NO20140362A1 - System and procedure for optimizing operation of a water network - Google Patents
System and procedure for optimizing operation of a water network Download PDFInfo
- Publication number
- NO20140362A1 NO20140362A1 NO20140362A NO20140362A NO20140362A1 NO 20140362 A1 NO20140362 A1 NO 20140362A1 NO 20140362 A NO20140362 A NO 20140362A NO 20140362 A NO20140362 A NO 20140362A NO 20140362 A1 NO20140362 A1 NO 20140362A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- water
- unit
- optimization
- scenarios
- scenario
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/06—Energy or water supply
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Economics (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Marketing (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Public Health (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
Et system for å optimalisere drift av et vannettverk omfatter minst en datalagringsenhet (23) for å lagre en hydraulisk modell såvel som minst en driftsmessig begrensning i vannettverket (17), hvor den hydrauliske modellen representerer avhengigheten av trykk og strømninger i vannettverket på en driftstilstand av minst en aktiveringsenhet (20) i vannettverket og på et forventet vannbehov, minst en prosesseringsenhet inneholdende en optimaliseringsenhet (OP) hvor optimaliseringsenheten er innrettet til å generere minst en driftsmessig konfigurasjonsinformasjon for den minst ene aktiveringsenheten ved å minimalisere en objektiv funksjon av et optimaliseringsproblem, hvor optimaliseringsproblemet er basert på den hydrauliske modellen, minst ett utgangsg renses n itt (18) for å levere den minst ene driftskonfigurasjonsinformasjonen til den minst ene aktiveringsenheten. For å være i stand til å drive vannettverket med en redusert nedre nivågrense for et vannlagringsanlegg, inneholder den minst ene prosesseringsenheten videre en scenariogenererende enhet (SG) for å generere et endelig sett av scenarier i form av mulige realiseringer over tid av det forventede vannbehovet og/eller av driftstilstanden og/eller karakteristikker for den minst ene aktiveringsenheten og/eller for minst en parameter i den hydrauliske modellen hvor det endelige settet av scenarier er basert på probabilistisk informasjon om usikkerheten av disse variabler. Optimaliseringsenheten er innrettet til å minimalisere den objektive funksjonen av optimaliseringsproblemet ved å utføre stokastisk optimalisering, hvor optimaliseringsproblemet videre tar hensyn til den objektive funksjonen for å representere minst en uønsket sideeffekt ved driften av den minst ene aktiveringsenheten, den minst ene driftsmessige begrensningen og det endelige settet av scenarier.A system for optimizing the operation of a water network comprises at least one data storage unit (23) for storing a hydraulic model as well as at least one operational limitation in the water network (17), wherein the hydraulic model represents the dependence on pressure and flow in the water network at an operating state of at least one activation unit (20) in the water network and at an expected water need, at least one processing unit containing an optimization unit (OP) wherein the optimization unit is arranged to generate at least one operational configuration information for the at least one activating unit by minimizing an objective function of an optimization problem, wherein the optimization problem is based on the hydraulic model, at least one output is cleaned (18) to supply the at least one operating configuration information to the at least one actuator. In order to be able to operate the water network with a reduced lower level limit for a water storage facility, the at least one processing unit further includes a scenario generating unit (SG) to generate a final set of scenarios in the form of possible realizations over time of the anticipated water demand and / or of the operating condition and / or characteristics of the at least one actuator and / or of at least one parameter of the hydraulic model where the final set of scenarios is based on probabilistic information about the uncertainty of these variables. The optimizer is designed to minimize the objective function of the optimization problem by performing stochastic optimization, wherein the optimization problem further takes into account the objective function of representing at least one undesirable side effect in the operation of the at least one activator, at least one operational limitation and the final set. of scenarios.
Description
Oppfinnelsen vedrører et system og en fremgangsmåte for å optimalisere driften av et vannoverførings- og/eller fordelingsnettverk, idet etterfølgende også kalt vann-nettverk. Systemet omfatter minst én datalagringsenhet for å lagre en hydraulisk modell så vel som en driftsbegrensning til vann-nettverket, hvor den hydrauliske modellen representerer hvordan trykkhøyder (heads) og strømninger i vann-nettverket avhenger av en driftstilstand til minst én aktiveringsenhet i vann-nettverket og et forventet vannbehov, minst én prosesseringsenhet inneholdende en optimaliseringsenhet, hvor optimaliseringsenheten er innrettet til å generere minst én driftskonfigurasjonsinformasjon for den minst ene aktiveringsenhet ved å minimalisere en objektiv funksjon av et optimaliseringsproblem, hvor optimaliseringsproblemet er basert på den hydrauliske modellen, og minst ett utgangsg re nsesnitt for å levere den minst ene driftskonfigurasjonsinformasjonen til den minst ene aktiveringseneheten. Trinnene utført av de ovenfor benevnte systemelementer definerer den korresponderende fremgangsmåte. The invention relates to a system and a method for optimizing the operation of a water transmission and/or distribution network, hereinafter also referred to as a water network. The system comprises at least one data storage unit for storing a hydraulic model as well as an operating constraint for the water network, where the hydraulic model represents how pressure heights (heads) and flows in the water network depend on an operating state of at least one activation unit in the water network and an expected water demand, at least one processing unit containing an optimization unit, where the optimization unit is arranged to generate at least one operating configuration information for the at least one activation unit by minimizing an objective function of an optimization problem, where the optimization problem is based on the hydraulic model, and at least one output interface for delivering the at least one operating configuration information to the at least one activation unit. The steps performed by the above-mentioned system elements define the corresponding method.
Ettersom energipriser konstant stiger, ser flere og flere vannverk gjennom driftsstrategien av deres energiintensive vannoverførings- og/eller fordelingsnettverk for å redusere energi og driftskostnader. Mens et vannfordelingsnettverk leverer vann fra en vannkilde til forskjellige industrielle og/eller private vannforbrukere, transporterer et vannoverføringsnettverk vann over lange avstander av flere hundre kilometer, for eksempel fra et avsaltingsanlegg for sjøvann til ett eller flere vannfordelingsnettverk. Driften av disse vannettverk tilbyr store forbedringer i driftseffektivitet. Å erstatte eller overhale energiintensive aktivatorer i vannettverket, så som pumper, er en mulighet som er mest vanlig å gjøre allerede i dag. Den annen mulighet er å se over og optimalisere samvirkningen av de forskjellige aktivatorer og den totale driftsstrategi for hele nettverket. As energy prices constantly rise, more and more water utilities are reviewing the operational strategy of their energy-intensive water transmission and/or distribution networks to reduce energy and operating costs. While a water distribution network delivers water from a water source to various industrial and/or private water consumers, a water transmission network transports water over long distances of several hundreds of kilometers, for example from a seawater desalination plant to one or more water distribution networks. The operation of these water networks offers major improvements in operational efficiency. Replacing or overhauling energy-intensive activators in the water network, such as pumps, is an option that is already most common today. The other possibility is to look over and optimize the interaction of the various activators and the overall operating strategy for the entire network.
Det øvre diagrammet i fig. la viser en driftsprosedyre for et vannettverk som det The upper diagram in fig. la shows an operating procedure for a water network like that
gjøres i dag: vannverk prøver å justere nettverksplanleggingen slik at vannivåene 1 i vannlagringsanlegg, også kalt vannlagringsmagasin, holdes mellom øvre grenser 2 og nedre grenser 3. De øvre og nedre grensene er markert som prikkede linjer i fig. la. Endringen av vannivået 1 mellom disse grenser kontrolleres avhengig av is done today: water utilities try to adjust the network planning so that the water levels 1 in water storage facilities, also called water storage reservoirs, are kept between upper limits 2 and lower limits 3. The upper and lower limits are marked as dotted lines in fig. let. The change of the water level 1 between these limits is controlled depending on
vannforbruket i nettverket ved konfigurasjon av pumpesystemet og ved en direkte kobling av vannlagringsnivået til pumpekontrollsystemet: hvis vannivået er nær den nedre grensen, blir pumper automatisk slått på for å øke vannlagringsnivået. Hvis vannivået er høyt nok, blir pumper slått av. Antallet pumper som er slått på samtidig, er vist i det nedre diagrammet i fig. la. the water consumption in the network by configuration of the pumping system and by a direct connection of the water storage level to the pump control system: if the water level is close to the lower limit, pumps are automatically switched on to increase the water storage level. If the water level is high enough, pumps are switched off. The number of pumps that are switched on at the same time is shown in the lower diagram in fig. let.
Gjeldende driftsprosedyrer fokuserer derved på å opprettholde høye vannivåer i vannlagrene for å oppfylle kundebehov ved ethvert tidspunkt, hvor kundebehovet er usikkert. For å håndtere denne usikkerheten i behov, setter vannverkene kunstige høye lavere grenser for lagringsmagasinene, opptil 80 % av fyllkapasiteten, for å opprettholde høye vannivåer i lagringsanleggene. På denne måten er det nok vann i lagringsanleggene for å dekke behovet selv i tilfeller av uventede endringer i behov. Imidlertid fører denne fremgangsmåten til en økning i driftskostnader på grunn av den påkrevde høyere pumpekapasiteten. Current operating procedures thereby focus on maintaining high water levels in the water storage to meet customer demand at any time, where customer demand is uncertain. To manage this uncertainty in demand, the water utilities set artificially high lower limits for the storage reservoirs, up to 80% of the filling capacity, to maintain high water levels in the storage facilities. In this way, there is enough water in the storage facilities to cover the need even in cases of unexpected changes in need. However, this method leads to an increase in operating costs due to the required higher pump capacity.
Videre neglisjerer denne fremgangsmåten mulige fordeler av forskyvning av fylleoperasjonene i tid, for eksempel når energitariffer er lave, eller av å kjøre pumper for å transportere vannet gjennom nettverket ved redusert hastighet eller i deres effektivitetspunkt, som kan oppnås ved å lagre vannet når det ikke er behov for det i lagringsanlegg, slik som lagringstanker. Furthermore, this approach neglects the possible benefits of shifting the filling operations in time, for example when energy tariffs are low, or of running pumps to transport the water through the network at reduced speed or at their efficiency point, which can be achieved by storing the water when it is not need for it in storage facilities, such as storage tanks.
Generelt er optimalisering av van nettverksdrift å bestemme driftsinformasjon som skal tas hensyn til ved etterfølgende generering av styringssignaler hvor minst én av aktiveringsenhetene i nettverket, hvor aktiveringsenhetene vanligvis er pumper, ventiler inne i nettverket, så vel som aktiveringsenheter som kontrollerer strømningen inn og/eller strømningen ut av vannlageret og som kontrollerer én eller flere kildestrømninger i vannettverket. Driftsinformasjonen for aktiveringsenhetene bestemmes slik at den minimaliserer driftskostnadene i nettverket, så som kostnader til energiforbruk, mens vannbehovet tilfredsstilles, minimum og/eller maksimumtrykk eller strømningsnivåer i vannrørene i nettverket, så vel som andre driftsbegrensninger i vannettverket. In general, the optimization of van network operation is to determine operating information to be taken into account in the subsequent generation of control signals where at least one of the actuation units in the network, where the actuation units are usually pumps, valves inside the network, as well as actuation units that control the flow in and/or the flow out of the water storage and which controls one or more source flows in the water network. The operating information of the activation units is determined so that it minimizes the operating costs of the network, such as costs of energy consumption, while satisfying the water demand, minimum and/or maximum pressure or flow levels in the water pipes of the network, as well as other operating constraints of the water network.
