Steuerung eines Wasserversorgungssystems

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Druck- und Flussver teilung eines Wasserversorgungssystems sowie ein Computerpro grammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Betrieb eines Wasserversorgungssystems, wie z.B. eines Wassernetzwerks oder einer Pipeline, benötigt Entscheidungen über den Betrieb auf verschiedenen Ebenen. Auf der Netzwerk- bzw. Systemebene wird in der Regel durch eine zentrale In stanz vorgegeben, welche Pumpstation des Wasserversorgungs systems welchen Druck ausgangsseitig aufbauen soll, um die gewünschte Flussverteilung im Wasserversorgungssystem zu er zielen. Dabei sind insbesondere die Anforderungen an die Tanks bezüglich der zulässigen Wasserstände, an das Gesamt system bezüglich der zulässigen Druckverteilungen, an die Pumpstationen bezüglich der zulässigen Energieverbräuche be rücksichtigt werden, und/oder die prognostizierte Wasserab nahmen durch die Verbraucher zu bedienen. Änderungen der Was serstände in Tanks beeinflussen dabei wiederum das Druck- und/oder Flussverhalten des Gesamtsystems. Auf Ebene der ein zelnen Pumpstationen ist insbesondere zu entscheiden, welche Pumpen dann tatsächlich betrieben werden sollen und mit wel cher Geschwindigkeit, um den geforderten Ausgangsdruck aufzu bauen. Typischerweise wird ein Wasserversorgungssystems manu ell oder regelbasiert betrieben. Dies kann allerdings res sourcenintensiv sein.

Aus Coulbeck et al. 1988 „A hierarchical approach to opti- mized control of water distribution Systems: Part I Decompo- sition" (OPTIMAL CONTROL APPLICATIONS & METHODS; vol.: 9; pp.: 51-61) and Coulbeck et al. 1988 "A hierarchical approach to optimized control of water distribution Systems: Part II: lower-Ievel Algorithm" (OPTIMAL CONTROL APPLICATIONS & METHODS; vol.: 9; pp.: 109-126; DOI: 10.1002/oca.4660090202) einen hierarchischen Ansatz für eine optimierte Steuerung von Wasserverteilungssystemen, wobei vorgeschlagen wird, das Sys tem in verschiedene, hierarchisch gegliederte Optimierungs ebenen einzuteilen: eine obere Ebene zur dynamischen Optimie rung des Reservoirs, eine Zwischenebene für die statische Op timierung der Quellenextraktion und eine untere Ebene für die statische Optimierung der einzelnen Quellen, wobei auf jeder Ebene die Optimierungsergebnisse der unteren Ebene berück sichtigt werden. Aus Burgschweiger et al. 2008 "Optimization models for operative planning in drinking water networks"

(OPTIMIZATION AND ENGINEERING; INTERNATIONAL

MULTIDISCIPLINARY JOURNAL TO PROMOTE OPTIMIZATIONAL THEORY & APPLICATIONS IN ENGIN; KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS; vol.: 10; no.: 1; pp.: 43-73; XP019685910; ISSN: 1573-2924). Aus 2017/299123 Al ist eine Optimierung von einem Pumpenbetrieb für Pipelines für verschiedene Flüssigkeitstypen mit ver schiedenen Dichten und Viskositäten bekannt, wobei in Abhän gigkeit des jeweiligen Flüssigkeitstyps effiziente Pumpen se lektiert werden.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuerung eines Wasserversorgungssystems zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen be schriebenen Maßnahmen gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein compu terimplementiertes Verfahren zur Steuerung einer Druck- und Flussverteilung eines Wasserversorgungssystems, das eine Vielzahl von Pumpstationen umfasst, mit den Verfahrensschrit ten:

(a) Einlesen eines computergestützten Hydraulikmodells des Wasserversorgungssystems, wobei das computergestützte Hydrau likmodell eingerichtet ist, eine zeitabhängige Druck- und Flussverteilung des Wasserversorgungssystems abzubilden,

