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Peer-to-peer energy trading strategies for decentralized residential energy systems
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Abstract(s)
This work investigates peer-to-peer (P2P) energy trading within residential local energy markets (LEMs) assessing how decentralized bilateral matching mechanisms can increase renewable self-consumption, reduce reliance on the upstream grid, and affect distributional and network outcomes. Two bilateral matching strategies are formalized and implemented: a time-varying Supply–Demand Matching strategy (ST1), which privileges temporal complementarity between surplus and deficit, and a time-invariant Distance-Based Matching strategy (ST2), which privileges geographically proximate trades to reduce distribution losses. Both strategies are embedded in a decentralized market-clearing framework solved via the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) and implemented in Python using CVXPY with the SCS solver. Experiments are conducted on a synthetic community of ten households derived from real household generation and load data, including photovoltaic and wind profiles.
Simulation results show that both ST1 and ST2 materially decrease community grid imports and overall procurement costs compared with the baseline, while producing distinct trade-offs. ST1 attains higher adaptability to temporal variability and delivers greater economic savings and improved renewable utilization in scenarios with pronounced intermittency, at the expense of increased computational and coordination complexity and less stable pairing patterns. ST2 yields more stable, locality-constrained exchanges that tend to reduce distribution losses and operational complexity, though with reduced responsiveness to dynamic supply–demand fluctuations. Sensitivity analyses (varying grid tariffs and local generation capacity) indicate that the relative benefits of P2P trading are amplified under higher grid prices and greater local renewable penetration. The findings provide empirical guidance for the design of scalable, equitable, and technically robust P2P mechanisms and inform policy and DSO considerations for integrating local markets into existing distribution systems.
Este trabalho investiga o comércio de energia ponto a ponto (P2P) nos mercados locais de energia residencial, avaliando como os mecanismos de correspondência bilateral descentralizados podem aumentar o autoconsumo renovável, reduzir a dependência da rede e afetar os resultados distributivos da rede. Duas estratégias de correspondência bilateral são formalizadas e implementadas: uma estratégia de correspondência de oferta e procura variável no tempo (ST1), que privilegia a complementaridade temporal entre excedentes e déficits, e uma estratégia de correspondência baseada na distância invariante no tempo (ST2), que privilegia transações geograficamente próximas para reduzir as perdas de distribuição. Ambas as estratégias estão incorporadas numa estrutura descentralizada de compensação de mercado resolvida através do Método de Direção Alternada de Multiplicadores (ADMM) e implementada em Python usando CVXPY com o solucionador SCS. As simulações são realizadas numa comunidade sintética de dez famílias derivadas de dados reais de produção e carga doméstica, incluindo perfis fotovoltaicos e eólicos. Os resultados da simulação mostram que tanto o ST1 quanto o ST2 reduzem significativamente as importações da rede comunitária e os custos gerais de aquisição em comparação com a linha de base, ao mesmo tempo em que produzem compensações distintas. O ST1 alcança maior adaptabilidade à variabilidade temporal e proporciona maiores poupanças e melhor utilização de energias renováveis em cenários com intermitência pronunciada, em detrimento de uma maior complexidade computacional e de coordenação e padrões de emparelhamento menos estáveis. O ST2 produz trocas mais estáveis e limitadas pela proximidade, que tendem a reduzir as perdas de distribuição e a complexidade operacional, embora com menor capacidade de resposta às flutuações dinâmicas da oferta e da procura. Análises de sensibilidade (variando tarifas da rede e capacidade de produção local) indicam que os benefícios relativos do comércio P2P são amplificados sob preços mais altos da rede e maior penetração local de energias renováveis. As conclusões fornecem orientação empírica para a conceção de mecanismos P2P escaláveis, equitativos e tecnicamente robustos e informam considerações políticas e de DSO para integrar mercados locais em sistemas de distribuição existentes.
Este trabalho investiga o comércio de energia ponto a ponto (P2P) nos mercados locais de energia residencial, avaliando como os mecanismos de correspondência bilateral descentralizados podem aumentar o autoconsumo renovável, reduzir a dependência da rede e afetar os resultados distributivos da rede. Duas estratégias de correspondência bilateral são formalizadas e implementadas: uma estratégia de correspondência de oferta e procura variável no tempo (ST1), que privilegia a complementaridade temporal entre excedentes e déficits, e uma estratégia de correspondência baseada na distância invariante no tempo (ST2), que privilegia transações geograficamente próximas para reduzir as perdas de distribuição. Ambas as estratégias estão incorporadas numa estrutura descentralizada de compensação de mercado resolvida através do Método de Direção Alternada de Multiplicadores (ADMM) e implementada em Python usando CVXPY com o solucionador SCS. As simulações são realizadas numa comunidade sintética de dez famílias derivadas de dados reais de produção e carga doméstica, incluindo perfis fotovoltaicos e eólicos. Os resultados da simulação mostram que tanto o ST1 quanto o ST2 reduzem significativamente as importações da rede comunitária e os custos gerais de aquisição em comparação com a linha de base, ao mesmo tempo em que produzem compensações distintas. O ST1 alcança maior adaptabilidade à variabilidade temporal e proporciona maiores poupanças e melhor utilização de energias renováveis em cenários com intermitência pronunciada, em detrimento de uma maior complexidade computacional e de coordenação e padrões de emparelhamento menos estáveis. O ST2 produz trocas mais estáveis e limitadas pela proximidade, que tendem a reduzir as perdas de distribuição e a complexidade operacional, embora com menor capacidade de resposta às flutuações dinâmicas da oferta e da procura. Análises de sensibilidade (variando tarifas da rede e capacidade de produção local) indicam que os benefícios relativos do comércio P2P são amplificados sob preços mais altos da rede e maior penetração local de energias renováveis. As conclusões fornecem orientação empírica para a conceção de mecanismos P2P escaláveis, equitativos e tecnicamente robustos e informam considerações políticas e de DSO para integrar mercados locais em sistemas de distribuição existentes.
Description
Keywords
Peer-to-peer energy trading Local energy markets Decentralized systems Renewable energy Community energy Energy equity