Applicability of deterministic global optimization to the short-term hydrothermal coordination problem

Abstract

Esta Tesis esta motivada por el interés en aplicar procedimientos de optimización global a problemas del mundo real. Para ello, nos hemos centrado en el problema de Coordinación Hidrotérmica de la Generación Eléctrica a Corto Plazo (llamado Problema de Generación en esta Tesis) donde la función objetivo y las restricciones no lineales son polinomios de grado como máximo cuatro. En el Problema de Generación no tenemos disponible una representación en diferencia convexa de las funciones involucradas ni tampoco es posible utilizar la estructura del problema para simplificarlo. No obstante, cuando disponemos de una función continua f(x) definida en un conjunto cerrado y no vacío S el problema puede transformarse en otro equivalente expresado mediante minimize l(z) subject to z 2 D n int. (programa d.c. canónico), donde l(z) es una función convexa (en general suele ser una función lineal) con D y C conjuntos convexos y cerrados. Una estructura matemática tal como Dnint C no resulta siempre aparente y aunque lo fuera siempre queda por realizar una gran cantidad de cálculos para expresarla de manera que se pueda resolver el problema de una manera eficiente desde un punto de vista computacional.<br/>La característica más importante de esta estructura es que aparecen conjuntos convexos y complementarios de conjuntos convexos. Por este motivo en tales problemas se pueden usar herramientas analíticas tales como subdifernciales y hiperplanos soporte. Por otro lado, como aparecen conjuntos complementarios de conjuntos convexos, estas herramientas analíticas se deben usar de una manera determinada y combinándolas con herramientas combinatorias tales como cortes por planos, Branco and bound y aproximación interior.<br/>En esta tesis se pone de manifiesto la estructura matemática subyacente en el Problema de Generación utilizando el hecho de que los polinomios son expresables como diferencia de funciones convexas. Utilizando esta propiedad describimos el problema como un programa d.c. canónico equivalente. Pero aun mas, partiendo de la estructura de las funciones del Problema de Generación es posible rescribirlo de una manera mas conveniente y obtener de este modo ventajas numéricas desde el<br/>punto de vista de la implementación.<br/>Basándonos en la propiedad de que los polinomios homogéneos de grado 1 son un conjunto de generadores del espacio vectorial de los polinomios homogéneos de grado m hemos desarrollamos los conceptos y propiedades necesarios que nos permiten expresar un polinomio cualquiera como diferencia de polinomios convexos, También, se ha desarrollado y demostrado la convergencia de un nuevo algoritmo de optimización global (llamado Algoritmo Adaptado) que permite resolver el Problema de Generación. Como el programa equivalente no esta acotado se ha introducido una técnica de subdivisión mediante prismas en lugar de la habitual subdivisión mediante conos.<br/>Para obtener una descomposición óptima de un polinomio en diferencia de polinomios convexos, se ha enunciado el Problema de Norma Mínima mediante la introducción del concepto de Descomposición con Mínima Desviación, con lo cual obtenemos implementaciones m´as eficientes, al reducir el n´umero de iteraciones del Algoritmo Adaptado. <br/>Para resolver el problema de Norma Mínima hemos implementado un algoritmo de programación cuadrática semi-infinita utilizando una estrategia de build-up and build-down, introducida por Den Hertog (1997) para resolver programas lineales semi-infinitos, la cual usa un procedimiento de barrera logarítmica.<br/>Finalmente, se describen los resultados obtenidos por la implementación de los algoritmos anteriormente mencionados y se dan las conclusiones.

This Thesis has been motivated by the interest in applying deterministic global optimization procedures to problems in the real world with no special structures. We have focused on the Short-Term Hydrothermal Coordination of Electricity Generation Problem (also named Generation Problem in this Thesis) where the objective function and the nonlinear constraints are polynomials of degree up to four. In the Generation Problem there is no available d.c. representation of the involved functions and we cannot take advantage of any special structure of the problem either. Hence, a very general problem, such as the above-mentioned, does not seem to have any mathematical structure conducive to computational implementations. Nevertheless, when f(x) is a continuous function and S is a nonempty closed set the problem can be transformed into an equivalent problem expressed by minimize l(z) subject to z 2 D n intC (canonical d.c. program), where l(z) is a convex function (which is usually a linear function) and D and C are closed convex sets. A mathematical complementary convex structure such as D n int C is not always apparent and even when it is explicit, a lot of work still remains to be done to bring it into a form amenable to efficient computational implementations. The attractive feature of the mathematical<br/>complementary convex structure is that it involves convexity. Thus, we can use analytical tools from convex analysis like sub differential and supporting hyper plane.<br/>On the other hand, since convexity is involved in a reverse sense, these tools must be used in some specific way and combined with combinatorial tools like cutting planes, branch and bound and outer approximation.<br/>We introduce the common general mathematical complementary convex structure underlying in global optimization problems and describe the Generation Problem, whose functions are d.c. functions because they are polynomials. Thus, by using the properties of the d.c. functions, we describe the Generation Problem as an equivalent canonical d.c. programming problem. From the structure of its functions the Generation Problem can be rewritten as a more suitable equivalent reverse convex program in order to obtain an adaptation for advantageous numerical implementations.<br/>Concepts and properties are introduced which allow us to obtain an explicit representation of a polynomial as a deference of convex polynomials, based on the fact that the set of mth powers of homogeneous polynomials of degree 1 is a generating set for the vector space of homogeneous polynomials of degree m.<br/>We also describe a new global optimization algorithm (adapted algorithm) in order to solve the Generation Problem. Since the equivalent reverse convex program is unbounded we use prismatical subdivisions instead of conical ones. Moreover, we prove the convergence of the adapted algorithm by using a prismatical subdivision process together with an outer approximation procedure.<br/>We enounce the Minimal Norm Problem by using the concept of Least Deviation Decomposition in order to obtain the optimal d.c. representation of a polynomial function, which allows a more efficient implementation, by reducing the number of iterations of the adapted algorithm.<br/>A quadratic semi-infinite algorithm is described. We propose a build-up and down strategy, introduced by Den Hertog (1997) for standard linear programs that uses a logarithmic barrier method.<br/>Finally, computational results are given and conclusions are explained.