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Mit Hilfe der Constraint-Programmierung können komplexe, häufig NP-vollständige Probleme, wie zum Beispiel Graphfärbungs-, Optimierungs-, Konfigurations- sowie Schichtplanungs-, Raum- und Zeitplanungsprobleme modelliert und gelöst werden. Im Vordergrund der Constraint-Programmierung steht dabei die deklarative Modellierung, also eine Beschreibung des eigentlichen Problems und nicht dessen Lösungsvorgangs. Während es Aufgabe des Entwicklers ist, das Problem zu modellieren, wird die Lösung einem separat implementierten Solver (Löser) überlassen. Im Idealfall löst dieser Solver das Problem, unabhängig von der konkreten Modellierung, immer schnellstmöglich.
In der Praxis kann von diesem Idealfall in der Regel nicht ausgegangen werden und somit hat die Art und Weise der Modellierung ein und desselben Problems und dessen Remodellierung teilweise einen erheblichen Einfluss auf die Lösungsgeschwindigkeit. Bisher bestehende Remodellierungsverfahren transformieren entweder Constraint-Probleme im Ganzen (zum Beispiel beim Umwandeln in SAT- oder binäre Constraint-Probleme) oder erfordern eine präzise Angabe und Steuerung seitens des Nutzers der Constraint-Programmierung (zum Beispiel bei der Tabularisierung). Während die erste Variante in der Regel nur bei sehr speziellen Problemen zu einer Beschleunigung des Lösungsvorganges führt, benötigt die zweite Variante vom Constraint-Modellierer zusätzliches Expertenwissen über das Lösungsverfahren des verwendeten Solvers. Die bisherigen Verfahren erlauben somit keine (voll)-automatisierte Transformation von Constraint-Problemen, bei der Transformationen nur durchgeführt werden, wenn diese auch zu einer Beschleunigung führen.
Für das dieser Arbeit übergeordnete Ziel der automatisierten Optimierung von Constraint-Problemen mittels Remodellierung, ohne dass dafür zusätzliches Expertenwissen notwendig ist, werden ausreichend viele verschiedene, gute und gut untersuchte Remodellierungen benötigt. In dieser Arbeit werden daher sowohl bestehende Verfahren für die Transformation von Constraint-Problemen weiterentwickelt, als auch völlig neue entworfen und deren Korrektheit nachgewiesen. Die in dieser Arbeit entwickelten Transformationen werden bezüglich ihrer beschleunigenden Wirkung auf Constraint-Probleme untersucht. Anhand von generierten und von realen Praxisbeispielen wird die Wirksamkeit der Transformationen evaluiert und es werden Schlussfolgerungen darüber gezogen, wann welche Substituierungen besonders vielversprechend sind.
A cellular approach to optimize the integration of renewable generation into distribution networks
(2022)
The steady growth of the renewable-based technologies in the last twenty years has changed the character of the power systems significantly. Until today, there are more than 112 GW installed photovoltaic and wind parks in Germany and around 90% of the installed renewable generators are integrated into distribution networks. As a result, distribution networks are often facing congestion problems and more investments are needed for the required network development plans.
The political decisions in Germany for increasing the share of renewables in electricity consumption up to 65% until 2030 and the nuclear phase out until 2022 and further shutdowns of the coal power plants raised serious concerns about the reliability of power supply and feasibility of the transition plan.
The present dissertation has a look over the recent developments and offers a methodology for reduction of the resulted costs from further integration of renewable generators into the distribution networks. The suggested methodology is based on a cellular approach and helps also to postpone the unnecessary costly network expansions. Furthermore, it helps to integrate the renewable generators in an optimized way which has an added value to move towards the defined sustainability goals.
The proposed methodology has two steps. The first step is made up of the cellular approach and grey wolf optimization in MATLAB environment. In this step, the optimal combination of technologies for fulfillment of the defined goals are found out. The second step consists of the quasi dynamic simulations in PowerFactory environment. In this step, the suggested results from MATLAB optimization are investigated in semi-real situations. With the quasidynamic simulations, it is checked whether the results are tolerable from the point of view of network operation and whether it is possible to facilitate the network operation with certain strategies.
