Optimal methodology for distribution systems reconfiguration based on OPF and solved by decomposition technique

This paper presents a new and efficient methodology for distribution network reconfiguration integrated with optimal power flow (OPF) based on a Benders decomposition approach. The objective minimizes power losses, balancing load among feeders and subject to constraints: capacity limit of branches, minimum and maximum power limits of substations or distributed generators, minimum deviation of bus voltages and radial optimal operation of networks. The Generalized Benders decomposition algorithm is applied to solve the problem. The formulation can be embedded under two stages; the first one is the Master problem and is formulated as a mixed integer non-linear programming problem. This stage determines the radial topology of the distribution network. The second stage is the Slave problem and is formulated as a non-linear programming problem. This stage is used to determine the feasibility of the Master problem solution by means of an OPF and provides information to formulate the linear Benders cuts that connect both problems. The model is programmed in GAMS. The effectiveness of the proposal is demonstrated through two examples extracted from the literature

Characterization, design and re-optimization on multi-layer optical networks

L'augment de volum de tràfic IP provocat per l'increment de serveis multimèdia com HDTV o vídeo conferència planteja nous reptes als operadors de xarxa per tal de proveir transmissió de dades eficient. Tot i que les xarxes mallades amb multiplexació per divisió de longitud d'ona (DWDM) suporten connexions òptiques de gran velocitat, aquestes xarxes manquen de flexibilitat per suportar tràfic d’inferior granularitat, fet que provoca un pobre ús d'ample de banda. Per fer front al transport d'aquest tràfic heterogeni, les xarxes multicapa representen la millor solució. Les xarxes òptiques multicapa permeten optimitzar la capacitat mitjançant l'empaquetament de connexions de baixa velocitat dins de connexions òptiques de gran velocitat. Durant aquesta operació, es crea i modifica constantment una topologia virtual dinàmica gràcies al pla de control responsable d’aquestes operacions. Donada aquesta dinamicitat, un ús sub-òptim de recursos pot existir a la xarxa en un moment donat. En aquest context, una re-optimizació periòdica dels recursos utilitzats pot ser aplicada, millorant així l'ús de recursos. Aquesta tesi està dedicada a la caracterització, planificació, i re-optimització de xarxes òptiques multicapa de nova generació des d’un punt de vista unificat incloent optimització als nivells de capa física, capa òptica, capa virtual i pla de control. Concretament s'han desenvolupat models estadístics i de programació matemàtica i meta-heurístiques. Aquest objectiu principal s'ha assolit mitjançant cinc objectius concrets cobrint diversos temes oberts de recerca. En primer lloc, proposem una metodologia estadística per millorar el càlcul del factor Q en problemes d'assignació de ruta i longitud d'ona considerant interaccions físiques (IA-RWA). Amb aquest objectiu, proposem dos models estadístics per computar l'efecte XPM (el coll d'ampolla en termes de computació i complexitat) per problemes IA-RWA, demostrant la precisió d’ambdós models en el càlcul del factor Q en escenaris reals de tràfic. En segon lloc i fixant-nos a la capa òptica, presentem un nou particionament del conjunt de longituds d'ona que permet maximitzar, respecte el cas habitual, la quantitat de tràfic extra proveït en entorns de protecció compartida. Concretament, definim diversos models estadístics per estimar la quantitat de tràfic donat un grau de servei objectiu, i diferents models de planificació de xarxa amb l'objectiu de maximitzar els ingressos previstos i el valor actual net de la xarxa. Després de resoldre aquests problemes per xarxes reals, concloem que la nostra proposta maximitza ambdós objectius. En tercer lloc, afrontem el disseny de xarxes multicapa robustes davant de fallida simple a la capa IP/MPLS i als enllaços de fibra. Per resoldre aquest problema eficientment, proposem un enfocament basat en sobre-dimensionar l'equipament de la capa IP/MPLS i recuperar la connectivitat i el comparem amb la solució convencional basada en duplicar la capa IP/MPLS. Després de comparar solucions mitjançant models ILP i heurístiques, concloem que la nostra solució permet obtenir un estalvi significatiu en termes de costos de desplegament. Com a quart objectiu, introduïm un mecanisme adaptatiu per reduir l'ús de ports opto-electrònics (O/E) en xarxes multicapa sota escenaris de tràfic dinàmic. Una