BE1029806A1 - Een systeem en een methode voor online debietmeting en disfunctiebewaking van drinkwaterwaterdistributienetwerken - Google Patents

Abstract

De onderhavige uitvinding betreft een in computers geïmplementeerd systeem en methode voor continue online debietsbewaking en monitoring van disfuncties die debietswaarden veroorzaken in gevolg abnormale verbruiksgebeurtenissen en lekken bemeten en gerangschikt volgens de kenmerken van het onderzochte bemeten drinkwater netwerkgebied. De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het gebruik van de in computers geïmplementeerde methode om een verbruiksmodel te produceren dat klaar is voor gebruik in offline hydraulische netwerkmodellering en bij voorkeur dit model te gebruiken als hulpmiddel voor het ontwerpen van netwerkuitbreidingen of verbeteringen van het netwerk. De onderhavige uitvinding heeft verder betrekking op het gebruik van de in de computer geïmplementeerde methode om een verbruiksmodel te produceren dat klaar is voor gebruik in offline hydraulische netwerkmodellering en bij voorkeur dit model te gebruiken als hulpmiddel bij online drukregeling om de druk op de laagst toelaatbare en gegarandeerde druk te houden.

Description

1 BE2021/5764

EEN SYSTEEM EN EEN METHODE VOOR ONLINE DEBIETMETING EN

DI SFUNCTI EBEW AKI NG VAN

DRINKWATERWATERDI STRIBUTIENETWERKEN

DOMEIN VAN DE UITVINDING

Onderhavige uitvinding heeft betrekking op methodes voor de bewaking van het debiet van fluïda in transportnetwerken en het modelleren van het voedingsdebiet van netwerken. In het bijzonder heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een gecomputeriseerde systeem en methode voor de bewaking van disfuncties van waterdistributienetwerken.

ACHTERGROND

Volgens publicaties van de Wereldbank hebben wereldwijd bijna 800 miljoen mensen geen toegang tot veilig drinkwater.

Vijfentwintig percent van de EU staat onder waterstress!. Deze toestand leidt tot een afname van de biodiversiteit en van de waterkwaliteit, terwijl bodemerosie en woestijnvorming jaar na jaar toenemen. Het is aangetoond dat zoetwaterschaarste niet alleen ecologische effecten heeft, maar ook een rem zet op de economische ontwikkeling. Verspilling en ongeoorloofd waterverbruik moeten in de nabije toekomst aan ban worden gezet.

Aan de aanbodzijde is het leeuwendeel van verspilling van drinkwater afkomstig van lekkende waterdistributiesystemen. Lekken worden voor Europa geschat op gemiddeld zo'n dertig procent van de verwerkte en gedistribueerde hoeveelheden.

Lekkage is de aanzienlijk hoger In stedelijke gebieden en bereikt soms 70 tot 80 procent. De jaarlijkse lekkage van drinkwater in Europa vertegenwoordigt een volume dat voldoende is om de Franse bevolking van drinkbaar te voorzien.

De Europese Commissie is bewust dat water een grondstof in uitputting is en er werden in het afgelopen decennium veel pogingen ondernomen om waterverlies in gevolg lekkende te verminderen. De EU publiceerde in 2010 de resultaten van een grootschalig Europees onderzoek waarin de technische stand ter zake werd ! The Problems of water stress; EU publicatie laatst gewijzigd op 23 november 2020; https://www.eea.europa.eu/gublications/92-9167-025-1/page003.htm!

2 BE2021/5764 geëvalueerd. De studie beveelt de beste praktijken aan voor omgang met lekkende netwerken?

We verwijzen ook naar het artikel gepubliceerd in het Urban Water Journal (8 december 2018), waarin een breed overzicht wordt gegeven van de industriële en de wetenschappelijke publicaties van de laatste 10 jaar, dat getuigt van de brede economische en ecologische interesses.

Water werd de afgelopen eeuw maar al te vaak beschouwd als een gratis goed uit de hemel. Deze situatie is intussen drastisch veranderd. Het belang van water wordt geïllustreerd in het rapport van het UN World Water Report 2021 (van 21 maart 2021) dat vijf onderling samenhangende visies op het waarderen van water vooropstelt.

Zuiver economisch gesproken kunnen de kosten van drinkwaterverliezen niet langer worden gewaardeerd op de marginale (pomp)kost. Het water verspild door lekkende distributieleidingen werd eerst opgepompt, opgeslagen, verwerkt en getransporteerd.

De capaciteit van de watervoorzieningsinfrastructuur in geïndustrialiseerde landen heeft tegenwoordig haar kritieke maximum bereikt. Daarom moet verspild water gewaardeerd worden tegen dezelfde operationele integrale kost als dat van het gedistribueerde water. Proactief lekmanagement en lekkagehertstelling betekenen besparing in productie-, opslag- en transportcapaciteit.

