DE102019213530A1 - Method and device for operating a water distribution system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems (1), mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen (S1, S2) von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem (1);
- Ermitteln (S3) einer Stellgrößenangabe (S) zum Betreiben einer Pumpstation (3) mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten;
- Betreiben (S5) mindestens einer Pumpe der Pumpstation (3) abhängig von der Stellgrößenangabe (S), um eine Pumpleistung bereitzustellen;dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmodell ein datenbasiertes trainierbares Modell, insbesondere ein Gaußprozessmodell, umfasst, das trainiert ist, um die Stellgrößenangabe (S) abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass Druckschwankungen an Zapfstellen des Leitungsnetzes reduziert werden.
The invention relates to a method for operating a water distribution system (1), with the following steps:
- Provision (S1, S2) of operating data and / or demand data for the water distribution system (1);
- Determination (S3) of a manipulated variable specification (S) for operating a pumping station (3) with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data;
- Operating (S5) at least one pump of the pumping station (3) as a function of the manipulated variable specification (S) in order to provide a pump power; characterized in that the operating model comprises a data-based trainable model, in particular a Gaussian process model, which is trained to provide the manipulated variable specification (S) to be provided as a function of the operating data and / or the demand data in such a way that pressure fluctuations at the tapping points of the pipeline network are reduced.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Wasserverteilungssysteme, und insbesondere Maßnahmen für einen energie- und wasserverbrauchseffizienten Betrieb eines Wasserverteilungssystems.The invention relates to water distribution systems, and in particular to measures for an energy- and water-consumption-efficient operation of a water distribution system.
Technischer HintergrundTechnical background
Trinkwasser wird über verzweigte Wasserleitungssysteme in die Haushalte oder Produktionsstätten einer Stadt oder einer Ortschaft verteilt. Zu einem Wasserleitungssystem gehören in der Regel eine Wasserbereitstellungsstation, ein Wasserspeicher, eine oder mehrere Pumpstationen bzw. Druckerhöhungsstationen sowie ein Leitungsnetz mit Wasserleitungsrohren und Zapfstellen üblicherweise in den angeschlossenen Haushalten und Produktionsstätten. Um eine störungsfreie Versorgung mit Trinkwasser zu gewährleisten, ist es notwendig, dass jederzeit ein Wasserdruck vorliegt, der dafür sorgt, dass Wasser an den Zapfstellen entnommen werden kann. Gleichzeitig darf dieser Wasserdruck ein Maximum nicht übersteigen, so dass es zu keinen Schäden der Leitungen und/oder Energie- oder Wasserverlusten (Druckminderungsventile) kommt.Drinking water is distributed to households or production facilities in a city or town via branched water pipe systems. A water supply system usually includes a water supply station, a water storage tank, one or more pumping stations or pressure boosting stations and a network with water pipes and taps, usually in the connected households and production facilities. In order to ensure a trouble-free supply of drinking water, it is necessary that there is always a water pressure that ensures that water can be drawn from the taps. At the same time, this water pressure must not exceed a maximum so that there is no damage to the lines and / or energy or water losses (pressure reducing valves).
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems und ein Wasserverteilungssystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for operating a water distribution system according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are given in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem ;
- - Ermitteln einer Stellgrößenangabe zum Betreiben einer Pumpstation mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten;
- - Betreiben mindestens einer Pumpe der Pumpstation abhängig von der Stellgrößenangabe, um eine Pumpleistung bereitzustellen;
- - Provision of operating data and / or demand data for the water distribution system;
- Determination of a manipulated variable specification for operating a pumping station with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data;
- - Operating at least one pump of the pumping station depending on the manipulated variable information in order to provide a pump output;
Um zu gewährleisten, dass in einem Wasserverteilungssystem zu jedem Zeitpunkt ein ausreichender Druck vorherrscht, sind herkömmlich zum einen Pumpstationen vorgesehen, die eine ausreichende Menge an Wasser in das Leitungsnetz fördern können, um auch bei einer hohen Wasserentnahme den notwendigen Leitungsdruck und Durchfluss aufrechtzuerhalten. Zum anderen sind ein oder mehrere Druckminderungsventile vorgesehen, die den Druck in dem Leitungsnetz beschränken, indem Wasser abgelassen wird.To ensure that there is sufficient pressure in a water distribution system at all times, pumping stations are conventionally provided on the one hand, which can convey a sufficient amount of water into the pipeline network in order to maintain the necessary pipeline pressure and flow even when there is a high water withdrawal. On the other hand, one or more pressure reducing valves are provided which limit the pressure in the pipe network by draining water.
