ejemplo, ofrezca 1 kWh cada 15 minutos de 13:00 a 17:15). Las ofertas en bloque son actualmente populares en las subastas diarias, pero requieren algoritmos de coincidencia un poco más intrincados para igualar y borrar.

• Mercado de Liquidación

El comercio al contado y de futuros requiere predicciones del uso de energía tanto a nivel de activos como de red, que a menudo se asocian con altos errores de predicción [20], [21]. Por lo tanto, aunque un mecanismo de equilibrio debería abordar los desequilibrios energéticos a nivel físico, es posible que los intercambios financieros aún no se resuelvan, lo que provocaría un desajuste entre el suministro físico de energía y la contabilidad del mercado. Algunos enfoques de mercado crean pedidos y coincidencias en función del uso de energía de la ranura de los últimos 15 minutos (posterior a la entrega, leído por medidores inteligentes) para resolver este problema [5]. Otros permiten que el operador de la red establezca precios [2] o imponga sanciones [22] por cualquier desviación. Los Países Bajos han implementado una hora de cierre de la puerta final un día después de la entrega, lo que permite que las partes responsables del saldo negocien los desequilibrios en tiempo real [23]. El concepto de mercados de energía simbiótica permite un comercio posterior a la entrega similar por parte de todos los participantes del mercado.

Las desviaciones entre la energía producida/consumida físicamente y la energía comprada en el mercado al contado o de futuros se pueden negociar después de la entrega mediante la presentación de un intervalo de tiempo en el pasado como requisito adjunto a una oferta u oferta, creando un mercado de liquidación (figura 6). Mycos puede hacer coincidir estas pujas y ofertas con su algoritmo de coincidencia típico. Esto permite que las desviaciones locales se equilibren sin penalización (por ejemplo, un panel solar local que produce en exceso iguala su desviación a una carga local que se consume en exceso), y el resto se llena a una tasa de mercado (probablemente una prima) por activos individuales, grupos de equilibrio o operadores de red que proporcionaron servicios de equilibrado durante la entrega. Puede introducirse un límite específico para representar el intervalo de tiempo en el que se puede realizar la negociación posterior a la entrega.

Figura 6. Las desviaciones de energía (diferencia entre la energía comprada y la entregada) se pueden negociar en el mercado de liquidación en lugar de pagar una penalización al operador de la red, lo que reduce la contabilidad ineficiente. El operador de la red aún puede penalizar cualquier desviación restante.

• Intervalos de Compensación

Eisele y otros [2] especifican un tiempo de compensación en el que las operaciones deben finalizar antes de la entrega, y establecen una fecha límite para la presentación, eliminación o alteración de ofertas y ofertas. En los mercados de energía simbiótica, el emparejamiento se desacopla de la publicación de ofertas y ofertas, y las transacciones se compensan continuamente (en lotes o bloques) a medida que se envían para verificación. Esto elimina la necesidad de borrar intervalos. Las pujas y las ofertas pueden enviarse, eliminarse o modificarse en cualquier momento, siempre que no se estén verificando activamente o ya se hayan verificado como coincidentes. Si la regulación o un diseño de mercado específico requiere establecer intervalos de compensación, myco podría programarse para ejecutar el algoritmo de coincidencia en puntos codificados en el tiempo.

• Equilibrio del Mercado

Los mercados energéticos locales ofrecen un incentivo para que los participantes con activos flexibles, como el almacenamiento de energía, actúen como proveedores de equilibrio locales, equilibrando la oferta y la demanda durante la entrega de energía en tiempo real cuando hay desviaciones inesperadas entre la oferta y la demanda, que podrían culminar en un blackout [24],[16]. Una batería, por ejemplo, podría ser recompensada por reservar una parte de su energía para equilibrar la energía y descargarla si los paneles solares cercanos tienen una producción insuficiente de forma temporal e inesperada. En los mercados de electricidad actuales, la provisión de flexibilidad de los recursos energéticos distribuidos se ha visto limitada por las condiciones de entrada al mercado existentes, por ejemplo, tamaños mínimos de oferta, duración de los contratos, tiempo de entrega de adquisiciones y reglas de precios. Muchos de ellos se deben a barreras técnicas, como el tamaño de las ofertas pequeñas que generan un gran número de ofertas que pueden sobrecargar el sistema de contabilidad existente. Estas barreras se pueden superar con la coordinación automatizada descentralizada de los procesos de licitación, cotejo y entrega, cumplida por los mecanismos descentralizados propuestos por Symbiotic Energy Markets.