(b) Ermitteln von ressourcenoptimierten Druck- und Flusssoll werten für die Pumpstationen des Wasserversorgungssystems für einen vorgegebenen Prognosezeitraum anhand des computerge stützten Hydraulikmodells mittels eines ersten Optimierungs verfahrens,

(c) Einlesen eines Pumpenmodells für eine Pumpstation, wobei das Pumpenmodell eingerichtet ist, ein Betriebsverhalten von Pumpvorrichtungen der Pumpstation abzubilden,

(d) Ermitteln von ressourcenoptimierten Betriebsparametern für die Pumpvorrichtungen der Pumpstation anhand des Pumpen modells zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mittels eines zweiten Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit des Druck- und Fluss sollwerts dieser Pumpstation für den vorgegebenen Zeitpunkt, und

(e) Ausgeben der ressourcenoptimierten Betriebsparametern zum Steuern der Pumpvorrichtungen der Pumpstation, wobei mittels des zweiten Optimierungsverfahrens ein Effizienzwert der Pumpstation ermittelt wird, das computergestützte Hydraulik modell (HM) anhand des Effizienzwerts der Pumpstation aktua lisiert und zur Ermittlung der ressourcenoptimierten Druck- und Flusssollwerte für die Pumpstationen des Wasserversor gungssystems genutzt wird.

Unter „rechnergestützt" oder „computergestützt" kann im Zu sammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Implementie rung des Verfahrens verstanden werden, bei dem insbesondere ein Prozessor mindestens einen Verfahrensschritt des Verfah rens ausführt.

Sofern es in der nachfolgenden Beschreibung nicht anders an gegeben ist, beziehen sich die Begriffe "durchführen", "be rechnen", "rechnergestützt", "rechnen", "feststellen", "gene rieren", "konfigurieren", "rekonstruieren" und dergleichen vorzugsweise auf Handlungen und/oder Prozesse und/oder Verar beitungsschritte, die Daten verändern und/oder erzeugen und/oder die Daten in andere Daten überführen, wobei die Da ten insbesondere als physikalische Größen dargestellt werden oder vorliegen können, beispielsweise als elektrische Impul se. Insbesondere sollte der Ausdruck "Computer" möglichst breit ausgelegt werden, um insbesondere alle elektronischen Geräte mit Datenverarbeitungseigenschaften abzudecken. Compu- ter können somit beispielsweise Personal Computer, Server, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Handheld-Computer- Systeme, Pocket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommu nikationsgeräte, die rechnergestützt Daten verarbeiten kön nen, Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Daten verarbeitung sein.

Unter einem „Modul" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Prozessor und/oder eine Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen verstanden werden. Bei spielsweise ist der Prozessor speziell dazu eingerichtet, die Programmbefehle derart auszuführen, damit der Prozessor Funk tionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu implementieren oder realisieren.

Unter einem „Wasserversorgungssystem" kann insbesondere ein Wasserversorgungsnetz oder eine Pipeline verstanden werden. Das Wasserversorgungssystem umfasst insbesondere eine Viel zahl von Pumpstationen, die wiederum eine Vielzahl von Pum pen/Pumpvorrichtungen umfassen, und eine Vielzahl von Tanks bzw. Behältern. Die Werte der Flüsse und Drücke im Wasserver sorgungssystem verändern sich insbesondere durch die Entnah men durch Verbraucher und durch Befüllen der Tanks, wobei aber Grenzwertfüllstände eingehalten werden sollen.

Unter einem „Hydraulikmodell" kann insbesondere ein computer gestütztes Modell verstanden werden, das eine zeitabhängige Druck- und Flussverteilung des Wasserversorgungssystems in Abhängigkeit vom Betrieb des Systems abbildet. Insbesondere kann mittels des Hydraulikmodells das Betriebsverhalten der Pumpstationen und Behälteranlagen, die Entnahmen aus dem Sys tem (durch die Verbraucher) und/oder die Einspeisungen aus Reservoirs abgebildet werden. Das Hydraulikmodell umfasst insbesondere Modelle für alle relevanten Komponenten des Was serversorgungssystems, wie z.B. Rohre, Behälter, Abnehmer, Reservoirs, Ventile, Pumpstationen. Das Hydraulikmodell um fasst vorzugsweise einfache Ersatzmodelle, um jeweilige Pump- Stationen zu modellieren und um eine Optimierung der Druck- und Flussverteilung des Wasserversorgungssystems zu beschleu nigen. Ein Ersatzmodell kann beispielsweise ein Regressions modell sein. Die Pumpstationen bzw. deren Pumpeffizi enz/verhalten werden somit nicht im Detail modelliert.

