Leckageerkennung mittels stochastischer Massenbilanz Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine

Vorrichtung zur Leckageerkennung in einem Gebiet eines Versorgungsnetzes, sowie eine Verwendung eines entsprechenden Verfahrens in einem Versorgungsnetz. Trinkwasser gehört mittlerweile zu einem der wichtigsten Güter im einundzwanzigsten Jahrhundert . In Wasserverteilungsnetzen treten aber teilweise erhebliche WasserVerluste auf .

Die Bewahrung dieses Gutes stellt eine große Herausforderung an die Leckerkennung und- Ortung in Wassernetzwerken dar . Das Erkennen von WasserVerlusten durch eine Massenbilanz , bei dem alle Einspeisemengen und insbesondere die Wasserabnahmemengen aller individuellen Wasserverbraucher gemessen werden, überschreitet vom Aufwand die Grenzen der Machbarkeit . Des Weite- ren erschweren Gesetzeslagen zeitgenaue Verbrauchsmessungen und VerbrauchsaufZeichnungen aller Kundendaten .

Herkömmlicher Weise wird zur Detektion von Leckagen in Wassernetzwerken lediglich die gesamte Wassermenge, die ins Netzwerk fließt, zu einer bestimmten Zeit , wie dies beispielsweise der Zeitraum nachts zwischen 2 und 4 Uhr ist , gemessen . Diese Werte erzeugen eine Zeitreihe, die darauf hin analysiert wird, ob ein plötzlicher Anstieg des Verbrauchs und somit eine mögliche Leckage vorliegt . Eine Bilanzierung der Abnahmen des Systems ist herkömmlicher Weise nicht möglich . Es liegen Faustformeln zum typischen Wasserverbrauch bestimmter Konsumenten vor . Diese sind aber zum einen sehr allgemein und können, insbesondere zeitlich befristete, Sondereffekte nicht hinreichend genau berücksichtigen .

Die meist sehr großen WasserVersorgungsnetze werden üblicherweise in Wasserversorgungszonen unterteilt . Diese Zonen werden wiederum in Subzonen unterteilt, die, da dies durch bri- tische Ingenieure geprägt ist, als district meter area (DMA) bezeichnet werden. Die DMAs werden so angelegt, dass diese nur einen Zufluss haben, dessen Durchfluss gemessen wird. Aus der Beobachtung dieser Durchflussmessung wird auf Unregelmä- ßigkeiten im Wasserverbrauch und somit auf Leckagen geschlossen. Konkret wird herkömmlicher Weise eine so genannte „night flow analysis" durchgeführt. Hierbei wird durch detaillierte Aufzeichnung der nächtlichen Zuflusswerte in eine DMA (z.B. alle 5 Sekunden zwischen 2:00 - 4:00 Uhr) ein minimaler Zu- flusswert bestimmt , hier auch als Hintergrundverbrauch bezeichnet, der den normalen nächtlichen (Mindest- ) Verbrauch und vorhandene (insbesondere auch kleine) Leckagen umfasst .

Auf Basis dieser minimalen Zuflusswerte in eine DMA während verbrauchsarmer Nachtzeiten, beispielsweise zwischen 2 und 4 Uhr, wobei dann lediglich ein Wert pro Nacht bereit gestellt wird, wird über Tage und Wochen hinweg eine Zeitreihe erstellt . Der, insbesondere plötzliche, Anstieg dieser minimalen Verbrauchswerte, der beispielsweise durch eine Schwell- Wertüberschreitung erkannt werden kann, kann als Ursache eine neue Leckage haben .

Zur Lokalisation oder Leckageortung wird zumeist ein Step Test durchgeführt . Hierzu trennt man zu Zeiten niedrigen Verbrauchs sukzessiv kleine Bereiche von der DMA und beobachtet die Veränderung des Verbrauchs . Bereiche, die zu einem starken unerklärlichen Abfall des Verbrauchs führen untersucht man dann weiter auf Leckagen . Alternativ kann mit Geräuschmessern vor Ort das Wassersystem auf Leckagen abgehört werden und durch Betrachtung der Geräuschkorrelation die Leckagestelle berechnet werden .

Beide genannte herkömmliche Verfahren eigenen sich nicht für eine permanente Überwachung . Step Tests sind mit einem hohen Aufwand verbunden, indem die betroffenen Haushalte von der Abschaltung informiert werden müssen und eine ErsatzVersorgung sichergestellt werden muss . Geräuschemessung benötigt einen hohen Aufwand, da die Messungen nur von Spezialisten vor Ort durchgeführt werden können . Außerdem sind diese Untersuchungen immer nur lokal möglich. Zusätzlich können beide herkömmliche Verfahren nur in Zeiten mit einem niedrigen Verbrauch angewendet werden, damit die Messungen nicht durch Verbrauchsschwankungen zu sehr gestört werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leckagee kennung in einem Gebiet eines Versorgungsnetzes be eitzustellen, wobei mit einer hohen

Wahrscheinlichkeit Leckagen im Versorgungsnetz erkannt werden .