Fremgangsmåter til å optimalisere driften av vannfordelingsnettverk er beskrevet i WO 2011/092012 A2, så vel som i «Combined Energy and Pressure Management in Water Distribution Systems», av P. Skworcow et al„ Proe. World Environmental and Water Resources Congress 2009, Great Rivers, s. 709-718, og i «Optimalization Models for Operative Planning in Drinking Water Networks» av J. Burgschweiger et al. ZIB-Report 04-48, Konrad-Zuse-Zentrum fur Informationstechnik, Berlin (2004). Optimaliseringsmetodene er basert på deterministiske hydrauliske eller spesielt innrettede deterministiske modeller som representerer vannfordelingsnettverkets fysiske egenskaper. Basert på disse modeller blir optimaliseringsalgoritmer benyttet til å generere optimaliserte driftsplaner for aktivatorer og parametere over en bestemt tidshorisont, for eksempel 24 timer, som tar hensyn til forandringer i energitariffer, tidsvarierende behov og mulige lagringsevner over denne tidshorisont. Ved å ta hensyn til hele optimaliseringshorisonten, er det mulig å få full fordel av lagringsevnene i vannettverket, for å forskyve pumping eller energikrevende operasjoner til tider med lave energitariffer og å kjøre pumper ved energieffektiv hastighet selv om behovet er høyere enn mengden pumpet vann. Methods for optimizing the operation of water distribution networks are described in WO 2011/092012 A2, as well as in "Combined Energy and Pressure Management in Water Distribution Systems", by P. Skworcow et al„ Proe. World Environmental and Water Resources Congress 2009, Great Rivers, pp. 709-718, and in "Optimization Models for Operative Planning in Drinking Water Networks" by J. Burgschweiger et al. ZIB-Report 04-48, Konrad-Zuse-Zentrum fur Informationstechnik, Berlin (2004). The optimization methods are based on deterministic hydraulic or specially designed deterministic models that represent the physical properties of the water distribution network. Based on these models, optimization algorithms are used to generate optimized operating plans for activators and parameters over a specific time horizon, for example 24 hours, which takes into account changes in energy tariffs, time-varying needs and possible storage capabilities over this time horizon. By taking into account the entire optimization horizon, it is possible to take full advantage of the storage capabilities of the water network, to shift pumping or energy-intensive operations to times of low energy tariffs and to run pumps at energy-efficient speed even if the demand is higher than the amount of pumped water.
Uheldigvis er driften av vannettverk meget kompleks og påvirket av mange usikkerheter. Usikkerheter er for eksempel varierende vannbehov over tid så vel som endrede parametere, så som pumpeeffekti vitete r eller forskjeller mellom modellen av vannettverket og den virkelige prosessen. Usikkerhetene i behovene gjør det vanskelig å lage en prediksjon som er nødvendig for optimale aktivatorplaner for eksempel pumper, ventiler, lagringstanker, kilder, og påvirker kvaliteten av optimaliseringsresultatet. Usikkerhetene kan faktisk til og med føre til ikke-gjennomførbarhet eller uønsket systemoppførsel. Unfortunately, the operation of water networks is very complex and affected by many uncertainties. Uncertainties are, for example, varying water demand over time as well as changed parameters, such as pump efficiencies or differences between the model of the water network and the real process. The uncertainties in the needs make it difficult to make a prediction that is necessary for optimal activator plans such as pumps, valves, storage tanks, sources, and affect the quality of the optimization result. Indeed, the uncertainties may even lead to infeasibility or undesirable system behavior.
Diagrammet på venstre side i figur lb viser et eksempel på en redigert trend 5 i vannbehov, predikert ved OhOO for de neste 24 timer. Den predikerte trend 5 i vannbehovet er den mørkere av de to kurver med heltrukne linjer. Diagrammet på høyre side i fig. lb viser den resulterende optimaliserte trend i vannivå 6 i et vannlagringsanlegg, særlig en vanntank, som det er forventet for det predikerte vannbehov 5 ved bruk av optimaliserte aktivatorplaner beregnet ved OhOO for de neste 24 timer. Her er det igjen den mørkere av de to kurver med heltrukket linje. Optimaliseringen av aktuatorplanene er i eksempelet i fig. lb basert på kjente deterministiske optimaliseringsalgoritmer. I tilfelle det virkelige behovet varierer og avviker fra den beregnede - som nesten sikkert vil skje ved et tidspunkt, for eksempel på grunn av økte utendørstemperaturer eller på grunn av et vannforbrukende sportsevenement - kan den nedre eller øvre grense av vannlagringstanken under- eller overkjøres. De nedre og øvre grenser av vannivået i vanntanken er vist som prikkede linjer i diagrammet på høyre side i fig. lb. I eksempelet i fig. lb blir optimaliserte aktuatorplaner beregnet ved OhOO for den predikerte behovskurven 5 og benyttet for de neste 24 timer. Den lysere av de to kurver i diagrammet på venstre side i fig. lb visualiserer behovet som realisering av sant behov. Som det kan sees er det sanne behovet 6 høyere enn det forventede behovet 5 for omtrent 6 timer, mellom omtrent 6h00 og middag. Som et resultat vil det reelle vannivået 8 i vannlagringsanlegget betraktelig underskride den aksepterte nedre grensen. Når underskridningen går for langt, kan trykket bli for lavt i det minste i deler av vannettverket. En mekanisme for å overvinne kryssingen av den nedre grensen, for eksempel ved automatisk å slå på en pumpe i vannlagringsanlegget, kan integreres i optimaliseringsalgoritmen, men kan potensielt resultere i redusert energiinnsparing. I det verste tilfellet kan det til og med føre til høyere energiforbruk enn uten noen optimalisering i det hele tatt. Generelt må underskridelse av den nedre grensen tillates i The diagram on the left side in Figure 1b shows an example of an edited trend 5 in water demand, predicted at OhOO for the next 24 hours. The predicted trend 5 in water demand is the darker of the two curves with solid lines. The diagram on the right side in fig. 1b shows the resulting optimized trend in water level 6 in a water storage facility, in particular a water tank, as expected for the predicted water demand 5 using optimized activator plans calculated by OhOO for the next 24 hours. Here again it is the darker of the two curves with a solid line. The optimization of the actuator plans is in the example in fig. lb based on known deterministic optimization algorithms. In the event that the actual demand varies and deviates from the calculated one - which will almost certainly happen at some point, for example due to increased outdoor temperatures or due to a water-consuming sporting event - the lower or upper limit of the water storage tank can be under or exceeded. The lower and upper limits of the water level in the water tank are shown as dotted lines in the diagram on the right side of fig. lb. In the example in fig. lb optimized actuator plans are calculated at OhOO for the predicted demand curve 5 and used for the next 24 hours. The lighter of the two curves in the diagram on the left side in fig. lb visualizes the need as the realization of true need. As can be seen, the true demand 6 is higher than the expected demand 5 for about 6 hours, between about 6:00 a.m. and noon. As a result, the actual water level 8 in the water storage facility will be considerably below the accepted lower limit. When the undershoot goes too far, the pressure can become too low, at least in parts of the water network. A mechanism to overcome the crossing of the lower bound, for example by automatically turning on a pump in the water storage facility, can be integrated into the optimization algorithm, but could potentially result in reduced energy savings. In the worst case, it may even lead to higher energy consumption than without any optimization at all. In general, falling below the lower limit must be allowed i
optimaliseringsalgoritmen for på gjennomførlig måte å løse the optimization algorithm to feasibly solve
optimaliseringsproblemet. For å ta hensyn til dette, er det kjent å implementere en avslapning av nedre nivågrenser. Dette gjøres ved å introdusere slingringsvariabler. Til gjengjeld straffes de i den objektive funksjonen som skal optimaliseres for å unngå deres bruk. Det skjer imidlertid ganske ofte at den optimale deterministiske løsning krever underskridelse av den nedre vannivågrense, mens det tar hensyn til et tilfeldig behov. Som oftest er dette ikke kontrollerbart på forhånd siden det ikke kan predikeres hvor langt underskridelsen vil gå ved bruk av en deterministisk modell. the optimization problem. To take this into account, it is known to implement a relaxation of lower level limits. This is done by introducing wobble variables. In return, they are penalized in the objective function to be optimized to avoid their use. However, it happens quite often that the optimal deterministic solution requires undercutting the lower water level limit, while taking into account a random need. In most cases, this is not controllable in advance since it cannot be predicted how far the undershoot will go when using a deterministic model.
For å overvinne denne situasjonen vil eksisterende løsninger som samvirker med et styringssystem eller et SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system samle inn sanntids nettverksdriftsdata og reberegne optimaliserte aktivatorplaner eller alarmgrensesettinger for å innrettes etter den nye situasjonen i nettverket. Rebergningen utføres basert på en periodisk tidsplan, for eksempel hver time, eller basert på hendelser, slik som kryssing av øvre eller nedre grenser. I løsningsformuleringen av optimaliseringsalgoritmene er det inkludert høye sikkerhetsmarginer for parametrene som skal optimaliseres for å overvinne disse problemer og for å sikre levering ifølge kundebehov ved ethvert tidspunkt selv under endrede forhold. Dette igjen resulterer i en mer konservativ tilnærming til hvordan vannettverket skal kjøres og drives. I tilfellet av hendelsesbaserte reberegninger kan det være nødvendig å utføre reberegningene sammenligningsvis ofte, noe som resulterer i hyppige korreksjoner av aktivatorplanene og derfor i betraktelig aktivatoraktivitet. Til slutt kan energibesparelsen være mindre enn sammenlignet med den ovenfor beskrevne optimalisering uten noen tilpasning til nettverkssituasjonen. To overcome this situation, existing solutions that interact with a management system or a SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system will collect real-time network operation data and recalculate optimized activator plans or alarm limit settings to adapt to the new situation in the network. The restocking is performed based on a periodic schedule, such as every hour, or based on events, such as crossing upper or lower limits. In the solution formulation of the optimization algorithms, high safety margins are included for the parameters to be optimized to overcome these problems and to ensure delivery according to customer needs at any time even under changing conditions. This in turn results in a more conservative approach to how the water network should be run and operated. In the case of event-based recalculations, it may be necessary to perform the recalculations relatively often, resulting in frequent corrections of the activator plans and therefore in considerable activator activity. Finally, the energy savings may be less than compared to the optimization described above without any adaptation to the network situation.
Deterministiske modelleringsstrategier har den ulempe at de bare kan håndtere modelleringsusikkerheter og operasjonsmessige usikkerheter på en meget begrenset måte. Dette kan resultere i ugjennomførbarlige eller uønskede optimaliseringsløsninger ved anvendelse på den virkelige verden. Deterministic modeling strategies have the disadvantage that they can only handle modeling uncertainties and operational uncertainties in a very limited way. This can result in infeasible or undesirable optimization solutions when applied to the real world.
Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å presentere et system og fremgangsmåte for å optimalisere drift av et vannettverk, hvor de konservative tilnærmingene beskrevet ovenfor overvinnes for å unngå de kunstig høye grensene for vannivåene i lagringsmagasinene, dvs. for å redusere særlig den nedre nivågrensen, mens man samtidig reduserer risikoen for å slippe opp for vann. It is a purpose of the present invention to present a system and method for optimizing the operation of a water network, where the conservative approaches described above are overcome in order to avoid the artificially high limits for the water levels in the storage reservoirs, i.e. to reduce in particular the lower level limit, while at the same time reducing the risk of running out of water.