Die Anwendung asymmetrischer Kryptosysteme, z.B. elliptische Kurven Kryptographie (ECC), erfordert große Rechenkapazität die normalerweise auf von mobilen Geräten bzw. drahtlosen Sensorknoten nicht zur Verfügung steht. Die Implementierung der ECC in Hardware reduziert den Zeit- und Energie-Aufwand. Die Optimierung der Hardware-Implementierungen dient nicht nur der weiteren Reduktion des Zeit- und Energieverbrauches sondern hilft darüber hinaus die Herstellungskosten zu verringern, so dass solche Lösungen auch für kostengünstige Geräte einsetzbar werden. Im Rahmen dieser Dissertation wurden Optimierungsmöglichkeiten für die Multiplikation der Polynome, die für EC-Operationen eingesetzt werden, untersucht. Ziel der Optimierungen war, dass die Multiplikation mit einer minimalen Anzahl von Additionen (also XOR-Gattern) und Multiplikationen (also AND-Gattern) durchgeführt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die iterative Bearbeitung von 10 Multiplikations-Methoden (MM) im Gegensatz zur üblichen rekursiven Bearbeitung untersucht. Dabei wurde eine Reihenfolge der Operationen für jede der untersuchten MM ermittelt, die zu einer reduzierten Anzahl von XOR-Operationen führt. Der Einsatz der optimierten Reihenfolge kann die Komplexität der MM wesentlich reduzieren. Zum Beispiel bei der generalisierten Karatsuba-MM [18] beträgt die Reduktion des XOR-Aufwandes durchschnittlich 39 % für Polynom-Längen bis 600 Bits. Für die IHP 0,13μ-Technologie entspricht diese Reduktion des XOR-Aufwandes einer durchschnittlichen Flächen-Reduktion der Polynom-Multiplizierer um 35 %. Bei der 4-Segment-Karatsuba-MM wird nicht nur der XOR-Aufwand, sondern auch die Signal-Verzögerung im Vergleich zur rekursiven Anwendung der originalen Karatsuba-MM reduziert. Außerdem wurde ein Algorithmus zur Bestimmung einer flächen- und/oder energieoptimalen Kombination der Multiplikations-Methoden entwickelt. Mit dem vorgeschlagenen Algorithmus wurden die flächen- und die energie-optimalen Kombinationen der MM für Polynom-Längen bis 600 Bits bestimmt. Alle ECC-relevanten Polynom-Längen liegen in diesem Bereich. Die durchschnittliche Reduktion der Flächen im Vergleich zu den rekonstruierten Daten aus [30] beträgt 12 %. Zusätzlich wurde ein energieoptimaler serieller Mehr-Takt-Multiplizierer für 233-Bits Polynome auf Basis Karatsuba-ähnlicher Multiplikations-Methoden entwickelt. Dieser Multiplizierer nutzt die Winograd-MM und basiert auf einen flächenoptimierten 78-Bits-Teil-Multiplizierer. Die theoretischen Ergebnisse wurden mit Hilfe von Synthesedaten für die IHP Technologie erfolgreich verifiziert. Der Energieverbrauch und die Ausführungszeit des Designs sind um 24 % bzw. 28 % kleiner als die des Vergleichsdesigns aus [28].
Auf dem Gebiet der Prozessintegration und automatisierten Optimierung von Bauteilen nimmt die Triebwerksindustrie eine Vorreiterrolle ein. Insbesondere die aerodynamische Optimierung von Triebwerksschaufeln kann, dank umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit, seit einiger Zeit als Stand der Technik bezeichnet werden. Auf diese Art ist es möglich, trotz kürzer werdender Entwicklungszeiten immer effizientere Schaufeln zu entwerfen, die ihren Beitrag zur notwendigen Reduktion der im Triebwerk produzierten CO2-Emission liefern. Ein wichtiger Schritt beim Schaufelentwurf ist die automatisierte Mehrkriterien-Optimierung einzelner Schaufelsektionen. Hierfür sind geeignete Profilparametrisierungen notwendig, die einerseits genügend Entwurfsfreiheiten bieten, andererseits ohne manuelle Nachbearbeitung sinnvolle Profile liefern. In der vorliegenden Arbeit werden daher drei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur automatisierten parametrischen Schaufelprofilerzeugung entwickelt. Im Unterschied zu den meisten bisher vorhandenen Parametrisierungen ist allen drei Methoden gemein, dass die entstandenen Profile stets krümmungsstetig sind. Lediglich beim Übergang zur kreisförmigen Hinterkante wird Tangentenstetigkeit als ausreichend angesehen. Durch diese Vorgehensweise können, anders als vorher, sehr günstige Geschwindigkeitsverläufe an Saug- und Druckseite ohne Überhöhungen an der Vorderkante erreicht werden. Innerhalb eines auf einem Hochleistungs-Rechen-Cluster parallelisierten Mehrkriterien-Optimierungsprozesses, in dem beispielhaft der Mittelschnitt eines Stators einer Hochdruckverdichterstufe aerodynamisch optimiert wird, werden die drei Methoden anschließend miteinander verglichen. Es kann gezeigt werden, dass alle drei Parametrisierungen zu Profilen führen, die bezüglich ihrer aerodynamischen Verluste deutlich besser sind als ein manuell entworfenes Referenzprofil.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Strukturcharakterisierung modifizierter lockenaggregate; Pelletflocken während der Feststoffkonditionierung. Die Besonderheit der Konditionierung durch Pelletierungsflockung liegt im gezielten Aufbau von Aggregaten mit definierten Eigenschaften. Die Entstehung der runden, dichten und stabilen Pelletflocken setzt eine optimale Kombination mehrerer Prozessbedingungen voraus. Unter Verwendung verschiedener Suspensionen wurden die Pelletflocken in Abhängigkeit von der Prozessführung und den Prozessparametern untersucht. Die in der verfügbaren Literatur gefundenen Unstimmigkeiten zwischen den theoretischen Strukturmodellen in der Pelletierungsflockung und der Interpretation der praktischen Ergebnisse bilden den Ausgangspunkt der Untersuchungen. Es wird gezeigt, dass infolge der überwiegend in der Theorie der Pelletierungsflockung beschriebenen Prozessführung keine Zwiebelstruktur, sondern ein als Himbeerstruktur bezeichneter Aufbau der Pelletflocken entsteht. Daraufhin wurde eine Erweiterung der bekannten theoretischen Modelle um das Himbeerstrukturmodell vorgeschlagen.