En los mercados financieros, las opciones de compra y venta otorgan al comprador el derecho, pero no la obligación, de vender o comprar algunas acciones dentro de un período de tiempo acordado [25]. Los mercados de energía simbiótica permiten a los operadores de sistemas de transmisión y distribución, las partes responsables de equilibrar (BRP) o cualquier otro participante comprar la promesa de servicios de equilibrado, extendiendo el concepto de opciones al comercio de energía de flexibilidad por el lado de la demanda o por el lado de la oferta. Las opciones se pueden crear de la misma manera que las ofertas y las ofertas se publican, mycos las iguala y se validan con una función de verificación. Los activos flexibles que no brinden los servicios de equilibrio prometidos pueden ser penalizados en el mercado de liquidación, por ejemplo, si un vehículo eléctrico se desconecta inesperadamente de la red debido a los requisitos de movilidad personal de su propietario. Para dichos activos, podría requerirse una garantía monetaria al presentar una oferta en el mercado de balance.

El concepto de opciones existe como pedidos para equilibrar la capacidad en el diseño actual del mercado europeo de la energía [26], aunque solo permite a los participantes del mercado con grandes cantidades de energía (el tamaño mínimo del pedido suele ser ~1 MW) o centrales eléctricas virtuales (VPP, agregaciones de muchos activos más pequeños) para participar. Los componentes de tal orden para equilibrar la capacidad se pueden adaptar para el caso de uso descentralizado propuesto aquí, visualizado en la figura 7:

1. Tipo de opción: demanda (consumo) o oferta (producción).
2. Potencia: potencia mínima y máxima requerida por el proveedor de equilibrado.
3. Ubicación: grupo de equilibrio o ubicación física
4. Precio/kWh: el precio acordado de la energía entregada y la prima de la opción.
5. Entrega: períodos de tiempo que especifican el perfil de entrega de energía.
6. Período de validez: el período de tiempo que el comprador de la opción tiene para ejercer la opción.
7. Modo de activación: automático o activado manualmente.

Figura 7. Requisitos de configuración de una opción de mercado de equilibrado para que los operadores de sistemas de transmisión y otras partes adquieran servicios de equilibrado. La opción es igualada por mycos y validada por la función de verificación de Grid Singularity Exchange.

Los componentes exactos seleccionados para su uso en cada mercado energético local pueden variar según la geografía (topología de la red y las condiciones meteorológicas) y la regulación. Los componentes sugeridos aquí permiten una mayor flexibilidad que los productos estándar existentes para equilibrar la capacidad, con la intención de aprovechar al máximo los versátiles controles de equilibrio de los recursos energéticos distribuidos. La especificación de los parámetros de entrega permite establecer opciones de balanceo para diferentes marcos de tiempo relevantes para cumplir con los diferentes tipos de requisitos de balanceo y capacidades de activos, desde la activación automática hasta 30 segundos (FCR) hasta RR (activación semiautomática o manual activada con>Retraso de 15 minutos).

La opción podría incluir un requisito de control en el ‘modo de activación’, de modo que el activo produzca o consuma automáticamente la cantidad acordada de energía, de acuerdo con estándares como el IEEE 2030.5–2018 Standard for Smart Energy Profile Application Protocol y compatible con el servicios de empresas como Kitu Systems. Los activos también podrían delegar el control a otra entidad, una función disponible en Energy Web Switchboard, que los operadores del sistema pueden requerir para algunas operaciones. Una opción podría comprarse en el mercado de futuros y ejercerse (total o parcialmente) en cualquier momento entre la compra y la entrega de energía, o no ejercerse en absoluto si no es necesario, incentivando la provisión de flexibilidad por recursos energéticos distribuidos. El incentivo financiero de la opción probablemente se cotizará a una tasa superior a la del mercado por la misma cantidad de energía.