Ifølge oppfinnelsen inneholder den minst ene prosesseringsenheten videre en scenariogenererende enhet for å generere et endelig sett av scenarier i form av mulige realiseringer over tid av det forventede vannbehov eller til operasjonstilstanden til den minst ene aktiverende enhet og/eller minst én parameter i den hydrauliske modellen, hvor det endelige settet av scenarier er basert på probabilistisk informasjon om usikkerheten i respektivt det forventede vannbehov og operasjonstilstanden til den minst ene parameter, og idet optimaliseringsenheten er innrettet til å minimalisere en objektiv funksjon av optimaliseringsproblemet ved å utføre stokastisk optimalisering, hvor optimaliseringsproblemet tar hensyn til den objektive funksjonen for å representere minst én uønsket sideeffekt av å operere den minst ene aktiveringsenheten, den minst ene operasjonsbegrensningen og det endelige settet av scenariobaserte optimaliseringsmodeller. According to the invention, the at least one processing unit further contains a scenario generating unit to generate a final set of scenarios in the form of possible realizations over time of the expected water demand or to the operational state of the at least one activating unit and/or at least one parameter in the hydraulic model, where the final set of scenarios is based on probabilistic information about the uncertainty in the respective expected water demand and the operational state of the at least one parameter, and the optimization unit is designed to minimize an objective function of the optimization problem by performing stochastic optimization, where the optimization problem takes into account the objective function to represent at least one undesirable side effect of operating the at least one activation device, the at least one operating constraint, and the final set of scenario-based optimization models.
Ifølge oppfinnelsen blir optimaliseringsproblemet formulert og løst direkte ved å ta hensyn til modellen som kan beskrives og driftsmessige usikkerheter, og derved sikre at definerte grenser og behov blir møtt. Dette tillater også en totalt bedre kostnadseffektiv løsning enn ved bruk av en deterministisk modell som basis. Siden det kan sikres at den nedre nivågrensen av et vannlagringsanlegg ikke massivt underskrides, kan særlig den nedre nivågrensen settes sikkert på et lavere nivå. According to the invention, the optimization problem is formulated and solved directly by taking into account the model that can be described and operational uncertainties, thereby ensuring that defined limits and needs are met. This also allows an overall better cost-effective solution than using a deterministic model as a basis. Since it can be ensured that the lower level limit of a water storage facility is not massively undershot, the lower level limit in particular can be safely set at a lower level.
Usikkerhetene som beskrives er en av de følgende: The uncertainties described are one of the following:
• Målte signaler, særlig innganger eller forstyrrelser til den hydrauliske modellen, slik som vannbehovet. • Driftstilstand og/eller særtrekk av aktiveringsenhetene, slik som effektivitetskurver, for eksempel kurver over pumpeeffektivitet, og • Measured signals, especially inputs or disturbances to the hydraulic model, such as the water demand. • Operating condition and/or characteristics of the activation units, such as efficiency curves, for example curves of pump efficiency, and
• Modelleringsparametere, for eksempel rørruhetskoeffisienter. • Modeling parameters, for example pipe roughness coefficients.
Ytterligere usikkerheter kan defineres. For eksempel, i tilfellet hvor ytterligere inngangsinformasjons til optimaliseringsproblemet, slik som effektivitetstariffer eller vannkildekostnader, ikke er kjent på forhånd for den neste optimaliseringstidshorisonten, som i eksempler beskrevet nedenfor er de neste 24 timer, kan slik informasjon også inkluderes i optimaliseringsproblemet i form av usikkerheter i stedet for ytterligere deterministisk inngang. Additional uncertainties can be defined. For example, in the case where additional input information to the optimization problem, such as efficiency tariffs or water source costs, is not known in advance for the next optimization time horizon, which in examples described below is the next 24 hours, such information can also be included in the optimization problem in the form of uncertainties in the site of further deterministic input.
I en første utførelse av oppfinnelsen er den scenariogenererende enheten innrettet til å anvende en suksessiv scenarioreduserende teknikk til å bunte lignende scenarier for å redusere beregningsinnsatsen for optimaliseringsenheten under prosessering av de resulterende scenariobaserte optimaliseringsmodellene. In a first embodiment of the invention, the scenario generating unit is arranged to use a successive scenario reduction technique to bundle similar scenarios to reduce the computational effort of the optimization unit during processing of the resulting scenario-based optimization models.
I en annen utførelse er den scenariogenererende enheten innrettet til å generere det endelige settet av scenarier ved å konstruere et øvre scenario og et nedre scenario som definerer området av mulige realiseringer over tid for minst én av de ovenfor nevnte verdier eller parametre som er årsak til usikkerhet. Dette er en betraktelig enkel fremgangsmåte for de tilfeller hvor bare lite informasjon om usikkerheten og sannsynligheter eksisterer. I en bestemt utførelse er den scenariogenerende enheten innrettet til å representere usikkerhetene ved en stokastisk prosess, idet hver stokastisk prosess er definert på et underliggende kontinuerlig sannsynlighetsrom over en tidshorisont med begrenset varighet, og derved generer en eksplisitt representasjon av usikkerheten. In another embodiment, the scenario generating unit is arranged to generate the final set of scenarios by constructing an upper scenario and a lower scenario that define the range of possible realizations over time for at least one of the above-mentioned values or parameters that cause uncertainty . This is a considerably simple procedure for those cases where only little information about the uncertainty and probabilities exists. In a specific embodiment, the scenario-generating unit is designed to represent the uncertainties of a stochastic process, each stochastic process being defined on an underlying continuous probability space over a time horizon of limited duration, thereby generating an explicit representation of the uncertainty.
I en ytterligere utførelse er den scenariogenererende enheten innrettet til å generere et endelig sett av scenarier ved å utlede usikkerhetene fra måledata i vannettverket. Alternativt kan usikke r hetsdata leses fra en lagringsenhet eller inngis av en operatør til systemet og derved til den scenariogenererende enheten. In a further embodiment, the scenario generating unit is arranged to generate a final set of scenarios by deriving the uncertainties from measurement data in the water network. Alternatively, uncertain accuracy data can be read from a storage unit or entered by an operator into the system and thereby into the scenario generating unit.
Den scenariogenererende enheten kan videre være innrettet til å tilveiebringe det endelige settet av scenarier i form av et scenariotre for grafisk visualisering. Scenariotreet kan deretter ytterligere innrettes av en operatør før det brukes til å generere optimaliseringsproblemet for optimaliseringsenheten. I en bestemt utførelse reflekterer den objektive funksjonen resulterende energiforbruk og/eller vanninnflyt fra en kilde ved drift av den minst ene aktiveringsenheten. The scenario generating unit can further be arranged to provide the final set of scenarios in the form of a scenario tree for graphical visualization. The scenario tree can then be further aligned by an operator before it is used to generate the optimization problem for the optimizer. In a particular embodiment, the objective function reflects resulting energy consumption and/or water inflow from a source upon operation of the at least one activation unit.
I denne bestemte utførelsen kan optimaliseringsenheten videre være innrettet til å ta hensyn til endrede tariffer for energi og for vann fra kilden. In this particular embodiment, the optimization unit can further be arranged to take into account changed tariffs for energy and for water from the source.
I enda en ytterligere utførelse er optimaliseringsproblemet formulert som en endelig diskretisering av en scenariobasert to-trinns stokastisk programmeringsmodell. In yet another embodiment, the optimization problem is formulated as a finite discretization of a scenario-based two-stage stochastic programming model.
Den hydrauliske modellen kan være basert på en beskrivelse av topologien til vannettverket omfattende et nodesett og et kantsett, hvor nodesettet består av lagringsnoder, forbindelsesnoder, vannbehovnoder og kildenoder, og hvor kantsettet representerer vannrør, pumper og ventiler. The hydraulic model can be based on a description of the topology of the water network comprising a node set and an edge set, where the node set consists of storage nodes, connection nodes, water demand nodes and source nodes, and where the edge set represents water pipes, pumps and valves.
I dette tilfellet blir den hydrauliske modellen deretter dannet ved tilstandsligninger som representerer avhengigheten av den tidsavhengige tilstand av vannettverket på den minst ene driftskonfigurasjonsinformasjonen til den minst ene aktiveringsenheten og på det forventede vannbehov og hvor den tidsavhengige tilstand består av trykkhøyder i nodene i nodesettet og strømninger langs kantene av kantsettet. In this case, the hydraulic model is then formed by equations of state that represent the dependence of the time-dependent state of the water network on the at least one operating configuration information of the at least one activation unit and on the expected water demand and where the time-dependent state consists of pressure heads at the nodes in the node set and flows along the edges of the edge set.
For å ta eksplisitt hensyn til endringen av en nedre nivågrense i et vannlagringsanlegg kan den minst ene prosesseringsenhet videre omfatte en nivåjusteringsenhet som er innrettet til å estimere og tilveiebringe til optimaliseringsenheten, som en ytterligere inngang til optimaliseringsproblemet, en avhengighet mellom en minskning i den nedre nivågrensen og en utstrekning i hvilken den minst ene uønskede sideeffekten reduseres mens man samtidig retter seg etter den minst ene operasjonsbegrensningen. In order to explicitly take into account the change of a lower level limit in a water storage facility, the at least one processing unit may further comprise a level adjustment unit which is arranged to estimate and provide to the optimization unit, as a further input to the optimization problem, a dependence between a decrease in the lower level limit and an extent to which the at least one undesirable side effect is reduced while at the same time complying with the at least one operational limitation.
Nivåkonfigurasjonsenheten kan videre være innrettet til å estimere og tilveiebringe til optimaliseringsenheten som ytterligere inngang til optimaliseringsproblemet en avhengighet mellom reduksjonen i den uønskede sideeffekten og en risiko foråt vannlagringsanlegget når et kritisk vannivå, hvor det kritiske vannivået kan indikere at vannlagringsanlegget er i ferd med å tømmes eller at det når et vannivå som ikke lenger er tilstrekkelig til å tilveiebringe nok trykk til å transportere vannet gjennom vannrørene. The level configuration unit may further be arranged to estimate and provide to the optimization unit as further input to the optimization problem a dependence between the reduction in the undesirable side effect and a risk of the water storage facility reaching a critical water level, where the critical water level may indicate that the water storage facility is about to empty or that it reaches a water level that is no longer sufficient to provide enough pressure to transport the water through the water pipes.
I en annen spesifikk utførelse er den scenariogenererende enheten innrettet til å tilveiebringe det endelige settet av scenarier til en avgjørelsesstøtteenhet, hvor avgjørelsesstøtteenheten er innrettet til å evaluere for en identifisert potensiell årsak til en feil i vannettverket en korresponderende påvirkning på vannettverket, mens det tas hensyn til det endelige settet av scenarier. In another specific embodiment, the scenario generating unit is arranged to provide the final set of scenarios to a decision support unit, where the decision support unit is arranged to evaluate for an identified potential cause of a failure in the water network a corresponding impact on the water network, while taking into account the final set of scenarios.
