WO2019166109A1 - Verfahren zur ermittlung und ausgabe eines wertes für die versorgungsicherheit in einem wasserversorgungsnetz - Google Patents

Verfahren zur ermittlung und ausgabe eines wertes für die versorgungsicherheit in einem wasserversorgungsnetz Download PDF

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WO2019166109A1
WO2019166109A1 PCT/EP2018/060981 EP2018060981W WO2019166109A1 WO 2019166109 A1 WO2019166109 A1 WO 2019166109A1 EP 2018060981 W EP2018060981 W EP 2018060981W WO 2019166109 A1 WO2019166109 A1 WO 2019166109A1
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container
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water supply
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Holger Hanss
Markus Lade
Roland Rosen
Annelie Sohr
Jan Christoph Wehrstedt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
    • E03B1/00—Methods or layout of installations for water supply
    • E03B1/02—Methods or layout of installations for water supply for public or like main supply for industrial use
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06—Energy or water supply

Definitions

  • the invention relates to a method for determining and issuing a value for the security of supply in a What supply network with containers and consumers.
  • water supply network are here re insbesonde also to understand a part of a larger water supply network or a zone in a water supply network.
  • consumer does not necessarily mean end consumers but all points (delivery points) at which water is released from the considered network (power supply or zone).
  • the invention also relates to a computer program with program code for carrying out all the steps according to claim 1, when the program is executed in a computer, and a computer program product that can be loaded directly into the internal memory of a digital computer and includes softWarecodeabête with which the steps according to claim 1 are carried out when the product is running on a computer.
  • the inventive method provides, based on Ver consumption profiles of the consumer and level profiles of the container in the considered water supply network to take the time to determine until after failure of the water supply for one or more containers or after sudden increase in the consumption of a container runs empty.
  • the time periods determined represent a measure of the security of supply at the time of the respective event (failure of the water supply, increased consumption).
  • the level profiles of the containers are increased or can be reduced in favor of energy-consuming measures.
  • 1 shows an example of the considered water supply network
  • 2 shows an example of a computer arrangement for determining the security of supply of the considered water supply network
  • Fig. 3 shows an example of ermit in the context of the invention teltes extraction profile of a container
  • the water supply is carried out by a pump station P.
  • Fig. 2 shows a planning or engineering or control system LS for the water supply network VN and a Recheneinrich device R with input and display means.
  • the system LS provides in the form of planning or operating data D, the structure of the water supply network VN, level profiles l ⁇ container Bi and consumption profiles cj the consumer C j available.
  • the level profiles l [and consumption profiles cj are forecasts (usually based on historical data) of the water consumption cj (as volume per time, eg in 1 / s) of the consumer C j and for the consumer Fill was filled (filling volume, eg in m 3 ) of the container Bi
  • T equidistant time units (time segments) of a given length Dt which a periodically recurring period such. For example, you may want to cover a day divided into hours, a week divided into days, or a month divided into days.
  • FIG. 3 shows by way of example such a removal profile b [.
  • the supply reliability V ⁇ s (NS stands for "No Supply") is calculated in the form of the duration until the container Bi is empty in the absence of water supply, ie, a technically possible or critical minimum filling volume volf is exceeded, below which the container Bi is to be regarded as empty.
  • the duration sf is calculated on the basis of the current container level l1 and the extraction profile b [, FIG. 3], until the lower filling volume volf of the Container Bi is undershot
  • the values of the following period or the following periods are cyclically continued.
  • the supply reliability of the container Bi is the shortest of the calculated durations sf, for which the minimum filling volume volf of the container Bi is not undershot:
  • V L NS min t sf.
  • Bins Bi is given by the lowest supply security of a container in this zone:
  • V NS mini ⁇ i NS ⁇
  • the supply safety V (EV stands for "increased consumption”) is calculated in the form of the duration until the container Bi is empty or the minimum filling volume volf is undershot.