Besparingen op lekkages vertegenwoordigen, afhankelijk van de lokale omstandigheden en de kwaliteit van de beschikbare middelen, een kost + variërend van 1 tot 2 € /m3, dit is ongeveer 30 % van de gefactureerde prijs. Dit cijfer geeft een goed beeld van de enorme kosten van waterverspilling die via de prijs van het geleverde water aan de consumenten worden doorberekend.

Anderzijds moeten drinkwaterbedrijven voldoen aan strenge economische regels. Het gevolg hiervan is dat de kost van lekbeheersing en herstellingen de kostprijs van het waterverlies niet mag overschrijden. Bij het break-even punt ontstaat er een aanzienlijk ecologisch voordeel. 2 EU referentie-document Good Practices on Leakage Management WFD CIS WG PoM ISBN 978-92-79-45069-3

DOI: 10.2779/102151 3 Evolution of research on water leakage control strategies: where are we now?

DOI:10.1080/1573062X.2018.1547773 4 Het ligt voor de hand dat de kost van sanering en zuivering niet mag begrepen worden in de kost van het drinkwater dat door lekken verloren gaat.

3 BE2021/5764

De hierboven geschetste evolutie heeft geleid tot een groeiende behoefte aan proactief lekbeheer. Technici en universiteiten zoeken al sinds het begin van de jaren zeventig naar betaalbare methoden van lekdetectie en lekmanagement.

De onderhavige uitvinding beoogt hierboven opgesomde problemen en nadelen op te lossen. De uitvinding streeft er naar een methode te verschaffen die deze nadelen definitief wegwerkt. In het bijzonder is het de bedoeling om de toepasbaarheid van de uitvinding niet te beperken tot eenvoudige, kleinere netwerken met homogene debietsvariatie, zonder hoge kosten te veroorzaken of onnauwkeurige kwantificering van de lekken te rapporteren.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De voorliggende uitvinding en haar toepassingen dienen om een oplossing te bieden op een of meer van de bovengenoemde nadelen. Hiertoe heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een in een computer geïmplementeerd systeem en methode voor de continue online bewaking van het debiet en van disfuncties in overeenstemming met conclusie 1. Gewenste uitvoeringsvormen van het systeem en de methode worden uiteengezet in elke van de conclusies 2 tot 6.

In een tweede facet heeft de onderhavige uitvinding betrekking op het gebruik van het systeem en de werkwijze volgens conclusie 7. Meer in het bijzonder, bezorgt de methode een consumptiemodel klaar voor gebruik in offline hydraulische netwerkmodellering. Voorkeursuitvoeringen van de werkwijze zijn weergegeven in elke van de conclusies 8 tot 10.

Het model ontworpen volgens de methode past zichzelf aan de normale evolutie van het verbruik in gevolg wijzigende bevolking- en/of netwerk- en/of consumptiepatronen.

Bovendien zijn een voorafgaandelijke tijdreeksanalyse en her-kalibratie van het benchmarkingmodel overbodig wat de methode financieel zeer aantrekkelijk en toegankelijk maakt voor kleine gemeentelijke nutsbedrijven en laaggeschoolde operatoren. In tegenstelling tot al bestaande werkwijzen is de implementatiedrempel van de uitvinding minimaal.

FIGUREN

De hiernavolgende beschrijving van de afbeeldingen van specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding is louter exemplatief en is niet bedoeld om de huidige verduidelijkingen, hun toepassing of gebruik ervan te beperken. In de figuren

4 BE2021/5764 verwijzen corresponderende cijfers naar gelijkaardige of corresponderende onderdelen of kenmerken.

Figuur 1 toont een voorbeeld van het signaal dat aan de computer wordt aangeboden voor verwerking.

Figuur 2 schetst een overzicht van het systeem en van de geleverde output in overeenstemming met de methode van de voorliggende uitvinding.

Figuur 3A toont het frequentiediagram van het verbruik van een gebied tussen 2:00 en 04:00 uur.

Figuur 3B toont het frequentiediagram van het verbruik van een gebied tussen 9:00 — 11:00 uur.

Figuur 4 toont het principe van DMA-structuren.

Figuur 5A toont een dagelijks verbruikspatroon en zijn normale variatielimieten.

Figuur 5B toont het resultaat van een historisch onderzoek van het verbruik.

Figuur 6A toont de stroomfrequentiecurven die door de methode en het systeem zijn verwerkt gedurende het tijdsegment van 14:00 - 16:00 uur.

Figuur 7 toont een schets van een SCADA-netwerkconfiguratie.

Figuur 8 toont de verwerkingsstap van het afvlakken en vereenvoudigen van de tijdreeksen.

Figuur 9A toont de segmentatieverwerkingsstap.

Figuur 9B toont een geaggregeerde debietsmatrix.

Figuur 10 toont de stappen van de opbouw van de gemodelleerde debietsmatrix M.

Figuur 11 geeft de evolutie weer van de verhouding tussen gemodelleerde en reële verbruik over een periode van twee jaar.

Figuur 12 laat zien hoe afwijkingen van het verbruiksdebiet worden gedetecteerd.