formulació ILP i diverses heurístiques són desenvolupades per resoldre aquest problema, que permet reduir significativament l’ús de ports O/E en temps molt curts. Finalment, adrecem el problema de disseny resilient del pla de control GMPLS. Després de proposar un nou model analític per quantificar la resiliència en topologies mallades de pla de control, usem aquest model per proposar un problema de disseny de pla de control. Proposem un procediment iteratiu lineal i una heurística i els usem per resoldre instàncies reals, arribant a la conclusió que es pot reduir significativament la quantitat d'enllaços del pla de control sense afectar la qualitat de servei a la xarxa.The explosion of IP traffic due to the increase of IP-based multimedia services such as HDTV or video conferencing poses new challenges to network operators to provide a cost-effective data transmission. Although Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) meshed transport networks support high-speed optical connections, these networks lack the flexibility to support sub-wavelength traffic leading to poor bandwidth usage. To cope with the transport of that huge and heterogeneous amount of traffic, multilayer networks represent the most accepted architectural solution. Multilayer optical networks allow optimizing network capacity by means of packing several low-speed traffic streams into higher-speed optical connections (lightpaths). During this operation, a dynamic virtual topology is created and modified the whole time thanks to a control plane responsible for the establishment, maintenance, and release of connections. Because of this dynamicity, a suboptimal allocation of resources may exist at any time. In this context, a periodically resource reallocation could be deployed in the network, thus improving network resource utilization. This thesis is devoted to the characterization, planning, and re-optimization of next-generation multilayer networks from an integral perspective including physical layer, optical layer, virtual layer, and control plane optimization. To this aim, statistical models, mathematical programming models and meta-heuristics are developed. More specifically, this main objective has been attained by developing five goals covering different open issues. First, we provide a statistical methodology to improve the computation of the Q-factor for impairment-aware routing and wavelength assignment problems (IA-RWA). To this aim we propose two statistical models to compute the Cross-Phase Modulation variance (which represents the bottleneck in terms of computation time and complexity) in off-line and on-line IA-RWA problems, proving the accuracy of both models when computing Q-factor values in real traffic scenarios. Second and moving to the optical layer, we present a new wavelength partitioning scheme that allows maximizing the amount of extra traffic provided in shared path protected environments compared with current solutions. Specifically, we define several statistical models to estimate the traffic intensity given a target grade of service, and different network planning problems for maximizing the expected revenues and net present value. After solving these problems for real networks, we conclude that our proposed scheme maximizes both revenues and NPV. Third, we tackle the design of survivable multilayer networks against single failures at the IP/MPLS layer and WSON links. To efficiently solve this problem, we propose a new approach based on over-dimensioning IP/MPLS devices and lightpath connectivity and recovery and we compare it against the conventional solution based on duplicating backbone IP/MPLS nodes. After evaluating both approaches by means of ILP models and heuristic algorithms, we conclude that our proposed approach leads to significant CAPEX savings. Fourth, we introduce an adaptive mechanism to reduce the usage of opto-electronic (O/E) ports of IP/MPLS-over-WSON multilayer networks in dynamic scenarios. A ILP formulation and several heuristics are developed to solve this problem, which allows significantly reducing the usage of O/E ports in very short running times. Finally, we address the design of resilient control plane topologies in GMPLS-enabled transport networks. After proposing a novel analytical model to quantify the resilience in mesh control plane topologies, we use this model to propose a problem to design the control plane topology. An iterative model and a heuristic are proposed and used to solve real instances, concluding that a significant reduction in the number of control plane links can be performed without affecting the quality of service of the network