  • the value is continued cyclically with the values of the following time period or the following time periods if the stock of values of the consumption profiles b [or levels l of the current period (eg current day) is insufficient.
  • V EV min t r [.
  • V EV miniV EV .
  • the invention provides a new approach for assessing the security of supply of the drinking water supply during operation and thus enables better operation, the risk of security of supply can be re-evaluated.
  • the invention may, for.
  • they can be used in operational planning to evaluate planned operating schedules (eg from an assistance system such as SIWA OPTIM from Siemens AG) and, if necessary, initiate a new planning with larger or smaller safety reserves in the individual situation.
  • planned operating schedules eg from an assistance system such as SIWA OPTIM from Siemens AG
  • SIWA OPTIM from Siemens AG
  • the invention may, for. B. to be used over a nostic observation period to determine a meaningful value for stan default used safety reserve.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, anhand von Verbrauchsprofilen der Verbraucher und Füllstandsprofilen der Behälter in einem betrachteten Wasserversorgungsnetz die Zeitdauern (Formel I) zu ermitteln, bis nach Ausfall des Wassernachschubs für einen oder mehrere Behälter oder nach sprunghafter Erhöhung des Verbrauchs ein Behälter leerläuft. Die jeweils kürzesten ermittelten Zeitdauern (Formel II) stellen ein Maß für die Versorgungssicherheit zum Zeitpunkt des jeweiligen Ereignisses (Ausfall des Wassernachschubs, erhöhter Verbrauch) dar.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung und Ausgabe eines Wertes für die Versorgungsicherheit in einem Wasserversorgungsnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Aus gabe eines Wertes für die Versorgungsicherheit in einem Was serversorgungsnetz mit Behältern und Verbrauchern.
Unter dem Begriff Wasserversorgungsnetz sind hier insbesonde re auch ein Teil eines größeren Wasserversorgungsnetzes oder eine Zone in einem Wasserversorgungsnetz zu verstehen.
Unter dem Begriff Verbraucher sind hier nicht notwendigerwei se Endverbraucher sondern alle Stellen (Abgabestellen) zu verstehen, an denen aus dem betrachteten Netz (Netzteil oder Zone) Wasser abgegeben wird.
Bei der Versorgung ihrer Kunden mit Trinkwasser müssen Was sernetzbetreiber auch die Sicherheit dieser Versorgung garan tieren, damit auch in Extremsituationen, z. B. bei Ausfall des Wassernachschubs oder einer plötzliche Zunahme der Abnah memengen, die Versorgung über einen gewissen Zeitraum sicher gestellt ist.
In der Vergangenheit wurde die Versorgungssicherheit dadurch erreicht, dass in Wassersammelbehältern, die an verschiedenen Stellen im Wassernetz lokalisiert sind, immer eine feste aus reichend große Mindestwassermenge zurückgehalten wird. Dies bedeutet, dass die Behälter z. B. nur zwischen 50% und 100% ihres Fassungsvermögens bedient wurden; die anderen 50% des Volumens wurden als Reserve zurückgehalten, um in Extremsitu ationen Wasser bereitzustellen. Dies priorisiert das Bereit stellen einer möglichst guten Reserve gegenüber energiebe trachtenden Maßnahmen, die das Füllvolumen als zusätzlichen Energiespeicher berücksichtigen, beispielsweise das Verschie ben energieintensiver Pumpvorgänge in Zeiten mit günstigeren Energiepreisen . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bewer tung der Reserve zur Laufzeit und somit einen flexibleren Be trieb des Wasserversorgungsnetzes zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in dem Patent anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach Anspruch 1, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Spei cher eines digitalen Computers geladen werden kann und Soft warecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß An spruch 1 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Compu ter läuft.