Oppfinnelsen og dens utførelsesformer vil også fremgå av eksemplene beskrevet nedenfor i forbindelse med de vedlagte tegninger som illustrerer: Fig. la, b operasjonsmessige diagrammer for et vannlagringsanlegg, som tidligere kjent, The invention and its embodiments will also be apparent from the examples described below in connection with the attached drawings which illustrate: Fig. la, b operational diagrams for a water storage facility, as previously known,
Fig. 2 et scenario 3 for en parameter P, Fig. 2 a scenario 3 for a parameter P,
Fig. 3 usikkerheter for en parameter M moderert med tre scenarier, Fig. 3 uncertainties for a parameter M moderated by three scenarios,
Fig. 4 et system for optimalisert drift av et vannettverk, Fig. 4 a system for optimized operation of a water network,
Fig. 5 en sammenligning mellom optimalisering uten og med modellerte Fig. 5 a comparison between optimization without and with modeled
usikkerheter, uncertainties,
Fig. 6. eksempler på utganger generert av en nivåjusteringsenhet. Fig. 6. examples of outputs generated by a level adjustment unit.
Som ble forklart ovenfor, er hovedideen til oppfinnelsen den følgende: I stedet for å formulere bare ett optimaliseringsproblem slik det gjøres med deterministiske modereringstilnærminger, blir usikkerhetene i de forskjellige parametere i den hydrauliske modellen av vannettverket modellert som et endelig sett av mulige realiseringer av en respektiv parameter P over tid, hvilket fører til scenariobaserte optimaliseringsmodeller. Hvert scenario representerer en mulig parameterrealisering over tid, dvs. hvor på et bestemt tidspunkt i fremtiden blir en bestemt verdi for den respektive parameter P antatt å føre til et såkalt scenario 3 med en spesifikk sannsynlighet (Oi...cor, som vist i fig.2. As explained above, the main idea of the invention is the following: instead of formulating only one optimization problem as is done with deterministic moderation approaches, the uncertainties in the various parameters of the hydraulic model of the water network are modeled as a finite set of possible realizations of a respective parameter P over time, leading to scenario-based optimization models. Each scenario represents a possible parameter realization over time, i.e. where at a specific time in the future a specific value for the respective parameter P is assumed to lead to a so-called scenario 3 with a specific probability (Oi...cor, as shown in fig .2.
Hver bane fra roten til en av bladene følger et scenario. Nodene korresponderer til bestemte tidspunkt t{0,...,T}, hvor avgjørelser c(t) blir tatt. Each path from the root to one of the leaves follows a scenario. The nodes correspond to specific times t{0,...,T}, where decisions c(t) are made.
Optimaliseringsproblemet kan for eksempel løses ved å benytte to-trinns stokastiske programmeringsteknikker (2SSP). The optimization problem can, for example, be solved by using two-stage stochastic programming techniques (2SSP).
I mange situasjoner er det bare tilgjengelig ufullstendig informasjon om den underliggende sannsynlighetsfordeling. Scenariogenereringen blir da for det meste basert på bruk av historiske data for å benyttes på estimerings, simulerings- og samplingsteknikker, eller i stedet å inkludere kunnskapen til en erfaren nettverksoperatør. In many situations, only incomplete information about the underlying probability distribution is available. The scenario generation is then mostly based on the use of historical data to be used on estimation, simulation and sampling techniques, or instead to include the knowledge of an experienced network operator.
Den beregningsmessige innsats for å løse scenariobaserte optimaliseringsmodeller avhenger sterkt av antallet modellerte scenarier. Derfor må det tas hensyn til et kompromiss mellom presisjonen til tilnærmingen og modellstørrelsen, som øker eksponensielt med antallet scenarier. Anvendelse av spesielle scenarioreduksjonsteknikker hjelper til å redusere beregningstiden. I en utførelse av oppfinnelsen er ideen derfor å redusere antallet scenariotrenoder ved å bunte lignende scenarier. I det ekstreme tilfellet kan det endelige settet av mulige parameterrealiseringer, dvs. det endelige settet av scenarier, for eksempel reduseres til bare to scenarier, et nedre og et øvre scenario, hvor hver av de to scenariene eller kurvene representerer den ene kurven respektivt fra den nedre eller øvre halvdel av alle kurver, med den høyeste sannsynlighet. The computational effort to solve scenario-based optimization models strongly depends on the number of modeled scenarios. Therefore, a trade-off must be taken into account between the precision of the approximation and the model size, which increases exponentially with the number of scenarios. Application of special scenario reduction techniques helps to reduce the calculation time. In one embodiment of the invention, the idea is therefore to reduce the number of scenario tree nodes by bundling similar scenarios. In the extreme case, the final set of possible parameter realizations, i.e. the final set of scenarios, can for example be reduced to only two scenarios, a lower and an upper scenario, where each of the two scenarios or curves represents one curve respectively from the lower or upper half of all curves, with the highest probability.
Det å ta hensyn til usikkerheter i formuleringen av optimaliseringsproblemet fører til mer robust driftskonfigurasjonsinformasjon for den minst ene aktiveringsenhet ettersom umulige løsninger enklere kan unngås. På lengre sikt resulterer det også i høyere kostnadsbesparelser ettersom sikkerhetsmarginene i de øvre og nedre grenser for vannivåene, som er nødvendig i dag pga. deterministiske problemformuleringer, kan reduseres. Taking uncertainties into account in the formulation of the optimization problem leads to more robust operational configuration information for the at least one actuation unit as infeasible solutions can be more easily avoided. In the longer term, it also results in higher cost savings as the safety margins in the upper and lower limits of the water levels, which are necessary today due to deterministic problem formulations, can be reduced.
Den driftsmessige konfigurasjonsinformasjonen for den minst ene aktiveringsenheten kan være én av: • En aktivatorplan i form av en tidsserie av driftstilstander for den minst ene aktiveringsenheten, eller • En oppslagstabell av driftsinstruksjoner for genereringen av et styresignal for den minst ene aktiveringsenheten hvor driftsinstruksjonene er definert avhengig av gjeldende tidspunkt og/eller gjeldende tilstand til vannettverket, eller • Et sett av parametere, som for eksempel inkluderer minimum og/eller maksimumsverdier for styringssignalene som skal genereres for den minst ene aktiveringsenheten. The operational configuration information for the at least one activation unit can be one of: • An activator schedule in the form of a time series of operating states for the at least one activation unit, or • A lookup table of operating instructions for the generation of a control signal for the at least one activation unit where the operating instructions are defined depending of the current time and/or current state of the water network, or • A set of parameters, which for example include minimum and/or maximum values for the control signals to be generated for the at least one activation unit.
I det etterfølgende blir det beskrevet i nærmere detalj et eksempel på en stokastisk tilnærming for optimalisering av et vannettverk under usikkerheter for eksempelet med å modellere usikkerheten for vannbehovet. In what follows, an example of a stochastic approach for optimizing a water network under uncertainties is described in more detail for the example of modeling the uncertainty for water demand.
Det første trinnet er å modellere van nettverkets struktur og dynamikk. The first step is to model the structure and dynamics of the van network.
Oppgaven til vannforsyningssystemer er å transportere og fordele den påkrevde mengde vann i nødvendig kvalitet samtidig til angitte konsumenter eller lagrings-eller vannbehandlingsanlegg. Råvann fødes inn i nettverket av kilder, så som grunnvann eller overflatevann, slik som elver eller sjøer. Hvis påkrevd, får råvannet en kjemisk behandling. Etterpå blir det rene vannet enten lagret i små lagringsanlegg som er direkte plassert ved kildene, eller pumpet inn i nettverket. Pumper fører vannet gjennom rør ved å øke trykkhøyden i bestemte lokasjoner for å overvinne høydeforskjeller og å kompensere for trykkhøydetap i rør som forårsakes av friksjonstap. Antallet individuelle pumper som svitsjes på i en pumpestasjon beskrives ved en diskret avgjørelsesvariabel. Den kan ta enhver heltallsverdi mellom dens lave grense på null og dens øvre grense som er definert av det maksimale antall pumper i denne pumpestasjonen. Ventiler er nettverkselementer for å kontrollere strømninger og trykkhøyder. De kan strupes i forskjellig utstrekning til å styre bevegelsen av vann gjennom rør. Lagringsanleggene må gis spesiell oppfølging, fordi de er de eneste nettverkselementene som tilveiebringer en buffer mellom nettverksinnstrømning og utstrømning. De avkobler forskjellige vannettverksseksjoner og gjør systemet fleksibelt, og tillater slik forskjellige mulige driftsstrategier. The task of water supply systems is to transport and distribute the required amount of water in the required quality at the same time to specified consumers or storage or water treatment facilities. Raw water is fed into the network of sources, such as groundwater or surface water, such as rivers or lakes. If required, the raw water receives a chemical treatment. Afterwards, the clean water is either stored in small storage facilities located directly at the sources, or pumped into the network. Pumps move the water through pipes by increasing the pressure head in specific locations to overcome differences in height and to compensate for pressure head losses in pipes caused by friction losses. The number of individual pumps that are switched on in a pumping station is described by a discrete decision variable. It can take any integer value between its low limit of zero and its upper limit defined by the maximum number of pumps in this pump station. Valves are network elements to control flows and pressure levels. They can be throttled to different extents to control the movement of water through pipes. The storage facilities must be given special follow-up, because they are the only network elements that provide a buffer between network inflow and outflow. They decouple different water network sections and make the system flexible, thus allowing different possible operating strategies.
Vannettverkstopologien er beskrevet av en graf G=(N,E), hvor N står for et nodesett og E står for et kantsett. The water network topology is described by a graph G=(N,E), where N stands for a node set and E stands for an edge set.
Nodesettet N= U NcnU NdnU Nsnbestår av lagringsnoder Nrn, forbindelsesnoder Ncn, vannbehovnoder Ndnog kildenoder Nsn, og kantsettet E=EpiU EpuU Eva omfatter eller representerer vannrør (Epi), pumper (Epu) og ventiler (Eva). The node set N= U NcnU NdnU Nsn consists of storage nodes Nrn, connection nodes Ncn, water demand nodes Nd and source nodes Nsn, and the edge set E=EpiU EpuU Eva includes or represents water pipes (Epi), pumps (Epu) and valves (Eva).
Den fysiske tid t avhengige tilstand y(t) av nettverket består av trykkhøyder i nodene og strømninger langs kantene. Tilstand y(t) tilfredsstiller et system av differensial-algebraiske ligninger (DAEer) som inkluderer konserveringslover av Kirschhoff-typen, ikke-lineære trykkhøyde-strømningsforhold av pumper, ventiler og rør, og den temporære endringshastighet av vannlagringsnivåer i lagringsanlegg på grunn av strømninger. The physical time t dependent state y(t) of the network consists of pressure heights in the nodes and flows along the edges. State y(t) satisfies a system of differential-algebraic equations (DAEs) that include Kirschhoff-type conservation laws, nonlinear head-flow relationships of pumps, valves, and pipes, and the temporal rate of change of water storage levels in storage facilities due to flows.
De differensial-algebraiske ligningene påvirkes av styrings- og avgjørelsesvariablene c(t). hvor noen er integraler som representerer nettverksdriftskonfigurasjonen for pumpene, ventilene og kildestrømningen, dvs. den driftsmessige konfigurasjonsinformasjon for aktiveringsenhetene, særlig aktivatorplanene. Videre vil vannbehovet Jj(t) bestemme utstrømningen fra systemet. The differential-algebraic equations are affected by the control and decision variables c(t). where some are integrals representing the network operational configuration for the pumps, valves and source flow, i.e. the operational configuration information for the actuation units, particularly the actuation plans. Furthermore, the water demand Jj(t) will determine the outflow from the system.
