DE102004041661A1 - Pump stations and pumps control method in pipeline, involves total energy consumption of all pumps minimised at predetermined total flow and height - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer baumartigen Anordnung mit über Pipeline-Segmente verbundenen Pumpstationen mit darin enthaltenen Pumpen, wobei durch die Pipeline beispielsweise Wasser, Öl oder eine andere Flüssigkeit bzw. ein anderes Flüssigkeitsgemisch gepumpt wird.The The invention relates to a method for controlling a tree-like Arrangement with over Pipeline segments connected pumping stations with it Pumps, for example, through the pipeline, water, oil or a other liquid or another liquid mixture is pumped.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe liegt nun darin ein Verfahren zur Steuerung von Pumpstationen und Pumpen in einer solchen Pipeline derart anzugeben, dass dabei der Gesamtenergieverbrauch aller Pumpen bei einem vorgegebenen Gesamtfluss und vorgegebenen Höhen minimiert wird.The The object underlying the invention is now a method to control pumping stations and pumps in such a pipeline specify such that thereby the total energy consumption of all pumps minimized at a given total flow and given heights becomes.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und ein entsprechendes Computerprogramm-Erzeugnis.These The object is achieved by the features of claim 1 according to the invention. The further claims relate to advantageous embodiments of the method according to the invention and a corresponding computer program product.
Die Erfindung besteht im Wesentlichen in einem Verfahren zur optimalen Steuerung von Pumpstationen und Pumpen in einer Pipeline, wobei die Pumpstationen jeweils mindestens eine Pumpe enthalten und in Flussrichtung über Pipeline-Segmente jeweils mit mindestens einer weiteren Pumpstation oder mindestens einem Verbraucher derart verbunden sind, dass in dem zu Grunde liegenden Graphen keine ungerichteten Kreise entstehen, und die Steuerung über die Einstellung der Drehzahlen der einzelnen Pumpen und der zu erzeugenden Druckhöhen der einzelnen Pumpstationen erfolgt, bei dem zunächst der Energiebedarf einer Pumpstation in Abhängigkeit von Fluss und Druckhöhe möglichst minimiert wird und bei dem anschließend die Verteilung der zu erzeugenden Druckhöhen auf die einzelnen Pumpstationen derart erfolgt, dass der gesamte Energiebedarf aller Pumpstationen möglichst gering wird.The Invention consists essentially in a method for optimal Control of pumping stations and pumps in a pipeline, where the pump stations each comprise at least one pump and in the flow direction via pipeline segments each with at least one further pumping station or at least a consumer are connected in such a way that in the underlying Graphene does not create undirected circles, and control over the Setting the speeds of the individual pumps and the one to be generated pressure levels the individual pumping stations takes place, at first the energy demand of a pumping station dependent on of river and pressure altitude preferably is minimized and then the distribution of generating pressure levels on the individual pumping stations is done such that the entire energy needs all pumping stations possible becomes low.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.following The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing.
In
der Zeichnung ist hierzu beispielhaft eine Topologie einer Pipeline
zur Wasserförderung
dargestellt, wobei die Pipeline Pumpstationen PS1 mit
einer Pumpe
Die Topologie der Pipeline, bei der Knoten Pumpstationen, Verbraucher, Einspeiser, Verzweigungspunkte und Kanten Segmente sind, muss eine azyklische Struktur aufweisen.The Topology of the pipeline, at the node pumping stations, consumers, Feeders, branch points and edge segments are, must be one have acyclic structure.
Für jedes Pipeline-Segment ist eine Anlagenkennlinie gegeben, die angibt, wie viel Druck erzeugt werden muss, um einen gewissen Fluss durch dieses Segment zum pumpen, wobei dieser Druck bspw. in Meter angegeben wird im Folgenden im Zusammenhang mit dem zu erzeugenden Druck stets von der zu produzierenden Höhe gesprochen wird. Die Anlagenkennlinie berücksichtigt dabei nicht nur die geodätische zu überwindende Höhe sondern auch Druckverluste die zum Beispiel durch Reibung innerhalb der Pipeline entstehen.For each Pipeline segment is given a plant characteristic that indicates how much pressure needs to be generated to allow some flow through this segment for pumping, this pressure, for example, in meters indicated is hereinafter always in connection with the pressure to be generated from the height to be produced is spoken. The plant characteristic not only takes into account the geodesic to be overcome Height but also pressure losses which for example by friction within the Pipeline arise.