Unter „ressourcenoptimierten Druck- und Flusssollwerten" kön nen im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere Druck- und Flusswerte für eine Pumpstation verstanden werden, für deren Einhaltung die Pumpstation energieeffizient/mit minimaler Energie und/oder kosteneffizient/kostengünstig betrieben wird.

Unter einem „Optimierungsverfahren" kann im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere ein computergestütztes Optimie rungsverfahren verstanden werden. Es können insbesondere be kannte Optimierungsverfahren genutzt werden.

Unter einem „Pumpenmodell" kann insbesondere eine Pumpenkurve oder Pumpenkennlinie, die das Betriebsverhaltens einer Pumpvorrichtung beschreibt. Das Pumpenmodell beschreibt ins besondere die Charakteristiken einer Pumpe bzgl. Hydraulik und Effizienz. Eine Pumpenkennlinie repräsentiert beispiels weise das Verhältnis zwischen einer Förderhöhe und einem För derstrom.

Unter einem „Betriebsparameter" für eine Pumpvorrichtung kann beispielsweise ein Betriebszustand, wie z.B. „An"/"Aus" (an- /ausgeschaltet), und/oder eine Geschwindigkeit, mit der die Pumpvorrichtung betrieben wird, verstanden werden.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einen energie- und/oder kosteneffizienten Betrieb des Wasserversorgungssys tems zu ermöglichen. Es werden mittels eines ersten Optimie rungsverfahrens auf einer oberen/ersten Optimierungsebene op timierte Druck- und Flusswerte für einzelne Pumpstationen des Wasserversorgungssystems bestimmt. Diese erste Optimierung erfolgt vorzugsweise für einen vorgegebenen Prognosezeitraum. Nachfolgend wird auf einer unteren/zweiten Optimierungsebene mittels eines zweiten Optimierungsverfahrens ein ressourcen optimierter Betrieb der einzelnen Pumpvorrichtungen der je weiligen Pumpstationen in Abhängigkeit der vorab ermittelten optimierten Druck- und Flusswerte der jeweiligen Pumpstation bestimmt. Diese zweite Optimierung erfolgt vorzugsweise zu einem aktuellen Zeitpunkt. Insbesondere kann bei der zweiten Optimierung zunächst ermittelt werden, welche Pumpvorrichtun gen einer Pumpstation betrieben werden sollen.

Das Optimierungsproblem wird somit auf zwei Ebenen gelöst. Außerdem können die Pumpstationen des Wasserversorgungssys tems beim ersten Optimierungsschritt weniger detailliert/grob modelliert werden, wie z.B. durch Ersatzmodelle. Eine detail lierte Modellierung erfolgt im zweiten Optimierungsschritt. Somit lassen sich auf Basis einer Prognose für den Betrieb des Wasserversorgungssystems Betriebsparameter für den Be trieb der Pumpvorrichtungen einer Pumpstation zum aktuellen Zeitpunkt ermitteln.

Es kann das Hydraulikmodell in Abhängigkeit der Ergebnisse des zweiten Optimierungsverfahrens aktualisiert werden. Ins besondere kann ein Regressionsmodell einer jeweiligen Pump station derart aktualisiert werden. Damit kann außerdem eine Konsistenz zwischen den beiden Optimierungsebenen erzielt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des computerimplemen tierten Verfahrens können die ressourcenoptimierten Druck- und/oder Flusssollwerte der Pumpstation als Randbedingungen für das zweite Optimierungsverfahren genutzt werden.

