Optimización en tiempo real del modo de operación de un abastecimiento de agua mediante técnicas metaheurísticas. Aplicación a la RED de suministro a Valencia y su área metropolitana

[EN] Due to the rise of energy prices, the energy cost of pumping represents most of the total operation cost in water distribution systems. In addition, energy price varies according to the tariff structure. For these reasons, optimal real-time control of the pumping stations and the valve operation settings is required in order to minimize energy costs while controlling pressure in the network. To achieve this objective it is necessary to define an optimization model that results in a reliable operation scenario. Moreover, simulation of hydraulic models allows tracking the daily operation schedule of the water supply network. Its integration into a SCADA system is a valuable tool to aid the making of decisions. For this aim, the mathematical model must be calibrated, and regularly updated. Finally, to perform optimal control in real-time, it is necessary to define a demand forecast model to know in advance the state of the network for the following 24 hours. This thesis exposes a methodology for optimal real-time operation of a hydraulic network based on the development of a platform that allows the integration of hydraulic simulation models, forecast models and optimization algorithms in SCADA systems. With the aim of performing the most adjusted model to actual scenarios, a demand forecast model has been developed based on historical patterns obtained from the SCADA system. Finally, an optimization module has been developed to minimize the energy costs of pumping systems, which basically consists of two blocks. In the first block, the goal is to optimize the operating regime of pumps using a linear programming model to minimize the operating costs while maintaining the water levels in tanks within a threshold range. In the second block, once optimal pump operation is set, setting of pressure reducing valves is optimized in order to satisfy the total expected demand within the system's restrictions of maximum and minimum pressure, according to the pump operation. An important contribution of this thesis has been the replacement of the hydraulic model by an equivalent model based on parallelized architecture neural network (ANN), which significantly reduces the computation time, a very important aspect when a system for real-time optimization is implemented. The proposed methodology has been applied to the water supply network of Valencia and its metropolitan area, taking into account current energy tariff structure. Results prove the effectiveness of the proposed model in the search for feasible operation strategies, to be applied to a real distribution system with two water pumping stations, several tanks, and various regulation valves remotely operated. Many of the physical components of the system have been replaced by using ANN architecture, without affecting the pressure constraints at critical points. The achieved energy saving highlights the importance of applying optimization models as a mean of improving system energy efficiency.[ES] Con el aumento de precios de la energía, el coste de la energía eléctrica utilizada por los sistemas de bombeo representa la mayor parte del coste total de la operación en los sistemas de distribución de agua. Por esta razón, y porque los precios de la energía son variables hora a hora, es necesario un control óptimo en tiempo real del régimen de operación de las estaciones de bombeo y el régimen de regulación de las válvulas, con el fin de minimizar los costes energéticos y al mismo tiempo controlar las presiones en la red. Para alcanzar este objetivo es necesario definir un modelo de optimización que dé como resultado un escenario de operación viable. Por otra parte, los modelos de simulación hidráulica permiten realizar el seguimiento del régimen de operación diaria de una red de abastecimiento de agua, y su integración en un sistema SCADA constituyen una herramienta de valiosa ayuda para la toma de decisiones. Para ello el modelo matemático deberá estar calibrado y permanentemente actualizado. Finalmente para llevar a cabo un control óptimo en tiempo real es necesario definir un modelo de previsión de demanda que permita anticipar el estado de la red para las próximas 24 horas. La presente tesis presenta una metodología de operación óptima en tiempo real de una red hidráulica basada en el desarrollo de una plataforma que permite la integración de modelos de simulación, los modelos de predicción y los algoritmos de optimización con los sistemas SCADA. Con vistas a realizar una optimización en tiempo real lo más ajustada a la realidad se ha adoptado un modelo de previsión de demanda basado en patrones históricos procedentes de los datos de consumos obtenidos a través del propio sistema SCADA. Finalmente se ha desarrollado un módulo de optimización para minimizar los costes energéticos del sistema de bombeo, el cual, consta básicamente de dos bloques. En el primer bloque el objetivo ha sido optimizar el régimen de operación de las bombas mediante un modelo por programación lineal con el objetivo de minimizar los costes de operación manteniendo los niveles en los depósitos dentro del rango prefijado. En el segundo bloque, una vez definido el estado de operación de las bombas, se han optimizado las consignas de las válvulas de regulación, consideradas como válvulas