Eine jeweilige Pumpe wird durch folgende Kennlinien beschrieben:
- – Hp(λ,q) = die Höhe, die diese Pumpe bei Drehzahl λ und Durchfluss q produziert.
- – Ep(λ,q) = die Energie, die diese Pumpe bei der Drehzahl λ und Durchfluss q verbraucht.
- - H p (λ, q) = the height that this pump produces at speed λ and flow q.
- - E p (λ, q) = the energy that consumes this pump at the speed λ and flow q.
Die Höhen- und Energie-Kennlinien für jede Pumpe müssen gewisse Eigenschaften aufweisen, wie bspw. die Angabe einer minimalen und einer maximale Drehzahl.The height and energy characteristics for every pump must have certain properties, such as the indication of a minimum and a maximum speed.
Für jede Drehzahl λi mit 1 ≤ i ≤ k werden die Kennlinien nicht durch eine geschlossene Formel sondern durch die Werte an gewissen Stützstellen q i / 0, ..., q i / n angegeben, wobei q i / 0/q i / n der kleinste/größte Fluss ist, der bei der Drehzahl λi durch die Pumpe gepumpt werden kann.For each speed λ i with 1 ≤ i ≤ k, the characteristics are not given by a closed formula but by the values at certain nodes qi / 0, ..., qi / n, where qi / 0 / qi / n is the smallest / biggest river is that at the speed λ i can be pumped by the pump.
Sind für die Pumpe die Höhenlinien nicht monoton fallend, so wird ein Teil des Definitionsbereichs dieser Pumpe abgeschnitten, da die Berechnung für jede Höhe fordert, dass die Menge der zugehörigen möglichen Flüsse ein Intervall ist.are for the Pump the contour lines not falling monotonously, it becomes part of the domain of definition This pump cut off, since the calculation for each height requests that the amount the associated potential rivers is an interval.
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
das bestehende nichtlineare Optimierungsproblem, innerhalb einer
jeweiligen Pumpstation, z. B. der Station PS2 mit
den Pumpen
Zwischen zwei Stützstellen werden die Kennlinien linear interpoliert, das heißt für eine Drehzahl λi und einen Fluss q ∊ [q i / j,q i / j+1] gilt: The characteristic curves are linearly interpolated between two interpolation points, that is to say for a rotational speed λ i and a flux q ε [qi / j, qi / j + 1], the following applies:
Die Kennlinie für eine Drehzahl λ wird i. a. hierbei aus der bekannten Kennlinie einer anderen Drehzahl λ0 mit Hilfe der folgenden Transformationsregel berechnet: In general, the characteristic curve for a rotational speed λ is calculated from the known characteristic curve of another rotational speed λ 0 by means of the following transformation rule:
Damit
die Transformationsregel angewendet werden kann, muss für die Stützstellen
q i / 0 und q i / n
Folgendes gelten: In order for the transformation rule to be applied, qi / 0 and qi / n must be used for the interpolation points
The following apply:
Gilt dies nicht, so werden die Definitionsbereiche von H(λi,·) und E(λi,·) entsprechend verkleinert.If this is not true, the definition ranges of H (λ i , ·) and E (λ i , ·) are reduced accordingly.
Um stetige Übergänge zu erreichen, sollten bei mehreren bekannten Kennlinien vorteilhafter Weise die Kennlinien dazwischen als Konvexkombinationen der transformierten Kennlinien berechnet werden. Gilt also λi < λ < λi+1 für eine mögliche Drehzahl λ, so können die Höhen- und Energiekennlinien wie folgt angegeben werden: In order to achieve continuous transitions, in the case of several known characteristic curves, the characteristic curves between them should be calculated as convex combinations of the transformed characteristic curves. If, therefore, λ i <λ <λ i + 1 for a possible rotational speed λ, then the altitude and energy characteristics can be specified as follows:
Zur Bestimmung des minimalen Energieverbrauchs einer Pumpstation bei fester Höhe und festem Fluss werden die Drehzahlen der Pumpen bestimmt.to Determining the minimum energy consumption of a pumping station fixed height and fixed flow, the speeds of the pumps are determined.