E. Representación de Topología de Grid

Consideramos la topología de Grid porque su desprecio daría lugar a una plataforma de mercado sin objetivos específicos y no se priorizaría el comercio local [16]. La red eléctrica se ha modelado utilizando elementos de la teoría de grafos y la teoría de redes complejas [27][28], que se asemejan a gráficos sin escala, donde algunos nodos están altamente conectados, constituyendo los centros de grandes grupos agrupados de nodos aislados, resistiendo fallo o ataque de un nodo individual [29], es decir, formando microrredes independientes y autosuficientes.

En una representación gráfica de grid, las subestaciones se especifican como nodos y las líneas eléctricas se dibujan como bordes [27]. Los mercados de energía simbiótica amplían este concepto, representando la topología de la red como un gráfico en el que cada nodo representa un mercado (por ejemplo, subestación, comunidad, casa). Cada nodo podría tener un peso, lo que permitiría aplicar tarifas de red a nivel nodal. Los bordes representan líneas de transmisión y podrían ser ponderados por una capacidad de transmisión o una tarifa de red para intercambiar energía a través de esa línea. Esta representación gráfica permite a las comunidades beneficiarse del comercio con otras microrredes cercanas [22] al tiempo que captura las limitaciones físicas de la red. La representación gráfica de la topología de la cuadrícula se puede representar en el intercambio como una lista de adyacencia [31] (Figura 8).

Figura 8. Izquierda: representación de la red de Gird como un gráfico. Los nodos aquí representan transformadores o puntos de interconexión donde es más probable que se ubiquen los mercados (círculos azules) y los activos energéticos (diamantes violetas). Los pesos se pueden asignar a los nodos para reflejar las tarifas de la red nodal simétrica, o a los bordes para representar el costo de operar a través de una línea específica. Derecha: representación de la lista de adyacencia del mismo gráfico utilizado para almacenar en cadena.

Esta representación de grid no sería estrictamente jerárquica como en la plataforma Grid Singularity actual, pero permitiría que los bucles en la topología de grid se representaran con precisión. Los activos individuales o grupos de activos pueden enviar ofertas y ofertas etiquetadas en su mercado local y mycos puede igualar pedidos entre mercados. Esto elimina la necesidad de que las licitaciones y las ofertas se propaguen a los mercados conectados para que se igualen, lo que resuelve un problema de escala.

El myco responsable del emparejamiento puede desarrollar algoritmos que rastrean la red para hacer coincidir las ofertas y las ofertas en los mercados para encontrar coincidencias óptimas [32]. La función de verificación del intercambio verifica la coincidencia propuesta y las tarifas de la red asociadas. Se incentivaría el algoritmo de coincidencia más eficiente para igualar la energía localmente y minimizar las tarifas de la red, reduciendo el costo computacional y aumentando la cantidad total de energía combinada y la eficiencia general del sistema.

F. Tarifas Dinámicas de Grid

Grid Singularity Exchange tiene como objetivo contabilizar digitalmente el intercambio físico de energía que se produce en la red, que es independiente de las preferencias comerciales individuales y tiene limitaciones físicas. La frecuencia y el voltaje de la red, las pérdidas de la línea de la red y otras métricas deben equilibrarse. Las facturas de energía de los clientes residenciales suelen incluir la energía consumida y una tarifa de red para cubrir el funcionamiento de la red [33], es decir, equilibrar las discrepancias entre la energía contabilizada y el flujo de energía física. Para abordar las limitaciones de la red, [22] sugiere que los operadores de distribución podrían modificar o cancelar directamente los pedidos, mientras que [2] aplica limitaciones físicas de seguridad (por ejemplo, límites de consumo o producción) al mecanismo de compensación.