Figuur 13 toont de bewaking van gecombineerde seizoen-effecten en stijgingspercentage van het verbruikspatroon. 5

GEDETAI LLEERDE BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een in een computer geïmplementeerde werkwijze voor het bewaken van disfuncties in de waterafname van waterdistributienetwerken.

Tenzij anders bepaald, hebben alle termen die worden gebruikt in de bekendmaking van de uitvinding, met inbegrip van technische en wetenschappelijke termen, de betekenis zoals algemeen begrepen door iemand met gewone vaardigheden in het gebied van de techniek waartoe deze uitvinding behoort. Definities van specifieke termen worden hierna opgenomen ter verduidelijking van de uiteenzetting over de voorliggende uitvinding. De termen en definities hierna worden uitsluitend ter ondersteuning gebruikt om de uitvinding beter te begrijpen.

De onderstaande termen worden hierna gebruikt in dit document met de volgende betekenis: "Het", "een" en "de" zoals hierin gebruikt verwijzen naar zowel enkelvoud als meervoud, tenzij de context duidelijk andersom bedoelt. Bij wijze van voorbeeld verwijst "een compartiment" naar één of meer dan één compartiment.

De term "ongeveer", zoals hierin gebruikt, verwijst naar een meetbare waarde van een parameter, een bedrag, een tijdsduur of dergelijke, en is bedoeld om variaties te omschrijven van gespecificeerde grootheden van de grootte van +/- 20% of minder, bij voorkeur +/- 10% of minder, met meer voorkeur +/- 5% of minder, met nog meer voorkeur +/- 1% of minder, en met nog meer voorkeur +/- 0,1% of minder, voor zover deze variaties compatibel zijn met de prestaties van de onthulde uitvinding.

Hoe dan ook, wordt verondersteld dat het begrip naar de welke de term “ongeveer" verwijst specifiek wordt geduid.

6 BE2021/5764

De woorden "omvat", "omvattende", "inbegrepen ", "bestaat uit" zoals hierin gebruikt, zijn synoniem van "omvatten", "inclusief", "bevat " of "bevatten", "bevattend", "bevat"; ze zijn zowel inclusief als niet limitatief en wijzen op de aanwezigheid van wat volgt zoals bijvoorbeeld een component. Deze termen beletten of sluiten de aanwezigheid niet uit van aanvullende, niet opgesomde componenten, kenmerken, elementen, leden of stappen bekend in de techniek of hieruit voortvloeiend.

Verder worden de termen eerste, tweede, derde en dergelijke in de beschrijving en in de conclusies gebruikt om onderscheid te maken tussen gelijkaardige elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een sequentiële of chronologische volgorde, tenzij anders gespecificeerd. Men zal begrijpen dat de aldus opgesomde termen onderling uitwisselbaar zijn en dat de hierin beschreven uitvoeringsvormen van de uitvinding in een andere passende volgorde kunnen functioneren dan deze beschreven of geïllustreerd in dit document.

De vermelding van numerieke reeksen door gebruik van hun begin- en eindpunten omvat alle getallen en breuken die binnen dat bereik vallen, inclusief de opgesomde eindpunten.

De termen "een of meer" of "ten minste één", zoals een of meer of ten minste één element van een groep is op zich duidelijk; de term omvat onder meer bij middel van een nadere toelichting een verwijzing naar een van de genoemde elementen, of naar twee of meer van de genoemde elementen zoals bijvoorbeeld >3, >4, 25, 26 of >7 enz., maar tevens naar alle vermelde elementen.

Verwijzing in deze specificatie naar "één uitvoeringsvorm" of "een uitvoeringsvorm" betekent dat een bepaald kenmerk, structuur of eigenschap beschreven in verband met een uitvoeringsvorm is opgenomen in ten minste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

De aanwezigheid van uitdrukkingen "in één uitvoeringsvorm" of "in een uitvoeringsvorm" op verschillende plaatsen van onderhavige beschrijving verwijzen dus niet noodzakelijk allemaal naar dezelfde uitvoeringsvorm, maar het kan zo zijn.

Verder kunnen de specifieke attributen, structuren of kenmerken op elke geschikte manier worden gecombineerd in één of meerdere uitvoeringsvormen, zoals duidelijk zou moeten blijken voor een persoon ervaren in de techniek behorend tot

7 BE2021/5764 voorliggende openbaarmaking. Bovendien, terwijl sommige uitvoeringsvormen hierin beschreven bepaalde eigenschappen niet bevatten die in andere uitvoeringsvormen zijn opgenomen, worden combinaties van eigenschappen van verschillende uitvoeringsvormen ondersteld te vallen binnen het toepassingsgebied van de uitvinding en gestalte te geven aan andere uitvoeringsvormen, zoals zou worden begrepen door personen bedreven in de kunst (van voorliggende openbaring).

Zo kan bijvoorbeeld elk van de hierna geclaimde uitvoeringsvormen in eender welke combinatie worden gebruikt.