Formelt kan tilstandsligningene F, dvs. systemet av DAEer, skrives som Formally, the state equations F, i.e. the system of DAEs, can be written as
hvor y(t) er førstegangs derivert av nettverkstilstanden y(t). where y(t) is the first derivative of the network state y(t).
Formuleringen av optimaliseringsproblemet inkluderer den objektive funksjonen cd, tilstandsligningene F og driftsmessige begrensninger G, hvorav noen er enkle grenser. The formulation of the optimization problem includes the objective function cd, the state equations F and operational constraints G, some of which are simple limits.
Den objektive funksjonen <D=(øpU+øsn) som skal minimaliseres består av driftskostnader, slik som pumpeenergikostnader Opuog kildestrømningskostnader c<p>znsom påføres under tidshorisonten T. The objective function <D=(øpU+øsn) to be minimized consists of operating costs, such as pump energy costs Opu and source flow costs c<p>zn which are applied during the time horizon T.
Begrensningene G begrenser tilstanden til systemet til dets praktiske driftsområde, slik som kravet om at pumpene arbeider i det fysiske området av positiv trykkhøydeøkning. The constraints G limit the state of the system to its practical operating range, such as the requirement that the pumps operate in the physical range of positive head rise.
Det driftsmessige planleggingsproblem og derved optimaliseringsproblemet er da The operational planning problem and thereby the optimization problem is then
forutsatt at: presumed that:
Den optimale løsning av avgjørelsesvariablene c(t) er svaret brukeren, dvs. vannverket, må implementeres i det reelle tekniske systemet. The optimal solution of the decision variables c(t) is the response the user, i.e. the water utility, must implement in the real technical system.
Generelt blir DAE-systemet diskretisert på et fiksert temporært nettverk (grid), og styrings- og avgjørelsesvariablene c(t) velges til å være stykkevis konstant, hvilket transformerer optimaliseringsproblemet til et dynamisk blandet heltall ikke-lineært programmerings (MINLP)-problem. In general, the DAE system is discretized on a fixed temporal network (grid), and the control and decision variables c(t) are chosen to be piecewise constant, transforming the optimization problem into a dynamic mixed integer nonlinear programming (MINLP) problem.
Den blandede heltallskomponenten er på grunn av koeksistensen av kontinuerlige og diskrete pumpevariabler. Den ikke-lineære delen omfatter den objektive funksjonen og trykk-strømningsforholdene. Avhengig av den numeriske løseren og dens underliggende algoritme, er glatte funksjoner sterkt ønsket, særlig ved bruk av derivertbaserte optimaliseringsmetoder. The mixed integer component is due to the coexistence of continuous and discrete pump variables. The non-linear part includes the objective function and the pressure-flow conditions. Depending on the numerical solver and its underlying algorithm, smooth functions are strongly desired, especially when using derivative-based optimization methods.
Gjeldende praksis i driftsplanlegging av vannverk er å løse Current practice in operational planning of waterworks is to solve
optimaliseringsproblemet for et fast behov ^ (t), vanligvis det forventede behov, hvilket gjør optimaliseringen deterministisk. the optimization problem for a fixed demand ^ (t), usually the expected demand, making the optimization deterministic.
Ifølge oppfinnelsen blir det istedet benyttet stokastisk optimalisering, hvilket gjør det mulig å ta hensyn til modellerings- og behovsusikkerheter. Generelt er en vanlig praksis for å korrigere tilfeldige forstyrrelser i dynamiske prosesser basert på bruk av en såkalt bevegelig horisont. Forutsatt at probabilistisk informasjon om usikkerhetsdataene er tilgjengelig, tar stokastiske modeller et trinn videre ved å inkludere eksplisitt denne stokastiske informasjon på fremtidige hendelser. Avgjørelsesprosessen blir prediktiv, istedet for bare å reagere på tidligere realiseringer av vannbehov. Derfor kreves det en stokastisk prosess, som beskriver at de tilfeldige vannbehovhendelser opptrer innen deres sannsynlighet. Den stokastiske prosess for det tilfeldige vannbehov med te[0,T] defineres på et underliggende kontinuerlig sannsynlighetsrom, som blant annet er en funksjon av det ovenfor beskrevne sett av tilstandsligninger F og av en sannsynlighetsfordeling P, og hvor T er varigheten av tidshorisonten. According to the invention, stochastic optimization is used instead, which makes it possible to take modeling and demand uncertainties into account. In general, a common practice for correcting random disturbances in dynamic processes is based on the use of a so-called moving horizon. Assuming that probabilistic information about the uncertainty data is available, stochastic models go a step further by explicitly including this stochastic information on future events. The decision-making process becomes predictive, instead of simply reacting to previous realizations of water needs. Therefore, a stochastic process is required, which describes that the random water demand events occur within their probability. The stochastic process for the random water demand with te[0,T] is defined on an underlying continuous probability space, which is, among other things, a function of the above-described set of state equations F and of a probability distribution P, and where T is the duration of the time horizon.
Åpenbart vil den eksplisitte representasjon av usikkerhet ved en stokastisk prosess føre til en økning av informasjon overtid. Den ytterligere modellerte informasjon øker kompleksiteten av optimaliseringsmodellen, resulterende i storskala stokastiske programmer. De fleste løsningsprosedyrer for slike storskala programmer er basert på tilnærming ved en diskret tid stokastisk prosess, hvor Jjttar verdier i Rs (for t e {0, ...T», hvor s : = |Ndn| betegner antallet forbruksnoder. De stokastiske variablene ij blir observert direkte før tid t og Jjoer antatt å være kjent ved t=0. Den diskrete tid stokastiske prosess er en samling av tilfeldige variabler $<=>(So, ...,St) in R<ST>. Obviously, the explicit representation of uncertainty in a stochastic process will lead to an increase of information overtime. The additional modeled information increases the complexity of the optimization model, resulting in large-scale stochastic programs. Most solution procedures for such large-scale programs are based on approximation by a discrete-time stochastic process, where Jjttar values in Rs (for t e {0, ...T», where s : = |Ndn| denotes the number of consumption nodes. The stochastic variables ij is observed directly before time t and J is assumed to be known at t=0. The discrete time stochastic process is a collection of random variables $<=>(So, ...,St) in R<ST>.
Videre, for å få et numerisk håndterbart optimaliseringsproblem, blir usikkerhet i vannbehov modellert som et endelig sett av mulige behovsrealiseringer over tid førende til scenariobaserte optimaliseringsmodeller. Dette betyr at en diskret tilnærming av den underliggende sannsynlighetsfordelingen blir betraktet, gitt av et endelig sannsynlighetsrom, som blant annet er en funksjon av bestemte scenarierC0jmed j=l,...,r. Hvert scenario representerer en mulig vannbehovrealisering i fremtiden og fremstår med sannsynlighet nwj> 0. Til sammen holder de modellerte scenarier, jr^ =i antatt at ett av scenariene vil skje i realiteten. Furthermore, to obtain a numerically tractable optimization problem, uncertainty in water demand is modeled as a finite set of possible demand realizations over time leading to scenario-based optimization models. This means that a discrete approximation of the underlying probability distribution is considered, given by a finite probability space, which is, among other things, a function of certain scenariosC0jwith j=l,...,r. Each scenario represents a possible realization of water demand in the future and appears with probability nwj> 0. Together, the modeled scenarios, jr^ =i assume that one of the scenarios will occur in reality.
Alle modellerte scenarier £2 = {oøi, ..., oor} kan representeres i form av et scenariotre, som vist i fig. 2. Hver bane fra roten til et av dets blader samsvarer med ett scenario. Nodene korresponderer til bestemte punkter i tid t e {0, ..., T}, hvor det tas avgjørelser c(t), dvs hvor bestemte aktuatorinngrep blir utført. Kantene avgrenser de usikre vannbehovvariablene. Scenariotreet avgrenes for hver modellert behovrealisering i hver t e {0, ..., T}. For å samsvare med notasjonen av den stokastiske prosessen Jj avmerker hvert scenario (Oj e £2 d en mulig vannbehovrealisering ^ = {^ n, ..., ^j), hvor ^ betegner det j-th-scenario for tidsperiode k. All modeled scenarios £2 = {oøi, ..., oor} can be represented in the form of a scenario tree, as shown in fig. 2. Each path from the root to one of its leaves corresponds to one scenario. The nodes correspond to specific points in time t e {0, ..., T}, where decisions c(t) are made, i.e. where specific actuator interventions are performed. The edges delimit the uncertain water demand variables. The scenario tree is branched for each modeled need realization in each t e {0, ..., T}. To match the notation of the stochastic process Jj marks each scenario (Oj e £2 d a possible water demand realization ^ = {^ n, ..., ^j), where ^ denotes the j-th scenario for time period k.
Siden resultatene av det virkelige underliggende problem er av sterk interesse, er generaliseringen av et slikt scenariotre en viktig oppgave. Hovedmålet består i en egnet representasjon av den underliggende sannsynlighetsfordelingen av {j, fordi den optimale verdi og den optimale løsning avhenger av de valgte scenarier. I mange applikasjoner er det bare ufullstendig informasjon tilgjengelig om den underligggende tilgjengelige sannsynlighetsfordeling. Scenariogeneraliseringen er da for det meste på bruk av historiske data for bruk på estimerings-, simulerings-og samplingsteknikker, eller i stedet å inkludere kjennskapen til en erfaren n ettve rkso pe ra tø r. Since the results of the real underlying problem are of strong interest, the generalization of such a scenario tree is an important task. The main goal consists in a suitable representation of the underlying probability distribution of {j, because the optimal value and the optimal solution depend on the selected scenarios. In many applications, only incomplete information is available about the underlying available probability distribution. The scenario generalization is then mostly on the use of historical data for use on estimation, simulation and sampling techniques, or instead to include the knowledge of an experienced network operator.
Generelt kan det skjelnes fire forskjellige tilnærmelsestyper av den sanne sannsynlighetsfordelingen P av et endelig scenariosett med henblikk på graden av tilgjengelig informasjon: full kjennskap til P, kjent parametrisk familie, samplet informasjon og lavt informasjonsnivå. Hvis det bare eksisterer lite informasjon som er basert på observerte data, er konstruksjonen av øvre og nedre scenarier typiske samplinger, som vist i fig. 3. Det øvre scenariet 10 og det nedre scenariet 11 definerer da området av mulige behovsrealiseringer og gir grenser for den optimale verdi av optimaliseringsproblemet. I tillegg kan det genereres et forventet verdiscenario, betegnet med 9, som kan være scenariet med for tiden høyest sannsynlighet. In general, four different types of approximation of the true probability distribution P of a finite set of scenarios can be distinguished with regard to the degree of available information: full knowledge of P, known parametric family, sampled information and low level of information. If little information exists that is based on observed data, the construction of upper and lower scenarios are typical samples, as shown in Fig. 3. The upper scenario 10 and the lower scenario 11 then define the range of possible need realizations and provide limits for the optimal value of the optimization problem. In addition, an expected value scenario can be generated, denoted by 9, which may be the scenario with the currently highest probability.
Beregningsinnsatsen for å løse scenariobaserte optimaliseringsmodeller avhenger sterkt av antallet modellerte scenarier. Det må derfor gjøres et kompromiss av presisjonen av tilnærmingen og modellstørrelsen, som øker ekspansielt med antallet scenarier. Det er vanlig praksis å benytte spesielle scenarioreduksjonsteknikker som fremdeles representerer egenede tilnærminger. Disse metologier er basert på anvendelse av suksessiv scenarioreduksjon. The computational effort to solve scenario-based optimization models strongly depends on the number of modeled scenarios. A compromise must therefore be made between the precision of the approximation and the model size, which increases exponentially with the number of scenarios. It is common practice to use special scenario reduction techniques which still represent proprietary approaches. These methodologies are based on the application of successive scenario reduction.