Dies geschieht in drei Schritten:
- • 1. Bestimmung der Energie Ei(h0,·):[q i / min(h0), q i / max(h0)]→[0,∞), die die Pumpe Pi benötigt, um einen Fluss auf eine bestimmte Höhe h0 zu pumpen.
- • 2. Aufteilen des Flusses auf die einzelnen Pumpen durch Lösen des folgenden nicht linearen Optimierungsproblems (NLP) qi = 0 oder q i / min(h0) ≤ qi ≤ q i / max(h0) für alle i = 1, ..., r.
- • 3. Berechnung der Drehzahlen für jede Pumpe.
- 1. Determination of the energy E i (h 0 , ·): [qi / min (h 0 ), qi / max (h 0 )] → [0, ∞), which the pump P i needs to flow up to pump a certain height h 0 .
- 2. Splitting the flow to the individual pumps by solving the following nonlinear optimization problem (NLP) q i = 0 or qi / min (h 0 ) ≤q i ≤ qi / max (h 0 ) for all i = 1, ..., r.
- • 3. Calculation of the speeds for each pump.
Dabei sei q i / min(h0)/q i / max(h0) der minimale/maximale Fluss, der von Pumpe Pi auf Höhe (h0) gepumpt werden kann.Let qi / min (h 0 ) / qi / max (h 0 ) be the minimum / maximum flow that can be pumped from pump P i to height (h 0 ).
Jede Pumpe ist durch die vier Parameter Höhe (h), Fluss (q), Drehzahl (λ) und Energie (q) beschrieben. Von diesem sind je zwei innerhalb gewisser Grenzen frei wählbar, die übrigen beiden ergeben sich aus den Kennlinien. Es kann also zum Beispiel die Energie in Abhängigkeit von Drehzahl und Fluss aber auch in Abhängigkeit von Höhe und Fluss berechnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden beide Funktionen mit E bezeichnet, um zu viele Indizes zu vermeiden. Aus diesen Parametern geht jeweils eindeutig hervor, welche Funktion gemeint ist.each Pump is through the four parameters height (h), flow (q), speed (λ) and Energy (q) described. There are two within each of this Borders freely selectable, the remaining Both result from the characteristics. So it can be, for example the energy in dependence of speed and flow but also depending on altitude and flow be calculated. In this embodiment Both functions are denoted by E to get too many indexes avoid. These parameters clearly show that which function is meant.
Für eine feste Höhe h0 und einen Fluss q ergibt sich die Energie Ei(h0,q) für Pumpe Pi durch Auflösen von Hi(λ,q) = h0 nach λ und Einsetzen von λ in Ei(λ,q).For a fixed height h 0 and a flow q, the energy E i (h 0 , q) for pump P i is given by resolving H i (λ, q) = h 0 to λ and substituting λ into E i (λ , q).
Äquivalenzformungen
ergeben ein Polynom 3. Grades in λ:
Mit der so genannten Cardanischen Formel sind die drei Wurzeln dieses Polynoms berechenbar. Die gesuchte Drehzahl λ ist diejenige Wurzel, welche in [λi,λi+1] liegt. Ein Einsetzen dieser Drehzahl λ in Ei[λ,q] ergibt dann den Energiebedarf Ei(h0,q).With the so-called Cardan formula, the three roots of this polynomial are calculable. The sought speed λ is the root which lies in [λ i , λ i + 1 ]. An insertion of this speed λ in E i [λ, q] then gives the energy demand E i (h 0 , q).