Een eerste aspect van de uitvinding heeft betrekking op gecomputeriseerde methode voor continu online bewaking van het verbruik en van disfuncties van een bewaakte districtsmetergebied waarbij disfuncties resulteren in debietswaarden die het gevolg zijn van abnormale gebeurtenissen en lekken beide bemeten en gerangschikt in functie van de kenmerken van de desbetreffende zone. De methode omvat: - het identificeren van één of meerdere gebieden van het te bemeten netwerk; - het isoleren van deze gebieden in afgebakende meetgebieden; - het uitrusten van elk afgebakend meetgebied met ten minste één EM- debietmeter die een gemiddelde waarde van het debiet levert gedurende een ingestelde periode; - het aansluiten van elke EM-debietsmeter op een computer die deze debietwaarden online kan verwerken; en - het verwerken van deze debietwaarden.

De segmentering van het waterleidingnetwerk, eerst in districtsmeetgebieden en mogelijk nog kleinere afgebakende meetgebieden, maakt het mogelijk om op voordelige wijze prioriteit te geven aan gebieden die zwaarder worden getroffen door anomalieën, zoals, maar niet beperkt tot, lekken en leidingbreuken. Door beperkte gebieden van het watervoorzieningsnetwerk eerst aan te pakken, worden er besparingen gecumuleerd naarmate elk gebied hersteld wordt, waardoor herstellingen van daaropvolgende gebieden op voordelige wijze zelf-financierend zijn.

Een "Districtsmeetgebied " of "DMA" worden in dit document gedefinieerd als een begrensd gebied van een netwerk dat wordt bevoorraad door ten minste één naburige DMA of ten minste één naburige DMA bevoorraadt doorheen één of meerdere open grensafsluiters.

8 BE2021/5764 "EM-debietmeter" is een meettoestel dat de snelheid van een vloeistofbeweging bepaalt via de meting van de spanning die in deze vloeistof wordt geïnduceerd als ze door een magnetisch veld stroomt. De term wordt in de praktijk gebruikt om de industriële samenbouw van een elektromagnetische debietmeter, een voorverwerkingseenheid, een opslageenheid en een communicatie-eenheid te duiden.

De werkwijze omvat bij voorkeur verder: - het registreren, het herkennen en het opslaan van deze waarden in een eerste tijdreeks; - het afvlakken van deze eerste tijdsreeks tot een tweede tijdsreeks; - het aggregeren van de waarden van de tweede tijdsreeks in een derde tijdsreeks met een breder tijdsinterval; en - het defragmenteren van de verkregen tijdreeks in een driedimensionale matrix die de tijdreeksen opslaat in meerdere tijdsegmenten, waarbij bij voorkeur elk dagelijks tijdsegment op zijn beurt wordt gesegmenteerd in meerdere gelijke tijdspannen.

De methode laat toe om op een gunstige manier een stabiel model van het reële verbruik te creëren, waaruit alle abnormaliteiten zijn verwijderd.

In een verdere of andere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt verdere bewerking van de matrix uitgevoerd, resulterend in een modelmatrix M die dag na dag de evoluerende kenmerken van het debiet bevat.

In deze context wordt onder een tijdreeks de opsomming bedoeld van de waarde die een discrete variabele per tijdseenheid aanneemt.

Bij voorkeur worden de kenmerken van het gemodelleerd debiet van elk tijdsegment als input gebruikt om het debiet te benchmarken op zijn normaliteit gedurende het daaropvolgende tijdsegment. Optioneel kan de methode wat volgt omvatten: - het gebruiken van de dynamiek van de stroomvariaties om de evaluatie van de normaliteit te vervolledigen - om afhankelijk van de benchmarkingresultaten - ofwel de opbouw van het model aan te vullen met de normale evolutie van het debiet ; - ofwel te rapporteren aan de operator dat er zich een abnormale stroomsituatie heeft voorgedaan en het rapport aanvullen met

9 BE2021/5764 aanvullende operationele informatie zoals type afwijking, gelekt watervolume en optimale tijdstip van reparatie.

Dit maakt het mogelijk om op een gunstige wijze het model bij te werken tot een nauwkeuriger weergave van het netwerk in het te analyseren gebied. Door de nauwkeurigheid van het model te vergroten, kan de afwijkingsdetectiefout op voordelige wijze worden geminimaliseerd.

In een verdere of een andere uitvoeringsvorm wordt een logboek opgesteld dat alle relevante informatie samenvat die uit de bewaking is afgeleid. In een verdere of in andere uitvoeringsvorm wordt het logboek geproduceerd door de in een computer geïmplementeerde methode om prestatie-indicatoren van veroudering en efficiëntie van het netwerk te produceren en aldus de strategie voor onderhoud en vernieuwing af te leiden. De mogelijkheid om de gerapporteerde gegevens aan te passen aan de noden van de gebruiker vermijdt dat gebruikers worden bedolven onder irrelevante en/of niet-actiegerichte gegevens.