Wasser, das über die Druckminderungsventile abgelassen wird, gegen einen hohen Druck in das Leitungsnetz zu pumpen, ist für die Bereitstellung von Wasser an den Zapfstellen ohne Nutzen. Der daraus aufgrund der aufzubringenden Pumpleistung resultierende Energieverlust ist bei herkömmlichen Wasserverteilungssystemen bereits sehr hoch, und es wäre daher wünschenswert, Wasserverteilungssysteme so zu betreiben, dass der Energieverlust reduziert ist.Pumping water, which is drained via the pressure reducing valves, into the pipe network against a high pressure is of no use for the provision of water at the draw-off points. The energy loss resulting therefrom due to the pump power to be applied is already very high in conventional water distribution systems, and it would therefore be desirable to operate water distribution systems in such a way that the energy loss is reduced.
Das Wasserverteilungssystem wird im Wesentlichen durch Steuerung der Pumpleistung mindestens einer Pumpstation betrieben. Die Pumpstation ermöglicht die Förderung einer Wassermenge, um einen bestimmten Druck in dem Leitungsnetz des Wasserverteilungssystems bereitzustellen. Üblicherweise bestehen in Wasserverteilungssystemen verschiedene Druckzonen, wobei üblicherweise an den Zapfstellen ein Druck von etwa 2 bar und 4 bis 6 bar an Übergangspunkten bereitgestellt werden soll. Ein Überdruck über beispielsweise 10 bar sollte dabei vermieden werden, um Schäden an dem Wasserleitungssystem (Leitungen) oder anderen Einrichtungen zu vermeiden. Der Wasserdruck in den Druckzonen wird über die Druckminderungsventile reguliert. 90% des Energieverbrauchs in einem Wasserverteilungssystem entfällt auf den Pumpverbrauch, wobei der durch das Ablassen von Wasser über die Druckminderungsventile bewirkte Energieverlust bei ungefähr 30 bis 40% liegt.The water distribution system is essentially operated by controlling the pumping power of at least one pumping station. The pumping station enables a quantity of water to be conveyed in order to provide a specific pressure in the pipe network of the water distribution system. There are usually different pressure zones in water distribution systems, with a pressure of around 2 bar and 4 to 6 bar at transition points usually being provided at the tapping points. An overpressure above 10 bar, for example, should be avoided in order to avoid damage to the water pipe system (pipes) or other facilities. The water pressure in the pressure zones is regulated via the pressure reducing valves. 90% of the energy consumption in a water distribution system is accounted for by pumping, with the energy loss caused by draining water through the pressure reducing valves being around 30 to 40%.
Ferner entstehen je nach Zapfverhalten in den Haushalten dynamische Druckschwankungen in dem Leitungsnetz, die durch bisherige Einrichtungen nicht ausreichend kompensiert werden können, da diese Einrichtungen nicht an Systemänderungen angepasst werden können.Furthermore, depending on the dispensing behavior in the household, dynamic pressure fluctuations arise in the line network, which cannot be sufficiently compensated by previous devices, since these devices cannot be adapted to changes in the system.
Das obige Verfahren sieht die Verwendung eines Prädiktionssystems vor, das mithilfe eines Betriebsmodells die Betriebsdaten und Bedarfsdaten bearbeitet, um eine bestmögliche Pumpleistung bereitzustellen. Diese Pumpleistung kann damit prädiktiv den zu erwartenden Wasserbedarf in einem Wasserverteilungssystem berücksichtigen, so dass hohe Wasserentnahmen nicht zu einer Unterschreitung eines geforderten Mindestdrucks an einer Stelle im Wasserverteilungssystem führen.The above method provides for the use of a prediction system that processes the operating data and demand data with the aid of an operating model in order to provide the best possible pump performance. This pump power can thus predictively take into account the expected water demand in a water distribution system, so that high water withdrawals do not lead to the pressure falling below the required minimum at one point in the water distribution system.
Das Betriebsmodell kann als ein trainierbares datenbasiertes Modell, insbesondere als ein Gauß-Prozess-Modell, ausgebildet sein, das mit den zur Verfügung stehenden Betriebsdaten und Bedarfsdaten eine Stellgrößenangabe, insbesondere als eine aktuell einzustellende Pumpleistung einer Pumpstation ermittelt. The operating model can be designed as a trainable, data-based model, in particular as a Gaussian process model, which uses the available operating data and demand data to determine a manipulated variable, in particular as a currently set pump output of a pumping station.