Durch Berechnung des jeweiligen Wertes Ei(h0,q) für verschiedene Stützwerte q und durch eine im folgenden noch näher ausgeführte geeignete Approximation dazwischen, ergibt sich eine Approximation für die Energie Ei(h0,·):[q i / min(h0),q i / max(h0)]→[0,∞).By calculating the respective value E i (h 0 , q) for different fundamental values q and by means of a suitable approximation, which will be described in more detail below, an approximation for the energy E i (h 0 , ·) results: [qi / min. h 0 ), qi / max (h 0 )] → [0, ∞).
Sind diese Funktionen konvex, d. h. ihre Ableitungen sind streng monoton wachsend, dann gibt es genaue eine Lösung dieses Problems.are these functions convex, d. H. their derivatives are strictly monotone growing, then there is a precise solution to this problem.
Dieses Ergebnis wird im Folgenden benutzt, um die zu produzierenden Höhen auf die Pumpstationen zu verteilen. Hierzu wird das Problem zunächst diskretisiert, das heißt, es wird eine Genauigkeit s gewählt und dann werden nur noch Höhen betrachtet, die dieser Genauigkeit entsprechen. Kann eine Pumpstation also zum Beispiel alle Höhen aus [30,40] produzieren, und ist s = 0.5, so werden für diese Pumpstation nur die Höhen 30.0, 30.5, 31.0, 31.5, ..., 40.0 betrachtet.This Result will be used below to indicate the heights to be produced to distribute the pumping stations. For this, the problem is first discretized, this means, An accuracy s is selected and then only heights considered that correspond to this accuracy. Can a pumping station So for example all heights from [30,40] produce, and is s = 0.5, so be for this Pumping station only the heights 30.0, 30.5, 31.0, 31.5, ..., 40.0.
Der „Dynamischen
Programmierung" liegt
das Prinzip zugrunde, dass sich die optimalen Lösungen des Gesamtproblems aus
optimalen Lösungen
für die
Teilprobleme zusammensetzen. Dies ist hier der Fall:
Seien
PS1, ..., PSk die
hintereinander geschalteten Pumpstationen. Sei für i = 1, ..., k(hi,qi) das Höhe-Fluss-Paar,
das das Pipeline-Segment
zwischen PSi und PSi+1 beschreibt.
Die zu produzierende Gesamthöhe
ist "Dynamic Programming" is based on the principle that the optimal solutions to the overall problem are made up of optimal solutions for the subproblems, as is the case here:
Let PS 1 , ..., PS k be the pumping stations connected in series. For i = 1,..., K (h i , q i ) let the height-flux pair describe the pipeline segment between PS i and PS i + 1 . The total height to be produced is
Die
Dynamische Programmierung macht sich nun die folgende Eigenschaft
der Pipeline zunutze:
Der Energiebedarf einer Pumpstation PSi hängt
nur davon ab, wie viel Höhe
sie erzeugt und wie viel Vordruck, das heißt wie viel Höhe mehr
als die geforderte Höhe
von h1 + ... + hi-1,
die vorangegangenen Pumpstationen PS1, ...,
PSi-1 erzeugt haben. Er hängt nicht
davon ab, wie dieser Vordruck erzeugt wurde, das heißt wie viel Vordruck
welche der Pumpstationen PS1, ..., PSi-1 erzeugt hat.Dynamic Programming now exploits the following property of the pipeline:
The energy requirement of a pumping station PS i depends only on how much height it generates and how much pre-pressure, that is, how much height is more than the required height of h 1 +.. + H i-1 , the previous pumping stations PS 1 , ..., PS i-1 generated. It does not depend on how this form was created, that is, how much pre-pressure has generated which of the pumping stations PS 1 , ..., PS i-1 .