reductoras de presión, con tal de satisfacer la demanda total prevista cumpliendo las restricciones de presión máxima y mínima del sistema, de acuerdo con la operación de las bombas. Como una aportación importante de la tesis, a la hora de realizar las simulaciones hidráulicas de las diferentes soluciones propuestas por el optimizador, se ha sustituido el simulador hidráulico por un modelo equivalente basado en una arquitectura de red neuronal paralelizada (ANN), el cual permite reducir significativamente el tiempo de cálculo, aspecto de gran importancia cuando se trata de implantar un sistema de optimización en tiempo real. La metodología propuesta ha sido aplicada sobre la red a abastecimiento de agua a Valencia y su área metropolitana, considerando los bloques de tarifas eléctricas vigentes para el caso de estudio. La tesis doctoral presenta unos resultados que prueban la efectividad del modelo propuesto en la búsqueda de estrategias de operación viables para ser aplicado sobre un sistema de distribución de agua real compuesta por dos estaciones de bombeo, varios depósitos, y diversas válvulas de regulación motorizadas, en la que se han podido omitir muchos de los componentes físicos del sistema mediante el uso de una arquitectura ANN, pero sin perder de vista los puntos críticos donde se han establecido las restricciones del presión. La reducción del consumo eléctrico alcanzado, pone de manifiesto la importancia del modelo de optimización como instrumento de mejora de la eficiencia energética del sistema.[CA] Amb l'augment de preus de l'energia, el cost de l'energia elèctrica utilitzada pels sistemes de bombament representa la major part del cost total de l'operació en els sistemes de distribució d'aigua. Per esta raó, i perquè els preus de l'energia són variables hora a hora, és necessari un control òptim en temps real del règim d'operació de les estacions de bombament i el règim de regulació de les vàlvules, a fi de minimitzar els costos energètics i al mateix temps controlar les pressions en la xarxa. Per a aconseguir este objectiu és necessari definir un model d'optimització que done com resultat un escenari d'operació viable. D'altra banda, els models de simulació hidràulica permeten realitzar el seguiment del règim d'operació diària d'una xarxa d'abastiment d'aigua, i la seua integració en un sistema SCADA contituyen una ferramenta de valuosa ajuda per a la presa de decisions. Per això el model matemàtic haurà d'estar calibrat i permanentment actualitzat. Finalment per a dur a terme un control òptim en temps real és necessari definir un model de previsió de la demanda que permeta anticipar l'estat de la xarxa per a les pròximes 24 hores. La present tesi presenta una metodologia d'operació òptima en temps real d'una xarxa hidràulica basada en el desenrotllament d'una plataforma que permet la integració de models de simulació, els models de predicció i els algoritmes d'optimització amb els sistemes SCADA. Amb vista a realitzar una optimització en temps real el més ajustada a la realitat s'ha adoptat un model de previsió de demanda basat en patrons històrics procedents de les dades de consums obtinguts a través del propi sistema SCADA. Finalment s'ha desenvolupat un mòdul d'optimització per minimitzar els costos energètics del sistema de bombament, el qual, consta bàsicament de dos blocs. En el primer bloc l'objectiu ha estat optimitzar el règim d'operació de les bombes mitjançant un model per programació lineal amb l'objectiu de minimitzar els costos d'operació mantenint els nivells en els dipòsits dins del rang prefixat. En el segon bloc, un cop definit l'estat d'operació de les bombes, s'han optimitzat les consignes de les vàlvules de regulació, considerades com vàlvules reductores de pressió, per tal de satisfer la demanda total prevista complint les restriccions de pressió màxima i mínima del sistema, d'acord amb l'operació de les bombes. Com una aportació important de la tesi, a l'hora de realitzar les simulacions hidràuliques de les diferents solucions proposades per l'optimitzador, s'ha substituït el simulador hidràulic per un model equivalent basat en una arquitectura de xarxa neuronal paralelizada (ANN), el qual permet reduir significativament el temps de càlcul, aspecte de gran importància quan es tracta d'implantar un sistema d'optimització en temps real. La metodologia proposada ha sigut aplicada sobre la xarxa a abastiment d'aigua a València i la seua àrea metropolitana, considerant els blocs de tarifes elèctriques vigents per al cas d'estudi. La tesi doctoral presenta uns resultats que proven l'efectivitat del model proposat en la busca d'estratègies d'operació viables per a ser aplicat sobre un sistema de distribució d'aigua real composta per dos estacions de bombament, uns quants depòsits, i diverses vàlvules de regulació motoritzades, en la que s'han pogut ometre molts dels components físics del sistema per mitjà de l'ús d'una arquitectura ANN, però sense perdre de vista els punts crítics on s'han establit les restriccions del pressió. La reducció del consum elèctric aconseguit, posa de manifest la importància del model d'optimització com a instrument de millora de l'eficiència energètica del sistema.Bou Soler, V. (2016). Optimización en tiempo real del modo de operación de un abastecimiento de agua mediante técnicas metaheurísticas. Aplicación a la RED de suministro a Valencia y su área metropolitana [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62692TESI