Durch die Nutzung der Bedarfsdaten wird das Betriebsmodell prädiktiv. Die Bedarfsdaten enthalten mit dem Wasserbedarf korrelierende Daten, wie z.B. Tageszeitdaten, Wochentags- und Jahreszeitinformationen (Kalenderdaten), die berücksichtigt werden können. Durch das Betriebsmodell kann in Erwartung einer verstärkten Wasserentnahme aus dem Wasserverteilungssystem die Pumpleistung erhöht werden und umgekehrt. Auf diese Weise kann ein Druckabfall unter einen vorgegebenen Mindestdruck an einer bestimmten Stelle im Wasserverteilungssystem vermieden werden. Weiterhin kann die Häufigkeit eines Überdrucks bzw. eines Ablassens von Wasser über die Druckminderungsventile bei einer Reduzierung der Wasserentnahme durch prädiktives Drosseln der Pumpleistung verringert werden, um das Ablassen von Wasser über ein Druckminderungsventil zu vermeiden.By using the demand data, the operating model becomes predictive. The demand data contain data that correlates with the water demand, such as time of day data, weekday and season information (calendar data), which can be taken into account. The operating model can increase the pumping capacity and vice versa in anticipation of increased water withdrawal from the water distribution system. In this way, a pressure drop below a predetermined minimum pressure at a specific point in the water distribution system can be avoided. Furthermore, the frequency of an overpressure or a drainage of water via the pressure reducing valves in the event of a reduction in the water withdrawal can be reduced by predictive throttling of the pump output in order to avoid draining water via a pressure reducing valve.
Durch die Nutzung des Betriebsmodells können also zum einen die Druckschwankungen innerhalb des Wasserverteilungssystems verringert werden und zum anderen kann das Unterschreiten eines Mindestdrucks verhindert und die Häufigkeit des Ablassens von Wasser über die Druckminderungsventile reduziert werden.By using the operating model, on the one hand, the pressure fluctuations within the water distribution system can be reduced and, on the other hand, falling below a minimum pressure can be prevented and the frequency of draining water via the pressure reducing valves can be reduced.
Weiterhin kann die mindestens eine Pumpe weiterhin abhängig von einer Unsicherheitsangabe zu der Stellgrößenangabe an dem durch die Betriebsdaten und/oder die Bedarfsdaten vorgegebenen Betriebspunkt betrieben werden.Furthermore, the at least one pump can continue to be operated at the operating point specified by the operating data and / or the demand data as a function of an uncertainty statement regarding the manipulated variable specification.
Es kann vorgesehen sein, dass die Betriebsdaten Drücke und/oder Durchflüsse und/oder Wassertemperaturen an mindestens einer Sensorposition in einem Leitungsnetz des Wasserverteilungssystems umfassen.It can be provided that the operating data include pressures and / or flow rates and / or water temperatures at at least one sensor position in a line network of the water distribution system.
Weiterhin können die Bedarfsdaten eine oder mehrere der folgenden Angaben über externe Bedingungen umfassen:
- - die Tageszeit, den Wochentag und/oder die Jahreszeit,
- - der Wetterdaten, insbesondere der Tages- und/oder Nachttemperatur und/oder einer Wolkensituation und/oder einer Regenwahrscheinlichkeit,
- - eine Angabe über anstehende Ereignisse, die Einflüsse auf die Wasserentnahme aus dem Leitungsnetz haben.
- - the time of day, the day of the week and / or the season,
- - the weather data, in particular the day and / or night temperature and / or a cloud situation and / or a probability of rain,
- - an indication of upcoming events that have an impact on water withdrawal from the pipeline network.
Weiterhin kann das datenbasierte trainierbare Modell trainiert sein, um die Stellgrößenangabe abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten so bereitzustellen, dass ein geforderter Mindestdruck an einer Stelle im Wasserverteilungssystem nicht unterschritten wird und/oder dass ein vorbestimmter Maximaldruck nicht überschritten wird.Furthermore, the data-based trainable model can be trained to provide the manipulated variable information depending on the operating data and / or the demand data so that a required minimum pressure is not undershot at a point in the water distribution system and / or that a predetermined maximum pressure is not exceeded.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- - Bereitstellen von Betriebsdaten und/oder Bedarfsdaten für das Wasserverteilungssystem ;
- - Ermitteln einer Stellgrößenangabe zum Betreiben einer Pumpstation mithilfe eines Betriebsmodells abhängig von den Betriebsdaten und/oder den Bedarfsdaten;
- - Betreiben mindestens einer Pumpe der Pumpstation abhängig von der Stellgrößenangabe, um eine Pumpleistung bereitzustellen;
- - Provision of operating data and / or demand data for the water distribution system;
- Determination of a manipulated variable specification for operating a pumping station with the aid of an operating model as a function of the operating data and / or the demand data;
- - Operating at least one pump of the pumping station depending on the manipulated variable information in order to provide a pump output;
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Wasserverteilungssystem mit einem Leitungsnetz, einer Pumpstation zum Bereitstellen von Wasser in das Leitungsnetz und der obigen Vorrichtung zum Ansteuern der Pumpstation zum Bereitstellen der Pumpleistung vorgesehen.According to a further aspect, a water distribution system is provided with a line network, a pumping station for providing water in the line network and the above device for controlling the pumping station for providing the pump power.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Wasserverteilungssystems; -
2 ein Verfahren zum Betreiben eines Wasserverteilungssystems der1 ; und -
3 ein Verfahren zum Trainieren eines Betriebsmodells für ein Wasserverteilungssystem der1 .