Idéen er å redusere antall scenariotrenoder ved å bunte lignende scenarier. De reduserte trærne og det originale treet vil da bli sammenlignet ved en bestemt avstand av sannsynlighetsmetrikk. Nye sannsynligheter blir da tildelt det reduserte treet slik at det nye sannsynlighetsmålet er det som er nærmest den innledende fordelingen når det gjelder naturlig avstandsmetrikk. The idea is to reduce the number of scenario tree nodes by bundling similar scenarios. The reduced trees and the original tree will then be compared at a certain distance of the probability metric. New probabilities are then assigned to the reduced tree so that the new probability measure is the one closest to the initial distribution in terms of natural distance metrics.
Et annet viktig faktum baserer seg på robustheten til den optimale objektive verdi og den optimale løsning vedrørende de benyttede scenarier. Robusthet er ønskelig, dvs små forstyrrelser av scenariene og de korresponderende sannsynligheter bør høyst resultere i små endringer i den optimale objektive verdien og den optimale løsningen. Another important fact is based on the robustness of the optimal objective value and the optimal solution regarding the scenarios used. Robustness is desirable, i.e. small disturbances of the scenarios and the corresponding probabilities should at most result in small changes in the optimal objective value and the optimal solution.
Som beskrevet ovenfor er det tilveiebrakt at sannsynlighetsinformasjon om usikkerheten i vannbehovet er tilgjengelig og stokasiske optimaliseringsmetoder kan brukes for å utnytte den. Det stokasiske optimaliseringsproblemet er da å minimalisere en objektiv funksjon O, som særlig betrakter forventede operasjonskostnader, hvor minimaliseringen er underlagt kravet at den tilveiebrakte operasjonsmessige konfigurasjonsinformasjonen for aktiveringsenhetene er egnet for alle vannbehovsrealiseringer. Som det også ble forklart ovenfor, blir usikkerhet i vannbehov modellert som et endelig sett av mulige behovsrealiseringer som fører til såkalte scenariobaserte optimaliseringsmodeller for å få et numerisk håndterbart optimaliseringsproblem. As described above, it is provided that probabilistic information about the uncertainty in water demand is available and stochastic optimization methods can be used to exploit it. The stochastic optimization problem is then to minimize an objective function O, which particularly considers expected operating costs, where the minimization is subject to the requirement that the provided operational configuration information for the activation units is suitable for all water demand realizations. As was also explained above, uncertainty in water demand is modeled as a finite set of possible demand realizations leading to so-called scenario-based optimization models to obtain a numerically tractable optimization problem.
Ved siden av å ta hensyn til den usikre behovsstrukturen, som beskrevet ovenfor, utnytter to-trinns stokastisk programmering (2SSP) det faktum at bare deler av avgjørelsene, som er her-og-nå-avgjørelser x, såkalte førstetrinnsavgjørelser, må utføres før behovet kan observeres. Dette er kjent under uttrykket ikke-forutsigbarhet. In addition to taking into account the uncertain demand structure, as described above, two-stage stochastic programming (2SSP) exploits the fact that only parts of the decisions, which are here-and-now decisions x, so-called first-stage decisions, have to be carried out before the demand can be observed. This is known as unpredictability.
De gjenværende kontrollvariablene, som er utveishandlinger z, såkalte andre trinns avgjørelser, må bare fastsettes på et senere tidspunkt når deler av behovet allerede har blitt observert. The remaining control variables, which are resort actions z, so-called second stage decisions, only have to be determined at a later time when parts of the need have already been observed.
Generelt fører dette til flertrinns stokastisk programmering. Her begrenser vi oppmerksomheten til den mer optimistiske to-trinns fremgangsmåten hvor valget av utveishandlinger z er basert på den fullstendige kjennskap til behovsrealiseringen In general, this leads to multistage stochastic programming. Here we limit our attention to the more optimistic two-step procedure, where the choice of solution actions z is based on the complete knowledge of the need realization
I det etterfølgende vil vi betegne første og andre trinns variabler med respektivt x(t) bzw. z(t, ^t(æ)). Et scenariobasert optimaliseringsproblem i form av en 2SSP-modellformulering, hvor utveishandlingen er definert fra tidspunktet t~e (0,T) blir: In what follows, we will denote the first and second stage variables by x(t) and bzw respectively. z(t, ^t(æ)). A scenario-based optimization problem in the form of a 2SSP model formulation, where the exit action is defined from time t~e (0,T) becomes:
Hvor ø2ssp er den objektive funksjonen som skal minimeres, Where ø2ssp is the objective function to be minimized,
cDpuer energiforbrukskostnader i pumpestasjon pu og cDpuer energy consumption costs in pumping station pu and
cDsner kildestrømningskostnader. cDsner source flow costs.
Energiforbrukskostnaden Oputar blant annet hensyn til pumpeeffektiviteten. Pumper omdanner elektrisk energi til mekanisk energi av vann. Pumpeeffektiviteten, kalt ledning-til-vann-effektivitet beskriver effektiviteten av denne omformingen. Den øker med strømningshastigheten gjennom pumpen opptil et bestemt punkt, kalt toppeffektivitet, og minsker deretter med ytterligere stigende strømningsrate. The energy consumption cost takes into account pump efficiency, among other things. Pumps convert electrical energy into mechanical energy of water. The pumping efficiency, called line-to-water efficiency, describes the efficiency of this transformation. It increases with flow rate through the pump up to a certain point, called peak efficiency, and then decreases with further increasing flow rate.
Kildestrømningskostnaden cDsnreflekterer kostanden for tilveiebringelse av vann fra vannkildene, slik som vannbehandlingsanlegg, avsaltingsanlegg eller vannreservoarer. The source flow cost cDsnreflects the cost of providing water from the water sources, such as water treatment plants, desalination plants or water reservoirs.
Ytterligere kostnader som kan tas hensyn til i den objektive funksjonen cd2ssp kan være såkalte straffekostnader for overskridelse av grensebetingelser i va n n rese rvoa re ne. Additional costs that can be taken into account in the objective function cd2ssp can be so-called penalty costs for exceeding boundary conditions in water reservoirs.
Uttrykket kostnad er å forstå ikke bare i pengemessig forstand, men brukes til å representere generelt nivået av uønskede sideeffekter som skal minimaliseres. Disse uønskede sideeffektene er generelt knyttet til driften av aktiveringsenhetene, siden enhver aktiveringshandling kan resultere i minst én av produksjonen av for mye støy eller karbondioksid, bruk av for mye elektrisk energi, økning i mengden av kostbart vann pumpet inn i nettverket fra et reservoar, eller at det nås en uønsket frekvens og/eller amplitude av selve aktiveringsoperasjonen. Alle disse og flere uønskede sideeffekter kan modelleres inn i den objektive funksjonen og derved inn i optimaliseringsproblemet og blir da unngått så mye som mulig på grunn av minimaliseringen av denne objektive funksjonen. The term cost is to be understood not only in a monetary sense, but is used to generally represent the level of unwanted side effects to be minimised. These undesirable side effects are generally related to the operation of the activation units, since any activation action can result in at least one of the production of too much noise or carbon dioxide, the use of too much electrical energy, an increase in the amount of costly water pumped into the network from a reservoir, or that an unwanted frequency and/or amplitude is reached by the activation operation itself. All these and more unwanted side effects can be modeled into the objective function and thereby into the optimization problem and are then avoided as much as possible due to the minimization of this objective function.
På grunn av en endelige diskretisering av den underliggende stokastiske prosessen har ligningene (5) til (8) form av en deterministisk optimaliseringsmodell. Derfor kalles det også den korresponderende deterministiske ekvivalent av 2SSP-problemet. Fordelen ved den deterministiske ekvivalenten består av bedre numerisk håndterbarhet ved å unngå sannsynlighetsintegraler. Due to a finite discretization of the underlying stochastic process, equations (5) to (8) take the form of a deterministic optimization model. Therefore, it is also called the corresponding deterministic equivalent of the 2SSP problem. The advantage of the deterministic equivalent consists of better numerical tractability by avoiding probability integrals.
Ved bruk av eksempelet på et vannettverk 17, som vist i fig. 4, kan det forstås at 2SSP fører til mer kostnadseffektive og robuste vannettverksoperasjoner mens det tilfører sikkerhet i vannforsyningen. Vannettverket i fig. 4 består av vannrør som knytter sammen de følgende driftselementer: kilder S fra hvilke vannet strømmer inn i nettverket, forbruksenheter C, hvor vannet forlater nettverket, pumper 20 for å øke trykkhøyden i bestemte lokasjoner for å overvinne høydeforskjeller og kompensere for trykksenkning i rørene, vannlagringsanlegg, så som vannreservoarer eller tanker 21 for å tilveiebringe en buffer mellom innstrømning og utstrømning av nettverket og for å skille forskjellige seksjoner av vannettverket, og forskjellige typer ventiler, som avbildet ved alle de gjenværende elementene i nettverket 17, for å kontrollere bevegelsen av vann gjennom rørene og derved kontrollere strømninger og trykk, ved å strupe ventilene i forskjellig utstrekning. Using the example of a water network 17, as shown in fig. 4, it can be understood that 2SSP leads to more cost-effective and robust water network operations while adding security to the water supply. The water network in fig. 4 consists of water pipes that connect the following operating elements: sources S from which the water flows into the network, consumption units C, where the water leaves the network, pumps 20 to increase the pressure head in specific locations to overcome differences in height and compensate for pressure drop in the pipes, water storage facilities , such as water reservoirs or tanks 21 to provide a buffer between inflow and outflow of the network and to separate different sections of the water network, and different types of valves, as depicted by all the remaining elements of the network 17, to control the movement of water through the pipes and thereby control flows and pressure, by throttling the valves to different extents.
For å bestemme den potensielle fordel av å løse et stokastisk problem i forhold til å løse et korresponderende deterministisk problem, hvor det forventede behov erstatter det usikre behovet, benyttes verdien av den stokastiske løsningen (VSS). VSS er et adekvat trekk fordi det indikerer hvor godt den optimale løsning av en 2SSP-modell virker i forhold til den deterministiske optimale løsning som er innebygget i et usikkert behovsrammeverk. To determine the potential benefit of solving a stochastic problem in relation to solving a corresponding deterministic problem, where the expected need replaces the uncertain need, the value of the stochastic solution (VSS) is used. VSS is an adequate feature because it indicates how well the optimal solution of a 2SSP model works in relation to the deterministic optimal solution built into an uncertain needs framework.
Strukturen av 2SSP-modeller sikrer at første trinns avgjørelser bare er gjennomførbare hvis det eksisterer en gjennomførbar utveishandling for hvert kartlagt behovscenario. Dette betyr at første trinns variabler beregnes for å gjøre modellen gjennomførbar på lang sikt, slik at kurvene for de optimale vannlagringsnivåer ligger mellom de forhåndsbestemte grensene. Derfor holdes vannivåene under kontroll i 2SSP. The structure of 2SSP models ensures that first-stage decisions are only feasible if a feasible solution exists for each mapped needs scenario. This means that the first stage variables are calculated to make the model feasible in the long term, so that the curves for the optimal water storage levels lie between the predetermined limits. Therefore, the water levels are kept under control in 2SSP.