Efficient methods for radiation, scattering and propagation. Poster

This document describes the research activities performed in the areas of antennas, scattering and wave propagation by several research groups belonging to different Universities located in Eastern Spain. These groups are working in the practical applications of efficient numerical electromagnetic methods within the frame of several research projects funded by private and public Spanish and European institutions. The main results obtained by these groups related to such topics, i.e. analysis algorithms, CAD tools, validation prototypes, as well as most relevant publications in technical conferences, journals and books, will be thoroughly described in this summary

Methodology for grouping intakes of pressurised irrigation networks into sectors to minimise energy consumption

[EN] Grouping intakes into sectors so they operate in scheduled periods allows irrigation networks to be operated more efficiently from an energy point of view. In the case of systems where water is supplied by pumps, the criteria used to date to create irrigation sectors does not guarantee that pumping sets work in the most efficient manner, despite the use of variable frequency drives. A new methodology, using a genetic algorithm and a hydraulic network model, has been developed to group intakes into sectors to minimise energy consumption. The methodology was applied to a case study and several scenarios compared using energy performance indicators. Predictions on a case study in Spain showed that energy savings of 36.4% could be possible and operational network conditions can be improved by ensuring minimum pressures are guaranteed.This work has been funded by IMPIVA of Comunidad Valenciana and the Spanish Ministry of Education and Science by means of the project CICYT BIA 2004-06444. The authors wish to thank the company TECVASA (Tecnicas Valencianas del Agua S.A.) for their collaboration in this study.Jiménez Bello, MÁ.; Martínez Alzamora, F.; Bou Soler, V.; Bartolín Ayala, HJ. (2010). Methodology for grouping intakes of pressurised irrigation networks into sectors to minimise energy consumption. Biosystems Engineering. 105(4):429-438. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2009.12.014S429438105

SISTEMA DE APOYO A LA TOMA DE DECISIONES PARA EL TELEMANDO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE AGUA EN ALTA DE LA ACEQUIA REAL DEL JUCAR

