EWave
Energiemanagementsystem Wasserversorgung
Prof. Dr. Alexander Martin
Lehrstuhl für Wirtschaftsmathematik, FAU Erlangen-Nürnberg
ERWAS Abschlusskonferenz, Berlin, 15. und 16. Mai 2017
Partner: TU Darmstadt, HS Bonn-Rhein-Sieg, Uni Mannheim;
Bilfinger GreyLogix aqua, RWW, Siemens
Entwicklung eines innovativen Energiemanagementsystems zur Ableitung energieoptimaler Betriebspläne
EWave auf einen Blick
Zielsetzung und Partner
15.05.2017 | A. Martin | EWave – Energiemanagementsystem Wasserversorgung | ERWAS Abschlusskonferenz, Berlin 3
Zielsetzung von EWave Kooperations-Partner
■ Energieoptimaler Betrieb - Kosten minimierte
Pumpenschaltungen
- Kompensation der Leistungsspitzen - Effiziente Nutzung der Wasser- behälter als “Energiespeicher”
■ Ganzheitliche Betrachtung des Wasserversorgungssystems - Wasserwerk und Verteilnetz
■ Mathematische Methoden - Simulationsbasierter Ansatz zur realitätsnahen Abbildung der Hydraulik
- Kopplung von kontinuierlichen und diskreten Optimierungsverfahren
■ Siemens AG
- Systemhersteller für Elektrotechnik, insbesondere Prozessautomatisierung
■ Bilfinger GreyLogix GmbH
- System-Integrator mit Schwerpunkt Prozessautomatisierung
■ Rheinisch-Westfälische
Wasserwerksgesellschaft mbH - Überregionales
Wasserversorgungsunternehmen
■ Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg
- Prof. Alexander Martin - Prof. Günter Leugering
■ Hochschule Bonn-Rhein-Sieg - Prof. Gerd Steinebach
■ Technische Universität Darmstadt - Prof. Jens Lang
■ Universität Mannheim (Assoziierter Partner)
- Prof. Oliver Kolb
Pilotsystem
Wasserwerk Holsterhausen
● 2 Brunnengalerien mit 52 Tiefbrunnen
● 2 Riesler
● 2 Filterstraßen mit je 8 Mehrschichtfiltern
● 2 UV-Reaktoren je Filterstraße
● 6 Roh- und 8 Trinkwasserpumpen
● max. Aufbereitungsmenge ca. 4.500 m 3 /h
● ca. 1/3 des RWW Versorgungsgebietes (insgesamt ca. 850 km²)
● ca. 1.100 km Rohrnetz
● Städte: Dorsten,
Bottrop, Gladbeck,
Raesfeld, Schermbeck
Einbindung EWave in
bestehende Prozessleittechnik
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@aGlance / OPC-Server Internet/Intranet
O&M
Terminal Bus Ethernet
OS Clients / Multi-Clients
OS-Server Service
Engineering Station ES
Industrial Ethernet / System Bus
OS
OP
ET 200M
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PA PROFIBUS-DP
ET 200iS PROFIBUS- PA
ET 200M Ex-I/O
EWave Rechner EWave
Modell
EWave
Ergebnisse
Modellaufbau
Ziel:
Reduzierung von Rechenaufwand durch Zusammenfassung vorliegender Rohrelemente
Umsetzung:
● Halbautomatisierte Vorgehensweise
● Festlegung des Layouts in Absprache mit RWW
● Einbeziehung realer Daten: Lage, Durchmesser, etc.
● Zusammenfassen der Rohre in
- künstliche Speicher - übergeordnete Elemente
● Einbeziehen relevanter Positionen
- Rote Knoten: Speicheranlagen, Pumpen, Ventile, etc.
- Grüne/Gelbe Knoten: UDM zur Kalibrierung/Validierung
Relevante Knoten:
Speicher, Pumpen, Ventile, etc.
UDM
Abstrahierung des Verteilnetzes
Modellbildung Wasserwerk mittels Netzwerkansatz
Physikalische Modelle und Numerische Verfahren
7
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Modell Wasserwerk Holsterhausen und abstrahiertes Verteilnetz
Physikalische Modelle
und Numerische Verfahren
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Modell Wasserwerk Holsterhausen und abstrahiertes Verteilnetz
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Abstrahiertes Verteilnetz
(98 Rohre, 52 künstl. Speicher)
Physikalische Modelle und Numerische Verfahren
Modell Wasserwerk Holsterhausen und abstrahiertes Verteilnetz
EWave Ablauf & Datenflüsse
15.05.2017 | A. Martin | EWave – Energiemanagementsystem Wasserversorgung | ERWAS Abschlusskonferenz, Berlin 9 EWave Zyklischer Ablauf
EWave Initialisierung EWave Engineering
EWave System Berechnungsmodule
Externe Quellen / Applikationen
EWave Model
Modul specific EWave Model
Simulation (Optimierung)
Zustandsberechnung Input
Simulation
Optimierung Zustands berechnung Zustandsberechnung
Output Optimierung
Input Optimierung
Output
Optimierung
Simulation Forecast Forecast
Input Forecast
Output Messdaten (Füllstände,
Betriebseinst.)
Zyklische Verbrauchsprognose
Betriebsvorgaben
Neben- bedingungen
Eingabe: Netz + Szenario
diskretes Optimierungsmodell kontinuierliches Optimierungsmodell
diskreter Optimierungslöser kontinuierlicher Optimierungslöser
Ausgabe (grobe Physik):
optimale Schaltentscheidung (z.B. 15-min. Pumpenfahrplan)
Ausgabe (detaillierte Physik):
optimale Fahrpläne (z.B.
Pumpendrehzahlen) Optimierungsmodul
Ausgabe: optimale Steuergrößen (= Eingabe für Simulation)
Diskretes Optimierungsmodul Kontinuierliches Optimierungsmodul
Übersicht Optimierungsmodul
EWave User Interface (1)
Navigationsübersicht
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EWave User Interface (2)
GIS-Ansicht Druckzone
EWave UI: Ergebnisanzeige im Expertenmodus (1)
Pumpenschaltplan
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EWave UI: Ergebnisanzeige im Expertenmodus (2)
Durchflussverlauf an Ventil
EWave UI: Operator-Sicht
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Meldungsfenster
• Meldungen werden als Tabelle mit einer Schaltempfehlung pro Zeile dargestellt
• Zeilen bestehen aus
•
Zeitstempel
•
Schaltempfehlung (textuell)
•
Komponente
•
Für kontinuierliche Größen: Ist-Wert & Soll- Wert
• Meldungen werden nach jedem Berechnungslauf aktualisiert
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Numerische Ergebnisse: Wasserbedarfsprognose
● 24.03.17
● 08.04.17
● 14.04.17
07.02.2017 | A. Martin | EWave Projektstand 16
15.05.2017 | A. Martin | EWave – Energiemanagementsystem Wasserversorgung | ERWAS Abschlusskonferenz, Berlin 17
Erste Ergebnisse des Probebetriebs
3 Rechenläufe über 24 Stunden: 24.03.2017, 6 Uhr
1: Nachsimulation auf Basis gemessener Eingangsdaten (=Real)
2: Optimierung auf Basis des gemessenen Trinkwasserbedarfs (=Optimiert)
3: Optimierung auf Basis des vorhergesagten Trinkwasserbedarfs (=Optimiert & Prognose)
Real 46,86 MWh
Optimiert 45,56 MWh
Optimiert
&
Prognose
43,78
MWh
Betrieb der Trinkwasserpumpen 1-8
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