Cross-layer modeling and optimization of next-generation internet networks

Scaling traditional telecommunication networks so that they are able to cope with the volume of future traffic demands and the stringent European Commission (EC) regulations on emissions would entail unaffordable investments. For this very reason, the design of an innovative ultra-high bandwidth power-efficient network architecture is nowadays a bold topic within the research community. So far, the independent evolution of network layers has resulted in isolated, and hence, far-from-optimal contributions, which have eventually led to the issues today's networks are facing such as inefficient energy strategy, limited network scalability and flexibility, reduced network manageability and increased overall network and customer services costs. Consequently, there is currently large consensus among network operators and the research community that cross-layer interaction and coordination is fundamental for the proper architectural design of next-generation Internet networks. This thesis actively contributes to the this goal by addressing the modeling, optimization and performance analysis of a set of potential technologies to be deployed in future cross-layer network architectures. By applying a transversal design approach (i.e., joint consideration of several network layers), we aim for achieving the maximization of the integration of the different network layers involved in each specific problem. To this end, Part I provides a comprehensive evaluation of optical transport networks (OTNs) based on layer 2 (L2) sub-wavelength switching (SWS) technologies, also taking into consideration the impact of physical layer impairments (PLIs) (L0 phenomena). Indeed, the recent and relevant advances in optical technologies have dramatically increased the impact that PLIs have on the optical signal quality, particularly in the context of SWS networks. Then, in Part II of the thesis, we present a set of case studies where it is shown that the application of operations research (OR) methodologies in the desing/planning stage of future cross-layer Internet network architectures leads to the successful joint optimization of key network performance indicators (KPIs) such as cost (i.e., CAPEX/OPEX), resources usage and energy consumption. OR can definitely play an important role by allowing network designers/architects to obtain good near-optimal solutions to real-sized problems within practical running times

Domain-independent local search for linear integer optimization

Integer and combinatorial optimization problems constitute a major challenge for algorithmics. They arise when a large number of discrete organizational decisions have to be made, subject to constraints and optimization criteria. This thesis describes and investigates new domain-independent local search strategies for linear integer optimization. We introduce WSAT(OIP), an integer local search method which operates on an algebraic problem representation. WSAT(OIP) generalizes Walksat, a successful local search procedure for propositional satisfiability (SAT), to more expressive constraint systems. For this purpose, we introduce over-constrained integer programs (OIPs), a constraint class which is closely related to integer programs. OIP allows for a natural generalization of the principles of SAT local search to integer optimization. Further, it will be shown that OIPs are a special case of integer linear programs and permit combinations with linear programming for bound computation, initialization by rounding, search space reduction, and feasibility testing. The representation is similar enough to integer programs to make use of existing algebraic modeling languages as front-end to a local search solver. To improve performance on realistic problems, WSAT(OIP) incorporates strategies from Tabu Search. We experimentally investigate WSAT(OIP) for a variety of realistic integer optimization problems from the domains of time tabling, sports scheduling, radar surveillance, course assignment, and capacitated production planning. The experimental design examines efficiency, scaling (with increasing problem size and constrainedness), and robustness. The results demonstrate