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, anhand von Ver brauchsprofilen der Verbraucher und Füllstandsprofilen der Behälter in dem betrachteten Wasserversorgungsnetz die Zeit dauern zu ermitteln, bis nach Ausfall des Wassernachschubs für einen oder mehrere Behälter oder nach sprunghafter Erhö hung des Verbrauchs ein Behälter leerläuft. Die ermittelten Zeitdauern stellen ein Maß für die Versorgungssicherheit zum Zeitpunkt des jeweiligen Ereignisses (Ausfall des Wassernach schubs, erhöhter Verbrauch) dar. Je nachdem, wie schnell auf die Ereignisse reagiert werden kann (Zeit zur Wiederherstel lung bzw. Erhöhung des Wassernachschubs), müssen die geplan ten Füllstandsprofile der Behälter erhöht oder können zuguns ten energiebetrachtenden Maßnahmen verringert werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen jeweils in stark vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 ein Beispiel für das betrachtete Wasserversorgungs netz, Fig. 2 ein Beispiel für eine Rechneranordnung zur Ermittlung der Versorgungsicherheit des betrachteten Wasserver sorgungsnetzes,
Fig. 3 ein Beispiel für ein im Rahmen der Erfindung ermit teltes Entnahmeprofil eines Behälters und
Fig. 4 ein Beispiel für das Füllstandsprofil des Behälters.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
Fig. 1 zeigt beispielhaft einer betrachteten Zone in einem Wasserversorgungsnetzes VN, in dem N Behälter Bi , i = l, ... , N und M Verbraucher Cj ,j = 1, ... , M . über Leitungen (L) miteinander verbunden sind. Der Wassernachschub erfolgt durch eine Pump station P.
Fig. 2 zeigt ein Planungs- oder Engineering- oder Leitsystem LS für das Wasserversorgungsnetz VN und eine Recheneinrich tung R mit Eingabe- und Anzeigemitteln. Das System LS stellt in Form von Planungs- oder Betriebsdaten D die Struktur des Wasserversorgungsnetzes VN, Füllstandsprofile l\ der Behälter Bi und Verbrauchsprofile cj der Verbraucher Cj zur Verfügung. Bei den Füllstandsprofilen l[ und Verbrauchsprofilen cj han delt es sich um Prognosen (in der Regel gestützt auf histori schen Daten) für den Wasserverbrauch cj (als Volumen pro Zeit, z. B. in 1/s) der Verbraucher Cj sowie für den Füll stand l\ (Füllvolumen, z. B. in m3) der Behälter Bi über
t = l, ... , T äquidistante Zeiteinheiten (Zeitsegmente) einer vor gegebenen Länge Dt, welche einen periodisch wiederkehrenden Zeitraum wie z. B. einen in Stunden unterteilten Tag, eine in Tage unterteilte Woche oder einen in Tage unterteilten Monat abdecken .
Soweit nicht vorgegeben oder bekannt, ermittelt die Rechen einrichtung R oder eine Webanwendung aus der Struktur des Wasserversorgungsnetzes VN für jeden Behälter Bi und jeden Verbraucher Cj einen Versorgungsanteil fi j, 1 > fi j > 0, des Be hälters Bi an der gesamten Versorgung des Verbrauchers Cj,
Figure imgf000006_0001
Aus diesen Daten werden für jeden der Behälter Bi Entnahme profile b[ berechnet:
Figure imgf000006_0002
Fig. 3 zeigt beispielhaft ein solches Entnahmeprofil b[ .
Für zwei Situationen wird eine Bewertung der Versorgungssi cherheit der betrachteten Zone mit den N Behältern Bi und M Verbrauchern Cj durchgeführt.
Szenario 1, Ausfall des Wassernachschubs:
Für den Fall, dass der Wassernachschub für die Behälter Bi ausfällt, wird berechnet, für welchen Zeitraum die Verfügbar keit des Versorgungsnetzes gewährleistet ist. Ursache für den Ausfall kann z. B. ein Stromausfall in einer oder mehreren Pumpstationen P, der Ausfall ein oder mehrerer Pumpen oder ein Rohrbruch auf einer Zuleitung sein.