-
1 a schematic representation of an exemplary water distribution system; -
2 a method for operating a water distribution system of the1 ; and -
3 a method for training an operating model for a water distribution system of1 .
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Das Wasserverteilungssystem
In dem Leitungsnetz
Üblicherweise sind für Leitungsnetze Sollleitungsdrücke von 2 bar an den Zapfstellen
Zum Schutz des Leitungsnetzes
Je nach Zapfverhalten, d. h. je nach Wasserentnahme an den Zapfstellen
Um dies zu vermeiden, können die Druckschwankungen in dem Leitungsnetz
Um den Betrieb des Wasserverteilungssystems
Das Betriebsmodell ist als datenbasiertes trainierbares Modell ausgebildet, insbesondere als ein Gaußprozessmodell. Ein Gaußprozessmodell stellt einen universellen Funktionsapproximator dar. Verallgemeinert stellt ein Gaußprozessmodell eine Funktion dar, dessen Funktionswerte aufgrund unvollständiger Information nur mit Wahrscheinlichkeiten modelliert werden können. Mithilfe von Funktionen der Erwartungswerte, Varianzen und Kovarianzen beschreibt ein Gaußprozess die Funktionswerte als ein Kontinuum aus korrelierten Zufallsvariablen in Form einer Normalverteilung. Dies ermöglicht eine Regression auch bei fehler- oder toleranzbehafteten Eingangsgrößen und stochastisch verteilten Modellgrößen.The operating model is designed as a data-based trainable model, in particular as a Gaussian process model. A Gaussian process model represents a universal function approximator. In general, a Gaussian process model represents a function whose function values can only be modeled with probabilities due to incomplete information. With the help of functions of the expected values, variances and covariances, a Gaussian process describes the function values as a continuum of correlated random variables in the form of a normal distribution. This enables a regression even with input variables with errors or tolerances and stochastically distributed model variables.
Die Stellgrößenangabe S dient dazu, die Pumpleistung der Pumpe einzustellen. Dies kann direkt erfolgen, indem die Stellgrößenangabe S der Pumpleistung entspricht, oder indirekt, indem ein Solldruck für eine Leitungsposition unmittelbar stromabwärts der Pumpe angegeben wird, auf den die Pumpleistung geregelt wird.The manipulated variable specification S is used to set the pump output of the pump. This can be done directly by entering the manipulated variable specification S the Pump output corresponds, or indirectly, by specifying a setpoint pressure for a line position immediately downstream of the pump, to which the pump output is regulated.
Die Betriebsdaten umfassen dabei Drücke und/oder Durchflüsse, die von den Zustandssensoren
Die Bedarfsdaten können eine oder mehrere der folgenden Angaben über externe Bedingungen umfassen:
- - die Tageszeit, den Wochentag und/oder die Jahreszeit (in Form einer Angabe des Monats oder des Kalendertags),
- - der Wetterdaten, wie z.B. der Tages und Nachttemperatur, Wolkensituation und dergleichen, einer Regenwahrscheinlichkeit,
- - eine Angabe über anstehende Ereignisse, wie beispielsweise von Festen, Großveranstaltungen und dergleichen, die Einflüsse auf die Wasserentnahme aus dem Leitungsnetz
4 haben.
- - the time of day, the day of the week and / or the season (in the form of an indication of the month or calendar day),
- - the weather data, such as day and night temperature, cloud situation and the like, a rain probability,
- - an indication of upcoming events, such as festivals, major events and the like, the influences on water abstraction from the pipeline network
4th to have.
So können anhand der Bedarfsdaten Schwankungen der Wasserverbräuche zugeordnet werden. Beispielsweise kann warmem Wetter ein höherer Wasserverbrauch zugeordnet werden.In this way, fluctuations in water consumption can be assigned on the basis of the demand data. For example, higher water consumption can be assigned to warm weather.