that integer local search can outperform or compete with state-of-the-art integer programming (IP) branch-and-bound and constraint programming (CP) approaches to these problems in finding near-optimal solutions. Key findings of our empirical study include that integer local search is able to solve difficult constraint problems from time-tabling and sports scheduling when cast into a 0-1 representation, which are beyond the scope of IP branch-and-bound strategies and for which devising robust constraint programs is a non-trivial task. For several realistic optimization problems (0-1 integer and finite domain) we show that integer local search exhibits graceful runtime scaling with increasing problem size and constrainedness. It can therefore significantly outperform IP branch-and-bound strategies on large or tightly constrained problems in finding near-optimal solutions. The problems under consideration are mostly beyond the limitations of a previous general-purpose simulated annealing strategy for 0-1 integer programs.Ganzzahlige und kombinatorische Optimierungsprobleme stellen eine schwierige Herausforderung im Gebiet der Algorithmen dar. Sie treten auf, wenn eine große Anzahl diskreter organisatorischer Entscheidungen unter Berücksichtigung von Constraints und Optimierungskriterien zu treffen sind. Diese Arbeit beschreibt und untersucht neue, domänenunabhängige Strategien der lokalen Suche zur ganzzahligen linearen Optimierung. Wir beschreiben WSAT(OIP), eine Strategie "ganzzahliger lokaler Suche\u27;, die auf einer algebraischen Problemrepräsentation operiert. WSAT(OIP) verallgemeinert Walksat, eine erfolgreiche Prozedur lokaler Suche für das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT), auf ausdrucksstärkere Constraint-Systeme. Für diesen Zweck führen wir die Klasse der "Over-constrained Integer Programs\u27;(OIPs) ein, eine Constraint-Klasse, die eng mit ganzzahligen Programmen verwandt ist. OIPs erlauben einerseits eine natürliche Verallgemeinerung der Prinzipien von lokaler Suche für SAT. Andererseits sind sie ein Spezialfall der ganzzahligen linearen Programme und ermöglichen die Kombination mit linearer Programmierung zur Berechnung von Schranken, Initialisierung durch Rundung, Suchraum-Reduktion und für Gültigkeits-Tests. OIPs sind ganzzahligen Programmen ähnlich, so daß existierende algebraische Modellierungssprachen als Eingabeschnittstelle für einen Problemlöser benutzt werden können, der auf lokaler Suche basiert. Um die Performanz auf realistischen Problemen zu verbessern, ist WSAT(OIP) mit Strategien der Tabu-Suche ausgestattet. Wir führen eine experimentelle Untersuchung von WSAT(OIP) auf einer Reihe von realistischen ganzzahligen Constraint- und Optimierungsproblemen durch. Die Probleme stammen aus den Domänen Zeitplan-Erstellung, Sport-Ablaufplanung, Radar- Überwachung, Kurs-Zuteilung und Produktions-Planung. Das experimentelle Design untersucht Effizienz, Skalierung mit zunehmender Problemgröße und stärkeren Constraints sowie Robustheit. Die Ergebnisse zeigen, daß ganzzahlige lokale Suche bezüglich Performanz auf diesen Problemklassen zeitgemäße Ansätze der ganzzahligen Programmierung und der Constraint-Programmierung beim Finden nahe-optimaler Lösungen schlägt oder mit ihnen konkurriert. Kernergebnisse der empirischen Untersuchung sind, daß ganzzahlige lokale Suche in der Lage ist, schwierige Constraint-Probleme der Zeitplan-Erstellung und Sport-Ablaufplanung in einer 0-1 Repräsentation zu lösen, die außerhalb der Grenzen der ganzzahligen linearen Programmierung liegen, und für die die Entwicklung eines robustes Constraint-Programms eine nicht-triviale Aufgabe darstellt. Für mehrere realistische Optimierungsprobleme (ganzzahlig 0-1 und endliche Bereiche)zeigen wir, daß ganzzahlige lokale Suche eine günstige Skalierung der Laufzeit mit zunehmender Problemgröße und Constrainedness aufweist. Dadurch zeigt das Verfahren auf großen Problemen und auf Problemen mit starken Constraints deutlich bessere Performanz für das Finden nahe-Lösungen als die Branch-and-Bound Strategie der ganzzahligen Programmierung. Die untersuchten Probleme liegen zumeist außerhalb der Grenzen einer existierenden Simulated Annealing Strategie für allgemeine lineare 0-1 Programme