Die Aufgabe wi d gelöst durch ein compute gestütztes Verfah- ren zur Leckagee kennung in einem Gebiet (DMA) eines Versorgungsnetzes mit den Schritten :

a) Stationäres Installieren von Durchflussmessgeräten an Zu- und Abflüssen des Gebietes (DMA) ;

b) Installation von Sensoren zur Bestimmung des Durch- flusses oder des Wasserdruckes innerhalb des Gebietes (DMA) ; c) Bestimmen des Wasserve brauches fü das Gebiet (DMA) innerhalb einer oder mehrerer festgelegter Messperioden durch die Durchflussmessgeräte an den Zu- und Abflüssen und den Messwerten der Sensoren innerhalb des Gebietes (DMA) ;

d) Abbilden der Topologie des Verso gungsnetzes in einem hydraulischen Simulato und Erstellen eines hydraulischen Simulationsmodells für das Gebiet (DMA) ;

e) Bestimmen der Verbräuche innerhalb des Gebietes (DMA) durch zufällige Festlegung anhand de Verbrauchsprofile und den Zu- und Abflüssen des Gebietes (DMA) ;

f) Berechnung des Fließ- und DruckVerhaltens im Versorgungsnetz innerhalb einer de festgelegten Messpe ioden durch Monte-Carlo-Simulation; und

g) Bestimmen, ob eine Leckage vo liegt durch Vergleich der durch die Monte-Ca lo-Simulation ermittelten Ergebnisse mit den von den Sensoren innerhalb des Gebietes ( DMA) gelieferten Messwerten . In dem Verfahren wird unterschieden zwischen DurchflussSensoren an den Zu- und Abflüssen und Sensoren innerhalb des Gebietes . Während die Messwerte der Zu- und Abflusssensoren den Wasserverbrauch des Gebietes beschreiben und dahe im hydrau- lischen Modell Verwendung finden, werden die Messwerte der inneren Sensoren zur Feststellung von Abweichungen von Modell und Realität, und damit zur Leckageerkennung eingesetzt . Die Betrachtung von mehreren Messintervallen kompensiert ein zufälliges atypisches Ve braucherve halten, damit dieses nicht überbewertet wird . Das Ve fahren lässt sich leicht automatisieren (durch den Einsatz von Computern und entsprechende Software) und zusammen mit anderen jedes Gebiet separat betrachtende Ve fahren (z.B. Kame aüberwachung, Drucksensorik) betreiben . Auch können dynamische, nicht periodische Sonder- effekte (z.B. höherer Wasse verbrauch bei Sportveranstaltungen im Fernsehen) be ücksichtigt werden, wodurch auch die Fehlala mrate weiterhin gesenkt wird . Das Ve fahren ist auch anwendbar für Gebiete in denen die night-flow-Analyse nicht anwendbar ist , da auch nachts hohe Verbräuche auftreten, z.B. in Großstädten (Mega Cities) .

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass es sich bei den Gebieten (DMA) auch um Virtuelle Dist ict Meter Areas handeln kann . Bei virtuellen Zonen oder sog . virtuellen district meter areas (DMA) handelt es sich um Teilgebiete eines Netzes, deren Zuflüsse und Abflüsse mittels Durchflussmesser gemessen werden, wobei nicht gefo de t wird, dass die Gebiete disj unkt sind . Es erfolgt eine sukzessive Auswertung der Zeitreihen für alle Gebiete und Erkennen von Leckagen in den Gebieten . Abschließend e folgt ein Eingrenzen des Ortes der Leckage anhand der LeckageInformationen für die einzelnen Gebiete . Eine LeckageInformation ist eine Information darüber, ob in dem Gebiet eine Leckage erkannt wurde, oder nicht . Virtuelle district meter areas (virtuelle DMAs) unterscheiden sich von he kömmlichen Gebieten ( DMAs ) folgendermaßen . Bei der Unterteilung von Zonen in DMAs wurde herkömmlicher Weise stets versucht , diese so zu bilden, das sich lediglich ein Zufluss bzw . ein Zuflussrohr ergab und dieses über einen einzigen Sensor überwacht werden kann . In den Versorgungszonen werden an ausgewählten Stellen zusätzliche Durchflusssensoren so eingebaut, dass sich Teilstücke des Netzwerkes ergeben, deren Ein- und Ausflüsse gemessen werden können . Diese Teilstücke sollten ein gemeinsames Element besitzen . Die Teilstücke sollen sich überlagern und gemeinsame Durchflussmesser aufweisen . Derartige Teilstücke werden als virtuelle Zonen oder virtuelle DMAs bezeichnet . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Messperiode beispielsweise von 2.00 bis 4.00 Uhr, von 0.00 bis 24.00 Uhr und/oder von 6.00 bis 18.00 Uhr ist . Bei einer Night Flow Analysis wird über alle Durchfluss- messer bzw . Sensoren nachts, beispielsweise zwischen 2:00 und 4:00 der Durchfluss im Rahmen einer derartigen Analyse gemessen, d.h. während üblicherweise verbrauchsarmen Zeiten . Anstelle einer Untersuchung bei Nacht kann man für Integrated Flow Untersuchungen andere ZeitIntervalle, beispielsweise 24 Stunden oder mehrere Messzeiträume während eines Tages be- trachten .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schritt e) Bestimmen der zufälligen Verbräu- che der in den Gebieten ( DMA) angeschlossenen Verbraucher durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte erfolgt :