Durch das Berücksichtigen von Bedarfsdaten können zeit-, wetter- und ereignisabhängige Prädiktionen durchgeführt werden, so dass die Pumpleistung über die Stellgrößenangabe S entsprechend dem zu erwartenden Wasserbedarf angepasst werden kann. So kann beispielsweise der Wasserdruck in dem Leitungsnetz
Zudem können bei einer zustandsbasierten Einstellung der Pumpleistung die kurzfristigen Schwankungen durch Überwachen der Drücke und Durchflüsse in dem Leitungsnetz
Der Betrieb der Steuereinheit
Die Betriebsdaten dienen der Druckregelung in dem Leitungsnetz
In Verbindung mit dem Flussdiagramm der
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In Schritt
Anschließend wird zu Schritt
In dem Flussdiagramm der
In Schritt
Anschließend werden in Schritt
Insbesondere kann das Betriebsmodell dann basierend auf einem Druck an der Referenzstelle bzw. auf eine Pumpleistung trainiert werden, die an allen geöffneten Zapfstellen zu einem ausreichenden Druck bzw. Durchfluss führt. Dies kann durch adaptives Anpassen der Pumpleistung während eines bestimmten Zapfprofils erfolgen. Man erhält so Messpunkte, die zum Training des Betriebsmodells, das als Gauß-Prozess-Modell ausgebildet sein kann, verwendet werden können. Für das Abbilden eines prädiktiven Verhaltens können die Auswirkungen eines durch Betriebsdaten und Bedarfsdaten definierten Betriebspunktes auf eine Wasserbereitstellung für einen in der Zukunft liegenden Zeitraum ermittelt werden. Dieser Zeitraum kann beispielsweise zwischen 0,5 und 30 Sekunden betragen. Auf diese Weise können dynamische Effekte abgebildet werden.In particular, the operating model can then be trained based on a pressure at the reference point or on a pump power which leads to a sufficient pressure or flow rate at all open tapping points. This can be done by adaptively adjusting the pump output during a specific dispensing profile. In this way, measurement points are obtained that can be used to train the operating model, which can be designed as a Gaussian process model. For the mapping of a predictive behavior, the effects of an operating point defined by operating data and demand data on water supply can be determined for a period in the future. This period of time can be between 0.5 and 30 seconds, for example. In this way dynamic effects can be mapped.
In Schritt
Werden Teilbetriebsmodelle bezüglich der Betriebsdaten und bezüglich der Bedarfsdaten vorgesehen, so kann das Teilbetriebsmodell bezüglich der Bedarfsdaten des Verhaltensmodells verschiedene Tageszeiten, Wochentage, Jahreszeiten, Ereignisse und dergleichen Durchflüsse an der Referenzstelle bzw. Drücke an der Referenzstelle aufgezeichnet werden, wobei die Aufzeichnung bei einer vorgegebenen Pumpleistung erfolgen kann. Durch Schwankungen des Drucks an der Referenzstelle können die unterschiedlichen Entnahmeverhalten ermittelt werden und in einen entsprechenden additiven Beitrag zu dem Solldruck an der Referenzstelle bzw. der Pumpleistung mithilfe des ebenfalls als Gauß-Prozess-Modell ausgeführten Verhaltensmodells eingesetzt werden.If partial operating models are provided with regard to the operating data and with regard to the demand data, the partial operating model can be recorded with regard to the demand data of the behavior model, different times of the day, days of the week, seasons, events and the like flow rates at the reference point or pressures at the reference point, with the recording at a given pump capacity can be done. Due to fluctuations in the pressure at the reference point, the different withdrawal behaviors can be determined and used in a corresponding additive contribution to the target pressure at the reference point or the pumping capacity with the aid of the behavior model, which is also designed as a Gaussian process model.
Alternativ können ferner als Eingangsgrößen für das Betriebsmodell auch topographische Daten, wie Leitungslänge, Leitungsdurchmesser, Leitungsmaterial, Leitungsalter, Art des Leitungsnetzes und dergleichen, berücksichtigt werden, so dass auch Betriebsmodelle verwendet werden können, die für andere Leitungsnetze bestimmt worden sind. Die Übertragbarkeit der hier beschriebenen Erfindung auf andere Leitungsnetze (z.B. Verzweigte-, Ring- oder Maschenleitungsnetze) ist dabei durch die Sequentierung dieser Leitungsnetze in einfach aufgebaute Netze (wie beispielhaft in
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