Las tarifas de la red pagadas por los consumidores han sido tradicionalmente estáticas, dominadas por tarifas planas diseñadas para cubrir los costos medios a largo plazo de las empresas de servicios públicos [34]. En cambio, las tarifas dinámicas de la red son un mecanismo de fijación de precios flexible que captura el costo real variable del suministro de electricidad a lo largo del día y maximizaría el bienestar social al tiempo que satisface las limitaciones físicas de la red eléctrica, incluidos los equilibrios de energía [35]. A este respecto, [33] propuso una tarifa de red para clientes residenciales que refleje más el coste de la red en función de la potencia (kW) en lugar de la energía (kWh). Si la franja horaria del mercado es lo suficientemente corta (por ejemplo, 15 minutos) y la energía no varía enormemente dentro de ese período de tiempo, la tarifa de la red se puede aplicar a la transacción de energía como un costo en euros por kWh (precio basado en la energía). Aunque los precios basados ​​en la potencia pico (euros por kW) podrían moderar los picos grandes, una vez que un usuario alcanza su punto máximo en un intervalo de tiempo, se le incentiva a mantener su pico alto. Los precios basados ​​en la energía incentivan el poder del usuario para mantenerse moderado durante todo el período de tiempo. Las inversiones a largo plazo en infraestructura de red también deben incluirse en las tarifas dinámicas de la red.

En este concepto de mercado, la infraestructura de la red está representada por un gráfico. Se podría aplicar una tarifa de red simétrica a cada nodo, lo que permitiría al operador de la red internalizar las pérdidas y la congestión de la red en el mecanismo de tarifa de la red [37](figura 9). Si la tarifa de la red es positiva, el comprador paga la tarifa de la red al operador de la red además de los ingresos que se pagan al vendedor. En el caso de tarifas de red negativas, el comprador paga la energía con un descuento y el operador de la red paga el cargo con descuento al vendedor. Estas tarifas permiten que se pague al operador de la red en función del uso de la línea e incentivan a los comerciantes a reducir la congestión de la red, lo que, en efecto, reduce sus costos de equilibrio.

También podría ser posible ponderar los bordes del gráfico con tarifas de cuadrícula aplicadas a las operaciones a lo largo de esa línea, donde la tarifa de tarifa de cuadrícula depende del lugar de entrega [36]. El precio de la tarifa de la red puede ser decidido por los operadores de la red en función del estado de la red, y se puede utilizar para equilibrar la oferta y la demanda e incentivar un comportamiento predecible que respalde el funcionamiento saludable de la red (por ejemplo, tarifas de red más bajas en el mercado de futuros que mercado al contado). También existe la oportunidad de precios algorítmicos, como los creadores de mercado automatizados que se hicieron populares en las finanzas descentralizadas (DeFi), para ayudar a determinar los precios de las tarifas de la red en función de las señales del mercado. Wang et al [38] demostrar que los gráficos pueden depender del tiempo, con tarifas de cuadrícula aplicadas en los nodos y/o bordes para implementar cualquier mecanismo dinámico de precios.

Figura 9. Dependencia del tiempo y dependencia del espacio de las tarifas de la red nodal. Las letras W, X, Y, Z representan las tarifas de la red para sus respectivos nodos en dos pasos de tiempo posteriores.

Los operadores de red pueden establecer dinámicamente tarifas de red de forma algorítmica para cada mercado utilizando la Grid Singularity Grid Operator API. Se puede fomentar la negociación en el mercado de futuros estableciendo tarifas de la red en función del tiempo y la cantidad de energía programada, lo que induce un comportamiento de uso de energía más predecible. Los operadores de red también pueden ajustar las tarifas de la red durante un período de mercado activo sin afectar las transacciones completadas (ver figura 10).

Figura 10. Las tarifas de la red se pueden cambiar de forma reactiva al volumen, por ejemplo.. una asíntota con volumen y tarifa de cuadrícula infinita, que recompensa a los participantes por operar cuando el precio es más bajo.

G. Arquitectura Blockchain Descentralizada

Las arquitecturas de blockchain permiten a los participantes del mercado publicar licitaciones y ofertas y ser emparejados en cadena con verificaciones de smart contracts[16], [18]. La futura implementación de la blockchain de Grid Singularity incorporará la autenticación de identidad de Energy Web Switchboard (como se describe anteriormente) para verificar a los participantes y usar los datos para la liquidación, mientras que es probable que su intercambio se establezca como una parachain en una red basada en Substrate (por ejemplo, Polkadot Network). En particular, ni Polkadot ni Energy Web Chain se basan en un mecanismo de validación de proof-of-work y, por lo tanto, no abusan de la electricidad.