1. Klassifizieren der Verbraucher auf Basis eines zugeordneten durchschnittlichen Tagesverbrauchs ;

2. Ermitteln eines theoretischen GesamtVerbrauchs für jeden

Verbraucher basierend auf dem jeweiligen durchschnittli- chen Tagesverbrauchs und den innerhalb der festgelegten

Messperiode ermittelten Verbrauchs ;

3. Festlegen einer Wassermenge Q, die deutlich kleiner ist, als der minimale Wasserverbrauch in einem Gebiet

(DMA) und setzen des Verbrauchs für alle Verbraucher im Versorgungsnetz auf 0 (Initialisierung) ;

4. Aufteilen der festgelegten Messperiode in Zeitspannen und Messen des GesamtVerbrauches pro Gebiet (DMA) in jeder Zeitspanne 5. Zufälliges Auswählen von Verbraucher für jede Zeitspanne und Erhöhen des Verbrauchs der zufällig ausgewählten Verbraucher in einer jeweiligen Zeitspanne um die festgelegte Wassermenge Q;

6. Solange der gesamte für einen Beobachtungszeitraum verteilt Wasserverbrauch kleiner ist, wie der in 4) bestimmte, gehe zu 5) ;

7. Wiederhole ab 4) bis alle Zeitspannen abgearbeitet sind. Mit diesem Algorithmus wird die Verteilung des Verbrauchs beschrieben . Mit diesem Verbrauch wird eine hydraulische Simulation des Netzabschnitts durchgeführt . Für eine hydraulische Simulation müssen Randbedingungen so gesetzt werden, dass das physikalische Modell sinnvoll beschrieben wird : Wenn die Zone nur einen Zu-/Abfluss besitzt, so wird an dieser Stelle ein konstanter Druck gesetzt, hat sie mehrere Zu- und Abflüsse so wird an einem ein konstanter Druck gesetzt und an den anderen die gemessene Zu- und Abflüsse . Somit stimmt die Massenbilanzierung im Modell .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schritt e) Bestimmen der zufälligen Verbräu- che der in den Gebieten (DMA) angeschlossenen Verbraucher durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte erfolgt :

I. Festlegen von n Verbrauchsknoten im Versorgungsnetz;

11. Festlegen einer Quantummenge Q die deutlich kleiner ist als der minimale Wasserverbrauch in einem Gebiet (DMA) ;

III. Festlegen eines gemessenen GesamtVerbrauchs R (als

ganzzahliges Vielfaches der Quantummenge Q;

IV . Festlegen der Summe G der Durchschnittsverbräuche V (n) aller Knoten;

Für alle Verbrauchsknoten n bis für jeden Knoten n der Wert

X (n) bestimmt ist :

V . Wähle nächsten noch nicht abgefertigten Verbrauchsknoten n mit Durchschnittsverbrauch v (n) ;

Ziehe Zufallsvariable X (n) mit Wert zwischen 0 und R und Verteilung P(X(n) = k) V(n) ^k * (G - V(n) ) ^{iR " k)} * R! / (G ^R * k! *

( -k) ! ) ;

Ersetze G durch G - V (n) und R durch R X(n) .

Alternativ kann die Verteilung der zufälligen Flüsse auf die Verbraucher auch mit dem dargestellten Algorithmus erfolgen, wenn bekannt ist, dass die Verbrauchsprofile der Verbraucher in einem Gebiet gleich sind. Dieser ist äquivalent zum ersten Verfahren, zeichnet sich aber durch eine niedrigere Laufzeit aus , da weniger Zufallszahlen gezogen werden .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Schritte e) und f ) für ein festes Zeitintervall wiederholt werden und die Rechenergebnisse gemittelt werden, bevor der Vergleich gemäß Schritt g) stattfindet . Durch das Wiederholen ird ein Schwankungsbereich für die Rechenergebnisse gewonnen . Der Einfluss von Ausreissern wird dabei reduziert und das normale Verhalten des Gebietes kristallisiert sich heraus .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für ein Infrastrukturnetz zum Transport eines Fluids . Die Messwerte für Fluide lassen sich durch entsprechende Sen- sorik {z.B. Druck- oder Durchflusssensoren) leicht und genau ermitteln und somit für zuverlässige Prognosen verwenden .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Infrastrukturnetz ein Wasserversorgungs- oder ein Gasversorgungs- oder ein Fernwärmenetz ist . Die Erfindung ist anwendbar auf alle Infrastrukturnetze, bei denen Fluide transportiert und verbraucht werden . Beispiele für derartige Infrastrukturnetze sind Gasversorgungs- und Fernwärmenetze .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einer computerunterstützten Vorrichtung zur Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Leckage- erkennung in einem Gebiet eines Versorgungsnetzes, die Vorrichtung umfassend:

a) Sensoren zum Messen eines j eweiligen minimalen Zuflusses für jedes Gebiet (DMA) innerhalb einer festgelegten Messperiode;

b) Mittel zum Bestimmen des Wasserverbrauches für jedes Gebiet (DMA) innerhalb einer festgelegten Messperiode durch die installierten Sensoren;

c) Mittel zum Abbilden der Topologie des Versorgungsnet- zes in einem hydraulischen Simulator und Erstellen eines hydraulischen Simulationsmodells für jedes Gebiet (DMA) ;

d) Mittel zum Bestimmen der Verbrauchsprofile der in den Gebieten (DMA) angeschlossenen Verbraucher ;

e) Mittel zum Bestimmen des FließVerhaltens im Versor- gungsnetz innerhalb der festgelegten Messperiode durch Monte- Carlo-Simulation; und

f) Mittel zum Bestimmen, ob eine Leckage vorliegt durch Vergleich der durch die Monte-Carlo-Simulation ermittelten Messwerte mit den von den Sensoren gelieferten Messwerten . Die Vorrichtung lässt sich mit handelsüblichen Mitteln herstellen . Z.B. ist die entsprechende Sensorik in entsprechenden Baumärkten erhältlich, die Mittel zum Abbilden der Topologie, zum Bestimmen der Verbrauchsprofile, zum Bestimmen des FließVe haltens und die Mittel zum Vergleich der tatsächli- chen Messwerte mit den durch die von der Monte-Carlo- Simulation ermittelten Messwerten lassen sich auf Personal Computern und entsprechender Software (z.B. Tabellenkalkula- tions- oder Mathematikprogramme, Simulationsprogramme) realisieren .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einer Vorrichtung nach Anspruch 8 , weiter umfassend Ausgabemittel zur Darstellung des Vergleiches der durch die Monte- Carlo-Simulation ermittelten Messwerte mit den von den Senso- ren gelieferten Messwerten und/oder zur Darstellung von Indikatoren für eine Leckage . Durch eine grafische Darstellung können die Ergebnisse optisch verglichen werden und Abweichungen als Indikatoren für Leckagen leicht erkannt werden . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einem computerunterstützten simulationsbasiertes Ässistenzsystem zur Leckageerkennung in einem Gebiet eines Versor- gungsnetzes, wobei durch stationär installierte Sensoren zum Messen eines minimalen Zuflusses des Gebietes innerhalb einer festgelegten Messperiode Versorgungsnetzes Messwerte erfasst und über eine Datenfernübertragung an eine Auswerteeinrichtung gesendet werden,

wobei die Auswerteeinrichtung aufweist :

- Mittel zum Bestimmen des Wasserverbrauches für jedes Gebiet innerhalb einer festgelegten Messperiode durch die installierten Sensoren;

- Mittel zum Abbilden der Topologie des Versorgungsnet- zes in einem hydraulischen Simulator und Erstellen eines hydraulischen Simu1ationsmodeIis für jedes Gebiet (DMA) ;

- Mittel zum Bestimmen der Verbrauchsprofile der in den Gebieten angeschlossenen Verbraucher ;

- Mittel zum Bestimmen des Flie Verhaltens im Versor- gungsnetz innerhalb der festgelegten Messperiode durch Monte- Carlo-Simulation; und

- Mittel zum Vergleich der durch die Monte-Carlo- Simulation ermittelten Messwerte mit den von den Sensoren gelieferten Messwerten, um bei Abweichungen mögliche Leckagen in einem Gebiet zu erkennen . Das computergestützte Assistenzsystem lässt sich mit handelsüblichen Mitteln herstellen . z.B. ist die entsprechende Sensorik (z.B. Durchflussmesser) in entsprechenden Fachgeschäften erhältlich, die Mittel zum Berechnen lassen sich auf Personal Computern und entsprechen- der Software (z.B. Tabellenkalkulations- , Mathematik- oder

Simulationsprogramme) realisieren . Beim Erkennen einer Leckage können durch das AssistenzSystem automatisch geeignete Gegenmaßnahmen (z.B. Stoppen des Zuflusses zu einem Gebiet, Einleiten von geeigneten Maßnahmen) eingeleitet oder für das Bedienpersonal vorgeschlagen werden . Das Assistenzsystem ist insbesondere geeignet für den Einsatz in einer Leitwarte zur Überwachung eines Versorgungsnetzes . Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden erläutert .

Dabei zeigen:

FIG 1 Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Geb

FIG 2 eine beispielhafte Prinzipdarstellung für ein Ver sorgungsnetz mit Assistenzsystem,

FIG 3 eine beispielhafte Darstellung von Sensormesswerten und berechneten Werten zur Erkennung einer Leckage, und

FIG 4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

Die Verringerung von WasserVe lusten stellt eine große Herausforderung an die Leckerkennung und Ortung in Wassernetzen dar. In Teilgebieten eines Netzes können Wasserverluste durch Durchflussmengenmessungen an allen Zu- und Abflüssen des Gebietes und Bildung einer Massenbilanz erkannt werden.