Formal
bedeutet dies:
Ein Paar (H',H'') von Höhen wird im Folgenden zulässig für (PS1 ⋃ PSi-1, PSi) genannt,
falls es zulässig
und möglich
ist, dass die Pumpstationen PS1, ..., PSi-1 gemeinsam die Höhe H' produzieren und dass PSi die
Höhe H'' produziert. Wird nochals minimaler gemeinsamer
Energieverbrauch der Stationen PS1, ...,
PSi-1 definiert, wenn diese gemeinsam die Höhe H produzieren,
so folgt: Formally this means:
A pair (H ', H'') of heights is hereinafter referred to as (PS 1 ⋃ PS i-1 , PS i ) called, if it is permissible and possible that the pumping stations PS 1 , ..., PS i -1 together produce the height H 'and that PS i produces the height H''. Will still defined as the minimum common energy consumption of the stations PS 1 , ..., PS i-1 , if these together produce the height H, then:
Die weiteren Verfahrensschritte zur Verteilung der zu produzierenden Höhen auf die einzelnen Pumpstationen ergeben sich dann folgendermaßen:
- • 1. Bestimme für jede Pumpstation PSi die Menge Ji = möglicher Höhen, die diese Pumpstation produzieren kann.
- • 2. Berechne für jede Pumpstation PSi den Energiebedarf für jede Höhe h ∊ Ji.
- • 3. Für i = 2, ..., k (a) Bestimme die Menge J aller zulässiger und möglicher Gesamthöhen, die von PS1, ..., PSi erzeugt werden können. (b) Für alle H ∊ J: Berechne und speicheregemäß Gleichung (7) und speichere die optimale Verteilung von H auf die Pumpstationen PS1 ⋃ ... ⋃ PSi-1 und PSi.
- 1. Determine for each pumping station PS i the amount J i = possible heights that this pumping station can produce.
- • 2. Calculate the energy requirement for each pump station PS i for each height h ε J i .
- • 3. For i = 2, ..., k (a) Determine the set J of all allowable and possible total heights that can be generated by PS 1 , ..., PS i . (b) For all H ε J: Compute and save according to equation (7) and store the optimal distribution of H on the pumping stations PS 1 ⋃ ... ⋃ PS i-1 and PS i .
Die Verfahrensschritte zur Verteilung der zu produzierenden Höhen auf die einzelnen Pumpstationen wird im Folgenden an Hand des einfachen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erklärt.The Procedural steps for distribution of the heights to be produced The individual pumping stations will be described below with reference to the simple one explained in detail in the drawing embodiment.
Die Pumpstationen und Verbraucher sind hier durch vier Pipeline-Segmente S12, S23 und S1 und S2 miteinander verbunden, an denen die zu erbringende Höhe und der durchzupumpende Fluss aufgetragen ist. Die Höhe, die eine Pumpstation erbringen kann, wenn sie eingeschaltet ist, ist ebenfalls eingetragen. Als zu erreichende Höhe ergeben sich h1 = h'1 = 30, h2 = h'2 = 30, h3 = h'3 + h'4 = 40 und hges = 100.The pump stations and consumers are here connected to each other by four pipeline segments S12, S23 and S1 and S2, on which the height to be supplied and the flow to be pumped is plotted. The height that a pumping station can provide when it is on is also recorded. The height to be achieved results in h 1 = h ' 1 = 30, h 2 = h' 2 = 30, h 3 = h ' 3 + h' 4 = 40 and h ges = 100.
- 1. Schritt: Als Schrittlänge sei s = 1 gewählt.1st step: As step length s = 1 is selected.
- 2. Schritt: Zunächst wird die erste Pumpstation PS, betrachtet. Diese kann theoretisch alle Höhen zwischen 0 und 40 produzieren. Da sie aber den Fluss mindestens 30 Längeneinheiten hoch pumpen muss, gibt es für diese Pumpstation nur die Option, dass sie eine Höhe H1 zwischen 30 und 40 produziert. Daher gilt J1 = {30, 31, ..., 40}.2nd step: First, the first pumping station PS, considered. This can theoretically produce all heights between 0 and 40. However, since it has to pump the river at least 30 units of length, there is only the option for this pumping station to produce a height H 1 between 30 and 40. Therefore, J 1 = {30, 31, ..., 40}.
Erzeugt PS1 eine Höhe von H1 ∊ [30,40] so muss PS2 eine Höhe von mindestens 30 – (H1 – 30) ≥ 20 und höchstens 100 – H1 ≤ 70 erzeugen.If PS 1 produces a height of H 1 ε [30,40], PS 2 must produce a height of at least 30 - (H 1 - 30) ≥ 20 and at most 100 - H 1 ≤ 70.