Polkadot Network

Substrate enables developers to quickly and easily build future-proof blockchains optimized for any…

Energy Web Foundation Has a Fix for Blockchain's Biggest Problem

Las parachains envían una representación del estado de las transacciones para ser validadas por una Relay Chain que coordina e interconecta muchas parachains, reforzando la seguridad de la red. Una parachain tiene su propia función de transición entre estados, definida por la configuración de los módulos que componen el protocolo de la red. Las transacciones y los datos cruciales para definir el estado de la red deben almacenarse en cadena y estar disponibles para su uso con el propósito de consenso. Ocasionalmente, el estado se puede finalizar agregando datos y transacciones; Los bloques creados antes de la finalización no necesitan ser referenciados nuevamente por los validadores para operar la cadena (ver la sección sobre The Path of a Parachain Block), lo que reduce la carga al almacenamiento en cadena, particularmente valioso para un alto rendimiento de energía. intercambios.

The Path of a Parachain Block by Joe Petrowski

La parachain puede almacenar información limitada requerida sobre la configuración del mercado (por ejemplo, la longitud de la ranura del mercado, la estructura de tarifas) como parte del almacenamiento en cadena habilitado por Substrate. Los operadores de red envían cambios a las tarifas de la red o la topología de la red a través de la API del operador de red, mientras que los participantes del mercado publican ofertas y ofertas de energía firmadas previamente a través de la API de activos, etiquetadas con su mercado local vinculado a la topología de red relevante y condicionado según los requisitos establecidos (por ejemplo, precio, fuente de energía). Estas señales de administración de la red y las ofertas y ofertas activas se transmitirán a la red de manera similar a cómo las transacciones firmadas se transmiten a la red Ethereum, Polkadot o Kusama en la actualidad, y se agregan en un libro de pedidos y una representación de la topología de la cuadrícula que se mantendrá de forma apagada. Solución de almacenamiento en cadena como IPFS con acceso autorizado.

IPFS Powers the Distributed Web

Symbiotic Energy Markets modelará mycos (proveedores de algoritmos de coincidencia de terceros) como trabajadores fuera de la cadena que ejecutan algoritmos de coincidencia fuera de la cadena, luego envían pares de ofertas para que se comparen a través de la Grid Singularity Matching API recientemente desarrollada con acceso autorizado. Esto es similar en concepto a las propuestas de [3] o [5], pero sin requerir un entorno de ejecución confiable (TEE) o un algoritmo de coincidencia previamente acordado. Sin embargo, si una comunidad energética local o un regulador prefiere un algoritmo de coincidencia específico, un myco podría ejecutar opcionalmente el algoritmo seleccionado en SubstrateTEE. En cambio, las coincidencias se validan a través de un módulo de función de verificación en cadena agregado al protocolo base de parachain que verifica si se cumplen las ofertas y los requisitos (por ejemplo, precio, franja horaria, fuente de energía).

Trusted Execution Environments and the Polkadot Ecosystem

Mycos, que trabaja off-chain, tiene incentivos para igualar y optimizar de manera eficiente la energía comercializada para maximizar su recompensa, mientras que cualquier efecto de red negativo o actividad maliciosa se penaliza mediante recortes colaterales. El concepto de comparadores fuera de la cadena se ha implementado, por ejemplo, en el mecanismo “Solvers” de Gnosis Protocol V2, implementado en Cowswap.

GitHub - gnosis/cowswap: 🐮 CowSwap: First Gnosis Protocol v2 UI

La función de verificación se implementará como un módulo del protocolo de parachain, tomando como entrada una lista de ofertas propuestas y coincidencias de ofertas del myco, y validando que se cumplan los requisitos de cada oferta y oferta. Las coincidencias válidas se crean como transacciones en un bloque en la cadena de bloques, mientras que las coincidencias no válidas se eliminan. Los validadores de red (el mejor mecanismo de consenso disponible que se determinará en el momento de la implementación para maximizar la seguridad y la privacidad) son responsables de ejecutar el código de verificación del módulo y autorizar los bloques. Los costos de la red se distribuyen de acuerdo con la lógica de la red a mycos, agregadores, compradores y vendedores. Como se señaló anteriormente, los validadores y mycos pueden reducirse por cualquier actividad maliciosa potencial, como verificaciones o coincidencias no válidas. Las transacciones financieras también se pueden integrar para automatizar los pagos.

