TR202022405A1 - Bi̇rden fazla pompanin enerji̇ veri̇mli̇li̇ği̇ odakli opti̇mal olarak bi̇r arada çaliştirilmasi i̇çi̇n yapay ari koloni̇ algori̇tmasi temelli̇ bi̇r yöntem ve bi̇r su temi̇n si̇stemi̇ - Google Patents

Abstract

Bu buluş, özellikle kaptaj alanları gibi birden fazla sıvı pompası içeren uygulamalarda pompaların (3) bir arada çalışma verimliliklerinin artırılması için bir su temin sistemi ve sıvı toplama sistemi(1) ile ilgilidir. Hem sabit hem değişken hızlı pompa (3) grupları sistemleri için kullanılabilecek, nesnelerin interneti tabanlı bir su temin sistemi önerilmektedir. Bu sistemde birim enerji maliyetlerinin ve ihtiyaç duyulan su miktarına göre toplama deposu seviyesinin optimize edildiği gerçel zamanlı, değişen koşullara göre adapte olabilen çok amaçlı (multi-objective) ABC (8) algoritması kullanılmaktadır.

Description

TARIFNAME BIRDEN FAZLA POMPANIN ENERJI VERIMLILIGI ODAKLI OPTIMAL OLARAK BIR ARADA ÇALISTIRILMASI iÇiN YAPAY ARI KOLONI ALGORITMASI TEMELLI BIR YÖNTEM VE BIR SU TEMIN Teknik Alan Bu bulus, özellikle kaptaj alanlari gibi birden fazla su pompasi içeren uygulamalarda pompalarin bir arada verimli bir sekilde çalistirilmasi için bir yöntem ve buna yönelik bir su temin sistemi ile ilgilidir. Önceki Teknik Özellikle yüzey sulannin yeterli olmadigi bölgelerde yeralti su kaynaklari kullanilmaktadir. Yeralti sulari çogunlukla dalgiç pompalar vasitasiyla yüzeye çikarilmaktadir. Genellikle daginik halde bulunan yeralti su kaynaklarindan alinan sular kaptaj alanlarinda bir araya toplanmaktadir. Daha sonra bu sular aritilarak ve/veya klorlanarak isale hattina verilmektedir.

Su teinin sistemlerinde enerji tüketiminin azaltilmasinda olumlu etkisi oldugu kanitlanmis birkaç yöntem bulunmaktadir. Bunlar, kontrol ve izleme sistemlerinin (SCADA) uygulanmasi, daha yüksek verimli pompa motorlarinin ve tahriklerinin kurulmasi ve su temin sisteinlerinde alternatif enerji kaynaklari kullanarak enerji üretilmesi olarak üç gruba ayrilabilmektedir.

Mevcut yöntemler incelendiginde kaptaj alanindaki birden fazla dalgiç pompalarinin ve terfi pompa merkezlerindeki diger tiplerdeki pompalarin isletilmesinde es yaslanma ve verime dayali manuel optimizasyon yöntemlerinin kullanildigi görülmektedir. 3506225 Es yaslanma yönteminde bütün pompalarin esit sürelerde çalistirilmasi hedeflenmektedir. Bu yöntem, verimli ve verimsiz pompalari ayni sürelerde isletmeye odaklandigi için etkin bir yöntem olmaktan uzaktir, Verime dayali manuel optimizasyon yönteminde ise operatörler günlük, haftalik veya aylik periyotlarda sistem verilerini ve depo seviyelerini gözden geçirmektedir.

Böylelikle verimli pompalar daha fazla, verimsiz pompalar ise daha az çalisacak sekilde ayarlanabilmektedir. Bu yöntem enerji verimliligi açisindan es-yaslanma yöntemine göre avantajli olsa da hem operatör tecrübesi gerektirmekte hem de degisen kosullara göre anlik cevaplar verememektedir.

