Distribution network design and optimization

The objective of this thesis is to examine distribution network designs and modeling practices and create a framework to identify best possible distribution network structure for the case company. The main research question therefore is: How to optimize case company’s distribution network in terms of customer needs and costs? Theory chapters introduce the basic building blocks of the distribution network design and needed calculation methods and models. Framework for the distribution network projects was created based on the theory and the case study was carried out by following the defined framework. Distribution network calculations were based on the company’s sales plan for the years 2014 - 2020. Main conclusions and recommendations were that the new Asian business strategy requires high investments in logistics and the first step is to open new satellite DC in China as soon as possible to support sales and second possible step is to open regional DC in Asia within 2 - 4 years.

Power distribution network design aided by an expert system

The next couple of years will see the need for replacement of a large amount of life-expired switchgear on the UK 11 kV distribution system. Latest technology and alternative equipment have made the choice of replacement a complex task. The authors present an expert system as an aid to the decision process for the design of the 11 kV power distribution network.

Multi-Objective Pipe Smoothing Genetic Algorithm For Water Distribution Network Design

This paper describes the formulation of a Multi-objective Pipe Smoothing Genetic Algorithm (MOPSGA) and its application to the least cost water distribution network design problem. Evolutionary Algorithms have been widely utilised for the optimisation of both theoretical and real-world non-linear optimisation problems, including water system design and maintenance problems. In this work we present a pipe smoothing based approach to the creation and mutation of chromosomes which utilises engineering expertise with the view to increasing the performance of the algorithm whilst promoting engineering feasibility within the population of solutions. MOPSGA is based upon the standard Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) and incorporates a modified population initialiser and mutation operator which directly targets elements of a network with the aim to increase network smoothness (in terms of progression from one diameter to the next) using network element awareness and an elementary heuristic. The pipe smoothing heuristic used in this algorithm is based upon a fundamental principle employed by water system engineers when designing water distribution pipe networks where the diameter of any pipe is never greater than the sum of the diameters of the pipes directly upstream resulting in the transition from large to small diameters from source to the extremities of the network. MOPSGA is assessed on a number of water distribution network benchmarks from the literature including some real-world based, large scale systems. The performance of MOPSGA is directly compared to that of NSGA-II with regard to solution quality, engineering feasibility (network smoothness) and computational efficiency. MOPSGA is shown to promote both engineering and hydraulic feasibility whilst attaining good infrastructure costs compared to NSGA-II.

Combining analytic hierarchy process and goal programming for logistics distribution network design

Logistics distribution network design is one of the major decision problems arising in contemporary supply chain management. The decision involves many quantitative and qualitative factors that may be conflicting in nature. This paper applies an integrated multiple criteria decision making approach to design an optimal distribution network. In the approach, the analytic hierarchy process (AHP) is used first to determine the relative importance weightings or priorities of alternative warehouses with respect to both deliverer oriented and customer oriented criteria. Then, the goal programming (GP) model incorporating the constraints of system, resource, and AHP priority is formulated to select the best set of warehouses without exceeding the limited available resources. In this paper, two commercial packages are used: Expert Choice for determining the AHP priorities of the warehouses, and LINDO for solving the GP model. © 2007 IEEE.

Multi-criteria logistics distribution network design using SAS/OR

This paper explores the use of the optimization procedures in SAS/OR software with application to the contemporary logistics distribution network design using an integrated multiple criteria decision making approach. Unlike the traditional optimization techniques, the proposed approach, combining analytic hierarchy process (AHP) and goal programming (GP), considers both quantitative and qualitative factors. In the integrated approach, AHP is used to determine the relative importance weightings or priorities of alternative warehouses with respect to both deliverer oriented and customer oriented criteria. Then, a GP model incorporating the constraints of system, resource, and AHP priority is formulated to select the best set of warehouses without exceeding the limited available resources. To facilitate the use of integrated multiple criteria decision making approach by SAS users, an ORMCDM code was implemented in the SAS programming language. The SAS macro developed in this paper selects the chosen variables from a SAS data file and constructs sets of linear programming models based on the selected GP model. An example is given to illustrate how one could use the code to design the logistics distribution network.