Domain-independent local search for linear integer optimization

Integer and combinatorial optimization problems constitute a major challenge for algorithmics. They arise when a large number of discrete organizational decisions have to be made, subject to constraints and optimization criteria. This thesis describes and investigates new domain-independent local search strategies for linear integer optimization. We introduce WSAT(OIP), an integer local search method which operates on an algebraic problem representation. WSAT(OIP) generalizes Walksat, a successful local search procedure for propositional satisfiability (SAT), to more expressive constraint systems. For this purpose, we introduce over-constrained integer programs (OIPs), a constraint class which is closely related to integer programs. OIP allows for a natural generalization of the principles of SAT local search to integer optimization. Further, it will be shown that OIPs are a special case of integer linear programs and permit combinations with linear programming for bound computation, initialization by rounding, search space reduction, and feasibility testing. The representation is similar enough to integer programs to make use of existing algebraic modeling languages as front-end to a local search solver. To improve performance on realistic problems, WSAT(OIP) incorporates strategies from Tabu Search. We experimentally investigate WSAT(OIP) for a variety of realistic integer optimization problems from the domains of time tabling, sports scheduling, radar surveillance, course assignment, and capacitated production planning. The experimental design examines efficiency, scaling (with increasing problem size and constrainedness), and robustness. The results demonstrate that integer local search can outperform or compete with state-of-the-art integer programming (IP) branch-and-bound and constraint programming (CP) approaches to these problems in finding near-optimal solutions. Key findings of our empirical study include that integer local search is able to solve difficult constraint problems from time-tabling and sports scheduling when cast into a 0-1 representation, which are beyond the scope of IP branch-and-bound strategies and for which devising robust constraint programs is a non-trivial task. For several realistic optimization problems (0-1 integer and finite domain) we show that integer local search exhibits graceful runtime scaling with increasing problem size and constrainedness. It can therefore significantly outperform IP branch-and-bound strategies on large or tightly constrained problems in finding near-optimal solutions. The problems under consideration are mostly beyond the limitations of a previous general-purpose simulated annealing strategy for 0-1 integer programs.Ganzzahlige und kombinatorische Optimierungsprobleme stellen eine schwierige Herausforderung im Gebiet der Algorithmen dar. Sie treten auf, wenn eine große Anzahl diskreter organisatorischer Entscheidungen unter Berücksichtigung von Constraints und Optimierungskriterien zu treffen sind. Diese Arbeit beschreibt und untersucht neue, domänenunabhängige Strategien der lokalen Suche zur ganzzahligen linearen Optimierung. Wir beschreiben WSAT(OIP), eine Strategie "ganzzahliger lokaler Suche';, die auf einer algebraischen Problemrepräsentation operiert. WSAT(OIP) verallgemeinert Walksat, eine erfolgreiche Prozedur lokaler Suche für das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT), auf ausdrucksstärkere Constraint-Systeme. Für diesen Zweck führen wir die Klasse der "Over-constrained Integer Programs';(OIPs) ein, eine Constraint-Klasse, die eng mit ganzzahligen Programmen verwandt ist. OIPs erlauben einerseits eine natürliche Verallgemeinerung der Prinzipien von lokaler Suche für SAT. Andererseits sind sie ein Spezialfall der ganzzahligen linearen Programme und ermöglichen die Kombination mit linearer Programmierung zur Berechnung von Schranken, Initialisierung durch Rundung, Suchraum-Reduktion und für Gültigkeits-Tests. OIPs sind ganzzahligen Programmen ähnlich, so daß existierende algebraische Modellierungssprachen als Eingabeschnittstelle für einen Problemlöser benutzt werden können, der auf lokaler Suche basiert. Um die Performanz auf realistischen Problemen zu verbessern, ist WSAT(OIP) mit Strategien der Tabu-Suche ausgestattet. Wir führen eine experimentelle Untersuchung von WSAT(OIP) auf einer Reihe von realistischen ganzzahligen Constraint- und Optimierungsproblemen durch. Die Probleme stammen aus den Domänen Zeitplan-Erstellung, Sport-Ablaufplanung, Radar- Überwachung, Kurs-Zuteilung und Produktions-Planung. Das experimentelle Design untersucht Effizienz, Skalierung mit zunehmender Problemgröße und stärkeren Constraints sowie Robustheit. Die Ergebnisse zeigen, daß ganzzahlige lokale Suche bezüglich Performanz auf diesen Problemklassen zeitgemäße Ansätze der ganzzahligen Programmierung und der Constraint-Programmierung beim Finden nahe-optimaler Lösungen schlägt oder mit ihnen konkurriert. Kernergebnisse der empirischen Untersuchung sind, daß ganzzahlige lokale Suche in der Lage ist, schwierige Constraint-Probleme der Zeitplan-Erstellung und Sport-Ablaufplanung in einer 0-1 Repräsentation zu lösen, die außerhalb der Grenzen der ganzzahligen linearen Programmierung liegen, und für die die Entwicklung eines robustes Constraint-Programms eine nicht-triviale Aufgabe darstellt. Für mehrere realistische Optimierungsprobleme (ganzzahlig 0-1 und endliche Bereiche)zeigen wir, daß ganzzahlige lokale Suche eine günstige Skalierung der Laufzeit mit zunehmender Problemgröße und Constrainedness aufweist. Dadurch zeigt das Verfahren auf großen Problemen und auf Problemen mit starken Constraints deutlich bessere Performanz für das Finden nahe-Lösungen als die Branch-and-Bound Strategie der ganzzahligen Programmierung. Die untersuchten Probleme liegen zumeist außerhalb der Grenzen einer existierenden Simulated Annealing Strategie für allgemeine lineare 0-1 Programme