So kann eine Konsistenz zwischen den beiden Optimierungsebe nen durch die Übergabe der Fluss- und Drucksollwerte von der oberen zur unteren Ebene erzielt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des computerimplemen tierten Verfahrens können die Betriebsparameter für die Pumpvorrichtungen derart ermittelt werden, dass die ressour cenoptimierten Druck- und Flusssollwerte der Pumpstation zum vorgegebenen Zeitpunkt erfüllt sind.

So kann das Ergebnis aus der ersten Optimierung genutzt wer den, um das Betriebsverhalten der Pumpvorrichtungen der je weiligen Pumpstationen im Detail zu optimieren.

In einer Ausführungsform des computerimplementierten Verfah rens können einzelne Pumpvorrichtungen der Pumpstation in Ab hängigkeit des ermittelten Druck- und Flusssollwerts dieser Pumpstation selektiert werden und lediglich für die selek tierten Pumpvorrichtungen ressourcenoptimierte Betriebspara meter ermittelt werden.

Vorzugsweise wird lediglich eine bestimmte Anzahl von Pumpvorrichtungen einer Pumpstation in Betrieb genommen, um einen ressourcenoptimierten Betrieb zu erzielen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des computerimplemen tierten Verfahrens können die Verfahrensschritte (c) bis (e) für jede Pumpstation des Wasserversorgungssystems durchge führt werden.

Vorzugsweise wird die zweite Optimierung für jede Pumpstation durchgeführt, so dass ressourcenoptimierte Betriebsparameter für Pumpvorrichtungen jeder Pumpstation ermittelt werden.

In einer Ausführungsform des computerimplementierten Verfah rens können die Verfahrensschritte (b) bis (d) nach einem vorgegebenen Zeitschritt iteriert werden.

Damit kann auf dynamische Änderungen im Wasserversorgungsys tem schnell reagiert werden. Für den zweiten Optimierungs schritt zu einem aktuellen oder vorgegeben Zeitpunkt wird so mit eine aktuelle Prognose aus dem ersten Optimierungsschritt genutzt. In einer Ausführungsform des computerimplementierten Verfah rens können Pumpstationen des Wasserversorgungssystems im computergestützten Hydraulikmodell des Wasserversorgungssys tems mittels Ersatzmodellen abgebildet werden.

Insbesondere kann ein Betriebsverhalten, z.B. eine Pumpeffi zienz, einer Pumpstation mittels Ersatzmodell abgebildet wer den. Die Pumpstationen sind somit vorzugsweise auf der oberen Optimierungsebene nicht im Detail modelliert, sondern werden durch weniger komplexe Modelle abgebildet.

In einer Ausführungsform des computerimplementierten Verfah rens kann das Pumpenmodell Pumpenkennlinien der Pumpvorrich tungen umfassen.

In einer Ausführungsform des computerimplementierten Verfah rens können die Pumpvorrichtungen der Pumpstation mittels der ressourcenoptimierten Betriebsparameter gesteuert werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vor richtung zur Steuerung einer Druck- und Flussverteilung eines Wasserversorgungssystems, das eine Vielzahl von Pumpstationen umfasst, umfassend

- eine erste Schnittstelle, die derart eingerichtet ist, ein computergestütztes Hydraulikmodell des Wasserversorgungssys tems einzulesen, wobei das computergestützte Hydraulikmodell eingerichtet ist, eine zeitabhängige Druck- und Flussvertei lung des Wasserversorgungssystems abzubilden,

- ein erstes Optimierungsmodul, das derart eingerichtet ist, ressourcenoptimierte Druck- und Flusssollwerte für die Pump stationen des Wasserversorgungssystems für einen vorgegebenen Prognosezeitraum anhand des computergestützten Hydraulikmo dells mittels eines ersten Optimierungsverfahrens zu ermit teln,