Two-level network design with intermediate facilities: An application to electrical distribution systems

We consider the two-level network design problem with intermediate facilities. This problem consists of designing a minimum cost network respecting some requirements, usually described in terms of the network topology or in terms of a desired flow of commodities between source and destination vertices. Each selected link must receive one of two types of edge facilities and the connection of different edge facilities requires a costly and capacitated vertex facility. We propose a hybrid decomposition approach which heuristically obtains tentative solutions for the vertex facilities number and location and use these solutions to limit the computational burden of a branch-and-cut algorithm. We test our method on instances of the power system secondary distribution network design problem. The results show that the method is efficient both in terms of solution quality and computational times. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Two-level network design with intermediate facilities: An application to electrical distribution systems

We consider the two-level network design problem with intermediate facilities. This problem consists of designing a minimum cost network respecting some requirements, usually described in terms of the network topology or in terms of a desired flow of commodities between source and destination vertices. Each selected link must receive one of two types of edge facilities and the connection of different edge facilities requires a costly and capacitated vertex facility. We propose a hybrid decomposition approach which heuristically obtains tentative solutions for the vertex facilities number and location and use these solutions to limit the computational burden of a branch-and-cut algorithm. We test our method on instances of the power system secondary distribution network design problem. The results show that the method is efficient both in terms of solution quality and computational times. © 2010 Elsevier Ltd.

Integrating wind generation in the distribution network

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Energias Renováveis – Conversão Eléctrica e Utilização Sustentáveis

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Efficient Forest Data Structure for Evolutionary Algorithms Applied to Network Design

The design of a network is a solution to several engineering and science problems. Several network design problems are known to be NP-hard, and population-based metaheuristics like evolutionary algorithms (EAs) have been largely investigated for such problems. Such optimization methods simultaneously generate a large number of potential solutions to investigate the search space in breadth and, consequently, to avoid local optima. Obtaining a potential solution usually involves the construction and maintenance of several spanning trees, or more generally, spanning forests. To efficiently explore the search space, special data structures have been developed to provide operations that manipulate a set of spanning trees (population). For a tree with n nodes, the most efficient data structures available in the literature require time O(n) to generate a new spanning tree that modifies an existing one and to store the new solution. We propose a new data structure, called node-depth-degree representation (NDDR), and we demonstrate that using this encoding, generating a new spanning forest requires average time O(root n). Experiments with an EA based on NDDR applied to large-scale instances of the degree-constrained minimum spanning tree problem have shown that the implementation adds small constants and lower order terms to the theoretical bound.

Multiple criteria optimization of contemporary logistics distribution network problems

In the contemporary customer-driven supply chain, maximization of customer service plays an equally important role as minimization of costs for a company to retain and increase its competitiveness. This article develops a multiple-criteria optimization approach, combining the analytic hierarchy process (AHP) and an integer linear programming (ILP) model, to aid the design of an optimal logistics distribution network. The proposed approach outperforms traditional cost-based optimization techniques because it considers both quantitative and qualitative factors and also aims at maximizing the benefits of deliverer and customers. In the approach, the AHP is used to determine the relative importance weightings or priorities of alternative warehouses with respect to some critical customer-oriented criteria. The results of AHP prioritization are utilized as the input of the ILP model, the objective of which is to select the best warehouses at the lowest possible cost. In this article, two commercial packages are used: including Expert Choice and LINDO.

Review on protection issues of low-voltage distribution network with multiple powerelectronic-converter-interfaced distribution energy resources

The realisation of an eventual low-voltage (LV) Smart Grid with a complete communication infrastructure is a gradual process. During this evolution the protection scheme of distribution networks should be continuously adapted and optimised to fit the protection and cost requirements at the time. This paper aims to review practices and research around the design of an effective, adaptive and economical distribution network protection scheme. The background of this topic is introduced and potential problems are defined from conventional protection theories and new Smart Grid technologies. Challenges are identified with possible solutions defined as a pathway to the ultimate flexible and reliable LV protection systems.

ANN-Based LMP forecasting in a distribution network with large penetration of DG

In recent years, power systems have experienced many changes in their paradigm. The introduction of new players in the management of distributed generation leads to the decentralization of control and decision-making, so that each player is able to play in the market environment. In the new context, it will be very relevant that aggregator players allow midsize, small and micro players to act in a competitive environment. In order to achieve their objectives, virtual power players and single players are required to optimize their energy resource management process. To achieve this, it is essential to have financial resources capable of providing access to appropriate decision support tools. As small players have difficulties in having access to such tools, it is necessary that these players can benefit from alternative methodologies to support their decisions. This paper presents a methodology, based on Artificial Neural Networks (ANN), and intended to support smaller players. In this case the present methodology uses a training set that is created using energy resource scheduling solutions obtained using a mixed-integer linear programming (MIP) approach as the reference optimization methodology. The trained network is used to obtain locational marginal prices in a distribution network. The main goal of the paper is to verify the accuracy of the ANN based approach. Moreover, the use of a single ANN is compared with the use of two or more ANN to forecast the locational marginal price.