[EN] The Acequia Real del Jucar is one of the oldest irrigation infrastructures in Spain, ordered built by Jaime I in 1258. Currently irrigates 20,000 hectares of fertile land in the region of La Ribera, aimed mostly citrus, but with an increasing rise of persimmon. At the end provides enough water to flood the rice fields of the Albufera Lake. The Acequia Real launched in 2001 an ambitious project to pressurize the transport system and transform the irrigation system to drip, in order to improve the hydraulic efficiency and the quality of life of the farmers, with the financial support of the public administration. So far, the construction is completed in the main pipes and 10 of the 45 drip irrigation s sectors. The water carrier supply pressurized water taking advantage of the 40 m of head difference between the Escala tunnel at Tous dam and the irrigation area, with consequent energy savings. Along its 42 km, the main line serves over 100 discharge points and 21 connections to supply the drip irrigation network, with 253 motorized valves. It also feeds an emergency pumping to supply water to Valencia, bypassing a stretch of the Júcar-Turia canal. To control remotely the entire system there is installed a powerful SCADA system located in the Control Center of Benimodo (Valencia). Scared application works at the same place as a Decision Support System (DSS) fed from the SCADA data, which allows simulating in real time any irrigation strategy, or the operation of the emergency pumping[ES] La Acequia Real del Júcar (ARJ) es una de las infraestructuras de riego más antiguas de España, ordenada construir por Jaime I en 1258. Actualmente riega 20.000 Ha de tierra fértil en la comarca de La Ribera, destinada en su mayoría a cítricos, aunque con un auge creciente del caqui. En su extremo final proporciona el agua necesaria para inundar los arrozales de la Albufera. La Acequia Real puso en marcha en 2001 un ambicioso proyecto de presurización del sistema de riego y su conversión a goteo, destinado a mejorar de la eficiencia hidráulica del riego y la calidad de vida de los regantes, que ha conllevado un importante esfuerzo financiero por parte de las administraciones públicas. Hasta el momento se ha completado la construcción de la red principal y de 10 de los 45 sectores de riego a goteo. El agua circula hoy día por una conducción a presión que aprovecha los 40 m de desnivel entre el túnel de la Escala de Tous y la zona regable, con el consiguiente ahorro energético. La conducción principal da servicio a lo largo de sus 42 km, a más de 100 puntos de descarga y a 21 tomas para el riego por goteo, con 253 válvulas motorizadas. También alimenta un bombeo de emergencia para suministrar agua a Valencia, by-paseando un tramo del canal Júcar-Turia. Para controlar todo el sistema por telemando se dispone de un potente SCADA ubicado en el Centro de Control de Benimodo (Valencia). Sobre él se ha instalado la aplicación SCARed, como Sistema de Apoyo a la Toma de Decisiones, el cual permite simular en tiempo real cualquier estrategia de riego, o la operación del bombeo de emergenciaMartínez Alzamora, F.; Bou Soler, V.; Corts, A.; Hervás, A. (2015). SISTEMA DE APOYO A LA TOMA DE DECISIONES PARA EL TELEMANDO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE AGUA EN ALTA DE LA ACEQUIA REAL DEL JUCAR. En XXXIII CONGRESO NACIONAL DE RIEGOS. Valencia 16-18 junio de 2015. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/CNRiegos.2015.1527OC

Importación y exportación de los datos de EPANET al entorno gvSIG con el módulo de programación v2.1

[EN] The application EPAgvSIG is intended to integrate in a free GIS the main capabilities of the worldwide known EPANET software, and to add new performances addressed for decision taking in the management of water distribution systems. Other improvements will be aimed to make easy the work of engineers and technicians while building the hydraulic model of the water network. As a first development to gain experience working with gvSIG v2.1 libraries, a couple of scripts has been developed to import and export EPANET files from the gvSIG environment. Both scripts has been developed by using the programming language Jython and the available gvSIG libraries to read a text file and convert the geometric properties into shape files. In order to validate these scripts, a total of seven hydraulic models of water networks of different size and configuration have been tried with excellent results, being the running time very fast and comparable of that of the Shapelib library. We hope this first application could be useful for water companies, engineering service providers and municipal technicians in order to improve the managing of water supply systems.[ES] La aplicación EPAgvSIG, pretende integrar las distintas funcionalidades del conocido software EPANET, y añadir nuevas prestaciones para la toma de decisiones en la gestión de las redes de abastecimiento de agua potable, además de ofrecer una serie de utilidades que permitan facilitar el trabajo de los técnicos y/o profesionales. Como un primer acercamiento para conocer la forma de trabajar con las librerías de gvSIG, v2.1, se desarrollaron dos scripts que permiten importar y exportar ficheros Epanet desde el propio gvSIG. Los scripts se desarrollaron utilizando el lenguaje de programación Jython y las librerías de gvSIG para poder leer un fichero de texto y escribir sobre unos ficheros de forma geométrica, ficheros shape. La validación de estos scripts se trabajó con siete modelos de sistemas de abastecimiento de agua, de distintas configuraciones, dando excelentes resultados donde los tiempos de ejecución son excelentes comparado con la librería Shapelib. Se espera que la aplicación sea utilizada por compañías de servicios, ingenierías o técnicos municipales, para mejorar la gestión y operación de los sistemas de suministro de agua.Oscar Tomas Vegas Niño agradece al Programa Nacional de Becas y Crédito Educativo del Perú (PRONABEC) por conceder una Beca de Estudios Doctoral en el Programa de Ingeniería del Agua y Medio Ambiental de la Universidad Politécnica de Valencia. Los autores quieren manifestar su agradecimiento a los organizadores de las 11as Jornadas Internacionales de gvSIG «Es Posible es Real» y al equipo editor de la revista MAPPING su interés por este trabajo.Vegas Niño, OT.; Martínez Alzamora, F.; Bou Soler, V. (2016). Importación y exportación de los datos de EPANET al entorno gvSIG con el módulo de programación v2.1. Mapping. 25(177):60-65. http://hdl.handle.net/10251/98046S60652517