Solche Messungen überschreiten sowohl vom Aufwand wie auch von der Gesetzeslage (zeitgenaue Verbrauchsmessung und Aufzeichnung alle Kunden kann datenschutzrechtlich zu Problemen führen} die Grenzen der Machbarkeit. Nichts desto trotz ermöglichen neue günstigere Messgeräte die Überwachung physikalisch relevanter Werte wie Druck, Durchfluss etc.

Die vorliegende Erfindung stellt ein stochastisches Modell für Verbraucher in einem Versorgungsnetz vor, das es

ermöglicht, mit einer hydraulischen Simulation eine netzweite Massenbilanz aufzustellen, um sowohl neue, als auch bereits bestehende Leckagen zu erkennen.

Die meist sehr großen Wasserversorgungsnetze werden in Wasserversorgungszonen (Gebiete) unterteilt. Diese Gebiete kön- nen wiederum in Subzonen unterteilt werden, die - da durch britische Ingenieure geprägt - als District Meter Area (DMA) bezeichnet werden. Die DMAs werden so angelegt, dass sie jeweils nur einen Zufluss haben, dessen Durchfluss gemessen wird. Alternativ können statt physikalischen DMAs auch virtuelle Zonen verwendet werden, die mehrere Zu- und Abflüsse aufweisen können. Aus der Beobachtung der Durchflussmessung wird auf Unregelmäßigkeiten im Wasserverbrauch und somit auf Leckagen geschlossen . Konkret wird eine sog . Night Flow Ana- lysis durchgeführt . Aus den minimalen Zuflusswerten wird eine DMA während verbrauchsarmen Nachtzeiten durchgeführt, z.B. zwischen 02 : 00 und 04:00 Uhr . Bei einem Wert pro Nacht wird über Tage und Wochen hinweg eine Zeitreihe erstellt . Der (plötzliche) Anstieg dieser minimalen Verbrauchswerte, der z.B. durch eine SchwellwertÜberschreitung erkannt werden kann, kann als Ursache eine neue Leckage haben .

Besondere Ereignisse, wie der Einsatz von Rasensprenklern, Sportereignisse oder Brauchtum während der Nachtmessung ver- Ursachen somit einen Anstieg des minimalen Zuflusses in verschiedenen DMAs . Somit wird für alle DMAs Alarm ausgelöst . Bisher muss ein solcher möglicher Fehlalarm von dem Benutzer des Systems erkannt und durch weitere Untersuchungen ausgesondert werden . Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein au- tomatisches Verfahren zur Erkennung netzwerkübergreifender

Ereignisse zur Reduktion von Fehlalarmen bei der Leckageanalyse .

Figur 1 zeigt zwei Aus führungsbeispiele Bl , B2 für erfin- dungsgemäße Gebiete DMA. Bei einem Gebiet DMA kann es sich um ein physikalisch räumliches Gebiet des Versorgungsnetzes handeln, oder um eine virtuelle Zone . Virtuelle district meter areas (virtuelle DMAs) unterscheiden sich von herkömmlichen Gebieten ( DMAs ) folgendermaßen . Bei der Unterteilung des Ver- sorgungsnetzes in Gebiete ( DMAs ) wurde herkömmlicher Weise stets versucht , diese so zu bilden, das sich lediglich ein Zufluss bzw . ein Zuflussrohr ergab und dieses über einen einzigen Sensor überwacht werden kann . In den Versorgungszonen werden an ausgewählten Stellen zusätzliche Du chflusssensoren so eingebaut, dass sich Teilstücke des Netzwerkes ergeben, deren Ein- und Ausflüsse gemessen werden können. Diese

Teilstücke sollten ein gemeinsames Element besitzen. Die

Teilstücke sollen sich überlagern und gemeinsame Durchflussmesser aufweisen. Derartige Teilstücke werden als virtuelle Zonen oder virtuelle DMAs bezeichnet .

Mit der Vorgehensweise de Schaffung von virtuellen Zonen (virtuellen Gebieten) wi d ein universelles Verfahren vorgestellt, Versorgungsnetze so zu unterteilen, das Teilgebiete, wie es beispielsweise ein ode mehrere Leitungsabschnitte ist/sind, mehrfach hinsichtlich de Leckagee kennung übe wacht werden können . Die Überwachung einer jeden virtuellen Zone funktioniert nach dem gleichen Prinzip und kann in einer technischen Lösung entsprechend mehrfach angewendet werden . Die Unterteilung eines Netzwerkes in virtuelle Zonen liefert den Vorteil , dass bis auf den Einbau von Durchflussmessern, keine Änderung am bestehenden Netz vo genommen werden müssen . Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ohne den Betrieb des Versorgungsnetzwe ks zu stören, oder umständliche, kostenintensive Messungen vor Ort durchzuführen, die Leckageerkennung automatisiert ablaufen kann . Figur 2 zeigt eine beispielhafte Prinzipdarstellung für ein