Dette kan sees fra høyre side av fig. 5 som viser det forventede vannlagringsnivå 14 og det resulterende virkelige vannlagringsnivået 15 for den stokastiske optimaliseringen av 2SSP-modellen av det ovenfor beskrevne vannettverket. This can be seen from the right side of fig. 5 showing the expected water storage level 14 and the resulting actual water storage level 15 for the stochastic optimization of the 2SSP model of the water network described above.
Både de forventede og resulterende virkelige vannlagringsnivåene 12 og 13 ligger mellom de øvre og nedre nivågrensene, vist som stiplede linjer. Ytterligere eksperimenter for vilkårlige behovsrealiseringer bekreftet egnetheten til 2SSP, og tillater derfor minskning av de nedre grenser for vannlagringsnivåene i lagringsanleggene. Som en konsekvens kreves mindre pumping resulterende i ytterligere kostnadsinnsparinger. Both the expected and resulting actual water storage levels 12 and 13 lie between the upper and lower level limits, shown as dashed lines. Further experiments for arbitrary demand realizations confirmed the suitability of the 2SSP, therefore allowing the reduction of the lower limits of the water storage levels in the storage facilities. As a consequence, less pumping is required resulting in further cost savings.
På den annen side er den korresponderende modellen basert på en forventet og ikke en usikker behovsverdi uegnet, hvilket illustrerer at et optimalt deterministisk opplegg for et forventet behov ikke nødvendigvis er optimalt eller til og med egnet for det virkelige behov. For gjennomførbart å operere vannettverket måtte omtrentlige (slack) variabler introduseres og som reaksjon på en plutselig økning i vannbehov måtte til og med en underskridelse av den nedre nivågrensen aksepteres, som det kan sees fra det forventede vannlagringsnivået 12 og det resulterende virkelige vannlagringsnivået 13 på venstre side i fig. 5. On the other hand, the corresponding model based on an expected and not an uncertain demand value is unsuitable, which illustrates that an optimal deterministic scheme for an expected demand is not necessarily optimal or even suitable for the real demand. To feasibly operate the water network, approximate (slack) variables had to be introduced and in response to a sudden increase in water demand even an undershoot of the lower level limit had to be accepted, as can be seen from the expected water storage level 12 and the resulting actual water storage level 13 on the left page in fig. 5.
Generelt ble det bestemt at de optimale objektive verdier holder <t>2ssp « Oeev, hvilket ytteligere illustrerer betydningen av stokastisk optimalisering for vannettverksoperasjoner. Et annet viktig aspekt ved den stokastiske tilnærmingen er den beregningsmessige innsatsen. Modellstørrelsen av 2SSP-modellene øker lineært med antallet scenarier og beregningstiden indikerer kvadratisk stigning med henblikk på antallet scenarier. Men selv en grov tilnærming av den underliggende sannsynlighetsfordeling som omfatter få scenarier gir gode resultater sammenlignet med den deterministiske optimalisering ved en moderat økning i beregningsmessig kompleksitet. Ytterigere små pertubasjoner av de modellerte behovsscenarier fører bare til marginale forskjeller i de optimale objektive verdiene eller i den optimale løsning av de stokastiske programmene. In general, it was determined that the optimal objective values hold <t>2ssp « Oeev, which further illustrates the importance of stochastic optimization for water network operations. Another important aspect of the stochastic approach is the computational effort. The model size of the 2SSP models increases linearly with the number of scenarios and the calculation time indicates a quadratic increase with respect to the number of scenarios. But even a rough approximation of the underlying probability distribution that includes few scenarios gives good results compared to the deterministic optimization at a moderate increase in computational complexity. Further small perturbations of the modeled demand scenarios only lead to marginal differences in the optimal objective values or in the optimal solution of the stochastic programs.
Fig. 4 viser et eksempel på et system 16 for den stokastiske optimalisering av driften av et vannettverk. Systemet 16 inneholder en optimaliseringsenhet OP for å utføre den ovenfor beskrevne minimalisering av den objektive funksjon for å generere minst én driftskonfigurasjonsinformasjon, nærmere bestemt minst ett aktuatoropplegg, som deretter avgis til et kontrollsystem CS for å benyttes på den påtenkte minst ene aktiveringsenhet i vannettverket 17 via et utgangsgrensesnitt 18. Aktiveringsenhetene i vannettverket 17 er pumpene 20 for å øke trykket ved bestemte lokasjoner inne i nettverket, pumpene og ventilene i vannlagringsanleggene 21, og de forskjellige typer av ventiler inne i nettverket. Fig. 4 shows an example of a system 16 for the stochastic optimization of the operation of a water network. The system 16 contains an optimization unit OP to perform the above-described minimization of the objective function to generate at least one operating configuration information, more specifically at least one actuator layout, which is then transmitted to a control system CS to be used on the intended at least one activation unit in the water network 17 via an output interface 18. The activation units in the water network 17 are the pumps 20 to increase the pressure at specific locations within the network, the pumps and valves in the water storage facilities 21, and the various types of valves within the network.
System 16 inneholder videre en scenariogenererende enhet SG. Den scenariogenerende enheten SG er innrettet til å generere scenarier cojfor det fremtidige vannbehov fra usikkerheter for vannbehovet utledet fra virkelige data i vannettverket, dvs fra historiske måledata MD som inkluderer måledata av vannbehovet. Måledataene MD lagres i en lagringsenhet 23 som tilhører system 16. Lagringsenhet 23 kan enten være et volatilt dataminne, feks en RAM, eller et permament dataminne. System 16 also contains a scenario generating unit SG. The scenario generating unit SG is designed to generate scenarios for the future water demand from uncertainties for the water demand derived from real data in the water network, i.e. from historical measurement data MD which includes measurement data of the water demand. The measurement data MD is stored in a storage unit 23 belonging to system 16. Storage unit 23 can either be a volatile data memory, for example a RAM, or a permanent data memory.
Scenariene er antagelser for vannbehovet i fremtiden, hvor det forventede vannbehovet variere f.eks. avhengig av tiden på dagen, ukedagen eller tiden på året. Følgelig kan det tas hensyn til dag-natt-variasjoner, høyere vannbehov under varme eller solrike måneder i året, eller pga store publikums-arrangementer ved scenariogenererende enhet SG. I tillegg kan den scenariogenererende enheten SG ta hensyn til ytterligere informasjon som implisitt kan influere på vannbehovet, slik som informasjon om elektrisitetstariffer ET og/eller vannkildekostnader WSC, som kan lagres i lagringsenhet 23 eller som kan inngis direkte til systemet av en operatør. Videre kan slik tilleggsinformasjon være utendørstemperaturer, værmeldinger eller informasjon om offentlige arrangementer. Foruten modellering av scenarier for vannbehovet, kan den scenariogenrerende SG f.eks. generere scenarier for variasjonen av effektiviteten til vannpumpene i vannettverket. For dette formål kan pumpeeffektivitetskarakteristikker lagres i lagringsenhet 23 og kan brukes av den scenariogenererende enheten sammen med måledata på driften av vannpumpene for å modellere den fremtidige usikkerheten i effektiviteten av vannpumpene. The scenarios are assumptions for the water demand in the future, where the expected water demand varies e.g. depending on the time of day, day of the week or time of year. Consequently, day-night variations, higher water needs during hot or sunny months of the year, or due to large public events at the scenario-generating unit SG can be taken into account. In addition, the scenario generating unit SG can take into account additional information that can implicitly influence the water demand, such as information about electricity tariffs ET and/or water source costs WSC, which can be stored in storage unit 23 or which can be entered directly into the system by an operator. Furthermore, such additional information can be outdoor temperatures, weather reports or information about public events. Besides modeling scenarios for the water demand, the scenario-generating SG can e.g. generate scenarios for the variation of the efficiency of the water pumps in the water network. For this purpose, pump efficiency characteristics can be stored in the storage unit 23 and can be used by the scenario generating unit together with measurement data on the operation of the water pumps to model the future uncertainty in the efficiency of the water pumps.
Det endelige settet av scenarier for fremtidige vannbehov, generert av den scenariegenererende enheten SG, blir deretter levert til optimaliseringsenheten OP, hvor det er input til optimaliseringsproblemet. Optimaliseringsproblemet tar videre hensyn til en hydraulisk modell F av va nn nettverket 17 (se ligningene (3) og (6)), minst én driftsbegrensning G (se ligninger (4) og (7)) og minst én objektiv funksjon CD for å representere en uønsket sideeffekt U av operasjonen av den minst ene aktiveringsenheten, modellert feks som energiforbrukskostnad Opuog kildestrømningskostnad øsn. Optimaliseringsproblemet kan til og med også ta hensyn til variasjoner i parametere som den i minste uønskede sideeffekten avhenger av, slik som variasjoner i elektrisitetstariffene ET som påvirker energiforbrukskostnaden øpu og variasjoner i tariffer for vannkildekostnader WSC som påvirker kildestrømningskostnaden cDsn. Følgelig er optimaliseringsenheten OP innrettet til å tilveiebringe de respektive variasjoner av parametrene fra lagringsenheten 23. The final set of scenarios for future water needs, generated by the scenario generating unit SG, is then delivered to the optimization unit OP, where it is input to the optimization problem. The optimization problem further takes into account a hydraulic model F of the water network 17 (see equations (3) and (6)), at least one operating constraint G (see equations (4) and (7)) and at least one objective function CD to represent an unwanted side effect U of the operation of at least one activation unit, modeled for example as energy consumption cost Opu and source flow cost øsn. The optimization problem can even take into account variations in parameters on which the least undesirable side effect depends, such as variations in the electricity tariffs ET which affect the energy consumption cost øpu and variations in tariffs for water source costs WSC which affect the source flow cost cDsn. Accordingly, the optimization unit OP is arranged to provide the respective variations of the parameters from the storage unit 23.
Scenariene kan også presenteres via et menneske-maskin-grensesnitt til en operatør, som kan endre dem ifølge hans erfaring. The scenarios can also be presented via a human-machine interface to an operator, who can modify them according to his experience.
I visse utførelser er den scenariogenererende enhet SG arrangert til å utlede øvre og nedre scenarier, og - om påkrevet - ett eller flere ytterligere forventet verdiscenarier. Den scenariogenererende enheten SG kan være innrettet til å levere vannbehovscenariene til en grafisk fremvisningsenhet for visualisering, f.eks. i form av et tre som i figur 2 eller i form av en tidsavhengig graf som viser de øvre og nedre scenarier såvel som det forventede verdiscenariet som i fig. 3 eller i enhver annen egnet grafisk form. In certain embodiments, the scenario generating unit SG is arranged to derive upper and lower scenarios, and - if required - one or more additional expected value scenarios. The scenario generating unit SG may be arranged to deliver the water demand scenarios to a graphical display unit for visualization, e.g. in the form of a tree as in figure 2 or in the form of a time-dependent graph showing the upper and lower scenarios as well as the expected value scenario as in fig. 3 or in any other suitable graphic form.