Enerji tüketimi günümüzün en önemli problemlerinden birisidir. Kullandigimiz enerjinin büyük bir kismi fosil yakitlardan üretilmektedir. Kaynaklarin sinirli olmasi ve kirlilik gibi problemlerden dolayi enerji tasarrufu yapilmasi gerekliligi dogmustur. Pompalar dünya üzerinde üretilen enerjinin yaklasik %2075ini tüketmektedir. Bir su pompasi, 10 yillik ekonomik ömrü boyunca ilk yatirim maliyetinin yaklasik 200 katini enerji olarak tüketmektedir. Dolayisiyla, su pompalarinda verimli çalisma oldukça önemlidir. Özellikle dalgiç pompalardaki verimsizligin nedenleri su sekilde özetlenebilir: - Derin kuyularin açilmasi sonrasi seçilen yanlis pompa ve motorlar (boyutlandinna hatasi), - Kullanim sirasinda pompa ve motorlarin yaslanmasi, - Su arzinin azalmasina karsin talebin artmasiyla yeralti su seviyesinin düsmesi - Kuyu sondaj çalismalari sirasinda yapilan teknik hatalar - Su temininden sorumlu olan belediyelerin önceliklerinin isletme maliyetlerinden ziyade halka hizli su dagitimi olmasi. 3506225 Yukarida anilan sebeplerden dolayi, özellikle daginik su kaynaklarinin kullanildigi uygulamalarda enerji verimliligi saglayan bir yönteme ve sisteme ihtiyaç duyulmaktadir.

Teknigin bilinen durumunda yer alan, CN numarali patent dokümaninda tekil pompa çizelgelemeyi konu edinen enerji tüketimini dikkate alan tek kriterli Yapay Ari Kolonisi (Artificial Bee Colony - ABC) metodu kullanilmaktadir. Poinpa gruplarinin kolektif olarak optimizasyonu degil lokal olarak tek bir pompanin optimizasyonu saglanmaktadir. Önerdigimiz çözüm farkli poinpalarin durumlarini ve toplama deposunun da mevcut durumlarini göz önünde tutarak daha global bir çözüm sunmaktadir.

Teknigin bilinen durumunda yer alan, CN numarali patent dokümaninda, sebekedeki basinç dengede tutulacak ve su ihtiyaci karsilanacak sekilde su akisi minimize edilmektedir. Bizim önerdigimiz yöntem çok kriterli bir yaklasim olup hem tüketilen enerji birim maliyeti hem de ihtiyaci saglayacak sekilde rezervlerde su tutmayi saglamaktadir. Dolayisiyla önerilen ABC algoritmasi bu çoklu kriteri dikkate alacak sekilde çok amaçli bir yönteindir.

Teknigin bilinen durumunda yer alan, CNl nuinarali patent dokümani pompa sistemlerinde ariza tespiti üzerinedir. Gürültü girisimi minimizasyonu, hatalarin dogru siniflandirilmasinda ABC metodu önerilmistir. Bu patentte çözüm yöntemi ABC algoritmasina dayali olmasina karsin hem yöntemin uygulanisi hem de ele alinan problem açisindan farklidir. Burada ele alinan problem pompa sistemlerinde ariza tespitidir.

Teknigin bilinen durumunda, hem sabit hizli, hem degisken hizli pompa gruplari sistemleri için kullanilabilecek, [OT tabanli, birim enerji maliyetlerine ve ihtiyaç duyulan su miktarina göre toplama deposu seviyesinin optimize edildigi gerçel zamanli, degisen kosullara göre adapte olabilen çok amaçli (multi-objective) ABC yöntemine dayali bir sistemden bahsedilmemektedir. 3506225 Bulusun Kisa Açiklamasi Bu bulusun amaci, özellikle kaptaj alanlari gibi birden fazla su pompasi içeren uygulamalarda pompalarin bir arada enerji verimliligi odakli optimal olarak çalistirilmasi için bir yöntem ve bir su temin sistemi gerçeklestirmektir.

Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bu bulusun amacina ulasmasi için gerçeklestirilen yöntem ve su temin sistemi Sekil l”de verilmektedir.

Sekil 1. Bulus konusu su temin sisteminin sematik gösterimidir.