Ve sorgungsnetz VN mit AssiStenzSystem AS zur Überwachung des Versorgungsnetzes VN . Das Ve so gungsnetz VN weist eine Sen- sorik auf, die über Datenfernübertragung DFÜ mit dem Assistenzsystem AS verbunden sind . Beim AssiStenzSystem AS handelt es sich um ein computerunterstütztes simulationsbasie tes Assistenzsystem AS zur Erkennung von Leckagen im Versorgungsnetz VN . Durch stationär installierte Sensoren SEI -SE3 an hydraulisch ausgewählten Sensor-Mess-Stellen innerhalb eines Gebietes des Ve sorgungsnetzes VN werden reale Messwerte er- fasst und über eine Datenfernübertragung DFÜ7 an eine Auswerteeinrichtung AE gesendet . Der Wasse ve brauch für ein Gebiet (DMA, FIG 1 ) oder des betrachteten Ve sorgungsnetzes VN wird innerhalb einer ode mehrerer festgelegter Messperioden durch die Durchflussmessgeräte AS1 , AS2 an den Zu- und Abflüssen des Gebietes bzw. Versorgungsnetzes bestimmt. Auch die Messwerte der Sensoren AS1 , AS2 können über eine Datenfernübertragung DFÜ7 an eine Auswerteeinrichtung AE gesendet werden. In der Auswerteeinrichtung AE werden die realen Messwerte mit Werten, die durch eine Monte-Ca lo-Simulation errechnet wu den verglichen . Abweichungen deuten auf das Vorliegen einer Leckage hin. Das Verfahren kann prinzipiell auf Gebietsebene oder auf Versorgungsnetzebene durchgeführt werden.

Insbesondere umfasst die Auswe teeinrichtung AE Mittel Ml zum

Bestimmen des Wasserverbrauches für jedes Gebiet DMA innerhalb einer festgelegten Messperiode durch die installierten Sensoren, Mittel M2 zum Abbilden der Topologie des Versor- gungsnetzes in einem hydraulischen Simulator und Erstellen eines hydraulischen Simulationsmodells für jedes Gebiet DMA, Mittel M3 zum Bestimmen der Verbrauchsprofile der in den Gebieten DMA angeschlossenen Verbraucher, Mittel M4 zum Bestimmen des Flie Ve haltens im Ve sorgungsnetz innerhalb der festgelegten Messperiode durch Monte-Carlo-Simulation, und

Mittel M5 zum Vergleich de durch die Monte-Ca lo-Simulation ermittelten Messwerte mit den von den Sensoren gelieferten Messwerten, um bei Abweichungen mögliche Leckagen in einem Gebiet DMA zu erkennen . Die Topologie des Ve sorgungsnetzes VN ist dabei in einem hydraulischen Simulator nachgebildet . Die Roh e werden mit den bekannten physikalischen Werten pa- rametrisiert . Die Verbrauche an den Knoten des Netzwerks hingegen sind unbekannt . Dafü wird ein stochastisches Er- satzmodell aufgestellt .

Das compute gestützte AssistenzSystem AS lässt sich mit handelsüblichen Mitteln herstellen . Z.B. ist die entsprechende Sensorik SEI - SE3 (z.B. Durchflussmesse ) in entsprechenden Fachgeschäften erhältlich, die Mittel zum Berechnen, Bestim- mem, Vergleichen lassen sich auf Personal Computern C und entsprechender Software (z.B. Tabellenkalkulations-, Mathematik- oder Simulationsprogramme) realisieren . Für das Generieren von automatischen Gegenmaßnahmen oder für das Anzeigen von Maßnahmen für das Bedienpersonal kann das Assistenzsystem AS z.B. auf modellbasierten Techniken (z.B. CBR, Gase Based Reasoning) basieren. Abweichungen der realen und der erwarteten Werte (Simulationsergebnisse) können an eine Ausgabeein- hext M (z.B. Bildschirm) eines Computers C angezeigt werden. Der Computer C umfasst weiterhin Speichermedien, z.B. eine Datenbank DB zur Speicherung bzw. Zwischenspeiche ung der über die Datenfernübertragungsleitung DFÜ eintreffenden Messwerte der Sensoren SEI - SE3.

Figur 3 zeigt eine beispielhafte Darstellung von Sensormesswerten und berechneten Werten zur Erkennung einer Leckage. Hierzu werden die Messwerte von Sensoren, die innerhalb der betrachteten Zone (Gebiet , DMA) liegen, gegen die durch die Simulation berechneten We te gezeichnet , wie in der Abbildung gemäß Figur 3 dargestellt. Die Abweichung der Ausgleichsgeraden durch die Punktwolke zur Identität ist ein Indikator dafür, dass das Modell nicht zu den Messungen passt, was auf eine Leckage hinweist. Es ist für den Fachmann klar, dass un- te schiedliche Typen von Diagrammen für die Darstellung von Abweichungen verwendet werden können .

Figur 4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden vorteil- hafter weise die Schritte Sl - S7 computerunterstützt mit geeigneter Software (z.B. Tabellenkalkulationsprogrammen, Simulationsprogrammen), z.B. in einer Leitwarte durchgeführt.