System 16 inneholder videre en nivåjusteringsenhet LA som er innrettet til å bestemme en avhengighet mellom en minskning i en lavere nivågrense av et vannlagringsanlegg og en utstrekning i hvilken den minst ene uønskede sideeffekten U reduseres mens en samtidig holder seg til den minst ene tidsbegrensning G og å tilveiebringe til optimaliseringsenheten OP, som en oppdatert tidsbegrensning G til optimaliseringsproblemet, en ny verdi for den nedre nivågrensen. Et eksempel på en slik avhengighet er avbildet i fig. 6, hvor energiinnsparing er vist over en varierende nedre grense. Energiinnsparingen er i virkeligheten en invertert uønsket effekt U i den forstand at den uønskede effekt er de pengemessige energikostnader. Dess høyere energikostnader, dess lavere energisparinger. Det skraverte området indikerer et område hvor ingen av de minst ene driftsbegresningene G blir overskredet. System 16 further contains a level adjustment unit LA which is arranged to determine a dependency between a reduction in a lower level limit of a water storage facility and an extent to which the at least one undesirable side effect U is reduced while simultaneously adhering to the at least one time limitation G and to providing to the optimization unit OP, as an updated time constraint G to the optimization problem, a new value for the lower level limit. An example of such a dependence is depicted in fig. 6, where energy saving is shown over a varying lower limit. The energy saving is in reality an inverted unwanted effect U in the sense that the unwanted effect is the monetary energy costs. The higher the energy costs, the lower the energy savings. The shaded area indicates an area where none of the at least one operational limitation G is exceeded.
Den nivåjusterende enheten LA kan videre innrettes til å bestemme den nye verdien for den nedre nivågrensen ved også å ta hensyn til en avhengighet mellom reduksjonen i den uønskede sideeffekten U og en risiko for at vannlagringsanlegget når et kritisk vannivå. Et eksempel på en slik avhengighet er vist i fig. 7 som et risikonivå over energiinnsparinger. Dess høyere energiinnsparinger, dess høyere er risikoen for å nå det kritiske vannnivået. Basert på et slikt forhold kan det finnes et optimum ved et risikonivå som operatøren av vannettverket er villig til å ta. The level adjusting unit LA can further be arranged to determine the new value for the lower level limit by also taking into account a dependence between the reduction in the unwanted side effect U and a risk of the water storage facility reaching a critical water level. An example of such a dependence is shown in fig. 7 as a risk level above energy savings. The higher the energy savings, the higher the risk of reaching the critical water level. Based on such a relationship, an optimum can be found at a risk level that the operator of the water network is willing to take.
De ovenfor nevnte avhengigheter kan bestemmes i form av funksjonelle forhold, eller tabeller, eller regelbaserte forhold. The above-mentioned dependencies can be determined in the form of functional relationships, or tables, or rule-based relationships.
Et annet element som kan inneholdes i system 16 er en avgjørelsesstøtteenhet DS. Avgjørelsesstøtteenheten DS mottar det endelige settet av scenarier fra den scenariogenererende enheten SG og bruker det som inngang for å evaluere for en identifisert potensiell årsak til en feil i vannettverket 17 en korresponderende påvirkning på vannettverket 17. Another element that can be contained in system 16 is a decision support unit DS. The decision support unit DS receives the final set of scenarios from the scenario generating unit SG and uses it as input to evaluate for an identified potential cause of a failure in the water network 17 a corresponding impact on the water network 17.
En fremgangsmåte utført av den avgjørelsesstøttende enheten kan inneholde trinnene å A method performed by the decision support unit may include the steps to
a) motta en feilmelding som indikerer et problem i vannettverket 17, a) receive an error message indicating a problem in the water network 17,
b) bestemme fra feilmeldingen en serie av potensielle årsaker til den meldte feilen, b) determine from the error message a series of potential causes for the reported error,
c) bestemme, for hver potensiell årsak, en estimert påvirkning, c) determine, for each potential cause, an estimated impact,
d) samle de estimerte påvirkninger for hver potensiell årsak for å utlede en d) aggregate the estimated impacts for each potential cause to derive one
viktighetsindikasjon for den meldte feil. importance indication for the reported error.
I denne fremgangsmåten inkluderer trinnet for å bestemme en estimert påvirkning på hver potensiell årsak et risikoscenario med innledende nettverksbetingelser og antatte fremtidige nettverksforhold i vannettverket, hvor det endelige settet av scenarier brukes til å representere de fremtidige nettverksforhold. In this approach, the step of determining an estimated impact on each potential cause includes a risk scenario with initial network conditions and assumed future network conditions in the water network, where the final set of scenarios is used to represent the future network conditions.
Utgangen av avgjørelsesstøtteenheten DS, dvs viktighetsindikasjonen, kan da brukes av styringssystemet CS til å bestemme hvor hurtig den meldte feilen krever en respons og/eller en prioritering, eller rekkefølge som en serie av meldte feil bør reageres på. The output of the decision support unit DS, i.e. the importance indication, can then be used by the management system CS to determine how quickly the reported error requires a response and/or a priority, or order in which a series of reported errors should be responded to.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP11189381 | 2011-11-16 | ||
| PCT/EP2012/065802 WO2013026731A1 (en) | 2011-08-22 | 2012-08-13 | System and method to optimize operation of a water network |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20140362A1 true NO20140362A1 (en) | 2014-05-22 |
| NO347239B1 NO347239B1 (en) | 2023-07-24 |
Family
ID=46682833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20140362A NO347239B1 (en) | 2011-11-16 | 2012-08-13 | System and method to optimize operation of a water network |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE112012003487T5 (en) |
| DK (1) | DK201470104A (en) |
| NO (1) | NO347239B1 (en) |
| SE (1) | SE1450161A1 (en) |
| WO (1) | WO2013026731A1 (en) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201402695D0 (en) * | 2014-02-16 | 2014-04-02 | Arscott David S | System for optimising performance in a water network |
| CN104008425B (en) * | 2014-05-12 | 2017-05-17 | 国家电网公司 | Hydro-thermal power system multi-target peak modulation method based on gravity search |
| US10580095B2 (en) * | 2015-03-20 | 2020-03-03 | Accenture Global Solutions Limited | Method and system for water production and distribution control |
| CN104732304A (en) * | 2015-04-15 | 2015-06-24 | 河南理工大学 | Grey artificial neural network combination model based method for predicting height of water-flowing fractured zone |
| ES2906411T3 (en) * | 2015-06-29 | 2022-04-18 | Suez Groupe | Anomaly detection procedure in a water distribution system |
| CN105868841B (en) * | 2016-03-21 | 2019-07-16 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | A combined dispatching method of wind, water and fire based on the priority grid of wind power |
| WO2019020183A1 (en) * | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Siemens Aktiengesellschaft | METHOD AND DEVICE FOR WATER REQUIREMENT CALCULATION |
| CN109345010B (en) * | 2018-09-18 | 2021-08-24 | 中国水利水电科学研究院 | A Multi-objective Optimal Scheduling Method for Cascade Pumping Stations |
| GB201817011D0 (en) * | 2018-10-18 | 2018-12-05 | Inflowmatix Ltd | Hydraulic network model |
| CN109636148B (en) * | 2018-11-29 | 2022-09-13 | 华南理工大学 | Energy network equation-based working state evaluation method of multi-energy flow system |
| CN110136026A (en) * | 2019-04-30 | 2019-08-16 | 佛山水业集团高明供水有限公司 | A kind of control method and its control system of water factory's water distribution |
| CN110610264B (en) * | 2019-09-05 | 2022-10-14 | 大连理工大学 | A single-objective optimization method for water supply network regulation under uncertainty scenarios |
| EP3843027A1 (en) * | 2019-12-27 | 2021-06-30 | Fundación Tecnalia Research & Innovation | Method, system and computer program product for predicting water usage in a water supply network |
| CN111652503B (en) * | 2020-06-01 | 2023-12-12 | 中南大学 | Multi-step multi-line ship lock joint scheduling method and structure based on network flow model |
| CN112966359B (en) * | 2021-03-12 | 2024-11-12 | 扬州大学 | A method for optimizing the layout of pipe diameters in urban ring water supply networks |
| CN113311799B (en) * | 2021-06-09 | 2022-10-04 | 上海电器科学研究所(集团)有限公司 | Urban Drainage Operation Scheduling Decision System and Construction Method |
| EP4428774B1 (en) * | 2023-03-10 | 2025-10-01 | Abb Schweiz Ag | Method for robust controlling a water distribution network |
| CN120297698B (en) * | 2025-06-11 | 2025-10-28 | 福州市城区水系联排联调中心 | Urban inland river water system intelligent resource scheduling management system and method based on dynamic data cooperation |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2788026A1 (en) * | 2010-01-27 | 2011-08-04 | Frederik Blank | Arrangement and method for optimizing the operation of a supply network |
-
2012
- 2012-08-13 NO NO20140362A patent/NO347239B1/en unknown
- 2012-08-13 DE DE112012003487.2T patent/DE112012003487T5/en not_active Ceased
- 2012-08-13 SE SE1450161A patent/SE1450161A1/en not_active Application Discontinuation
- 2012-08-13 WO PCT/EP2012/065802 patent/WO2013026731A1/en not_active Ceased
-
2014
- 2014-03-04 DK DK201470104A patent/DK201470104A/en unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2788026A1 (en) * | 2010-01-27 | 2011-08-04 | Frederik Blank | Arrangement and method for optimizing the operation of a supply network |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE1450161A1 (en) | 2014-04-14 |
| DE112012003487T5 (en) | 2014-05-08 |
| DK201470104A (en) | 2014-03-04 |
| NO347239B1 (en) | 2023-07-24 |
| WO2013026731A1 (en) | 2013-02-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| NO20140362A1 (en) | System and procedure for optimizing operation of a water network | |
| CN102713946B (en) | Device and method for determining theoretical values of controllable elements of a water network of a water utility | |
| US7707125B2 (en) | Utility management system and method | |
| Rao et al. | Development of a real-time, near-optimal control process for water-distribution networks | |
| Salomons et al. | Optimizing the operation of the Haifa-A water-distribution network | |
| EP3701337B1 (en) | Minimizing energy consumption by peripheral machines | |
| Kang | Real-time optimal control of water distribution systems | |
| US20160103452A1 (en) | System and method for managing water in water pipe network | |
| Jung et al. | Real-time pump scheduling for water transmission systems: Case study | |
| WO2018083202A1 (en) | System and method for scheduling energy consumption in a network | |
| CN118520806A (en) | A water supply network pressure control method, device and medium | |
| JP5851259B2 (en) | Water distribution operation control device | |
| KR102619826B1 (en) | Pump operation system and method for water supply network | |
| NO20110216A1 (en) | Calculation and graphical production of statistical data | |
| Fiorelli et al. | Application of an optimal predictive controller for a small water distribution network in Luxembourg | |
| JP6881311B2 (en) | Water distribution operation system, water distribution operation method, and recording medium | |
| JP2015098724A (en) | Water management system, water management method, program, and server | |
| Cembrano et al. | PLIO: a generic tool for real-time operational predictive optimal control of water networks | |
| KR20160070358A (en) | Operation management control system and method for waterworks | |
| WO2014155636A1 (en) | Planning system for water transport and method therefor | |
| KR100741691B1 (en) | Metropolitan Water Supply System and Method Using Ubiquitous Technology | |
| KR102644359B1 (en) | Reservoir linked water pump control method and apparatus | |
| JP6576215B2 (en) | Monitoring control device for water transmission facility plant and water level management method for distribution reservoir using monitoring control device | |
| JP6829574B2 (en) | Water operation control system, water operation control method, and water operation control device | |
| JP6285265B2 (en) | Power management system, power management method, and power management program |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CHAD | Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften) |
Owner name: ABB SCHWEIZ AG, CH |