- eine zweite Schnittstelle, die derart eingerichtet ist, ein Pumpenmodell für eine Pumpstation einzulesen, wobei das Pum penmodell eingerichtet ist, ein Betriebsverhalten von Pumpvorrichtungen der Pumpstation abzubilden, - ein zweites Optimierungsmodul, das derart eingerichtet ist, ressourcenoptimierte Betriebsparameter für die Pumpvorrich tungen der Pumpstation anhand des Pumpenmodells zu einem vor gegebenen Zeitpunkt mittels eines zweiten Optimierungsverfah rens in Abhängigkeit des Druck- und Flusssollwerts dieser Pumpstation für den vorgegebenen Zeitpunkt, zu ermitteln, und

- ein Ausgabemodul, das derart eingerichtet ist, die ressour cenoptimierten Betriebsparameter zum Steuern der Pumpvorrich tungen der Pumpstation auszugeben, wobei mittels des zweiten Optimierungsverfahrens ein Effizienzwert der Pumpstation er mittelt wird, das computergestützte Hydraulikmodell (HM) an hand des Effizienzwerts der Pumpstation aktualisiert und zur Ermittlung der ressourcenoptimierten Druck- und Flusssollwer te für die Pumpstationen des Wasserversorgungssystems genutzt wird.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammpro dukt, das direkt in einen programmierbaren Computer ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.

Ein Computerprogrammprodukt kann beispielsweise auf einem Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, ein nichtflüchtiger/dauerhaftes Speichermedium (engl. Non-transitory storage Medium) oder auch in Form einer herun terladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereit gestellt oder geliefert werden.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Zeichnungen bei spielhaft dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens; Fig. 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge- mäßen Verfahrens; und

Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor richtung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Insbesondere zeigen die nachfolgenden Ausführungsbeispiele lediglich beispielhafte Realisierungsmöglichkeiten, wie ins besondere solche Realisierungen der erfindungsgemäßen Lehre aussehen könnten, da es unmöglich und auch für das Verständ nis der Erfindung nicht zielführend oder notwendig ist, all diese Realisierungsmöglichkeiten zu benennen.

Auch sind insbesondere einem (einschlägigen) Fachmann in Kenntnis des/der Verfahrensanspruchs/Verfahrensansprüche alle im Stand der Technik üblichen Möglichkeiten zur Realisierung der Erfindung selbstverständlich bekannt, sodass es insbeson dere einer eigenständigen Offenbarung in der Beschreibung nicht bedarf.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Druck- und Flussverteilung ei nes Wasserversorgungssystems als Flussdiagramm. Das Wasser versorgungssystem umfasst eine Vielzahl von Pumpstationen, die jeweils eine Vielzahl von Pumpen/Pumpvorrichtungen umfas sen, und Behälter, um Druck und Fluss im gesamten System so zu regulieren, so dass der Druck und Fluss beim Verbraucher Sollwerte erfüllt.

Im ersten Schritt S1 des Verfahrens wird ein computergestütz tes Hydraulikmodell des Wasserversorgungssystems eingelesen. Das computergestützte Hydraulikmodell bildet eine zeitabhän gige Druck- und Flussverteilung des Wasserversorgungssystems ab. Vorzugsweise umfasst das Hydraulikmodell jeweils Ersatz modelle, auch als Effizienzmodelle bezeichnet, der jeweiligen Pumpstationen des Wasserversorgungssystems. Mit diesen Er satzmodellen kann das Betriebsverhalten der Pumpstationen ab gebildet werden. Ein Ersatzmodell kann beispielsweise ein Re gressionsmodell sein.

Im nächsten Schritt S2 des Verfahrens werden anhand des Hyd raulikmodells und mittels eines ersten Optimierungsverfahrens ressourcenoptimierte Druck- und Flusssollwerte für die Pump stationen des Wasserversorgungssystems für einen vorgegebenen Prognosezeitraum ermittelt. Somit wird hierbei ein längerer Zeitraum betrachtet, um beispielsweise die Nutzung der Behäl ter korrekt abzubilden. Die Behälter stellen eine Speicherka pazität dar, die es erlaubt die Bereitstellung des Wassers und dessen Abnahme durch die Verbraucher zeitlich zu entkop peln. Nur so können Verbrauchsspitzen abgefangen werden. Bei variablen Energiepreisen kann zudem das Pumpen in kostengüns tigere Zeitfenster verschoben werden.