De onderhavige uitvinding heeft ook betrekking op het gebruik van de hierboven beschreven werkwijze om een verbruiksmodel te produceren klaar voor gebruik bij offline netwerkmodellering. Bij voorkeur wordt het aldus geproduceerde model gebruikt als hulpmiddel voor het ontwerpen van netwerkuitbreidingen of - verbeteringen. Op deze manier kan aanpassing van waternetwerken beter aansluiten op de verwachte prestatie- en serviceniveaus, wat resulteert in efficiëntere financiële uitgaven.

Verdere of andere toepassingen van de methode omvatten het gebruik van de methode als input voor online netwerkmodellering, wat toelaat de druk van het netwerk flexibel op de minimaal gewaarborgde druk aan te sturen, waardoor de kleine lekkages gevolg van niet-herstelde lekken onder de detectielimiet worden geminimaliseerd. In een verdere of andere uitvoeringsvormen wordt de werkwijze gebruikt om debietsbewaking uit te breiden tot een vergelijkbare bewaking van aanvullende parameters zoals druk, geleidbaarheid en pH. Op deze manier kan de methode worden gebruikt als input van een waternetwerkbeheersysteem, waardoor het waternetwerk beter kan worden opgevolgd en de kwaliteit van de dienstverlening beter wordt in de hand gehouden.

In een verdere of andere uitvoeringsvormen wordt de werkwijze door het systeem gebruikt voor de rapportage van de optimale hersteltijd als hulpmiddel voor het

10 BE2021/5764 plannen van locatie- en reparatie-interventies. Zodoende wordt de budgettering nauwkeuriger opgesteld. Bovendien kan het herstelprogramma nauwer aansluiten bij de werkelijke problemen die het systeem aantasten, waardoor het meeste giswerk bij reparatiewerkzaamheden wordt weggenomen.

Het is evenwel duidelijk dat de uitvinding niet beperkt is tot deze toepassing. De werkwijze van de uitvinding is toepasbaar op netwerken die andere fluïda vervoeren.

De uitvinding wordt verder ter illustratie beschreven door de verwijzing hierna naar niet limitatieve voorbeelden die de omvang van de uitvinding niet beperken en ook zo niet mogen geïnterpreteerd worden.

De uitvinding wordt hierna in meer detail omschreven door verwijzing naar niet limitatieve voorbeelden.

BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Om de eigenschappen van de uitvinding beter te illustreren, wordt in wat volgt bij wijze van voorbeeld, op geen enkele manier beperkend voor andere potentiële toepassingen, een beschrijving gegeven, op basis van de uitvinding, van een aantal voorkeurstoepassingen van de gecomputeriseerde methode voor continu online debietsbewaking en disfunctiemonitoring, waarin:

Figuur 1 toont een voorbeeld van het signaal dat aan de computer wordt geleverd voor verwerking. De computer herkent de signalen afkomstig van de EM-meter en verwerkt ze volgens de methode beschreven in voorliggende aanvraag.

Het geassembleerde systeem, als geheel beschouwd, produceert zelf de input die nodig is voor de gegevensverwerking en levert, zonder menselijke tussenkomst, zijn eigen output, bestaande uit: - de ontleding van het verbruik van het netwerk, of een deel ervan, in het normaal verbruik en zijn gebruikelijke variaties, in piekverbruik, in ongebruikelijke verbruiksgebeurtenissen en in lekkages; - de aanbevolen tijd voor het herstellen van de lekken; - de dagvariatiecurve van het verbruik onder normale omstandigheden; - de informatie verzameld gedurende de gegevensverwerking die nuttig is op het niveau van de bedrijfsvoering van het netwerk.

11 BE2021/5764

De output wordt aan de operator gerapporteerd op een computerscherm, een tablet, of een iPhone of/en in een gedrukt formaat. De output kan ook worden geleverd aan een ander rapporteringsapparaat, een beeldschermcomputer, uitgerust met een standaard datarapportering- en supervisiesysteem (SCADA).

De communicatie tussen de operator en de componenten van het systeem is bi- directioneel waardoor de operator het systeem kan instrueren met een beperkt aantal handelingen die door de pre-processor en/of de processor moeten worden uitgevoerd. Het systeem is ontworpen met het oog op twee resultaatgebieden: het operationele en het leidinggevende. Ze hebben respectievelijk betrekking op “lekdetectie” en “netwerkbeheer”.

Deze twee aspecten zijn met elkaar verbonden door de ingebouwde herkenning van de verwerkte indicatoren die ontworpen zijn om het debietspatroon te herkennen.

De voorbereiding van het veldwerk voor de installatie van het systeem bestaat uit het sectioneren van het netwerk in het geselecteerd aantal gebieden waarvoor debietsbewaking wordt gevraagd.

Zodra het systeem is aangesloten, produceert het vanaf dag één 24/7 online (alarm- ) rapportering. Instructies en rapportering worden op maat in functie van het gevraagde detectieniveau.