Sekil l”deki alt bloklar tek tek numaralandirilmis olup, bu numaralarin karsiligi asagida verilmistir. 1. Su temin sistemi Sivi toplama yapisi Sensör Eyleyici Haberlesme birimi Kontrol birimi Merkezi kontrolcü EC Pompalarin birim üretim enerji inaliyeti FC Depo seviyesine bagli olarak ideal su üretim debisi ile poinpalarin toplam üretim debilerinin farkinin mutlak degeri Bulus kapsaminda gelistirilen, birden fazla su pompasi içeren uygulamalarda pompalarin bir arada çalisma verimliliklerinin arttirildigi su temin sistemi (1), 3506225 - bir sivi kaynagindan siviyi alip bir toplama deposuna iletmek için uygun olan, bahsedilen sivi kaynagina ve bahsedilen toplama alanina hidrolik olarak bagli olan, en az bir pompa (3), - en azindan bir pompanin (3) enerji tüketimini (Gi), debisini (D) ve aktifligini (AJalgilamak için uyarlanmis en az bir sensör (4), - en azindan bir pompanin (3) çalismasini manipüle etmek için uyarlanmis en az bir eyleyici (5), - bir merkezi kontrolcü ile iletisim kurmak için uyarlanmis en az bir haberlesme birimi (6), - sensörden (4) aldigi veriyi islemek, bahsedilen veriyi haberlesme birimi (6) vasitasiyla bir merkezi kontrolcüye iletmek, bahsedilen merkezi kontrolcüden komut almak, aldigi komutlar dogrultusunda pompanin (3) çalismasinin nasil manipüle edilecegini belirlemek ve eyleyiciyi (5) böylesi bir manipülasyonu yapacak sekilde kontrol etmek için uyarlanmis en az bir kontrol birimi (7) içeren en az bir sivi toplama yapisi (2), - en az bir sivi toplama yapisi (2) tarafindan gönderilen verileri almak bahsedilen veriler ve bahsedilen sivi toplama deposunun içerisindeki sivinin seviyesini dikkate alarak bir maliyet fonksiyonu çalistirmak, bahsedilen verileri, sivi toplama deposunun içerisindeki sivi seviyesini ve maliyet fonksiyonunun çiktilarini yapay ari kolonisi algoritmasiyla islemek ve bu dogrultuda sivi toplama yapisina çalismasi ile ilgili komut göndermek için uyarlanmis en az bir merkezi kontrolcü (8) içerinektedir..

Bulus konusu birden fazla su pompasi içeren uygulamalarda pompalarin bir arada çalisma verimlerinin artirildigi sivi toplama yapisi (2), bir sivi kaynagindan siviyi alip bir toplama alanina iletmek için uygun olan, bahsedilen sivi kaynagina ve bahsedilen toplama alanina hidrolik olarak bagli olan? en az bir pompa (3) içermektedir. Bahsedilen sivi kaynagindan sivinin alinmasi ve/veya alinan sivinin toplama alanina iletilmesi borular vasitasiyla saglanabilmektedir. Ancak sivinin alinmasi için pompanin (3) dogrudan kaynaga daldirilabilmesi veya sivinin toplama 3506225 alanina aktarilmasi için pompanin (3) çikisinin dogrudan bahsedilen toplama Bulus konusu sivi toplama yapisi (2), en azindan bir pompanin (3) enerji tüketimi (Gi), anlik debisi (Di), aktifligi (Ai)verilerini algilamak için uyarlanmis en az bir sensör veya sensörler (4) içermektedir. Ölçüm teknikleri bu basvurunun konusu degildir ve burada anilan sensör (4), ölçülmek istenen parametre ile ilgili, dogrudan veya dolayli olarak, analog ve/veya dijital veri saglayan tüm sensörleri kapsamaktadir.

Bulus konusu sivi toplama yapisi (2) en azindan bir pompanin (3) çalismasini manipüle etmek için uyarlanmis en az bir eyleyici (5) içermektedir. Söz konusu eyleyici (5), pompanin (3) çalismasini durdurmak/baslatmak (S 1) ve/veya frekansini ayarlayarak (Fi) anlik debisini degistirmek vb. herhangi bir eylemi gerçeklestirebilmektedir ancak bunlarla sinirli degildir.

Bulus konusu su temin sistemi (1), sivi toplama yapisinin (2) sensörlerinden (4) aldigi veriyi islemek, isledigi veriler dogrultusunda pompanin (3) çalismasinin nasil manipüle edilecegini belirlemek ve sivi toplama yapisina (2) pompanin (3) bu sekilde manipüle edilmesini saglayacak bir komut göndermek için uyarlanmis olan ve böylelikle sivi toplama yapisini enerji verimliligi odakli olarak isleten bir yapay zeka temelli merkezi kontrolcü (8) içermektedir. Merkezi kontrolcü (8) ile sivi toplama yapisinin (2) arasindaki iletisim, sivi toplama yapisinin (2) sahip oldugu haberlesme birimi (6) ile iletisim kurinak için uygun bir haberlesme vasitasi kullanilarak gerçeklestirilmektedir.