In anderen Worten, es wird, vorzugsweise ausgehend von einem aktuellen Zeitpunkt, für einen vorgegebenen Zeitraum, die Fluss- und Druckverteilung für das Wasserversorgungssystem anhand des Hydraulikmodells optimiert. Die ermittelten zeit aufgelöste Druck- und Flusssollwerte für die Pumpstationen des Wasserversorgungssystems werden ausgegeben.

Im nächsten Schritt S3 wird mindestens ein Pumpenmodell für mindestens eine Pumpstation eingelesen. Vorzugsweise wird für jede Pumpstation des Wasserversorgungssystem ein entsprechen des Pumpmodell eingelesen. Ein jeweilige Pumpmodell ist ein gerichtet, ein Betriebsverhalten von Pumpvorrichtungen/Pumpen der Pumpstation abzubilden. Ein Pumpmodell kann beispielswei se eine Pumpenkennlinie bzw. Pumpenkurve für eine Pumpvor richtung umfassen.

Im nächsten Schritt S4 werden für einen vorgegebenen Zeit punkt ressourcenoptimierte Betriebsparameter für die Pumpvor richtungen der Pumpstation anhand des Pumpmodells mittels ei nes zweiten Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit des Druck- und Flusssollwerts dieser Pumpstation für den vorgegebenen Zeitpunkt ermittelt. Das zweite Optimierungsverfahren kann dabei beispielsweise auch gleich dem ersten Optimierungsver fahren sein. Vorzugsweise werden die ressourcenoptimierten Betriebsparameter zu einem aktuellen Zeitpunkt bestimmt. Dazu werden vorzugsweise die ressourcenoptimierten Druck- und/oder Flusssollwerte der betrachteten Pumpstation als Randbedingung für das zweite Optimierungsverfahren genutzt. Somit können die Berechnungsergebnisse aus dem ersten Optimierungsschritt S2 für die detaillierte Optimierung des Betriebsverhaltens der einzelnen Pumpen einer Pumpstation genutzt werden. Insbe sondere werden die Betriebsparameter für die Pumpvorrichtun gen derart ermittelt, dass die vorab ermittelten, ressourcen optimierten Druck- und Flusssollwerte der jeweiligen Pumpsta tion zum vorgegebenen Zeitpunkt erfüllt sind.

Im nächsten Schritt S5 werden die ressourcenoptimierten Be triebsparameter zum Steuern der Pumpvorrichtungen der jewei ligen Pumpstation, und somit zum Steuern des Wasserversor gungssystems, ausgegeben.

Die Schritte S3 bis S5 des Verfahrens werden vorzugsweise für jede Pumpstation des Wasserversorgungssystems durchgeführt. Insbesondere kann hierbei jeweils bestimmt werden, welche der Pumpvorrichtungen der jeweiligen Pumpstation aktiviert werden soll. In anderen Worten können einzelne Pumpvorrichtungen ei ner Pumpstation in Abhängigkeit des ermittelten Druck- und Flusssollwerts dieser Pumpstation selektiert werden und le diglich für die selektierten Pumpvorrichtungen ressourcenop timierte Betriebsparameter ermittelt werden.

Außerdem können das Hydraulikmodell bzw. die Ersatzmodel len/Effizienzmodellen mittels der Optimierungsergebnisse aus den Schritten S3 bis S5 aktualisiert werden, um diese an ein dynamisches Verhalten des Wasserversorgungssystems anzupas- sen Die Verfahrensschritte S2 bis S5 können insbesondere für ei nen nachfolgenden Prognosezeitraum nach einem vorgegeben Zeitschrift wiederholt werden.

Im nächsten Schritt S6 des Verfahrens können die Pumpvorrich tungen der Pumpstationen gemäß der ermittelten ressourcenop timierten Betriebsparameter gesteuert werden. Bei einer er neuten Iteration der Verfahrensschritte S2 bis S5 können dem nach aktualisierte Betriebsparameter ausgegeben werden.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Druck- und Fluss verteilung eines Wasserversorgungssystems in Blockdarstel lung.