Figura 11. Flujo de información entre el agregador, Grid Singularity Exchange y el proveedor de algoritmos de coincidencia (que se obtendrá a través de Data y Algorithm Marketplace). Es probable que se utilice IPFS o RDBMS para el almacenamiento off-chain del libro de pedidos. Los algoritmos de coincidencia se ejecutarán fuera de la cadena o en una instancia de SubstraTEE. Grid Singularity Exchange funcionará como una paleta en una parachain basada en Substrate u otra red que brinde la mejor seguridad y privacidad combinada con la eficiencia de ejecución.

En implementaciones de microrredes individuales con activos limitados, una sola parachain puede ser suficiente para todas las interacciones de la red. Con una red escalada de muchas microrredes interconectadas y niveles de voltaje variados, la cantidad de transacciones puede requerir múltiples parachains o parathreads con métricas localizadas que se comunican e interactúan, posiblemente integrando soluciones de layer 2. Teniendo en cuenta el rápido ritmo de desarrollo de las soluciones de escalado, la elección final se hará en función de la mejor tecnología disponible en el momento de la implementación.

Es importante destacar que, a medida que Grid Singularity Exchange pasa a un modo de gobernanza totalmente descentralizado, también se beneficiará de la funcionalidad blockchain para introducir actualizaciones del sistema para optimizar aún más los mercados energéticos locales.

Parathreads · Polkadot Wiki

Polkadot Governance

H. Privacidad y Seguridad

Los datos energéticos individuales deben permanecer en el anonimato para proteger el sistema y sus participantes. [2] por ejemplo, propone cómo se podría organizar la facturación sin que los prosumidores revelen nada más que el monto facturado. Los prosumidores podrían usar cuentas anónimas cuando publiquen ofertas, pero como [5] enfatizó, aún revelarían su perfil de uso, que son datos personales [5] y otros investigadores han presentado conceptos alternativos que brindan confidencialidad de los datos personales al mismo tiempo que brindan transparencia en el proceso de subasta, que Grid Singularity considerará e integrará en el desarrollo del intercambio.

I. Mercado de Datos y Algoritmos

El análisis de los datos de la red y del mercado puede proporcionar información valiosa:

• datos y señales históricos, predicciones de uso de energía y análisis de redes.
• algoritmos de negociación o emparejamiento para agregadores y mycos, supervisión de la gestión de la red y estrategias de tarifas de la red.
• optimizaciones de la red o de la comunidad utilizando datos históricos en simulaciones
• representaciones creativas de interacciones energéticas entre participantes utilizadas en actividades sociales o artísticas; y/o.
• procesamiento de datos para auditoría regulatoria.

La creación de este mercado generará un modelo de negocio para grupos que puedan realizar análisis de datos y suministrar datos. También permitirá a los prosumidores, las comunidades energéticas y los investigadores de la plataforma Grid Singularity comprar conjuntos de datos y servicios para mejorar sus resultados de simulación desde la prueba de concepto hasta la implementación. Grid Singularity está desarrollando una instancia de energía específica de un mercado de Ocean Protocol, asociándose con empresas innovadoras de tecnología de datos como Rebase para fomentar un ecosistema colaborativo de proveedores de datos y algoritmos.

Tools for the Web3 Data Economy

Grid Singularity and Rebase Energy Awarded 2021 AI4Cities Grant

J. Transformación de las Funciones del Mercado de la Energía

Los modelos comerciales nuevos o adaptados crecerán y madurarán rápidamente con la introducción de mercados energéticos locales impulsados por intercambios como Grid Singularity, lo que permitirá que diversos participantes sean recompensados por contribuciones de valor agregado al mercado:

• Prosumidores

Articulo. 15.2.b del EU Clean Energy Package ahora da derecho a la venta de electricidad autogenerada [39]. Sin embargo, en muchos casos hoy en día, el exceso de entrada de energía inyectada a la red por los activos de los prosumidores recibe una tarifa de alimentación o no recibe ninguna compensación financiera. Los mercados de energía locales permiten que el exceso de generación o energía almacenada se venda a vecinos u otras partes conectadas a la red a un precio de mercado. Los consumidores puros también se benefician de la reducción de los precios de la energía o de los beneficios socioeconómicos, como una mayor autosuficiencia comunitaria. Los prosumidores, como propietarios de activos flexibles, pueden proporcionar servicios de equilibrio y también pueden estar dispuestos a vender sus datos energéticos personales para utilizarlos en el desarrollo de algoritmos o en la investigación.