Für jeden Behälter Bi wird die Versorgungsicherheit V^s (NS steht hier für "No Supply") in Form der Dauer berechnet, bis der Behälter Bi bei fehlendem Wassernachschub leer ist, d. h., ein technisch mögliches bzw. kritisches minimales Füllvolumen volf unterschritten wird, unterhalb dessen der Behälter Bi als leer zu betrachten ist.
Wie in Fig. 4 verdeutlicht wird, wird also für jede Zeitein heit t = l, ... , T anhand des aktuellen Behälterfüllstandes l\ und des Entnahmeprofils b[ (Fig. 3) die Dauer sf berechnet, bis das untere Füllvolumen volf des Behälters Bi unterschritten wird
sf =
Figure imgf000006_0003
Statt eines ganzzahligen Wertes kann durch Interpolation zwi schen dem letzten für lf —
Figure imgf000006_0004
berechneten Wert, der grö ßer als das minimale Füllvolumen volf ist, und dem darauf folgenden ersten Wert, der kleiner als das minimale Füllvolu men volf ist, ein nicht ganzzahliger Wert für die Dauer sf er mittelt werden.
Falls der Wertevorrat der Verbrauchsprofile b[ oder Füllstän de if des aktuellen Zeitraumes (z. B. aktueller Tag) nicht ausreicht, wird zyklisch mit den Werten des folgenden Zeit raums bzw. der folgenden Zeiträume weitergemacht.
Als Versorgungssicherheit des Behälters Bi wird die kürzeste der berechneten Dauern sf genommen, für die das Mindestfüll volumen volf des Behälters Bi nicht unterschritten wird:
VL NS = mint sf .
Die Versorgungssicherheit der betrachteten Zone mit den N
Behältern Bi ist durch die niedrigste Versorgungssicherheit eines Behälters in dieser Zone gegeben:
VNS = mini ^iNS ·
Szenario 2, Erhöhter Verbrauch:
Es wird von denselben Voraussetzungen wie im Falle des Szena rios 1 ausgegangen, wobei aber jetzt statt eines Ausfalls des Wassernachschubs der Verbrauch aller Verbraucher Cj um einen vorgegebenen Prozentsatz p% erhöht angesetzt wird. Der Ver- sorgungssicherheitsindex gibt auch hier wieder die Dauer an, bis der Behälter Bi leer läuft.
Für jeden Behälter Bi wird die Versorgungsicherheit V ( EV steht hier für "erhöhter Verbrauch") in Form der Dauer be rechnet, bis der Behälter Bi leer ist bzw. das Mindestfüllvo- lumen volf unterschritten wird.
Es wird also für jeden Zeitpunkt t die Dauer berechnet, bis das untere Füllvolumen volf unterschritten ist:
Figure imgf000007_0001
Auch hier wird zyklisch mit den Werten des folgenden Zeit raums bzw. der folgenden Zeiträume weitergemacht, wenn der Wertevorrat der Verbrauchsprofile b[ oder Füllstände l\ des aktuellen Zeitraumes (z. B. aktueller Tag) nicht ausreicht.
Die Versorgungssicherheit eines Behälters ßj ist durch die kleinste Dauer, für die der Behälter die kritische Zahl nicht unterschreitet, gegeben: VEV = mintr[ .
Die Versorgungssicherheit einer Zone ist durch die niedrigste Sicherheit eines Behälters der Zone gegeben: VEV = miniVEV .
Die Erfindung liefert einen neuen Ansatz zur Bewertung der Versorgungssicherheit der Trinkwasserversorgung im laufenden Betrieb und ermöglicht somit einen besseren Betrieb, das Ri siko der Versorgungssicherheit neu bewertet werden kann.
Die Erfindung kann z. B. in der Betriebsplanung eingesetzt werden um geplante Betriebsfahrpläne (z. B. aus einem Assis tenzsystem wie SIWA OPTIM der Siemens AG) zu bewerten und ggf. in der Einzelsituation eine Neuplanung mit größeren oder kleineren Sicherheitsreserven anzustoßen.