NUEVA METODOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE LA PROGRAMACIÓN DE RIEGO ÓPTIMA APROVECHANDO LA DIFERENCIA DE COTA ENTRE EL PUNTO DE SUMINISTRO Y EL DE CONSUMO

[EN] The high amount of energy required for the operation of pressurized irrigation networks, and the increasing electric tariffs over the last years have led researchers to develop new methodologies and strategies focused on reducing the exploitation cost of these networks. Among irrigation networks there are many in which the head of the source node is high enough to deliver water to some takeoffs at the required pressure. For these cases, considerable savings can be obtained by performing the irrigation of the maximum number of takeoffs without pumping during the hours when energy is more expensive. In this work a new methodology was developed for maximizing the volume delivered by gravity during a specific time interval, while guaranteeing a minimum service pressure at each operating takeoff, by setting the instants when each takeoff starts and finishes irrigation. The methodology is based on combining a Genetic Algorithm with the hydraulic simulation of the network using the Epanet toolkit. It was developed in Visual Studio by means of the C# programming language. The optimization was tested on two real cases and it was achieved a volume increase delivered by gravity of around 30% compared to the current situation.[ES] El elevado consumo energético vinculado a la operación de redes de riego por goteo o aspersión, junto con el notable aumento de las tarifas eléctricas en los últimos años, ha propiciado el desarrollo de metodologías y estrategias orientadas a reducir el coste de explotación de dichas redes. Para las redes en las que el punto de suministro tiene una cota suficientemente elevada para alimentar algunas tomas en condiciones adecuadas de presión, puede obtenerse un importante ahorro energético si se aprovechan las horas en las que la electricidad es más cara para regar el máximo número de tomas posible sin hacer uso del bombeo. En el presente trabajo se ha desarrollado una metodología que maximiza el volumen aportado por gravedad en un determinado periodo de tiempo, a la vez que garantiza una presión mínima en cada punto de consumo, determinando para ello los instantes de inicio y fin de riego de cada parcela. La metodología se basa en la combinación de un Algoritmo Genético con la simulación hidráulica de la red en Epanet, y se ha implementado en el entorno de programación Visual Studio mediante el lenguaje de programación C#. La optimización se ha aplicado a dos casos reales alcanzando un incremento del volumen aportado del orden del 30% respecto de la situación actual.Este trabajo ha sido financiado por el Proyecto Europeo FIGARO (Flexible and precIse irriGation plAtform to improve faRm scale water prOductivity), dentro del 7º Programa Marco, en el ámbito “Precision technologies to improve irrigation management and increase water productivity in major water-demanding crops in Europe” (KBBE.2012.1.1-03).Alonso Campos, JC.; Jiménez Bello, MÁ.; Martínez Alzamora, F.; Bou Soler, V. (2015). NUEVA METODOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE LA PROGRAMACIÓN DE RIEGO ÓPTIMA APROVECHANDO LA DIFERENCIA DE COTA ENTRE EL PUNTO DE SUMINISTRO Y EL DE CONSUMO. En XXXIII CONGRESO NACIONAL DE RIEGOS. Valencia 16-18 junio de 2015. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/CNRiegos.2015.1518OC