Numerische Modellierung zur Betriebsoptimierung von Wasserverteilnetzen

In dieser Arbeit wird ein numerisches Optimierungsmodell zur optimalen Steuerung des Einsatzes und des Schaltzeitpunktes von Pumpen zur Reinwasserverteilung, unter Berücksichtigung des aktuellen hydraulischen Systemzustandes im Verteilnetz, entwickelt. Das Optimierungsmodell wird mit der in dieser Arbeit geschilderten Funktionalität in Matlab implementiert. Das Verteilnetz wird dabei als vereinfachtes "semi-virtuelles" hydraulisches Rohrnetzmodell, dem sogenannten Skelett-Modell, abgebildet. Im Skelett-Modell werden nur diejenigen Rohrnetzelemente berücksichtigt, die für eine näherungsweise hydraulische Simulation des Verteilnetzes erforderlich sind. Hierzu werden einige Knoten im Verteilnetz ausgewählt, an denen der Druck in Echtzeit (online) gemessen wird. Zur Bestimmung der Rohrleitungswiderstände und der Knotenentnahmeströme wird die Singulärwertzerlegung als praktikables Lösungsverfahren vorgeschlagen und angewandt. Die hydraulischen Simulationen bei den Optimierungsrechnungen werden auf Basis des Skelett-Modells mit dem zur Anwendungsreife weiterentwickelten Knoten-Strang-Verfahren durchgeführt. Dabei wird das weiterentwickelte Skelett-Modell in das im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Optimierungsmodell auf Basis der Diskreten Dynamischen Optimierung eingebunden. Das entwickelte numerische Optimierungsmodell berechnet für jeden beliebigen Systemzustand im Verteilnetz ein optimales Steuerregime aller Pumpen bei geringstem Pumpenergieverbrauch unter Einhaltung aller Nebenbedingungen (z.B. minimale Knotendruckhöhen, minimale Behälterwasserstände). Bei der Modellierung muss stets zwischen Verteilnetzen mit und ohne Hochbehälter unterschieden werden. Das entwickelte numerische Optimierungsmodell wird im Rahmen eines Praxistests in einer ausgewählten Versorgungszone eines großen deutschen Wasserversorgungsunternehmens ohne Hochbehälter getestet. Das Ziel ist hierbei, neben der Verifizierung der Anwendbarkeit des Skelett-Modells als Rohrnetzmodellierungsmethode, das Einsparpotenzial an Pumpenergie durch Anwendung des numerischen Optimierungsmodells gegenüber der in der Praxis verwendeten Steuerungsweise der Pumpen zu berechnen. Als Lösung ergeben sich, im Vergleich zur herkömmlichen Pumpensteuerung und in Abhängigkeit vom untersuchten Betriebszustand, prozentuale Pumpenergieeinsparungen von bis zu 22,3%.

The topic of this study is the development of a numerical optimization model for the control of pumps in drinking water distribution networks taking into account the online hydraulics of the system. The developed optimization model with its functionality is implemented in Matlab. The drinking water distribution network is thereby approximated as a simplified semi-virtual hydraulic model, the so called Skeleton-Model. Only those water distribution network elements that are necessary for an approximate hydraulic simulation are mapped into the Skeleton-Model. For this purpose several junction nodes are selected for real-time (online) measurement of the pressure. For the determination of the pipe resistance and the required flow rate at the junctions a method based on the singular value decomposition is applied. The Node-String-Method combined with the Skeleton-Model is developed to the point that it can be put into use in hydraulic simulations in optimization calculations. Thereby the refined Skeleton-Model is embedded in a newly developed optimization model based on the discrete dynamic programming. The numerical optimization model determines an optimal control scheme for all pumps for any state of the system in the water distribution network. Thereby all constraints have to be satisfied e.g. the minimal required pressure at the junction nodes or the minimal heads at the storage tanks. There are too different kinds of modeling methods for drinking water distribution networks with or without storage tanks. The developed numerical optimization model is verified within the context of an on-road test in a selected real water distribution network without storage tank. The objective is the verification of the applicability of the Skeleton-Model as a water distribution network modeling method on the one hand, and the determination of the energy saving potential by application of the numerical optimization model in comparison to the conventionally applied control of pumps on the other hand. The results show that in comparison to the conventionally applied control of pumps savings of pump energy up to 22.3 percent are possible depending on the operation status.