Die Erfindung kann z. B. genutzt werden, um über einen länge ren Beobachtungszeitraum einen sinnvollen Wert für die stan dardmäßig verwendete Sicherheitsreserve zu ermitteln.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung und Ausgabe eines Wertes für die
Versorgungsicherheit in einem Wasserversorgungsnetz (VN) mit
Behältern (ßj) und Verbrauchern (Cj) , mit folgenden Schritten:
- Erfassen einer Struktur des Wasserversorgungsnetzes (VN) mit den Behältern (Bi) , Verbrauchern (Cj) und sie verbinden den Leitungen (L) aus einem Planungs- oder Engineering oder Leitsystem (LS) des Wasserversorgungsnetzes (VN) ,
- Ermitteln, aus der Struktur und für jeden Behälter (ßj) und jeden Verbraucher (Cj) , einen Versorgungsanteil (fi ) des Behälters (ßj) an der gesamten Versorgung des Verbrauchers
(Cj) ,
- Ermitteln, anhand von Planungs- oder Betriebsdaten (D) aus dem Planungs- oder Engineering- oder Leitsystem (LS) , eines Füllstandsprofils (l\ ) für jeden Behälter (ßj) als Füllvolu men pro Zeiteinheit (t) über einen über einen periodisch wiederkehrenden Zeitraum aus gleichen Zeiteinheiten (t) ,
- Ermitteln, anhand der Planungs- oder Betriebsdaten (D) , ei nes Verbrauchsprofils (cj ) für jeden Verbraucher (Cj) als Wasserverbrauch pro Zeiteinheit (t) über den Zeitraum,
- Ermitteln, aus den Versorgungsanteilen (fi ) und den Ver brauchsprofilen (cj ) , für jeden Behälter ( B i ) ein Entnahme profil (bi) ,
- Ermitteln, für jeden Behälter (ßj) und jede Zeiteinheit
(t) ,
- eine auf die Zeiteinheit (t) folgende Dauer (sf ) , an de ren Ende die Differenz zwischen dem für die Zeiteinheit (t) ermittelten Füllvolumen des Behälters (ßj) und der während der Dauer gemäß dem Entnahmeprofil (b[) erfolgten Entnahme unter ein vorgegebenes Mindestfüllvolumen (volf ) des Behälters (ßj) absinkt, oder
- eine auf die Zeiteinheit (t) folgende Dauer (rj ) , an de ren Ende die Differenz zwischen dem am Ende der Dauer (rj+k ) gemäß dem Füllstandsprofil (l\ ) vorhandenen Füllvo lumen des Behälters (ßj) und einer während der Dauer (rj ) erfolgenden Zusatzentnahme entsprechend einem vorgegebe- nen Prozentsatz (~^) des Entnahmeprofils (b ) unter das Mindestfüllvolumen (volf) absinkt, und
- Ermitteln und Ausgabe, für jeden Behälter (Bi) und alle
Zeiteinheiten ( t) , die kürzeste Dauer (sf , r ) als Wert für die Versorgungsicherheit
Figure imgf000010_0001
, Vv) des Behälters {B{) und/oder Ermitteln, für alle Behälter {B\ und alle Zeit einheiten ( t) , die kürzeste Dauer (sf , rf ) als Wert für die Versorgungsicherheit (VNS, VEV) des Wasserversorgungsnetzes (VN) .
2. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach Anspruch 1, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
3. Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Spei cher eines digitalen Computers geladen werden kann und Soft warecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß An spruch 1 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Compu ter läuft.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009052840A1 (de) * 2008-11-14 2010-05-20 Abb Technology Ag System und Verfahren zur optimierten Entscheidungsfindung bei Wasserversorgungsnetzen und/oder Wasserversorgungsbetrieben
US20160103452A1 (en) * 2014-10-14 2016-04-14 Lsis Co., Ltd. System and method for managing water in water pipe network

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