Het systeem heeft slechts één dag nodig (dag nul) aan voorlopige zelf-kalibrerende metingen om de ingebedde methode te initialiseren. Het systeem is zelf-testend en voorziet rapportering van reset-instructies die moeten worden gevolgd in geval van onsamenhangende verwerkingsresultaten.

De installatie van het systeem vereist geen voorafgaande hydraulische analyse van het netwerk, noch statistische analyses van het debiet van het betreffende en/of aangrenzende gebieden. Het enige vereiste voorbereidende werk is een oordeelkundige onderverdeling van het netwerk.

Het systeem is een standalone applicatie per meetgebied en vereist niet noodzakelijk een SCADA-systeem voor de rapportering. Het is, dankzij zijn gebruiksvriendelijke concept, toegankelijk voor (zeer) kleine nutsbedrijven die verantwoordelijk zijn voor de waterdistributie in kleine gemeenten.

12 BE2021/5764

Figuur 2 toont het principe van het systeem en van de geleverde output volgens de methode van onderhavige uitvinding. Men zal de eenvoud van het systeem opmerken dat geen gebruik maakt van data buiten het onderzochte gebied.

Figuur 3A toont het frequentiediagram van het verbruik in een gebied ‘s nachts (2:00 — 04:00 uur).

Figuur 3B toont het frequentiediagram van het verbruik in een gebied overdag (9:00 — 11:00 uur).

Figuur 4 toont de principes van DMA-structuren. Binnen een vermaast distributiesysteem is het mogelijk om “onafhankelijke” gebieden te creëren: dit zijn gebieden die via een beperkt aantal open isoleerafsluiters in verbinding staan met aangrenzende gebieden (figuur 4). In dat geval blijven onder normale bedrijfsomstandigheden alle andere grensafsluiters, die het "geïsoleerd" gebied van aangrenzende gebieden scheiden, gesloten.

Figuur 5A toont het resultaat van de statistische analyse van het debiet resulterend in een dagelijkse debietscurve samen met de normale variatielimieten. De grafiek toont het gemiddelde debiet en de statistisch verwerkte vertrouwenszone. Men zal het grote verschil merken tussen maximale en minimale instroom en de span tussen nacht- en piekverbruik die een factor 45 (m2/h) /2,5 (m3/h)= 18 bedraagt.

Figuur 5B toont de frequentiecurve van een normale consumptiedag.

Figuur 6 toont de frequentiecurven die door de methode en het systeem zijn verwerkt tijdens het tijdsegment van 14:00 - 16:00 uur.

Figuur 7 toont een schets van een SCADA-netwerkconfiguratie.

Figuur 8 toont de verwerkingsstap van het afvlakken en vereenvoudigen van de tijdreeksen. De door het EM debietsmeter aangeleverde gegevens worden voorbereid voor verwerking door de tijdsreeksen af te vlakken en te aggregeren. - De EM- debietmeter(s) zend(en) de stroomwaarde o(i) elke ôT(i) naar de computer via het communicatienetwerk. - De computer herkent en bewaart o(i) elke ôT(i) in © {p1,...,p, NOW}

13 BE2021/5764 - Als de waarde van o(i) negatief is, wordt er een foutcode gegenereerd naar de operator en wordt de verwerking gestopt totdat corrigerende acties zijn uitgevoerd door de operator en de verwerking opnieuw kan worden gestart. - De computer berekent vervolgens de achterwaartse gemiddelde waarden van o(i) over de laatste 15 minuten en slaat deze op in F {p1,..,çn }. De eerste waarde ç1 wordt 15 minuten na 1 opgeslagen. - De computer aggregeert de laatste vier opeenvolgende stroomwaarden van çn tot één waarde f(i) en slaat deze op in F{f(i)}. In dit stadium zijn de tijdsreeksen voorbereid voor de verdere analyse.

Figuur 9A toont de segmentatieverwerkingsstap. Hiertoe wordt de vector

F{f(i)[Ji=1,..nu} gesegmenteerd in meerdere matrices. Alle matrices zijn verzameld in één driedimensionale matrix F

F = {Fijh=1,..N} =F{Fi Fn}

Het segmentatieproces is grafisch weergegeven in figuur 7. Elke waarde f(i) heeft een positie in de matrix F gedefinieerd door zijn rangschikking At (h,d,j) waarin: - h=1,. ‚24 = chronologisch volgnummer van het tijdsegment - d = 1,..., vandaag = chronologisch nummer van de dag na het starten van het proces (kalibratie-dag = O, start-dag = 1) - j = 1, …, nu = chronologisch nummer van de tijdspanne binnen het beschouwde tijdsegment van de dag.

Figuur 9B toont een geaggregeerde debietsmatrix.