In eine Zone/Gebiet (z.B. eine virtuelle DMA) mit bekanntem Zufluss werden zusätzliche Sensoren platziert, die nicht notwendig weitere Zonen ode (virtuelle) DMÄs definieren . Wie bei der Leckagee kennung üblich wird wiede der Verbrauch in einer Zeitspanne mit niedrigem Verbrauch wie zum Beispiel von 2-4 Uh betrachtet (night flow analysis ) . Für die Zone/Gebiet (z.B. eine virtuelle DMA) wird nun basierend auf den gemessenen Zufluss in die Zone (DMA) ein hydraulisches Modell aufgestellt . Hierzu wird die Topologie des Netzes in einem hydraulischen Simulator nachgebildet. Die Rohre werden mit den be- kannten Werten parametrisiert . Die Verbraucher an den Knoten des Netzwerks hingegen sind unbekannt . Für dies wird wie folgt ein stochastisches Ersatzmodell aufgestellt:

Es wird für jeden Messzeitraum der Wasserverbrauch in der Zo- ne zufällig auf alle Verbraucher verteilt . Die Verteilung des Verbrauchs wird in Algorithmus 1 beschrieben . Mit diesem Verbrauch wird eine hydraulische Simulation des Netzabschnitts durchgeführt . Für eine hydraulische Simulation müssen Randbedingungen so gesetzt werden, dass das physikalische Modell sinnvoll beschrieben wird : Wenn die Zone nur einen Zu- /Abf1uss besitzt, so wird an dieser Stelle ein konstanter Druck gesetzt, hat sie mehrere Zu- und Abflüsse so wird an einem ein konstanter Druck gesetzt und an den anderen die gemessene Zu- und Abflüsse . Somit stimmt die Massenbilanzie- rung .

Mit einer Monte-Carlo-Simulation über verschiedene Ereignisse der zufälligen Verteilung der Messwerte werden für die berechneten Sensorwerte der innern Sensoren der Zonen berech- net . Die Abweichung zwischen den gemessenen und berechneten Werten gibt Hinweise auf mögliche Leckagen .

Im Schritt Sl erfolgt das Aufteilen des Versorgungsnetzes in Gebiete (DMA) mit jeweils bekanntem Zufluss . Die kann compu- terunterstützt auf der Basis von Modellen des Netzes oder basierend auf Erfahrungswerten geschehen .

Im Schritt S2 erfolgt ein stationäres Installieren von Durch- flussmessgeräten an Zu- und Abflüssen eines Gebietes (DMA) . Beim Installieren der Sensorik kann auf schon installierte

Sensoren zugegriffen werden, oder neue Sensoren werden abhängig vom Schneiden der Gebiete ( DMA) installiert . Die Messwerte der Sensoren kann z.B. über DFÜ, Funk oder Satellitverbindung an eine Leitstelle zur Weiterverarbeitung gemeldet wer- den .

Im Schritt S3 erfolgt das Bestimmen des Wasserverbrauches für jedes Gebiet ( DMA) innerhalb einer festgelegten Messperiode durch die Durchflussmessgeräte . Auch dies erfolgt vorteilhafter weise computerunterstützt.

Im Schritt S4 erfolgt das Abbilden der Topologie des Versor- gungsnetzes in einem hydraulischen Simulator und Erstellen eines hydraulischen Simulationsmodells für jedes Gebiet

(DMA) . Auch dies erfolgt vorteilhafter weise automatisch und computerunterstützt . Im Schritt S5 erfolgt das Bestimmen der zufälligen Verbrauche der in den Gebieten (DMA) angeschlossenen Verbraucher . Dies erfolgt vorteilhafter weise durch Softwareprogramme .

Im Schritt S6 erfolgt das Bestimmen des FließVerhaltens im Versorgungsnetz innerhalb der festgelegten Messperiode durch Monte-Carlo-Simulation . Die Monte-Carlo-Simulation erfolgt durch ein Simulationsprogramm .

Im Schritt S7 erfolgt das Bestimmen, ob eine Leckage vorliegt durch Vergleich der durch die Monte-Carlo-Simulation ermittelten Messwerte mit den von den Sensoren gelieferten Messwerten. Der Vergleich erfolgt computerunterstützt , Abweichungen, die Indikatoren für eine Leckage sein können, werden vorteilhafter weise grafisch dargestellt .

Anhand der Abweichungen können automatisch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden (z.B. Schließen von Zulaufsventilen, Aktivieren von Umleitungen) oder mögliche Gegenmaßnahmen können für das Bedienpersonal einer Leitwarte vorgeschlagen werden .

Algorithmus 1 zur Bestimmung der zufälligen Verbrauche ;

1} Klassifizieren der Verbraucher : Verschiedene Verbraucher haben ein unterschiedliches Vebrauchsprofil . Diese Profile geben an, wie sich der Tagesgesamtverbrauch eines Verbrau- chers auf den Tag abbilden lässt . So haben Wohngebäude ein anderes Verbrauchsverhalten wie Bürogebäude, Schulen oder KMUs . Verbraucher, die sich nicht klassifizieren lassen, müs- sen exakt gemessen werden und werden in der weiteren Beschreibung vernachlässigt.