Sivi toplama yapisinin (2) sahip oldugu kontrol birimi (7), merkezi kontrolcü (8) tarafindan gönderilen komutlari haberlesme birimi (6) vasitasiyla almaktadir.

Kontrol birimi (7) daha sonra eyleyiciyi (5) böylesi bir komutu yerine getirecek sekilde kontrol etmektedir. 3506225 Sistemin çalismasi için gruptaki tüm pompalarin (3) 30-60 Hz arasi anlik debi (mS/h) ve anlik sistem enerji tüketim (kWh) degerleri elde edilmelidir. Bu bilgiler su temin sistemi (1) içerisinde yer alan bir veritabaninda pompa tablolari olarak arsivlenir. Bu islem pompa degisimi veya hidrojeolojik yapisal degisikler oldugunda tekrarlanmaktadir.

Yöntemin, sistemi optimal olarak gerçek-zamanli çalistirabilmesi için su toplama deposu içerisindeki sivi seviyesinin (h) anlik olarak izlenmesi gerekmektedir.

Merkezi kontrolcü (8), depo seviyesine göre pompa (3) tablolarini dikkate alarak Yapay Ari Kolonisi algoritmasini isletmekte ve bu dogrultuda hangi pompalarin (3) çalisip çalismayaeagina (Si), çalisacak pompalarin ise hangi frekansta (Fi) çalisacagina karar vermektedir. Merkezi kontrolcü (8) sahadaki kontrol sistemine (yani sivi toplama yapisina (2)) bu sinyalleri belli periyotlarda bildirmektedir.

Yapay Ari Kolonisi Algoritmasi, arilarin yiyecek arama davranislarindan esinlenerek Karaboga tarafindan 2005 yilinda önerilmis bir sürü zekasi algoritmasidir. Algoritmada gerçek arilarin yiyecek arama davranisinda oldugu gibi isçi arilar, gözcü arilar ve kasif arilar arama uzayindaki mevcut bilgilerin ve gerektiginde yeni bilgilerin popülasyona katilmasi ile etkin bir arama yaparlar.

Algoritmanin yiyecek kaynagi sayisi, kaynak birakma limiti ve maksimum çevrim sayisi parametreleri vardir. Kaptaj Alanlarindaki Grup Pompalarin (3) Pompa (3) Karakteristigi ve Degisen Kosullara Göre Real Time ve Adaptif Olarak Çok Amaçli Yapay Ari Kolonisi Algoritmasi ile Optimizasyonunda her bir kuyudaki pompanin çalisip çalismayacagina (Si), çalisacaksa da hangi frekansta (Fi) çalisacagina karar verilmektedir.

Her bir besin kaynagi [Si,Fi,Sz,F2,...,SnFn]çözüm vektörü olarak temsil edilmektedir. Si ikili deger, F i sürekli deger alabilen parametreler oldugu için Yapay Ari Kolonisi Algoritinasi hem kesikli hem sürekli uzayda arama yapmaktadir.

Algoritma, bu parametrelerin (Si, F i, iîl,..,n, nzpompa sayisi) optimum degerlerini ararken sensörlerden (4) elde edilen verilere göre su toplama deposunun seviyesini 3506225 (b) ve pompalar-in (3) enerji verimliligini optimize etmeye çalismaktadir. Yani çok amaçli bir optimizasyon yöntemi olarak çalismaktadir.

Isçi ari birimi besin kaynagi popülasyonunda her bir çözüinün sirasiyla komsulugunda rastgele seçilen diger baska çözümün de bilgisini kullanarak bir bölgesel arama gerçeklestirmektedir. Daha iyi bir çözüm bulundugunda (daha düsük birim enerji ve olmasi gereken depo seviyesine yakinlik açisindan) o anki çözüm ile yeni çözüm yer degistirmektedir. Daha iyi çözüm bulunamadigi takdirde ilgili çözümün popülasyonda kalma sayisini tutan sayaç degeri güncellenmektedir.

Gözcü ari biriminde bölgesel arastirma yaparken ise isçi ari birimindeki gibi bütün çözümler sirasiyla degil, stokastik olarak daha düsük birim enerjiye ve olmasi gereken depo seviyesine daha yakin degere sahip kaliteli çözümlerin civarinda bölgesel arama yapilmaktadir. Bu stokastik seçim islemi için rulet tekerlegi yöntemi kullanilmaktadir. Bölgesel arama neticesinde bulunan bir çözümün birim enerji maliyeti ve olmasi gereken depo seviyesine yakinligi, o anki çözümün bu degerlerinden daha iyi ise yer degistirilmektedir. Aksi taktirde çözümün sayaci bir artirilmaktadir.