The EU clean energy package

• Agregadores

Los agregadores pueden cobrar a los prosumidores en función de la cantidad de energía negociada, una tarifa de suscripción que incluye servicios auxiliares (como proporcionar una aplicación para monitorear el uso y el intercambio de uso de energía) y/o ventas adicionales de hardware u otros servicios. Las tarifas de verificación y comparación de intercambio, así como las tarifas de la red, pueden ser absorbidas en el cargo final. Los agregadores también proporcionarían el servicio de incorporación de comunidades a los intercambios, incluida la provisión de medidores inteligentes, acuerdos de datos y el registro de activos en el intercambio.

• Operadores de Intercambio y Validadores de Red

En la operación centralizada, se cobraría una pequeña tarifa de intercambio por cada transacción, que se pagaría a los responsables de operar la plataforma de software de intercambio. En una implementación descentralizada, un modelo de negocio basado en tokens podría recompensar la validación de las transacciones de red en función de la configuración de los protocolos de red. Los tokenomics se desarrollará en función de los avances en la infraestructura de la cadena de bloques, incluidas las opciones de gobernanza.

• Mycos (proveedores de algoritmos de coincidencia de terceros)

Mycos será recompensado por las coincidencias que propongan que se validen como transacciones. Se agregará una pequeña tarifa de igualación a cada oferta y oferta, que puede ser establecida por la red o decidida por cada oferta y demanda, similar a las tarifas de gas en muchas redes blockchain. El myco también publicaría una garantía, en caso de que se reduzca una tarifa por coincidencias no válidas.

• Proveedores de Datos y Algoritmos

Los proveedores de datos y algoritmos pueden recibir una tarifa de suscripción, una tarifa única o una tarifa cada vez que se accede a los datos o al algoritmo, según el tipo de oferta.

• Operadores de Red

Los operadores de la red podrían establecer dinámicamente las tarifas de la red para administrar mejor la red. Los gobiernos locales también pueden recaudar los impuestos pertinentes. Todos los pagos pueden automatizarse a través de blockchain u otras modalidades.

• Utilidades

Las empresas de servicios públicos pueden perder parte de los ingresos a causa de las microrredes, pero también pueden ofrecer servicios de equilibrio y auxiliares. También pueden beneficiarse de la eficiencia del intercambio, probablemente proporcionando ofertas con grandes cantidades de energía para actuar como un organismo de equilibrio a nivel de la comunidad. También podrían asumir el rol de agregador.

III. Camino Delante

Si bien este documento especifica el modelo del mercado de energía simbiótica, su implementación será modular y progresiva, teniendo en cuenta la regulación, la comunidad o los estándares y preferencias del operador de la red en un proceso de desarrollo de cuatro etapas:

1. Desacople el emparejamiento de la validación de transacciones y habilite un espectro de opciones de energía (grados de libertad).
2. Integrar un mercado de futuros y liquidación.
3. Integre un mercado equilibrado que incluya opciones de oferta y demanda y gestión directa de activos energéticos.
4. Promulgue una topología de red orgánica y precisa y mecanismos de gestión de red dinámicos.

El concepto de Symbiotic Energy Markets es de naturaleza colaborativa, lo que invita a la discusión, así como a una mayor investigación y desarrollo, particularmente en las siguientes áreas:

• Modelos de negocio y funciones de recompensa para participantes del mercado y proveedores de servicios.
• Selección y operación a largo plazo de mycos, especialmente en grandes redes multinodales.
• Análisis de la eficiencia del mercado a través de indicadores clave de rendimiento (KPI) comunitarios e individuales, como se describe en [40].
• Alineación y sincronicidad de los componentes modulares del intercambio, p. Ej. capacidad de anular ofertas u ofertas activas.
• Maximizando la privacidad y seguridad del intercambio.
• Diseño de algoritmos para emparejar, verificar, intercambiar y gestionar la red.
• Mecanismos adicionales para que los operadores de la red recompensen la optimización distribuida de la red física.

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Discussion Paper: Grid Singularity’s Implementation of Symbiotic Energy Markets