2} Aufgrund des durchschnittlichen Tagesverbrauchs eines je- den Verbrauchers, der zum Beispiel über die Jahresendabrechnung gewonnen wird, kann ein theoretischer Gesamtve brauch in der Zone bestimmt werden. Hierzu wird für alle Verbraucher aufgrund ihres durchschnittlichen Tagesverbrauchs und ihres Verbrauchsprofil ein theoretischer Verbrauch während des Nachtmesszeitraums berechnet. Hieraus wird ein theoretischer Gesamtverbrauch berechnet.

3 ) Zur Initialisierung wird der Verbrauch aller Verbraucher für den gesamten Beobachtungszeitraum auf 0 gesetzt. Außerdem wird eine kleine Wassermenge Q festgelegt, die später verteilt wird (z.B. 31 ) diese sollte deutlich kleiner sein, als der minimale Wasserverbrauch in der Zone (DMA) .

4) Für jede Zeitspanne des Messzeitraums (in der Regell-3 Mi- nuten) wird der Gesamtverbrauch der Zone gemessen.

5 } Es werden nun zufällig Verbraucher ausgewählt : Die Wahrscheinlichkeit einen Verbraucher zu wählen, ist sein Anteil am Gesamtverbrauch, wie er in 2 ) bestimmt wurde . Der

Verbrauch des Verbrauchers wird für diese Zeitspanne um Q erhöht .

6) Solange der gesamte für den Beobachtungszeiträum verteilte Wasserverbrauch kleiner ist , wie der in 4) bestimmte, gehe zu 5}

7) Wiederhole ab 4) für die nächste Messspanne.

Es wird nun das Fließverhalten für den Zeitraum der Night Flow Analysis mit den oben konstruierten Zufallsverbrauch simuliert . Hierzu wird eine Monte Carlo Simulation (wie z.B. in Ku t Binder [u.a.] , Monte Carlo methods in Statistical phy- .52 es, Springer, Berlin 1979 beschrieben) durchgeführt . Hierzu wird die Simulation für eine große Auswahl von zufälligen Verbräuchen, die wie oben beschrieben konstruiert werden, durchgeführt und von der großen Anzahl an Simulationswerten auf das Verhalten in der Zone geschlossen . Hierzu werden die Messwerte von Sensoren, die innerhalb der betrachteten Zone liegen, gegen die berechneten Werte gezeichnet , wie der folgenden Abbildung zu sehen ist . Die Abweichung der Ausgleichsgeraden durch die Punktwolke zur Identität ist ein Indikator dafür, dass das Modell nicht zu den Messungen passt , was auf eine Leckage hinweist (siehe Figur 3) .

Alternativ kann die Verteilung der zufälligen Flüsse auf die Verbraucher auch mit folgendem Algorithmus 2 erfolgen . Dieser ist äquivalent zum oben beschriebenen Verfahren, zeichnet sich aber durch eine niedrigere Laufzeit aus, da weniger Zufallszahlen gezogen werden .

Algorithmus 2 zur Bestimmung der zufälligen Verbräuche :

Gegeben : Quantummenge Q

Initialisiere : R = gemessener Gesamtverbrauch (als ganzzahliges Viel faches der Quantummenge Q)

G = Summe der Durchschnittsverbräuche V (n) aller Knoten Schleife durch die Knoten :

- Wähle nächsten noch nicht abgefertigten Verbrauchsknoten n mit Durchschnittsverbrauch v ( n ) .

- Ziehe Zufallsvariable X (n) mit Wert zwischen 0 und R und Verteilung

P (X (n) = k) = V(n) ^k * (G - V(n) ) ^{(R " k)} * R! / (G ^R * k! * (R- k) !) ;

- Ersetze G durch G - V(n) und R durch R - X (n) .

- Wähle nächsten Knoten bis für jeden Knoten n der Wert X (n) bestimmt ist .

Dieser Algorithmus ist bei identischem Verbrauchsprofilen aller Verbraucher anwendbar . Der Algorithmus erlaubt eine effiziente Berechnung . Verfahren, Vorrichtung und Assistenzsystem zur Leckageerkennung in einem Gebiet eines Versorgungsnetzes wobei durch den Vergleich von realen von Sensoren gelieferten Messwerten mit Messwerten, die durch eine Monte-Carlo-Simulation ermittelten wurden, Leckagen erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckageerkennung stellt insbesondere Unregelmäßigkeiten, die zum Beispiel auf Leckagen zurückführbar sind, aufgrund einer hydraulischen Analyse fest. Dadurch können be- reits bestehende Leckagen erkannt werden . Außerdem kann das Verfahren auch auf temporä im Netz angebrachte Sensoren angewendet werden, was dem Netzbet eiber zusätzliche Freiheiten bei der Lecksuche gibt . Das Ve fahren kann auch für andere Versorgungsnetze und Infrastrukturen angewendet werden .

Bezugs zeichenliste

Bl, B2 Beispiel

DMA Gebiet

SEI - SE3 , AS1 , ÄS2 Sensor

DFÜ Datenfernübertragung

AS Assistenz System

AE Auswerteeinrichtung

SM Simulationsmodell Ml - M5 Mittel

T Tastatur

M Monitor

C Computer

DB Datenbank

Sl - S7 Verfahrensschritt