Kasif ari biriminde bu sayaçlar kullanilarak. civarinda arama yapilmasina artik gerek kalmayan besin kaynaklari algoritmamn bir kontrol parametresi olan limit degerine göre belirlenmektedir. Belirlenen kaynaklarin yerine [Si,Fi,Sz,F2,...,Sn, Fn] temsiline sahip rastgele yeni çözümler üretilmekte ve sayaç degerleri sifirlanmaktadir. Algoritmanin kosulmasi sonucu bulunan optimal degerler haberlesme birimi (6) üzerinden sivi toplama yapilarina (2) ait eyleyicilere (5) gönderilerek bu sartlarda çalismasi saglanmaktadir.

Bu çalismanin önemli yönlerinden birisi de nesnelerin interneti alt yapisini kullaniyor olmasidir. Pompa (3) gruplarindan verilerin (Gi,Di,Ai) alinmasinda ve pompa sürücülerine pompalarin (3) çalisacakl ari 3506225 konfîgürasyonlarin(Si,Fi)gönderi]mesinde GSM, Wi-Fi, Zigbee, LoRaWan vb. haberlesme yapilari kullanilabilmektedir.

Claims (1)

1. ISTEMLER . Bir sivi kaynagindan siviyi alip bir toplama deposuna iletmek için uygun bahsedilen sivi kaynagina ve bahsedilen toplama alanina hidrolik olarak bagli olan, en az bir pompa (3), en azindan bir pompanin (3) enerji tüketimini (Gi), debisini (Di) ve aktiIligini (Ai) algilamak için uyarlanmis en az bir sensör (4), en azindan bir pompanin (3) çalismasini manipüle etmek için uyarlanmis en az bir eyleyici (5), bir merkezi kontrolcü ile iletisim kurmak için uyarlanmis en az bir haberlesme birimi (6) içeren ve sensörden (4) aldigi veriyi islemek, bahsedilen veriyi haberlesme birimi (6) vasitasiyla bir merkezi kontrolcüye iletmek, bahsedilen merkezi kontrolcüden komut almak, aldigi komutlar dogrultusunda pompanin (3) çalismasinin nasil manipüle edilecegini belirlemek ve eyleyiciyi (5) böylesi bir manipülasyonu yapacak sekilde kontrol etmek için uyarlanmis en az bir kontrol birimi (7) ile karakterize edilen en az bir sivi toplama yapisi (2). . En azindan bir pompanin (3) enerji tüketimi (Gi), anlik debisi (Di), aktifligi (Ai) verilerini algilamak için uyarlanmis en az bir sensör (4) ile karakterize edilen Istein 1`deki gibi bir sivi toplama yapisi (2). . Poinpanin (3) çalismasini durdurmak/baslatmak (Si) ve/veya frekansini ayarlayarak (F i) anlik debisini degistirmek için uyarlanmis eyleyici (5) ile karakterize edilen yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi bir sivi toplama yapisi (2). . Birden fazla su pompasi içeren uygulamalarda pompalarin bir arada çalisma verimliliklerinin arttirilmasini saglayan; Istem 1 ila 3”ten herhangi birindeki gibi en az bir sivi toplama yapisi (2) ve 3506225 - en az bir sivi toplama yapisi (2) tarafindan gönderilen verileri almak bahsedilen veriler ve bahsedilen sivi toplama deposunun içerisindeki sivinin seviyesini dikkate alarak bir maliyet fonksiyonu çalistirmak, bahsedilen verileri, sivi toplama deposunun içerisindeki sivi seviyesini ve maliyet fonksiyonunun çiktilarini yapay ari kolonisi algoritmasiyla islemek ve bu dogrultuda hangi pompalarin (3) çalisip çalismayacagina (Si), çalisacak pompalarin ise hangi frekansta (Fi) çalisacagina karar vermek ve sivi toplama yapisina (2) bu dogrultuda komut göndermek için uyarlanmis en az bir merkezi kontrolcü (8) ile karakterize edilen bir su temin sistemi(l ). 3506225