Figuur 10 toont het opbouwschema van de model debietsmatrix M. Elke cel van F = {f(h,d,j)} wordt wiskundig getransformeerd en opgeslagen in matrix T ( F ). De getransformeerde T(F) wordt vervolgens blanco gemaakt voor een 50% gebeurtenis partitie door cellen te legen. De verwijderde waarden, het residu, worden opgeslagen in de residumatrix R. Beide matrices worden vervolgens terug getransformeerd met behulp van de inverse transformatie T+. Deze verwerkingstap wordt automatisch stopgezet bij een onvoorspelbare debietsafwijking en wordt opnieuw gestart wanneer de debietswaarden weer normaal zijn. Methoden die een statistische benadering van het debiet gebruiken, resulteren in hoge waarden van alarmdrempels wat het onderzoek van vergelijkbare regio's of aanvullende parameters vergt ten einde vals- > Een negatief debiet betekent dat een gesloten grensafsluiter van een naburige DMA werd geopend.

14 BE2021/5764 positieve lekalarmen te voorkomen. De specifieke verwerking van figuur 10 levert een zeer nauwkeurig online evoluerend stroommodel op, dat vervolgens wordt gebruikt om: e onderscheid te maken tussen een vals positief (dit is de valse identificatie van een niet-bestaand lek) en een optredende anomalie; e relatief lichte maar relevante groei van de gecumuleerde stroom gevolg van kleine lekken te detecteren.

Figuur 11 toont de evolutie van de verhouding tussen gemodelleerde en reëel debiet gedurende een periode van twee jaar.

Figuur 12 laat zien hoe afwijkingen van het debiet worden gecapteerd. De methode maakt gebruik van een specifieke analyse om de cyclische seizoenvariatie te scheiden van toenemende lekkages als gevolg van niet-herstelde kleine lekken of toenemende kleine lekken.

Figuur 13 toont de opvolging van seizoenseffecten en stijgingspercentage van het verbruik. Het stijgingspercentage is per definitie de toename van het normale verbruik gedurende een bepaalde periode. Het algoritme van het systeem rapporteert de groeisnelheid van het gemiddeld dagelijks debiet.

Er wordt verondersteld dat de onderhavige uitvinding niet beperkt is tot enige vorm van hierboven beschreven uitvoering en dat sommige wijzigingen aan het geopenbaarde voorbeeld kunnen worden toegevoegd zonder herbeoordeling van de bijgevoegde conclusies. De onderhavige uitvinding is bijvoorbeeld beschreven met verwijzing naar drinkwaternetwerken, maar het is duidelijk dat de uitvinding kan worden toegepast op netwerken voor het transport van andere fluïda, in het bijzonder niet-samendrukbare vloeistoffen.

Definities en symbolen: dimensies: alle debietswaarden worden uitgedrukt in m3/h periode: algemene term duidend op een begrensde tijdsspanne tjdsegment: onderverdeling van een etmaal ; in het voorbeeld worden er 24 tijdsegmenten gebruikt gesymboliseerd door H (h) met h = 1,24. tijdspanne: onderverdeling van een tijdsegment in gelijke delen

15 BE2021/5764

ÔT: tijdspanne tussen twee signalen geproduceerd door de EM- meter, gelijk aan één minuut in het voorbeeld i: chronologische opsomming van de tijdspannen ôT

OT(i): rangschikkingsnummer van een tijdspanne ; er zijn 24 uur x 60 minuten = 1440 òT(i) per etmaal v(i) : gemiddelde waarde van een discreet variabele V gedurende de tijdspanne ôT(i) vector X: X{ x [ôT(i)[i = 1, .., n]} = V {v1,...,vn }, dit is een vector die de discrete warden van een discreet variabele bevat gerangschikt in chronologische volgorde

OT(nu) of At(nu): periode òT(i) of At(j) gedurende de welke een discreet variabele wordt ontvangen en verwerkt nu — 1: tijdsegment of tijdspanne die voorafgaat aan het tijdsegment of tijdspanne “nu” nu + 1: tijdsegment of tijdspanne volgende op “nu” gemeten debiet: het ruwe onbewerkt debiet wordt opgeslagen onder de vorm van een vector: © {o [ôT(i) Ji = 1, .., n, nu]} = © {pl1,...,pN, onu} afgevlakt debiet: achterwaarts gemiddeld debiet van de laatste 15 minuten F {fr [ôT(i)|i = 1, … nl} = F {e1,..,pnt

At(j): in het voorliggend voorbeeld is de geaggregeerde tijdspanne gelijk aan 4x ör (i): er zijn 15 At in één uur. j: chronologische volgorde j = van 1 tot nu met j < 16

At (j): chronologische volgordenummer van een tijdspanne At; er zijn 360 At(j) per dag geaggregeerd debiet: F {f[AtG) |j = 1, … nl} = F {fı,..., fıs, } waarin f(j) gemiddelde waarde is van rg gedurende de tijdspanne At

G

GEMIDDELDE [ f (i) ]:de gemiddelde waarde van het debiet bepaald als het wiskundig gemiddelde van het geaggregeerd debiet gedurende een bepaalde periode

E [ f(i) ]: de verwachtingswaarde van het debiet wordt gedefinieerd als de gewogen som van alle debietswaarden waarbij de wegingsfactor gelijk is aan de waarschijnlijkheid om deze waarde te meten.