Daher gilt für die von PS2 zu erzeugende Höhe H2 ∊ [20,70] und somit J2 = {20, 21, ..., 70}.Therefore, for the height to be generated by PS 2 , H 2 ε [20,70] and thus J 2 = {20, 21, ..., 70}.
Man betrachtet nun alle Gesamthöhen H1 + H2, die die ersten beiden Pumpstationen gemeinsam erzeugen können. Diese liegen alle zwischen 30 + 30 = 60 und 100. Erzeugen können PS1 und PS2 nun eine Höhe von H'1 ∊ [60,100], so muss PS3 eine Höhe von mindestens 40 – (H'1 – 60) ≥ 0 und höchstens 100 – H'1 ≤ 40 erzeugen. Daher gilt für die von PS3 zu erzeugende Höhe H3 ∊ [0,40] und damit J3 = {0, 1, ..., 40}.
- 3. Schritt: Nun werden für jede Pumpstation PSi die minimalen Energieverbrauche für die möglichen Höhen aus Ji berechnet.
- 4. Schritt: Für i = 2 gilt J = J1 = {30, 31, ..., 40} für alle Höhen aus J wird nun der Energieverbrauch von PS1 ⋃ PS2 gemäß Gleichung (7) bestimmt und die zugehörige optimale Aufteilung der Höhen auf PS1 und PS2 gespeichert.
- 3rd step: Now, for each pumping station PS i, the minimum energy consumption for the possible heights is computed from J i .
- 4th step: For i = 2, J = J 1 = {30, 31, ..., 40} for all heights from J, the energy consumption of PS 1 ⋃ PS 2 is determined according to equation (7) and the associated optimal one Splitting the heights stored on PS 1 and PS 2 .
Für i = 3 gilt J = {60, 61, ..., 100}. Der minimale Energieverbrauch von PS1 ⋃ PS2 ⋃ PS3 für hges = 100 wird nun durch Gleichung (7) bestimmt. Ergibt sich zum Beispiel, dass dieser minimale Energieverbrauch erreicht wird, falls PS1 ⋃ PS2 eine Höhe von 80 und PS3 eine Höhe von 20 produziert, so ist nachzusehen, wie die optimale Aufteilung der Höhen auf PS1 und PS2 bei einer gemeinsamen Höhe von 80 war. War diese 30 für PS1 und 50 für PS2, so ist die optimale Aufteilung der Höhen auf PS1, PS2 und PS3 gerade gegeben durch 30,50,20.For i = 3, J = {60, 61, ..., 100}. The minimum energy consumption of PS 1 ⋃ PS 2 ⋃ PS 3 for h ges = 100 is now determined by equation (7). If, for example, it turns out that this minimum energy consumption is achieved, if PS 1 ⋃ PS 2 produces a height of 80 and PS 3 a height of 20, then see how the optimum distribution of heights on PS 1 and PS 2 is common Height of 80 was. Was this 30 for PS 1 and 50 for PS 2 , so the optimum distribution of the heights on PS 1 , PS 2 and PS 3 is just given by 30,50,20.
Da der Energieverbrauch einer Pumpstation nicht zwingend monoton wachsend in der Höhe ist, kann es vorteilhaft sein, in der Pipeline einen Druck größer als hges zu produzieren.Since the energy consumption of a pumping station is not necessarily monotonically increasing in height, it may be advantageous to produce a pressure greater than h tot in the pipeline.
Das Verfahren kann übertragen werden auf den Fall, dass die Pipeline Verzweigungen enthält, so dass zum Beispiel bei einer Pumpstation mehrere Rohre hinaus oder mehrere Rohre hinein führen. Voraussetzung ist jedoch, dass es überhaupt keine Kreise gibt. Der Fall, dass die Pipeline Kreise enthält, ist wesentlich schwieriger zu lösen.The Procedure can transfer be in the case that the pipeline contains branches, so that For example, at a pumping station several pipes out or more Lead pipes in. The condition is, however, that there are no circles at all. The case that the pipeline contains circles is much more difficult to solve.
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