Das Verfahren umfasst zwei Optimierungsebenen. Auf der ersten Optimierungsebene werden mittels eines ersten Optimierungs verfahrens OPT1 optimierte Druck- und Flusssollwerte ((Dl,

Fl, ..., (Di, Fi), ..., (Dn, Fn)) für i = 1, ..n Pumpstationen des Wasserversorgungssystems ermittelt. Das Optimierungsver fahren OPT1 wird dazu auf ein computergestütztes Hydraulikmo dell HM, das eine Fluss- und Druckverteilung im Wasserversor gungssystem abbildet, angewandt.

Dem Hydraulikmodell HM werden dafür zeit- und ortsaufgelöste Prognosewerte P von Entnahmen/Verbrauchern übergeben. Außer dem werden zeitaufgelöste Flusswerte und Ausgangsdrücke FDin der Pumpstationen des Wasserversorgungssystems und aktuelle Zustandsdaten SD von Behältern und zum StartZeitpunkt der Prognose, wie z.B. Füllstände von Reservoirs, dem Hydraulik modell HM übergeben.

Das Hydraulikmodell HM umfasst mindestens ein Regressionsmo dell RM einer Pumpstation des Wasserversorgungssystems, wobei das Regressionsmodell RM die Effizienz der Pumpstation be schreibt. Mit dem Hydraulikmodell HM können für einen vorgegebenen Prognosezeitraum zeitaufgelöste Flüsse F(t) und Drücke D(t) im Wasserversorgungssystems, den Energiebedarf El für die Re gulierung der Flüsse und Drücke und Behälterfüllstände FS er mittelt werden. In anderen Worten, das Hydraulikmodell HM um fasst das dynamische Verhalten des Wasserversorgungssystems über den Prognosezeitraum.

Anhand des Hydraulikmodells HM werden mittels des ersten Op timierungsverfahrens OPT1 ressourcenoptimierte Druck- und Flusssollwerte ((Dl, Fl, ..., (Di, Fi), ..., (Dn, Fn)) für die jeweiligen Pumpstationen des Wasserversorgungssystems für den vorgegebenen Prognosezeitraum berechnet. Dafür werden die Flüsse und Ausgangsdrücke der Pumpstationen, d.h. die Opti mierungsvariablen, im Prognosezeitraum so bestimmt, dass die Flüsse und Drücke im Wasserversorgungssystem zu allen Zeit punkten Beschränkungen einhalten (Randbedingungen der Opti mierung) sowie Behälterfüllstände in vorgegebenen Grenzen bleiben, und der Energiebedarf und/oder die Kosten optimal sind. Der Energiebedarf und/oder die Kosten sind demnach die Zielfunktion dieser Optimierung.

Die so ermittelten Druck- und Flusssollwerte ((Dl, Fl, ...,

(Di, Fi), ..., (Dn, Fn)) für die jeweiligen Pumpstationen des Wasserversorgungssystems werden für die zweite Optimierung bereitgestellt. Der zweite Optimierungsschritt wird vorzugs weise für jede Pumpstation durchgeführt. Vorzugsweise wird der zweite Optimierungsschritt für einen aktuellen Zeitpunkt und/oder den Zeitpunkt, für den eine konkrete Steuerungsent scheidung bezüglich des Betriebs der Pumpen ansteht, durchge führt.

Für jede Pumpstation (i=l, ..., n) wird ein Pumpenmodell PM be reitgestellt, dass beispielsweise mindestens eine Pumpenkenn linie für eine Pumpe umfasst. Dem Pumpenmodell PM wird der Drucksollwert Di, der im vorhergehenden Optimierungsschritt für diese Pumpstation bestimmt wurde, als Ausgangsdruck für den betrachteten Zeitpunkt übergeben. Außerdem wird dem Pum- penmodell PM ein Eingangsdruck Din der Pumpen der Pumpstation und Informationen über den Betriebszustand OS der Pumpen übergeben. Mittels des Pumpenmodells kann ein Fluss, Energie bedarf E2 und ein Effizienzwert Eff der Pumpstation ermittelt werden.

