Optimization Approaches for Planning and Operation of Large-scale Water Distribution Networks

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, sich zwei Hauptaspekten bei der Planung und Betriebsführung von großen Wasserverteilungssystemen (WVS) zu widmen, die einerseits in der Druckregelung im laufenden Betrieb zur Wasserverlustreduzierung sowie andererseits in der Optimierung der Pumpenergie- und Wartungskosten bestehen. Die optimale Druckregelung wird durch die optimale Platzierung von Druckreduzierungsventilen (DRV) erreicht. Die Optimierung des Betriebs der DRVs wird durch die Minimierung des überschüssigen Drucks im Wasserverteilungssystem erreicht, während die Minimierung der Pumpenergie- und Wartungskosten durch die optimale Berechnung der Ein- und Ausschaltvorgänge der Pumpen erzielt wird.Zur effektiven Wasserverlustreduzierung in einem WVS wird in dieser Arbeit ein neuer Lösungsansatz vorgeschlagen, nämlich ein mathematisches Optimierungsprogramm mit Komplementaritätsbeschränkungen (MOKB), um ein gemischt-ganzzahliges nichtlineares Optimierungsproblem zur optimalen Platzierung von DRVs zu lösen. Zusätzlich wurde ein neues Rundungsschema entwickelt, um sowohl die Lösungsprozedur zu beschleunigen als auch die Qualität der MOKB-Lösung zu verbessern. Der MOKB-Ansatz wurde danach auf die optimale Platzierung von DRVs für so genannte Benchmark-WVSs angewendet und brachte neue optimale Platzierungen von DRVs hervor. Diese Ergebnisse äußern sich in einer erhöhten Reduzierung von Verlustwassermengen und überschüssigen Drücken verglichen mit den Resultaten, die mit bisherigen Lösungsansätzen gefunden wurden.In WVSs , in denen schon DRVs installiert worden sind, kann man die Wasserverlustreduzierung untersuchen, indem man den Betrieb der DRVs optimiert. Ein erweitertes Modell der DRVs wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, in dem ein Gesamtmodell mit drei Betriebsmodi aufgestellt wird. Dieses Modell – repräsentiert durch eine nichtlineare nicht-glatte Gleichung – kann bei vielen Szenarios, die in WVSs auftreten, in die Details gehen, die mit existierenden DRV-Modellen nicht behandelbar sind. Numerische Untersuchungen haben gezeigt, dass das erweiterte DRV-Modell die existierenden Modelle in puncto Qualität und Genauigkeit der optimalen Lösung übertrifft.Neben der Druckregelung zur Verlustreduzierung wurde in dieser Arbeit ebenfalls ein allgemeiner gemischt-ganzzahliger nichtlinearer Programmierungsansatz (GGNLP) zur Optimierung der Ein- und Ausschaltvorgänge von Pumpen in Wasserversorgungssystemen mit mehreren Speichern entwickelt. Eine Menge von linearen Gleichungsnebenbedingungen zur Formulierung des GGNLP und für eine effektive Beschränkung der Anzahl von Ein-/Ausschaltungen wird vorgeschlagen. Als ein Ergebnis führt die optimale Berechnung höchstens zu einer spezifizierten maximalen Anzahl von Schaltvorgängen mit reduzierten Pumpenergiekosten.Um darüber hinaus die Betriebsweise von großen WVSs zu optimieren, wurde ein Softwarepaket entwickelt, das automatisch das Optimierungsmodell aus einem Simulationsmodell aus der EPANET-Simulationsumgebung extrahiert und einen zweistufigen Optimierungsansatz ausführt, der den optimalen Pumpenbetrieb für ein real existierendes großes Trinkwasserversorgungssystem bestimmt. Die Software gestattet dem Nutzer die Optimierung der Betriebsführung von WVSs mit minimalem Aufwand.