MEDIAAN [f (i) ]: de mediaan van het geaggregeerd debiet is de waarde met de grootste waarnemingswaarschijnlijkheid

16 BE2021/5764

Nota: aangezien de distributiecurve van het debiet nooit symmetrisch is, is er altijd een verschil tussen GEMIDDELDE f(i) ], ET f(i) ] en MEDIAAN [f (i) 1.

VAR [ f(i) 1: dit is de verwachtingswaarde van het kwadraat van de verschillen tussen het geaggregeerd debiet en zijn verwachtingswaarde > {f(i) - E[ fG 2

VAR [f()]i = 1, …,N) = FCO OR

Groeisnelheid: de groeisnelheid van het debiet is per definitie de toename van het debiet gedurende een bepaalde periode. Het algoritme rapporteert de groeisnelheid van het gemiddeld dagelijks debiet.

Claims (10)

17 BE2021/5764 CONCLUSI ES

1. Een computer-geïmplementeerde methode voor continu online debietmeting en disfunctiebewaking, waarbij disfuncties resulteren in abnormale verbruiksgebeurtenissen en lekken, gemeten en gerangschikt volgens de kenmerken van de onderzochte afgebakend bemeten districten van waterdistributienetwerken; de genoemde methode omvat: - het identificeren van één of meerdere gebieden van een te onderzoeken netwerk; - het isoleren van deze gebieden in afgebakend bemeten districten; - elk afgebakend bemeten district uitrusten met ten minste één EM- debietmeter die een gemiddelde waarde van het debiet levert gedurende een bepaalde periode; - het aansluiten van elke EM-debietsmeter op een verwerkingseenheid die deze debietwaarden online kan verwerken; en - het verwerken van deze debietswaarden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de methode verder omvat: - het registreren, herkennen en opslaan van deze eerste debietswaarden voor een eerste keer; - het afvlakken van deze eerste waarde reeks tot een tweede waarde reeks; - het aggregeren van de waarden van de tweede tijd in een derde waarde reeks met een bredere tijdspanne; en - het defragmenteren van de verkregen tijdreeksen in een driedimensionale matrix die de tijdreeksen opslaat in meerdere tijdsegmenten, waarbij bij voorkeur elk dagelijks tijdsegment op zijn beurt wordt gesegmenteerd in meerdere gelijke tijdspannen.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij een verdere verwerking op de matrix wordt uitgevoerd, resulterend in een modelmatrix M die dag na dag de evoluerende kenmerken van debiet bevat.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij de kenmerken van het gemodelleerd debiet tijdens ieder tijdsegment worden gebruikt als invoerwaarde om het debiet van het daaropvolgende tijdsegment te benchmarken op zijn normaliteit, met het kenmerk dat de methode optioneel kan omvatten:

18 BE2021/5764 - het gebruik van de dynamische kenmerken van het debiet om de evaluatie naar normaliteit te voltooien; - afhankelijk van de benchmarkingresultaten: - de opbouw van het model aan te vullen met de normaal evoluerende debietwaarden; of - het rapporteren aan de operator dat zich er een abnormale stroomsituatie voordoet en het rapport aanvullen met bijkomende operationele informatie zoals type afwijking, verloren debiet en optimale hertsteltijd.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, verder omvattend het maken van een logboek waarin alle relevante informatie die uit het onderzoek is afgeleid, wordt gevat.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij het logboek wordt geproduceerd door middel van de computer-geïmplementeerde methode om prestatie- indicatoren met betrekking tot veroudering en efficiëntie van het netwerk te produceren en de strategie voor werking en vernieuwing af te leiden.

7. Gebruik van de computer-geïmplementeerde methode volgens een van de voorgaande conclusies 1-6 om een verbruiksmodel te produceren dat klaar is voor gebruik in offline hydraulische netwerkmodellering en dit model bij voorkeur gebruiken als hulpmiddel voor het ontwerpen van netwerkuitbreidingen of verbeteringen van het netwerk.

8. Gebruik van de computer-geïmplementeerde methode volgens een van de voorgaande conclusies 1-7 als input voor online netwerkmodellering die het mogelijk maakt om de druk van het netwerk flexibel aan te sturen op zijn minimaal gegarandeerde werkdruk, waardoor het waterverlies gevolg van niet-herstelde kleine lekken beneden de meetgrens wordt geminimaliseerd.

9. Gebruik van de computer-geïmplementeerde werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies 1-8 om het netwerkonderzoek uit te breiden tot een soortgelijke analyse van aanvullende parameters zoals druk, geleidbaarheid en pH.

10. Gebruik van de computer-geïmplementeerde werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies 1-9 voor het rapporteren van het systeem over de

19 BE2021/5764 optimale hersteltijd als hulpmiddel voor het plannen van locatie- en reparatie- interventies.