Mittels des zweiten Optimierungsverfahrens OPT2 kann ein Be triebszustand der Pumpen (Optimierungsvariable) derart be stimmt werden, dass ein Flusswert mindestens den Flusssoll wert Fi der Pumpstation aus dem ersten Optimierungsschritt für den betrachteten Zeitpunkt erzielt und dabei der Energie bedarf dieser Pumpstation optimal ist. In anderen Worten, der Flusssollwert Fi aus dem ersten Optimierungsschritt ist hier Randbedingung der zweiten Optimierung OPT2. Aus dem derart ermittelten Betriebszustand können Betriebsparameter Ri für die jeweilige Pumpstation abgeleitet und für die Steuerung der Pumpstation bereitgestellt werden. Außerdem kann der er mittelte Effizienzwert Eff zur Aktualisierung des Regressi onsmodells RM für die entsprechende Pumpstation genutzt wer den, um dieses an das dynamische Betriebsverhalten des Was serversorgungssystems anzupassen.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Steuerung einer Druck- und Flussvertei lung eines Wasserversorgungssystems WVS, wie z.B. eine Pipe line. Das Wasserversorgungssystem umfasst eine Vielzahl von Pumpstationen PSI, ..., PSi, ..., PSn und mehrere Tanks TI, T2. Die Vorrichtung 100 ist insbesondere derart eingerichtet, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wie beispielhaft anhand der Figuren 1 und 2 erläutert, auszuführen. Die Vor richtung und/oder ihre Module können insbesondere in Software und/oder Hardware ausgestaltet sein.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Schnittstelle 101, die derart eingerichtet ist, ein computergestütztes Hydraulikmo dell HM des Wasserversorgungssystems WVS einzulesen, wobei das computergestützte Hydraulikmodell HM eingerichtet ist, eine zeitabhängige Druck- und Flussverteilung des Wasserver sorgungssystems abzubilden.

Die Vorrichtung 100 umfasst weiter ein erstes Optimierungsmo dul 102, das derart eingerichtet ist, ressourcenoptimierte Druck- und Flusssollwerte (Dl,Fl),..., (Di,Fi),..., (Dn,Fn) für die Pumpstationen PI, ..., Pn des Wasserversorgungssystems für einen vorgegebenen Prognosezeitraum anhand des computerge stützten Hydraulikmodells HM mittels eines ersten Optimie rungsverfahrens OPT1 zu ermitteln.

Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine zweite Schnittstelle 103, die derart eingerichtet ist, ein Pumpenmodell PM, wie z.B. eine Pumpenkennlinie, für jede Pumpstation PI, ..., Pn, einzulesen. Dabei ist das jeweilige Pumpenmodell PM einge richtet, ein Betriebsverhalten von Pumpvorrichtungen der je weiligen Pumpstation abzubilden, d.h. für jede Pumpstation kann insbesondere ein anderes Pumpenmodell eingelesen werden.

Die Vorrichtung 100 umfasst weiter ein zweites Optimierungs modul 104, das derart eingerichtet ist, ressourcenoptimierte Betriebsparameter Ri für die Pumpvorrichtungen jeder Pumpsta tion anhand des Pumpenmodells PM zu einem vorgegebenen Zeit punkt mittels eines zweiten Optimierungsverfahrens OPT2 in Abhängigkeit des Druck- und Flusssollwerts dieser Pumpstation für den vorgegebenen Zeitpunkt, zu ermitteln. In Figur 3 wird beispielhaft die Optimierung für die Pumpstation Pi gezeigt.

Die ressourcenoptimierten Betriebsparameter Ri für die Pump station Pi wird von einem Ausgabemodul 105 der Vorrichtung 100 zum Steuern der Pumpvorrichtungen der Pumpstation ausge ben.

Beispielsweise können die ressourcenoptimierten Betriebspara meter an eine Steuerungseinheit des Wasserversorgungssystems übermittelt werden, um die Pumpen entsprechend zu steuern. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert wer den. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsbeispiele beschränkt.